1。はじめに
光音響分光法（PAS） は、光吸収の結果として音波の生成を通じて化学物質の濃度を検出および測定するために使用される強力な分析手法です。 1880年代にアレクサンダー・グラハム・ベルによって最初に観察された、光音響効果は何十年もの間科学的な好奇心のままでした。レーザーと敏感なマイクの出現により、PAは最新のガスセンシング、環境監視、生物医学分析、および材料の特性評価において重要なツールとして浮上しています。
PAでは、変調光がサンプルによって吸収され、局所的な加熱が生じます。この熱膨張は、マイクまたはその他の圧力に敏感なデバイスを使用して検出できる圧力波（サウンド）を生成します。生成された信号は吸収された光の量に直接比例するため、PASは材料の高感度の非破壊的分析を可能にし、多くの場合、検出制限は10億（ppb）に減少します。
2。PAの基本原則
2.1光音響効果
光音響効果は、材料による変調された電磁放射（通常は赤外線、紫外線）の吸収後の音波の生成です。
2.2メカニズム
- 変調光源：多くの場合、レーザーからの光は、特定の周波数で変調（パルスまたは刻んだ）。
- 吸収：サンプルは光子を吸収し、内部エネルギーを増加させます。
- 非放射性リラクゼーション：吸収されたエネルギーは、分子衝突により熱に変換されます。
- 熱膨張：局所的な加熱により、定期的な熱膨張とサンプルまたは周囲の培地の収縮が発生します。
- 圧力波の生成：これらの熱振動は、圧力（音）波を生成します。
- 検出：圧力波は、マイクまたは圧電センサーによって検出され、電気信号に変換されます。
2.3ビール - ランバート法
PAS強度は、材料の特性に対する光の吸収を関連付けるビール - ランバート法によって支配されています。
どこ：
PAでは、吸収が強いとより強い音響信号が生成され、定量分析が可能になります。
3。PASシステムのコンポーネント
3.1光源
- レーザー（例：ダイオード、量子カスケード、CO₂レーザー）：単色、調整性、高強度に好まれます。
- LEDまたはブロードバンドランプ：低コストまたはマルチ波長アプリケーションに使用。
3.2変調システム
- 光学チョッパー：ライトビームを定期的に中断する機械装置。
- 直接変調：レーザー電流または電圧を変化させて強度を変調します。
3.3光音響セル
光がサンプルと相互作用する密閉室。タイプは次のとおりです。
- オープンセル：周囲条件のガス用。
- 共鳴細胞：音響共鳴を介して信号を強化します。
- 非共鳴細胞：より広い周波数応答を提供します。
3.4検出システム
- マイク：コンデンサーまたはエレクトレットマイクは、圧力の変動をキャプチャします。
- クォーツチューニングフォーク（QEPAS）：微小な音響信号を検出する超敏感なセンサー。
- 圧電センサー：機械的圧力を電圧に変換します。
3.5信号処理ユニット
- ロックインアンプ：変調周波数で信号を抽出し、信号対雑音比を改善します。
- アナログからデジタルコンバーター（ADC）：デジタル分析用の信号を変換します。
4。PAのタイプ
4.1ガス相ではありません
トレースガス検出に使用されます。 PPBまたはPPT範囲の濃度を検出できます。
4.2固相PA
薄膜、半導体、顔料を含む固体または粉末の分析で使用されます。
4.3液相Pas
音波の減衰によりあまり一般的ではありませんが、特殊な生物医学または化学用途で使用されます。
4.4石英強化PA（QEPAS）
クォーツチューニングフォークを使用して音響信号が検出され、コンパクトセンサー設計を備えた微量ガスの検出を可能にする非常に敏感なバリアント。
5。PAの利点
| アドバンテージ | 説明 |
|---|---|
| 高感度 | 分析物の非常に低い濃度を検出します。 |
| 光パスアライメントは必要ありません | PAは、直接送信または反射測定に依存していません。 |
| コンパクトでポータブル | PAS機器は、特にQepasで小型化できます。 |
| 広いダイナミックレンジ | トレース量とバルク量の両方を検出できます。 |
| 非破壊的 | サンプルはテスト後もそのままです。 |
| マルチGAS検出 | 調整可能なレーザーは、複数の化合物を分析できます。 |
6。PAの制限
- 背景ノイズ：振動または周囲の音響ノイズは、信号に干渉する可能性があります。
- 複雑なキャリブレーション：定量的測定には正確な基準が必要です。
- 熱効果：温度と圧力の変動は、感度に影響を与える可能性があります。
- 選択的吸収：異なるガスからの吸収機能の重複は、分析を複雑にする可能性があります。
7。光音響分光法の応用
7.1環境監視
- 大気汚染監視：NOXの検出、 SO₂、 CO、 CH₄、および揮発性有機化合物（VOC）。
- 温室効果ガス：気候研究のためのCo₂、n₂o、およびCh₄の測定。
- 粒子状物質：ブロードバンド光を備えたPASシステムは、エアロゾルの吸収を定量化できます。
7.2産業の安全とプロセス制御
7.3医療および生物医学的アプリケーション
- 呼吸分析：揮発性バイオマーカー（糖尿病のアセトンなど）による非侵襲的診断。
- 組織の特性評価：血管またはがん診断のための光音響イメージング。
7.4国土安全保障
- 爆発物の検出：PASシステムは、爆発物または麻薬のトレースシグネチャを検出できます。
7.5食品と農業
- 腐敗検出：食品貯蔵におけるエチレンまたはアンモニアの監視。
- 土壌ガス分析：土壌呼吸からのCO₂およびメタンフラックスの測定。
7.6科学研究
- 材料科学：薄膜とナノ材料の光学特性。
- 天体物理学と大気化学：極端な環境でのガス測定をトレースします。
8。光音響イメージング
PASも基礎です 光音響イメージング（PAI）、光学的コントラストと超音波空間分解能を組み合わせた生物医学的イメージング技術。
パイの原則
パルスレーザーは、組織の急速な熱弾性膨張を誘導し、トランスデューサーによって捕捉された超音波波を生成します。これにより、血管、酸素化レベル、腫瘍の高解像度画像が可能になります。
利点
- 深い組織イメージング：純粋な光学方法よりも大きな浸透。
- 機能イメージング：酸素飽和とヘモグロビン濃度を視覚化します。
- ラベルフリー検出：メラニンやヘモグロビンのような天然発色団を活用します。
9。PASの最近の進歩
9.1 Qepas（石英強化PAS）
QEPASは、クォーツチューニングフォークを超敏感な音響検出器として使用し、次のことを可能にします。
- 低い検出限界（PPT範囲）
- コンパクトセンサーヘッド
- バックグラウンドノイズの減少
9.2 PASを伴う中赤外レーザー
量子カスケードレーザー（QCLS）などのMid-IRレーザーにより、強力な基本吸収帯を持つガスの検出が可能になります。
9.3 Multiplex not
ブロードバンド光源と分光計を使用して、多重PAは複雑な混合物の複数の化合物を同時に検出できます。
機械学習を備えた9.4 PAS
高度な信号処理と機械学習アルゴリズムは、特に騒々しい環境や吸収スペクトルが重複するため、選択性を改善します。
10。PASセンサーの設計上の考慮事項
PASセンサーを開発または選択するには、次のことを検討してください。
- ターゲット分析物：ガス、液体、または固相？
- 必要な感度：PPB、PPM、または％レベル？
- 環境条件：温度、湿度、および圧力の安定性。
- サイズと電力の制約：ポータブルまたはフィールド内の展開用。
- 交差感度：他のガスからの干渉を回避します。
11。規制および校正基準
規制産業で使用されるPASセンサー（排出監視、ヘルスケアなど）は、次のような基準を遵守する必要があります。
- EPAおよびEN基準 ガス排出用
- ISO/IEC キャリブレーション手順
- nist 参照材料のトレーサビリティ
通常、キャリブレーションは、認定ガス混合物を使用して達成され、定期的なチェックで検証されます。
12。将来の見通し
PASは、フォトニクス、音響、および材料科学の進歩によって推進され、進化し続けています。重要な傾向は次のとおりです。
- IoTとの統合：リアルタイム監視用のスマートセンサー。
- ウェアラブルPASデバイス：個人の健康と安全のため。
- 小型化されたレーザー：超コンパクト機器のMEMSベースの光源。
- 人工知能：パターン認識とガスフィンガープリンティングの強化。
13。結論
光音響分光法は、成熟しているが継続的に進歩的な分析技術であり、ガスと材料分析の比類のない感度と汎用性を提供します。環境の安全性から臨床診断に至るまでの用途では、PASは物理学、化学、工学の交差点にあります。センサー技術が小さく、より賢く、より手頃な価格になるにつれて、日常の監視と研究におけるPAの役割は劇的に拡大すると予想されます。
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