音響共鳴分光法

音響共鳴分光法( ARS ) は、音響領域、主に音波および超音波領域における分光法です。ARS は通常、 HPLCやNIRよりもはるかに高速です。ARS は非破壊的であり、サンプリング導波管をサンプルの粉末/液体に押し込むか、固体サンプルと接触させるだけでよいため、サンプルの準備は必要ありません。

現在までに、AR分光計はさまざまな形態 (錠剤、粉末、液体) のサンプル分析対象物を区別し、定量化することに成功しています。セメントペーストから固体へのコンクリートの凝結と硬化など、化学反応の進行を測定および監視するために使用されています。音響分光法は、分散媒体内のコロイドの体積分率を測定するため、および凝集や粒度分布などのコロイド分散液の物理的特性の調査にも使用されています。通常、これらの実験は正弦波励起信号と信号減衰の実験的観察を使用して実行されます。理論上の減衰と実験的観察の比較から、粒度分布と凝集現象が推測されます。

ロスアラモス国立研究所のディペン・シンハは、 1989 年に ARS を開発しました。^[1]音響学で発表された研究のほとんどは超音波領域に関するもので、それらの計測機器は共鳴効果ではなく媒体を介した伝播を扱っていました。音響共鳴に関する最初の出版物の 1 つは、1988 年に応用分光法ジャーナルに掲載されたものです。研究者らは、超音波を使用してマイクロリットル単位のさまざまな液体のシグネチャを取得する V 字型の石英棒計測機器を設計しました。 ^[2]研究者らは、分類統計や識別プロトコルを一切持っていませんでした。研究者らは、これらのさまざまな材料の超音波共鳴シグネチャを単に観察しただけです。具体的には、シンハは核兵器、化学兵器、生物兵器を検出できる ARS 計測機器の開発に取り組んでいました。1996 年までに、彼は戦場で使用できるポータブル ARS ユニットの開発に成功しました。さらに、この機器は別の研究グループ（ケンタッキー大学のロバート・ロッダー博士）によってさらに開発され、その研究も応用分光法で発表されました。研究者らは、音波と超音波領域を突破してより汎用性の高いV字型の機器を作成しました。音響共鳴分光計という用語も、V字型分光計を指して造られました。^[3] 1994年の研究以来、ARSは進化し、木材の種類の区別、医薬品の錠剤の区別、燃焼速度の測定、錠剤の溶解速度の測定に使用されてきました。^{[4] [5] [1]} 2007年、Analytical Chemistryは、分析化学と工学の分野における音響の可能性について議論したロッダー博士の研究室の過去と現在の研究を特集しました。^[6]

振動には、自由振動と強制振動の 2 つの主な種類があります。自由振動は、物質の自然または通常の振動モードです。強制振動は、何らかの励起によって発生し、分析対象物を通常のモードを超えて共鳴させます。ARS は、分析対象物を測定するために自由振動を使用する最も一般的な技術とは異なり、分析対象物に強制振動を使用します。ARS は、共鳴スペクトルを取得するために、内部振動のない分析対象の励起周波数をスイープすることにより、複数の通常モードを励起します。これらの共鳴周波数は、測定対象の分析対象物の種類に大きく依存し、分析対象物自体の物理的特性 (質量、形状、サイズなど) にも大きく依存します。物理的特性は、共鳴する分析対象物によって生成される周波数の範囲に大きく影響します。一般に、小さな分析対象物はメガヘルツの周波数を持ちますが、大きな分析対象物は数百ヘルツに過ぎません。分析対象物が複雑であるほど、共鳴スペクトルは複雑になります。^[7]

ARS は基本的に、建設的干渉と破壊的干渉によってさまざまなサンプルの指紋を作成するように設定されています。図 1 は、石英ロッド ARS の概略図で、石英ロッドを通る音の経路を示しています。ファンクション ジェネレーターが音源ですが^{[8] 、}電圧形式で音を出力できる任意のデバイスを使用できます ( CD プレーヤー、MP3 プレーヤー、サウンド カードなど)。ホワイト ノイズが生成され、電圧は石英ロッドに結合された圧電ディスク^{[3]によって}音波に変換されます。音は青い正弦波^{[9]として示されているように石英ロッドに沿って共鳴し、2 つの重要な相互作用が発生します。エネルギーの一部 (赤) はサンプルに導入され、サンプルに応じて特定の方法で相互作用し、エネルギーの別の部分 (青) は石英ロッド内を変更せずにそのまま進みます。2 つのエネルギーは、位相と場合によっては}振幅が変化することがあっても、周波数は同じままです。 2つの波はサンプルの後で再結合し^[10]、サンプルによる位相シフトと振幅の変化に応じて、建設的干渉または破壊的干渉が発生します。変化した結合エネルギーは、石英ロッドの端にある別の圧電ディスクによって電圧に変換されます。 ^[11]次に、電圧はサウンドカードによってコンピューターに記録されます。^[12]サンプルは一定の圧力で石英ロッドに結合され、圧力はサンプルホルダーとしても機能する圧力トランスデューサーによって監視されます。ゴム製のグロメットを使用して石英ロッドを安定したスタンドに固定し、ロッドと周囲との結合を最小限に抑えます。広帯域ホワイトノイズを使用して完全なスペクトルを取得しますが、ほとんどのサウンドカードは20〜22,050 Hzのみを拾います。コンピューターに送信される波形は、ホワイトノイズとサンプルの相互作用の時間ベース信号です。波形に対して高速フーリエ変換(FFT) を実行し、時間ベース信号をより有用な周波数スペクトルに変換します。

ARS デバイスの検出限界を決定するために、多次元集団変換実験が利用されました。^[13]多次元分離が小さい集団、この場合はアスピリンとイブプロフェンを使用して、厚さの差が 0.08 mm、質量の差が 0.0046 g、密度の差が 0.01658 g/mL の錠剤は ARS では分離できないことを決定しました。最大の多次元分離にビタミン C とアセトアミノフェンを使用した場合、厚さの差が 0.27 mm、質量の差が 0.0756 g、密度の差が 0.01157 g/mL の錠剤は分離できませんでした。実験的には、ARS のダイナミック レンジは 10 倍です。

ARS の潜在的な用途の 1 つは、薬剤錠剤の検証における迅速かつ非破壊的な識別です。現在、汚染された製品やラベルの誤った製品を排除する確実な方法はなく、その結果、数百万錠もの錠剤が回収されることもあります。ARS が錠剤の出荷前に問題を予防するための産業プロセス分析技術として使用できるかどうかを判断するには、さらに研究を完了する必要があります。^{[4] ARS は、医薬品軟膏やゲルの}有効成分の定量化にも役立つ可能性があります。^[14]