광음향 효과

Photoacoustic effect

광음향 효과 또는 광음향 효과는 재료 샘플의 빛 흡수에 따른 음파의 형성이다.이 효과를 얻으려면 광도가 주기적으로(변조광) 또는 단일 플래시(펄스광)[1][page needed][2]로 변화해야 합니다.광음향 효과는 마이크 또는 압전 센서와 같은 적절한 검출기를 사용하여 생성된 소리(압력 변화)를 측정하여 정량화합니다.이러한 검출기에서 나오는 전기 출력(전류 또는 전압)의 시간 변화는 광음향 신호입니다.이러한 측정은 연구된 표본의 특정 특성을 결정하는 데 유용합니다.예를 들어 광음향분광학에서 광음향신호는 불투명물체 또는 투명물체 중 하나에서 빛의 실제 흡수를 얻기 위해 사용된다.레이저에서 나오는 매우 강한 빛의 펄스를 사용하여 감도를 높이고 매우 좁은 파장을 사용하여 특이성을 높일 수 있기 때문에 매우 낮은 농도의 물질에 유용합니다.또한, 광음향 측정은 광화학 반응에서 진화한 열을 연구하는데 귀중한 연구 도구 역할을 한다(광화학 참조). 특히 광합성에 대한 연구에서는 더욱 그러하다.

가장 일반적으로, 어떤 종류의 전자파도 광음향 효과를 일으킬 수 있습니다.여기에는 감마선과 X선에서 마이크로파 및 무선에 이르기까지 전자파 주파수의 모든 범위가 포함된다.그럼에도 불구하고, 광음향 효과를 이용하여 보고된 연구 및 응용 프로그램의 대부분은 가까운 자외선/가시 및 적외선 스펙트럼 영역에 관한 것이다.

역사

광음향 효과의 발견은 알렉산더 그레이엄 벨이 장거리 음향 전송을 실험하던 1880년으로 거슬러 올라간다."포토폰"이라고 불리는 그의 발명품을 통해, 그는 움직이는 거울에서 나오는 태양 빛을 셀레늄 태양전지 [3]수신기에 반사시킴으로써 음성 신호를 전송했다.이 연구의 부산물로, 그는 회전 슬롯 [4]휠로 빠르게 차단되는 햇빛 빔에 노출되었을 때 고체 샘플에서 직접 음파가 발생한다는 것을 관찰했다.그는 결과 음향 신호가 재료의 종류에 따라 달라지는 것을 알아채고 그 효과가 흡수된 빛 에너지에 의해 발생하며 그 후에 샘플을 가열한다는 것을 정확하게 추론했다.나중에 벨은 태양 스펙트럼의 보이지 않는 부분(자외선과 적외선)에 노출된 물질들도 소리를 낼 수 있다는 것을 보여주었고,[5] 그가 "스펙트로폰"이라고 부르는 이 효과를 물질의 스펙트럼 식별에 적용하는 장치를 발명했다.벨 본인과 나중에 존 틴달과 빌헬름 뢴트겐은 액체와 [6][7]기체에서 같은 효과를 보여주며 이러한 실험을 확장했다.하지만, 결과는 너무 조잡했고, 귀 검출에 의존했고, 이 기술은 곧 포기되었다.광음향 효과의 적용은 민감한 센서와 강렬한 광원이 개발될 때까지 기다려야 했다.1938년 Mark Leonidovitch Veingerov는 광음향 효과에 대한 관심을 되살려 질소 가스의 매우 작은 이산화탄소 농도(부피 [8]0.2%)를 측정하기 위해 사용할 수 있었다.그 이후 연구와 응용 분야는 점점 더 빠르게 확대되어 검출 감도가 몇 배 더 높아졌습니다.

흡수된 방사선의 가열 효과가 광음향 효과의 주요 원인으로 간주되었지만, 1978년에는 광화학 반응에 의한 가스 진화가 광음향 [9]효과도 일으킬 수 있다는 것이 확인되었다.독립적으로, 들뜬 빛의 가열 효과만으로 설명할 수 없는 식물 잎의 광음향 신호의 명백한 이상 거동을 고려하면서,[10] 이 경우 광합성 산소 진화가 일반적으로 광음향 신호의 주요 원인이라는 인식을 가져왔다.

물리 메커니즘

광열 메커니즘

비록 이 주제에 관한 많은 문헌이 하나의 메커니즘에 관한 것이지만, 실제로 광음향 효과를 내는 몇 가지 다른 메커니즘이 있다.1차 범용 메커니즘은 빛의 가열 효과와 그에 따른 광흡수 물질의 팽창에 기초한 광열이다.광열 메커니즘은 세부적으로 다음과 같은 단계로 구성됩니다.

  1. 흡수된 펄스 또는 변조된 방사선을 열에너지로 변환합니다.
  2. 방사선이 흡수되는 위치의 온도 시간적 변화 - 방사선이 흡수되면서 상승하고 방사선이 정지하고 시스템이 냉각될 때 하강한다.
  3. 이러한 온도 변화에 따른 팽창과 수축은 압력 변화를 위해 "증가"됩니다.빛이 흡수된 영역에서 발생하는 압력 변화는 검체 내에서 전파되며, 검체에 직접 결합된 센서로 감지할 수 있습니다.일반적으로 응축상 샘플(액체, 고체)의 경우 압력 변화는 열 맥동의 확산에 의해 형성되는 주변 기체상(일반 공기)에서 측정된다.

이 경우, 주된 물리적 그림은 원래의 온도 맥동을 응축된 단계에서 이동해 최종적으로 주변 가스상에 도달하는 온도파("열파")[11]의 전파원으로 간주한다.기체상의 온도 맥동이 압력 변화의 주요 원인입니다.이동하는 열파의 진폭은 전파 방향을 따라 강하게(지수적으로) 감소하지만, 응축된 위상에서의 전파 거리가 너무 길지 않으면 기체상 근처의 진폭은 감지 가능한 압력 [1][page needed][2][12]변화를 일으키기에 충분합니다.이 열파의 특성은 광음향법에 의한 광흡수 검출에 고유한 특징을 부여합니다.관련된 온도와 압력 변화는 일상적 규모와 비교하여 미미한 수준이다. 즉, 일반적인 빛의 강도를 사용하는 온도 변화의 일반적인 순서는 약 마이크로에서 밀리그램, 그 결과 발생하는 압력 변화는 약 나노에서 마이크로바이다.

광열 메커니즘은 광음향 효과 외에도 다른 물리적 변화, 특히 적외선 방사 방출 및 굴절률 변화에 의해 나타난다.이에 대응하여 "광열 방사선 측정",[13] "열렌즈"[14] 및 "열빔 편향" (일반적으로 "미라지" 효과라고도 함, 광열 분광학 참조)과 같은 용어로 설명되는 다양한 방법으로 검출할 수 있다.이러한 방법은 광음향 검출과 병행합니다.그러나 각 방법에는 특별한 적용 범위가 있습니다.

다른.

광열 메커니즘은 보편적이지만 광열 메커니즘에 중첩된 추가적인 메커니즘이 존재할 수 있으며, 이는 광음향 신호에 크게 기여할 수 있다.이러한 메커니즘은 일반적으로 빛 흡수에 따른 광물리 과정 및 광화학 반응과 관련이 있다. (1) 시료의 물질 균형 변화 또는 [9]시료 주변의 기체상 변화 (2) 분자 조직의 변화, 분자량 변화를 [15][16]초래한다.이 두 종류의 메커니즘에 대한 가장 두드러진 예는 광합성이다.[10][15][17][18][19][20]

위의 첫 번째 메커니즘은 광합성 식물 잎에서 대부분 두드러진다.여기서 빛에 의해 유도되는 산소 진화는 공기상에 압력 변화를 일으켜 광음향 신호를 발생시키며, 광음향 신호는 [10][18]광열 메커니즘에 의해 발생하는 것과 같은 크기로 발생한다.이 메커니즘은 가칭 "광충(photobaric)"으로 명명되었다.두 번째 메커니즘은 현탁 상태의 광합성 하위 세포 복합체(예: 광합성 반응 중심)에서 나타난다.여기서 광유도전자전달과정을 거쳐 반응중심부에 형성되는 전계가 분자량의 변화에 따라 미세전극효과를 일으킨다.이는 다시 거시적 [15][20]매체에서 전파되는 압력파를 유도한다.이 메커니즘의 또 다른 예는 박테리어호돕신 양성자 펌프이다.여기서 빛에 의해 유도되는 분자량의 변화는 빛 흡수 [15][21]후 이 단백질에서 발생하는 구조 변화에 의해 야기된다.

광음향 효과 검출

광음향 효과를 적용할 때 다양한 측정 모드가 있습니다.주변 가스상에서 압력이 측정되는 가스 샘플 또는 응축 위상 샘플은 보통 마이크로 프로빙됩니다.이 경우 적용할 수 있는 유용한 시간 척도는 밀리초에서 초 미만이 됩니다.이 경우 들뜸광은 특정 주파수(대부분 ca. 10~10000Hz 범위)에서 연속적으로 절단 또는 변조되며 변조된 광음향 신호는 진폭과 위상 또는 동상 및 직교 구성요소에 대해 록인 증폭기로 분석됩니다.피검체의 응축상 내에서 압력을 측정할 때는 시료 자체에 삽입되거나 결합된 압전센서를 이용한다.이 경우에 있는 시간은 사이에는 더 적은 것보다 나노초에 많은 마이크로[1][페이지 필요한][2][22][23]그 광음향 신호 획득 다양한 압력 센서에 따라 물리적 속성의 시스템, 메커니즘은 만들어 내는 광음향 신호light-absorbing 물질을 역학의 여기 상태에 있다.느슨해짐과 modulation 주파수 또는 방사선의 펄스 프로파일과 센서 속성.이는 (i) 다른 메커니즘으로 인한 신호 간 분리 및 (ii) 열진화의 시간 의존성(광합성 시 광기압 메커니즘의 경우) 또는 부피 변화의 시간 의존성을 얻기 위한 적절한 절차를 요구한다.e 결과 광음향 [1][page needed][2][12][22][23]신호의 의존성.

적용들

광열 메커니즘만을 고려할 때 광음향 신호는 특히 광흡수가 매우 작은 투명 샘플의 경우 광흡수 스펙트럼 측정에 유용하다.이 경우 시료를 통과하기 전후의 광빔 강도 차이에 기초한 일반적인 흡수 분광법은 실용적이지 않다.광음향분광학에서는 그러한 제한이 없다.신호는 광흡수 및 광강도와 직접 관련이 있습니다.신호 스펙트럼을 광강도 스펙트럼으로 나누면 상대적인 비율의 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 이는 절대값을 산출하도록 교정할 수 있다.이것은 다양한 물질의 [24]극소 농도를 검출하는 데 매우 유용합니다.광음향 분광법은 흡수가 기본적으로 완료된 불투명한 샘플의 반대 사례에도 유용하다.센서를 시료 위의 기체상에 배치하고 빛이 시료를 위에서 투과하는 배치에서 광음향 신호는 표면에 가까운 흡수 영역에서 발생한다.이 경우 신호를 제어하는 일반적인 파라미터는 "열확산길이"로, 재료와 변조 주파수에 따라 다르며 보통 수 마이크로미터의 [1][page needed][12]순서로 되어 있습니다.신호는 열 확산 길이의 짧은 거리에서 흡수되는 빛과 관련되므로 흡수 [1][page needed][12][25]스펙트럼을 결정할 수 있습니다.이를 통해 [26][27]벌크와는 다른 표면을 별도로 분석할 수도 있습니다.프로빙 방사선의 변조 주파수와 파장을 변화시킴으로써 프로빙된 깊이를 근본적으로 변화시켜 깊이 프로파일링과 광음향 이미징의 가능성을 초래하고 샘플 내의 불균형을 드러낸다.이 분석에는 광음향 [1][page needed]신호에서 열 특성을 결정할 수도 있습니다.

최근에는 단백질과 같은 고분자를 정량적으로 측정하기 위해 광음향적 접근법이 이용되고 있다.광음향면역측정법은 강력한 [28]음향신호를 발생시킬 수 있는 나노입자를 이용해 표적단백질을 표시하고 검출한다.광음향 기반 단백질 분석은 Point of Care 테스트에도 적용되었습니다.[29]

광음향 효과의 또 다른 적용은 광화학 반응의 다양한 단계에서 저장된 화학 에너지를 추정하는 능력이다.광흡수 후 광물리학적 및 광화학적인 변환이 일어나 빛 에너지의 일부를 화학 에너지로 저장합니다.에너지 저장소는 열 발생을 줄입니다.따라서 결과적으로 더 작은 광음향 신호는 에너지 저장소의 범위에 대한 정량적 추정치를 제공한다.과도종의 경우 적절한 디콘볼루션을 [19][22][23]통해 관련 시간 척도의 신호 측정과 신호의 시간적 부분에서 시간 의존적 열 진화를 추출할 수 있는 능력이 필요하다.이 [30]어플리케이션에는 많은 예가 있습니다.태양전지의 [31]빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 연구도 이와 유사하다.광합성 연구에서의 광음향 효과의 적용은 특별한 예이다.

광합성의 광음향 효과

광합성은 광음향 효과로 조사하기에 매우 적합한 플랫폼이며, 다양한 용도에 대한 많은 예를 제공한다.위에서 설명한 바와 같이 습식 광합성 시료(예를 들어 현탁 중의 미세 조류, 해초)로부터의 광음향 신호는 주로 광열이다.스펀지 구조(잎, 지의류)의 광음향 신호는 광열과 광기압(가스 진화 또는 흡수) 기여의 조합이다.1차 전자 전달 반응을 수행하는 준비물(예: 반응 중심)의 광음향 신호는 광열 및 분자량 변화 기여의 조합이다.각각의 경우, 각각 광음향 측정이 다음 정보를 제공했다.

  • 에너지 저장(즉, 광합성 과정에서 화학 에너지로 변환되는 빛 에너지의 비율)
  • 잎이나 지의류로부터의 가스 진화 및 흡수의 범위와 역학.대부분의 경우 광음향 신호에 기여하는 광합성 산소 진화입니다; 이산화탄소 흡수는 느린 과정이며 광음향 측정에는 나타나지 않습니다.그러나 매우 특정한 조건에서는 광음향 신호는 일시적으로 음이 되며 산소 흡수를 반영할 수 있습니다.그러나 이것은 더 많은 검증이 필요하다.
  • 광합성 전자 전달의 1차 단계에서 발생하는 분자량 변화.

이러한 측정은 광합성 메커니즘과 관련된 정보를 제공할 뿐만 아니라 표본의 온전성과 건전성에 대한 징후를 제공하였다.

예:;광음향 펄스 신호와 그들의 동요하는 행동 감시함으로써4-step 산화 주기의 광화 학계 II,[19]에 특징은 잎들에 대한(b)은 일차 전자 전달 프로세스에서 에너지 저장과 분자 부피 변화 sub-microsecond 플래시가 하에서 측정에서 얻어진 에너 지학(를) 있다. 물결 모양의r 반복 들뜸 빛, (c) 광합성의 광계 I 및 광계 II 특성(흡수 스펙트럼, 두 광계에 대한 광분포) 및 이들의 상호작용.이것은 특정 파장의 연속 변조된 빛을 사용하여 광음향 신호를 자극하고 다양한 선택된 파장의 배경 빛에 의해 야기되는 에너지 저장 및 산소 진화의 변화를 측정함으로써 얻어집니다.

일반적으로 에너지 저장소의 광음향 측정에는 비교를 위한 기준 샘플이 필요합니다.이 샘플은 (특정 들뜸 파장에서) 정확히 동일한 광흡수를 가지지만, 측정의 시간 분해능 내에서 흡수된 모든 빛을 열로 완전히 분해합니다.광합성 시스템이 다음과 같이 하나의 샘플에서 참조를 제공하여 자가 교정을 수행하는 것은 행운입니다.하나는 프로빙 변조/펄스 빛만으로 얻을 수 있는 신호이고, 다른 하나는 광합성을 포화 상태로 이끌 정도로 강한 안정된 비변조광(배경광이라고 함)이 [32][33][34]추가되었을 때 얻을 수 있는 신호입니다.추가된 안정된 빛은 그 자체로 광음향 효과를 발생시키지 않지만 변조/펄스된 프로브 빛으로 인해 광음향 응답을 변화시킵니다.결과 신호는 배경광이 없는 다른 모든 측정에 대한 참조로 사용됩니다.기준 신호의 광열 부분은 광합성 포화 상태에서는 에너지가 저장되지 않기 때문에 최대입니다.동시에 다른 메커니즘의 기여도는 포화 상태에서는 0이 되는 경향이 있습니다.따라서 기준 신호는 흡수된 총 빛 에너지에 비례합니다.

스펀지 상태의 샘플(잎, 지의류)에서 광압과 광열의 기여도를 분리 및 정의하기 위해 광음향 신호의 다음 특성을 사용합니다. (1) 저주파수(약 100Hz 미만)에서는 광음향 신호의 광음향 부분이 상당히 클 수 있으며 전체 신호가 배경광 아래에서 감소합니다.광기압 신호는 원칙적으로 신호의 차이(전체 신호에서 기준 신호를 뺀 값, 에너지 저장을 고려하기 위한 보정 후)에서 얻을 수 있습니다.(2) 단, 충분한 고주파수에서는 광열성분에 비해 광바릭 신호가 매우 감쇠하기 때문에 무시할 수 있다.또, 내부 공기 공간에 물이 차 있는 잎의 저주파에서도 포토바릭 신호를 볼 수 없다.이것은 살아있는 조류 탈리, 미세 조류와 광합성 박테리아에서도 사실이다.이는 광생물 신호가 광합성막에서 공기상으로의 산소 확산에 의존하며, 수성 매질 내 확산 거리가 증가함에 따라 크게 감쇠되기 때문이다.상기 모든 경우에서 광음향 신호가 관찰되지 않을 경우, 탐사광만으로 얻을 수 있는 광음향 신호를 기준 신호와 비교함으로써 에너지 저장량을 결정할 수 있다.위의 측정에서 얻은 파라미터는 다양한 방법으로 사용됩니다.에너지 저장과 광기압 신호의 세기는 광합성의 효율과 관련이 있으며 광합성 유기체의 건강을 감시하고 따라가는데 사용될 수 있습니다.그들은 또한 광합성 과정에 대한 기계적 통찰력을 얻기 위해 사용된다: 다른 파장의 빛은 광합성의 효율 스펙트럼, 광합성의 두 광계 사이의 광분포를 얻고 식물성 플랑크톤의 [35]다른 분류군을 식별하도록 한다.펄스 레이저의 사용은 광합성의 1차 전자 전달 단계에 대한 열역학적 및 운동학적 정보를 제공합니다.

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