光音響効果

光音響効果またはオプトアコースティック効果は、物質サンプルでの光吸収に続く音波の形成です。この効果を得るためには、光の強度が周期的（変調光）または単一のフラッシュ（パルス光）として変化する必要があります。^{[1] [ページが必要] [2]光音響効果は、形成された音（圧力変化）を}マイクロフォンや圧電センサーなどの適切な検出器で測定することによって定量化されます。これらの検出器からの電気出力（電流または電圧）の時間変化が光音響信号です。これらの測定値は、研究対象のサンプルの特定の特性を決定するのに役立ちます。たとえば、光音響分光法では、光音響信号を使用して、不透明または透明な物体での実際の光の吸収を取得します。レーザーからの非常に強い光パルスを使用して感度を高め、非常に狭い波長を使用して特異性を高めることができるため、これは極めて低濃度の物質に役立ちます。さらに、光音響測定は、光化学反応で発生する熱の研究（光化学を参照）、特に光合成の研究において貴重な研究ツールとして役立ちます。

最も一般的には、あらゆる種類の電磁放射線が光音響効果を引き起こす可能性があります。これには、ガンマ線やX線からマイクロ波やラジオまで、電磁周波数の全範囲が含まれます。それでも、光音響効果を利用する報告されている研究やアプリケーションの多くは、近紫外線/可視光線および赤外線のスペクトル領域に関するものです。

光音響効果の発見は、アレクサンダー・グラハム・ベルが長距離音声伝送の実験をしていた1880年に遡ります。彼は「フォトフォン」と呼ばれる発明を通じて、太陽光を動く鏡から反射させて セレン 太陽電池受信機に音声信号を送信しました。^[3]この研究の副産物として、彼は回転するスロットホイールで急速に遮断された太陽光線に固体サンプルをさらすと、音波が直接生成されることを観察しました。^[4]彼は、結果として生じる音響信号が材料の種類に依存していることに気付き、その効果は吸収された光エネルギーによって引き起こされ、その後サンプルが加熱されると正しく推論しました。後にベルは、太陽スペクトルの非可視部分（紫外線と赤外線）にさらされた材料も音を生成できることを示し、この効果を材料のスペクトル識別に応用するために「スペクトロフォン」と名付けた装置を発明しました。^[5]ベル自身、そして後にジョン・ティンダルとヴィルヘルム・レントゲンはこれらの実験を拡張し、液体と気体で同じ効果を実証した。^{[6] [7]}しかし、結果は耳での検出に依存した粗雑なものであったため、この技術はすぐに放棄された。光音響効果の応用は、高感度センサーと強力な光源が開発されるまで待たなければならなかった。 1938年、マーク・レオニドヴィッチ・ヴェインゲロフは光音響効果への関心を復活させ、窒素ガス中の非常に微量の二酸化炭素濃度（体積比で0.2%程度）を測定するためにこれを使用できた。^[8]それ以来、研究と応用はより速く幅広く進み、検出感度は数倍に向上した。

吸収された放射線の加熱効果が光音響効果の主な原因であると考えられていたが、1978年に光化学反応の結果として生じるガス発生も光音響効果を引き起こす可能性があることが示された。^[9]それとは別に、励起光の加熱効果だけでは説明できない植物の葉からの光音響信号の明らかな異常な挙動を考慮すると、この場合、光合成酸素発生が通常光音響信号の主な原因であるという認識につながった。^[10]

このテーマに関する文献の多くは 1 つのメカニズムだけを扱っていますが、実際には光音響効果を生み出すメカニズムは複数存在します。主な普遍的なメカニズムは光熱メカニズムで、光の加熱効果とそれに伴う光吸収物質の膨張に基づいています。詳細には、光熱メカニズムは次の段階から構成されます。

1. 吸収されたパルスまたは変調された放射線を熱エネルギーに変換すること。
2. 放射線が吸収される場所での温度の時間的変化。放射線が吸収されると温度が上昇し、放射線が止まってシステムが冷却されると温度が下がります。
3. これらの温度変化に伴う膨張と収縮は、圧力変化に「変換」されます。光が吸収された領域で発生する圧力変化は、サンプル本体内で伝播し、サンプル本体に直接結合されたセンサーによって感知できます。通常、凝縮相サンプル (液体、固体) の場合、圧力変化は、熱脈動の拡散によってそこに形成される周囲の気相 (通常は空気) で測定されます。

この場合の主な物理的描像は、元の温度脈動が伝播する温度波（「熱波」）^[11]の起源であると想定しており、この温度波は凝縮相を伝わり、最終的に周囲の気相に到達します。気相で生じた温度脈動が、そこでの圧力変化の主因です。伝搬する熱波の振幅は、伝搬方向に沿って大きく（指数関数的に）減少しますが、凝縮相での伝搬距離が長すぎない場合、気相付近での振幅は、検出可能な圧力変化を生み出すのに十分です。^{[1] [ページが必要] [2] [12]}この熱波の特性により、光音響法による光吸収の検出に独自の特徴がもたらされます。関係する温度と圧力の変化は、日常的なスケールと比較するとごくわずかです。通常の光強度を使用した場合の温度変化の典型的な大きさは、マイクロ度からミリ度程度で、結果として生じる圧力変化はナノバールからマイクロバール程度です。

光熱メカニズムは、光音響効果の他に、赤外線の放射や屈折率の変化など、他の物理的変化によっても現れます。同様に、光熱放射測定法^[13] 、熱レンズ^[14]、熱ビーム偏向（一般に「蜃気楼」効果としても知られています。光熱分光法を参照）などの用語で説明されるさまざまな他の手段によって検出できます。これらの方法は、光音響検出と類似しています。ただし、各方法には特別な適用範囲があります。

光熱メカニズムは普遍的ですが、光熱メカニズムに重なって、光音響信号に大きく寄与する可能性のある他のメカニズムが存在する可能性があります。これらのメカニズムは、一般的に、光吸収後の光物理プロセスおよび光化学反応に関連しています。(1)サンプルまたはサンプル周囲の気相の物質収支の変化。 ^[9] (2)分子組織の変化により、分子の体積が変化。^{[15] [16]}これら2種類のメカニズムの最も顕著な例は、光合成です。^{[10] [15] [17] [18] [19] [20]}

上記の最初のメカニズムは、光合成植物の葉で最も顕著です。そこでは、光誘起酸素発生により空気相の圧力変化が引き起こされ、光熱メカニズムによって引き起こされるのと同等の大きさの光音響信号が生じます。^{[10] [18]}このメカニズムは暫定的に「光圧」と名付けられました。2番目のメカニズムは、懸濁液中の光合成活性サブセル複合体（例：光合成反応中心）に現れます。そこでは、光誘起電子移動プロセスに続いて反応中心に形成される電界が、分子体積の変化を伴う微小電気収縮効果を引き起こします。これが今度は、マクロ媒体に伝播する圧力波を引き起こします。^{[15] [20]}このメカニズムの別の例は、バクテリオロドプシン プロトンポンプです。ここで、光誘起分子体積の変化は、光吸収後にこのタンパク質で発生する構造変化によって引き起こされます。^{[15] [21]}

光音響効果の応用には、さまざまな測定モードがあります。気体サンプルまたは凝縮相サンプルでは、​​周囲の気相で圧力が測定され、通常はマイクロフォンでプローブされます。この場合、適用可能な有効な時間スケールは、ミリ秒からサブ秒スケールです。ほとんどの場合、この場合、励起光は特定の周波数 (ほとんどの場合、約 10～10000 Hz の範囲) で連続的にチョップまたは変調され、変調された光音響信号は、ロックイン アンプを使用して振幅と位相、または同相成分と直交成分について分析されます。プローブされた試料の凝縮相内で圧力を測定する場合は、試料自体に挿入または結合された圧電センサーを使用します。この場合、時間スケールはナノ秒未満からマイクロ秒単位までの範囲です^{[1] [ページが必要] [2] [22] [23]} さまざまな圧力センサーから得られる光音響信号は、システムの物理的特性、光音響信号を生成するメカニズム、光吸収材料、励起状態緩和のダイナミクス、放射の変調周波数またはパルスプロファイル、およびセンサー特性に依存します。これには、(i) 異なるメカニズムによる信号を分離し、(ii) 結果として得られる光音響信号の時間依存性から、熱発生の時間依存性 (光熱メカニズムの場合) または酸素発生の時間依存性 (光合成における光圧メカニズムの場合) または体積変化の時間依存性を取得するための適切な手順が必要です。^{[1] [ページが必要] [2] [12] [22] [23]}

光熱メカニズムだけを考慮すると、光音響信号は光吸収スペクトルの測定に有用であり、特に光吸収が非常に小さい透明サンプルの場合に有用である。この場合、サンプルを通過する前後の光線の強度の差に基づく通常の吸収分光法は実用的ではない。光音響分光法ではそのような制限はない。信号は光吸収と光強度に直接関係している。信号スペクトルを光強度スペクトルで割ると、相対的なパーセント吸収スペクトルが得られ、これを較正して絶対値を得ることができる。これは、様々な物質の非常に低い濃度を検出するのに非常に有用である。^[24]光音響分光法は、吸収が本質的に完全である不透明サンプルの反対の場合にも有用である。センサーをサンプル上の気相内に配置し、光が上からサンプルに当たる配置では、光音響信号は表面近くの吸収ゾーンから生じる。この場合の信号を支配する典型的なパラメータは「熱拡散長」であり、これは材料と変調周波数に依存し、通常は数マイクロメートルのオーダーである。^{[1] [ページが必要] [12]}信号は熱拡散長の短い距離で吸収される光に関連し、吸収スペクトルの決定を可能にする。^{[1] [ページが必要] [12] [25]}これにより、バルクとは異なる表面を個別に分析することもできる。^{[26] [27]}変調周波数とプローブ放射の波長を変えることで、プローブ深度が本質的に変化し、深度プロファイリング^[27]と光音響イメージングが可能になり、サンプル内の不均一性が明らかになる。この分析には、光音響信号から熱特性を決定する可能性も含まれる。^{[1] [ページが必要]}

最近、光音響アプローチは、タンパク質などの高分子を定量的に測定するために利用されています。光音響免疫測定法は、強力な音響信号を生成できるナノ粒子を使用して標的タンパク質を標識し、検出します。^[28]光音響に基づくタンパク質分析は、ポイントオブケア検査にも適用されています。^[29]

光音響効果のもう一つの応用は、光化学反応のさまざまな段階で蓄えられた化学エネルギーを推定できることです。光吸収に続いて光物理的および光化学的変換が起こり、光エネルギーの一部が化学エネルギーとして蓄えられます。エネルギーが蓄えられると熱の発生が少なくなります。その結果生じるより小さな光音響信号から、エネルギー貯蔵の程度を定量的に推定できます。一過性の種の場合、これには、関連する時間スケールでの信号の測定と、適切なデコンボリューションによって信号の時間部分から時間依存の熱発生を抽出する機能が必要です。^{[19] [22] [23]}この応用の例は数多くあります。^[30]同様の応用例として、太陽電池での光エネルギーから電気エネルギーへの変換の研究があります。^[31]特別な例として、光合成研究における光音響効果の応用があります。

光合成は光音響効果による研究に非常に適したプラットフォームであり、そのさまざまな用途の例を数多く提供している。前述のように、湿った光合成標本（例：懸濁液中の微細藻類、海藻）からの光音響信号は主に光熱的である。スポンジ状構造（葉、地衣類）からの光音響信号は、光熱的寄与と光圧的寄与（ガス発生または吸収）の組み合わせである。一次電子移動反応を行う標本（例：反応中心）からの光音響信号は、光熱的寄与と分子体積変化の寄与の組み合わせである。それぞれのケースにおいて、光音響測定により、以下の情報が得られる。

• エネルギー貯蔵（すなわち、光合成プロセスで化学エネルギーに変換される光エネルギーの割合）
• 葉や地衣類からのガス発生と吸収の程度とダイナミクス。通常は光音響信号に寄与するのは光合成酸素発生です。二酸化炭素の吸収はゆっくりとしたプロセスであり、光音響測定では現れません。ただし、非常に特殊な条件下では、光音響信号が一時的に負になり、おそらく酸素吸収を反映します。ただし、これにはさらなる検証が必要です。
• 光合成電子伝達の主要段階で起こる分子の体積変化。

これらの測定により、光合成のメカニズムに関する情報が提供され、標本の無傷性と健康状態についての指標も得られました。

例としては、(a)サブマイクロ秒のフラッシュ下で測定されたエネルギー貯蔵と分子体積変化から得られた一次電子移動プロセスのエネルギー特性、(b) 光音響パルス信号と反復励起光フラッシュ下でのそれらの振動挙動をモニタリングすることによって葉から得られた光合成系IIの4段階酸化サイクルの特性^[19]、 (c)光合成の光合成系Iと光合成系II の特性（吸収スペクトル、2つの光合成系への光の分布）とそれらの相互作用などが挙げられる。これは、特定の波長の連続的に変調された光を使用して光音響信号を励起し、選択されたさまざまな波長の背景光によって引き起こされるエネルギー貯蔵と酸素発生の変化を測定することによって得られる。

一般に、エネルギー貯蔵の光音響測定には、比較のための参照サンプルが必要である。参照サンプルとは、（所定の励起波長で）光吸収がまったく同じであるが、測定の時間分解能内で吸収された光がすべて完全に熱に分解されるサンプルである。幸いなことに、光合成システムは自己較正機能があり、次のように 1 つのサンプルでそのような参照を提供する。1 つは 2 つの信号を比較する。1 つはプローブ変調/パルス光のみで得られる信号で、もう 1 つは光合成を飽和状態にするのに十分な強さの安定した非変調光（背景光と呼ばれる）を追加した場合の信号である。 ^{[32] [33] [34]}追加された安定した光は、それ自体では光音響効果を生成しませんが、変調/パルスプローブ光により光音響応答を変化させます。結果として得られる信号は、背景光がない場合の他のすべての測定の参照として機能します。光合成飽和時にはエネルギーが貯蔵されないため、参照信号の光熱部分が最大になります。同時に、他のメカニズムの寄与は飽和時にゼロに近づきます。したがって、参照信号は吸収された光エネルギーの合計に比例します。

スポンジ状のサンプル（葉、地衣類）における光圧と光熱の寄与を分離して定義するために、光音響信号の以下の特性を使用します。(1) 低周波数（約 100 Hz 未満）では、光音響信号の光圧部分が非常に大きくなり、背景光の下では信号全体が減少します。光圧信号は、原則として信号の差（エネルギー貯蔵を考慮して補正した後の、信号全体から基準信号を引いたもの）から得られます。(2) ただし、十分に高い周波数では、光圧信号は光熱成分に比べて大幅に減衰するため、無視できます。また、内部の空気空間が水で満たされた葉では、低周波数でも光圧信号は観察されません。これは、生きた藻類の葉状体、微細藻類の懸濁液、光合成細菌にも当てはまります。これは、光圧信号が光合成膜から空気相への酸素の拡散に依存し、水性媒体中の拡散距離が増加するにつれて大幅に減衰するためです。光圧信号が観察されない上記のすべての場合において、プローブ光のみで得られた光音響信号を参照信号と比較することによって、エネルギー貯蔵を決定できます。上記の測定から得られたパラメータは、さまざまな方法で使用されます。エネルギー貯蔵と光圧信号の強度は光合成の効率に関連しており、光合成生物の健康状態を監視および追跡するために使用できます。これらは、光合成プロセスに関するメカニズムの洞察を得るためにも使用されます。異なる波長の光を使用すると、光合成の効率スペクトル、光合成の2つの光合成系間の光分布を取得したり、植物プランクトンの異なる分類群を識別したりできます。^[35]パルスレーザーを使用すると、光合成の主要な電子移動ステップに関する熱力学的および速度論的情報が得られます。

• マイクロ波聴覚効果