Efekt fotoakustyczny

Efekt fotoakustyczny lub efekt optoakustyczny to powstawanie fal dźwiękowych po absorpcji światła w próbce materiału. Aby uzyskać ten efekt, intensywność światła musi się zmieniać okresowo ( światło modulowane ) lub jako pojedynczy błysk ( światło pulsacyjne ). Efekt fotoakustyczny ocenia się ilościowo, mierząc powstający dźwięk (zmiany ciśnienia) za pomocą odpowiednich detektorów, takich jak mikrofony lub czujniki piezoelektryczne . Zmienność w czasie wyjścia elektrycznego (prądu lub napięcia) z tych detektorów jest sygnałem fotoakustycznym. Pomiary te są przydatne do określenia pewnych właściwości badanej próbki. Na przykład w spektroskopii fotoakustycznej , sygnał fotoakustyczny jest używany do uzyskania rzeczywistej absorpcji światła w obiektach nieprzezroczystych lub przezroczystych. Jest to przydatne w przypadku substancji w bardzo niskich stężeniach, ponieważ bardzo silne impulsy światła z lasera można wykorzystać do zwiększenia czułości, a bardzo wąskie długości fal można zastosować do specyficzności. Ponadto pomiary fotoakustyczne służą jako cenne narzędzie badawcze w badaniu ciepła wydzielanego w reakcjach fotochemicznych (patrz: fotochemia ), szczególnie w badaniu fotosyntezy .

Najbardziej ogólnie, promieniowanie elektromagnetyczne wszelkiego rodzaju może wywołać efekt fotoakustyczny. Obejmuje to cały zakres częstotliwości elektromagnetycznych, od promieniowania gamma i rentgenowskiego po mikrofale i fale radiowe . Mimo to wiele zgłoszonych badań i zastosowań wykorzystujących efekt fotoakustyczny dotyczy obszarów widmowych bliskiego ultrafioletu / światła widzialnego i podczerwieni .

Historia

Odkrycie efektu fotoakustycznego datuje się na rok 1880, kiedy Alexander Graham Bell eksperymentował z transmisją dźwięku na duże odległości. Dzięki swojemu wynalazkowi, zwanemu „ fotofonem ”, przesyłał sygnały głosowe odbijając światło słoneczne od ruchomego lustra do selenowego odbiornika ogniw słonecznych . Jako produkt uboczny tego badania zauważył, że fale dźwiękowe były wytwarzane bezpośrednio z próbki stałej po wystawieniu na wiązkę światła słonecznego, która została szybko przerwana przez obracające się koło szczelinowe. Zauważył, że wynikowy sygnał akustyczny był zależny od rodzaju materiału i słusznie wywnioskował, że efekt był spowodowany przez pochłanianie energia świetlna , która następnie ogrzewa próbkę. Później Bell wykazał, że materiały wystawione na niewidzialne (ultrafioletowe i podczerwone) części widma słonecznego mogą również wytwarzać dźwięki i wynalazł urządzenie, które nazwał „spektrofonem”, aby zastosować ten efekt do spektralnej identyfikacji materiałów. Bell, a później John Tyndall i Wilhelm Röntgen rozszerzył te eksperymenty, wykazując ten sam efekt w cieczach i gazach. Jednak wyniki były zbyt surowe, zależne od wykrywania ucha, i wkrótce porzucono tę technikę. Z zastosowaniem efektu fotoakustycznego trzeba było poczekać do opracowania czułych czujników i intensywnych źródeł światła. W 1938 roku Mark Leonidovitch Veingerov ponownie zainteresował się efektem fotoakustycznym, będąc w stanie wykorzystać go do pomiaru bardzo małych dwutlenku węgla w gazowym azocie (zaledwie 0,2% objętości). Od tego czasu badania i zastosowania rozwijały się szybciej i szerzej, uzyskując kilkukrotnie większą czułość wykrywania.

Chociaż efekt ogrzewania pochłoniętego promieniowania uznano za główną przyczynę efektu fotoakustycznego, w 1978 roku wykazano, że wydzielanie gazu w wyniku reakcji fotochemicznej może również powodować efekt fotoakustyczny. Niezależnie, biorąc pod uwagę pozornie anomalne zachowanie sygnału fotoakustycznego z liścia rośliny, którego nie można wyjaśnić wyłącznie efektem ogrzewania ekscytującego światła, doprowadziło do poznania, że ​​fotosyntetyczna ewolucja tlenu jest zwykle głównym czynnikiem przyczyniającym się do sygnału fotoakustycznego w tym przypadku.

Mechanizmy fizyczne

Mechanizm fototermiczny

Chociaż większość literatury na ten temat dotyczy tylko jednego mechanizmu, w rzeczywistości istnieje kilka różnych mechanizmów, które wytwarzają efekt fotoakustyczny. Podstawowym uniwersalnym mechanizmem jest mechanizm fototermiczny , oparty na efekcie ogrzewania światła i wynikającej z tego ekspansji materiału pochłaniającego światło. Szczegółowo mechanizm fototermiczny składa się z następujących etapów:

1. zamiana pochłoniętego promieniowania impulsowego lub modulowanego na energię cieplną.
2. czasowe zmiany temperatur w loci, w których promieniowanie jest pochłaniane – wzrastające wraz z pochłanianiem promieniowania i spadające, gdy promieniowanie zatrzymuje się i system się ochładza.
3. rozszerzanie i kurczenie się po tych zmianach temperatury, które są „przekładane” na zmiany ciśnienia. Zmiany ciśnienia, które występują w obszarze, w którym światło zostało pochłonięte, rozchodzą się w ciele próbki i mogą być wykryte przez podłączony bezpośrednio do niego czujnik. Zwykle w przypadku próbki fazy skondensowanej (cieczy, ciała stałego) zmiany ciśnienia są raczej mierzone w otaczającej fazie gazowej (najczęściej w powietrzu), utworzonej tam przez dyfuzję pulsacji termicznych.

Główny obraz fizyczny w tym przypadku przedstawia pierwotne pulsacje temperatury jako źródło rozchodzących się fal temperatur („fal termicznych”), które przemieszczają się w fazie skondensowanej, ostatecznie docierając do otaczającej fazy gazowej. Wynikające z tego pulsacje temperatury w fazie gazowej są główną przyczyną zachodzących tam zmian ciśnienia. Amplituda przemieszczającej się fali termicznej maleje silnie (wykładniczo) wzdłuż kierunku jej propagacji, ale jeśli odległość jej propagacji w fazie skondensowanej nie jest zbyt duża, jej amplituda w pobliżu fazy gazowej jest wystarczająca do wytworzenia wykrywalnych zmian ciśnienia. Ta właściwość fali termicznej nadaje unikalne właściwości wykrywaniu absorpcji światła metodą fotoakustyczną. Zachodzące zmiany temperatury i ciśnienia są niewielkie w porównaniu do codziennej skali – typowy rząd wielkości zmian temperatury, przy zwykłym natężeniu światła, wynosi od mikro do milistopni, a wynikające z tego zmiany ciśnienia od nano do mikrobarów.

Mechanizm fototermiczny objawia się, oprócz efektu fotoakustycznego, także innymi zmianami fizycznymi, a mianowicie emisją promieniowania podczerwonego i zmianami współczynnika załamania światła . Odpowiednio, można go wykryć różnymi innymi sposobami, opisywanymi terminami, takimi jak „radiometria fototermiczna”, „soczewka termiczna” i „odchylenie wiązki termicznej” (popularnie znany również jako efekt „ mirażu ”, patrz spektroskopia fototermiczna ) . Metody te są równoległe do detekcji fotoakustycznej. Jednak każda metoda ma swój szczególny zakres zastosowań.

Inny

Chociaż mechanizm fototermiczny jest uniwersalny, mogą istnieć dodatkowe inne mechanizmy, nałożone na mechanizm fototermiczny, które mogą znacząco przyczynić się do sygnału fotoakustycznego. Mechanizmy te są ogólnie związane z procesami fotofizycznymi i reakcjami fotochemicznymi następującymi po absorpcji światła: (1) zmiana równowagi materiałowej próbki lub fazy gazowej wokół próbki; (2) zmiana organizacji cząsteczkowej, której skutkiem są zmiany objętości cząsteczkowej. Najbardziej znanymi przykładami tych dwóch rodzajów mechanizmów są fotosynteza.

Pierwszy z powyższych mechanizmów jest najbardziej widoczny w fotosyntetyzującym liściu rośliny . Tam wydzielanie tlenu wywołane światłem powoduje zmiany ciśnienia w fazie powietrza, co skutkuje sygnałem fotoakustycznym, który jest porównywalny pod względem wielkości z sygnałem powodowanym przez mechanizm fototermiczny. Mechanizm ten został wstępnie nazwany „fotobarycznym”. Drugi mechanizm pojawia się w fotosyntetycznie aktywnych kompleksach subkomórkowych w zawiesinie (np. fotosyntetyczne centra reakcji ). Tam pole elektryczne, które powstaje w centrum reakcji, w następstwie indukowanego światłem procesu przeniesienia elektronu, powoduje mikro elektrostrykcji ze zmianą objętości cząsteczki. To z kolei indukuje falę ciśnienia, która rozchodzi się w ośrodku makroskopowym. Innym przypadkiem tego mechanizmu jest pompa protonowa Bacteriorhodopsin . Tutaj wywołana światłem zmiana objętości cząsteczki jest spowodowana zmianami konformacyjnymi, które zachodzą w tym białku po absorpcji światła.

Wykrywanie efektu fotoakustycznego

W zastosowaniu efektu fotoakustycznego istnieją różne tryby pomiaru. Próbki gazowe lub próbki fazy skondensowanej, w przypadku których mierzy się ciśnienie w otaczającej fazie gazowej, są zwykle sondowane za pomocą mikrofonu. Przydatna skala czasu, która ma zastosowanie w tym przypadku, to skala od milisekundy do subsekundy. Najczęściej w tym przypadku światło wzbudzające jest w sposób ciągły przerywane lub modulowane z określoną częstotliwością (przeważnie w zakresie ok. 10–10000 Hz), a zmodulowany sygnał fotoakustyczny jest analizowany za pomocą wzmacniacza blokującego dla jego amplitudy i fazy lub dla składowych infazowych i kwadraturowych. Gdy ciśnienie jest mierzone w fazie skondensowanej badanej próbki, wykorzystuje się czujniki piezoelektryczne umieszczone w samej próbce lub połączone z nią. W tym przypadku skala czasu wynosi od mniej niż nanosekund do wielu mikrosekund Sygnał fotoakustyczny, uzyskiwany z różnych czujników ciśnienia, zależy od właściwości fizycznych układu, mechanizmu tworzącego sygnał fotoakustyczny, materiału pochłaniającego światło, dynamiki relaksacji stanu wzbudzonego i częstotliwości modulacji lub profilu impulsowego promieniowania, a także właściwości czujnika. Wymaga to odpowiednich procedur w celu (i) rozdzielenia sygnałów ze względu na różne mechanizmy oraz (ii) uzyskania zależności wydzielania się ciepła w czasie (w przypadku mechanizmu fototermicznego) lub wydzielania tlenu (w przypadku mechanizmu fotobarycznego w fotosyntezie) lub zależności zmian objętości w czasie od zależności czasowej wynikowego sygnału fotoakustycznego.

Aplikacje

Biorąc pod uwagę sam mechanizm fototermiczny, sygnał fotoakustyczny jest przydatny do pomiaru widma absorpcji światła , szczególnie w przypadku przezroczystych próbek, w których absorpcja światła jest bardzo mała. W tym przypadku zwykła metoda spektroskopii absorpcyjnej , oparta na różnicy natężeń wiązki światła przed i po jej przejściu przez próbkę, jest niepraktyczna. W spektroskopii fotoakustycznej nie ma takiego ograniczenia. sygnał jest bezpośrednio związany z absorpcją światła i intensywnością światła. Podzielenie widma sygnału przez widmo natężenia światła może dać względne widmo procentowe absorpcji, które można skalibrować, aby uzyskać wartości bezwzględne. Jest to bardzo przydatne do wykrywania bardzo małych stężeń różnych materiałów. Spektroskopia fotoakustyczna jest również przydatna w odwrotnym przypadku nieprzezroczystych próbek, w których absorpcja jest zasadniczo całkowita. W układzie, w którym czujnik jest umieszczony w fazie gazowej nad próbką, a światło pada na próbkę od góry, sygnał fotoakustyczny pochodzi ze strefy absorpcji blisko powierzchni. Typowym parametrem rządzącym w tym przypadku sygnałem jest „długość dyfuzji termicznej”, która zależy od materiału i częstotliwości modulacji i zwykle jest rzędu kilku mikrometry . Sygnał jest odniesiony do światła zaabsorbowanego na niewielkiej odległości długości dyfuzji termicznej, co pozwala na wyznaczenie widma absorpcji. Pozwala to również na osobną analizę powierzchni, która różni się od bryły. Zmieniając częstotliwość modulacji i długość fali promieniowania sondującego zasadniczo zmienia się sondowaną głębokość, co daje możliwość profilowania głębokości i obrazowania fotoakustycznego , który ujawnia niejednorodności w próbce. Analiza ta obejmuje również możliwość określenia właściwości termicznych z sygnału fotoakustycznego.

Ostatnio podejście fotoakustyczne zostało wykorzystane do ilościowego pomiaru makrocząsteczek, takich jak białka. Fotoakustyczny test immunologiczny znakuje i wykrywa docelowe białka za pomocą nanocząstek, które mogą generować silne sygnały akustyczne. Analiza białek oparta na fotoakustyce została również zastosowana do testów w miejscu opieki.

Innym zastosowaniem efektu fotoakustycznego jest jego zdolność do oszacowania energii chemicznej zmagazynowanej na różnych etapach reakcji fotochemicznej. Po absorpcji światła zachodzą przemiany fotofizyczne i fotochemiczne, które magazynują część energii świetlnej w postaci energii chemicznej. Magazynowanie energii prowadzi do mniejszego wydzielania ciepła. Wynikający z tego mniejszy sygnał fotoakustyczny daje zatem ilościowe oszacowanie rozmiaru magazynowania energii. W przypadku gatunków przejściowych wymaga to pomiaru sygnału w odpowiedniej skali czasowej i możliwości wydobycia z czasowej części sygnału zależnej od czasu ewolucji ciepła, poprzez odpowiednią dekonwolucję. Istnieje wiele przykładów dla tej aplikacji. Podobnym zastosowaniem jest badanie konwersji energii świetlnej na energię elektryczną w ogniwach słonecznych. Szczególnym przykładem jest zastosowanie efektu fotoakustycznego w badaniach nad fotosyntezą.

Efekt fotoakustyczny w fotosyntezie

Fotosynteza jest bardzo odpowiednią platformą do badania efektu fotoakustycznego, dostarczając wielu przykładów jej różnych zastosowań. Jak wspomniano powyżej, sygnał fotoakustyczny z mokrych okazów fotosyntetyzujących (np. mikroalgi w zawiesinie, wodorosty ) jest głównie fototermiczny. Sygnał fotoakustyczny ze struktur gąbczastych (liście, porosty ) jest połączeniem wkładu fototermicznego i fotobarycznego (wydzielanie lub pochłanianie gazu). Sygnał fotoakustyczny z preparatów przeprowadzających pierwotne reakcje przeniesienia elektronu (np. centra reakcji ) jest kombinacją udziału zmian objętości fototermicznej i molekularnej. W każdym przypadku, odpowiednio, pomiary fotoakustyczne dostarczyły informacji nt

• Magazynowanie energii (tj. część energii świetlnej, która jest przekształcana w energię chemiczną w procesie fotosyntezy;
• Zakres i dynamika wydzielania i pobierania gazu z liści lub porostów. Najczęściej to fotosyntetyczne wydzielanie tlenu przyczynia się do powstania sygnału fotoakustycznego; Pochłanianie dwutlenku węgla jest procesem powolnym i nie pojawia się w pomiarach fotoakustycznych. Jednak w bardzo specyficznych warunkach sygnał fotoakustyczny staje się przejściowo ujemny, prawdopodobnie odzwierciedlając pobór tlenu. Wymaga to jednak dalszej weryfikacji;
• Zmiany objętości cząsteczkowej, które występują podczas podstawowych etapów fotosyntetycznego transferu elektronów.

Pomiary te dostarczyły informacji związanych z mechanizmem fotosyntezy, a także dały wskazówki co do nienaruszalności i zdrowia okazu.

Przykładami są: (a) energetyka pierwotnych procesów przenoszenia elektronów , uzyskana z magazynowania energii i zmiany objętości cząsteczkowej mierzonej w błyskach submikrosekundowych; (b) Charakterystyka 4-etapowego cyklu utleniania w fotosystemie II , uzyskana dla liści przez monitorowanie impulsowych sygnałów fotoakustycznych i ich zachowanie oscylacyjne w powtarzających się ekscytujących błyskach światła; (c) charakterystyka fotosystemu I i fotosystemu II fotosyntezy ( widmo absorpcyjne , dystrybucja światła do dwóch fotosystemów) i ich interakcje. Uzyskuje się to za pomocą stale modulowanego światła o określonej długości fali do wzbudzenia sygnału fotoakustycznego i pomiaru zmian w magazynowaniu energii i wydzielaniu tlenu spowodowanych przez światło tła o różnych wybranych długościach fal.

Ogólnie rzecz biorąc, fotoakustyczne pomiary magazynowania energii wymagają próbki referencyjnej do porównania. Jest to próbka o dokładnie takiej samej absorpcji światła (przy danej długości fali wzbudzenia), ale która całkowicie rozkłada całe zaabsorbowane światło na ciepło w rozdzielczości czasowej pomiaru. Całe szczęście, że systemy fotosyntetyczne samokalibrują się, dostarczając takie odniesienie w jednej próbce, jak następuje: Porównuje się dwa sygnały: jeden, który jest uzyskiwany za pomocą samego sondującego światła modulowanego/impulsującego, a drugi, gdy stałe światło niemodulowane (określane jako światło tła ), który jest wystarczająco silny, aby doprowadzić fotosyntezę do nasycenia. Dodane stałe światło samo w sobie nie wytwarza żadnego efektu fotoakustycznego, ale zmienia odpowiedź fotoakustyczną dzięki modulowanemu/impulsowemu światłu sondującemu. Otrzymany sygnał służy jako odniesienie do wszystkich innych pomiarów przy braku światła tła. Część fototermiczna sygnału odniesienia jest maksymalna, ponieważ przy nasyceniu fotosyntetycznym energia nie jest magazynowana. Jednocześnie wkład innych mechanizmów dąży do zera przy nasyceniu. Zatem sygnał odniesienia jest proporcjonalny do całkowitej pochłoniętej energii świetlnej.

W celu oddzielenia i zdefiniowania udziału fotobarycznego i fototermicznego w próbkach gąbczastych (liście, porosty) wykorzystuje się następujące właściwości sygnału fotoakustycznego: (1) Przy niskich częstotliwościach (poniżej około 100 Hz) część fotobaryczna sygnału fotoakustycznego może być dość duża, a całkowity sygnał maleje w świetle tła. Sygnał fotobaryczny uzyskuje się w zasadzie z różnicy sygnałów (sygnał całkowity minus sygnał odniesienia, po korekcie uwzględniającej magazynowanie energii). (2) Jednak przy wystarczająco wysokich częstotliwościach sygnał fotobaryczny jest znacznie osłabiony w porównaniu ze składową fototermiczną i można go pominąć. Ponadto nie można zaobserwować żadnego sygnału fotobarycznego nawet przy niskich częstotliwościach w liściu z wewnętrzną przestrzenią powietrzną wypełnioną wodą. Dotyczy to również żywych plech alg, zawiesin mikroglonów i bakterii fotosyntetyzujących. Dzieje się tak, ponieważ sygnał fotobaryczny zależy od dyfuzji tlenu z membran fotosyntetycznych do fazy powietrza i jest w dużej mierze osłabiany wraz ze wzrostem odległości dyfuzji w środowisku wodnym. We wszystkich powyższych przypadkach, gdy nie obserwuje się sygnału fotobarycznego, można określić magazynowanie energii, porównując sygnał fotoakustyczny uzyskany samym światłem sondującym z sygnałem odniesienia. Parametry uzyskane z powyższych pomiarów są wykorzystywane na różne sposoby. Magazynowanie energii i intensywność sygnału fotobarycznego są związane z wydajnością fotosyntezy i mogą być wykorzystywane do monitorowania i śledzenia stanu zdrowia organizmów fotosyntetyzujących. Służą również do uzyskania mechanistycznego wglądu w proces fotosyntezy: światło o różnych długościach fal pozwala uzyskać widmo wydajności fotosyntezy, rozkład światła między dwoma fotosystemami fotosyntezy oraz zidentyfikować różne taksony fitoplanktonu. Sposób użycia lasery pulsacyjne dostarczają termodynamicznych i kinetycznych informacji na temat podstawowych etapów przenoszenia elektronów w fotosyntezie.

Zobacz też

• Mikrofalowy efekt słuchowy