光音響分光法

光音響分光法は、音響検出によって吸収された電磁エネルギー（特に光）が物質に与える影響を測定する方法です。光音響効果の発見は、アレクサンダー・グラハム・ベルが、回転するスロット付きディスクで急速に遮られた太陽光線に薄いディスクを当てると音が鳴ることを示した1880年に遡ります。光から吸収されたエネルギーによって局所的な加熱が起こり、熱膨張が生じて圧力波または音が発生します。後にベルは、太陽スペクトルの目に見えない部分（赤外線と紫外線）にさらされた物質も音を発することを示しました。

サンプルの光音響スペクトルは、光の異なる波長で音を測定することによって記録できます。このスペクトルは、サンプルの吸収成分を識別するために使用できます。光音響効果は、固体、液体、気体の研究に使用できます。^[1]

光音響分光法は、 ppbまたはpptレベルのガス濃度を研究するための強力な技術となっています。 ^[2]現代の光音響検出器は、依然としてベルの装置と同じ原理に依存していますが、感度を高めるためにいくつかの改良が加えられています。

太陽光の代わりに、強力なレーザーを使用してサンプルを照射します。これは、生成される音の強度が光の強度に比例するためです。この技術はレーザー光音響分光法 (LPAS) と呼ばれます。^[2]耳は高感度マイクに置き換えられました。マイクの信号は、ロックインアンプを使用してさらに増幅され、検出されます。^{[引用が必要]}気体サンプルを円筒形のチャンバーに封入することで、変調周波数をサンプルセルの音響共鳴に調整して音信号を増幅します。 ^{[引用が必要]}

カンチレバーを使用することで、光音響分光法の感度をさらに向上させ、ppb レベルでのガスの信頼性の高いモニタリングが可能になります。

次の例は、光音響技術の可能性を示しています。1970年代初頭、パテルと同僚^{[3]は、気球搭載型光音響検出器を使用して、高度28kmの}成層圏における一酸化窒素濃度の時間的変化を測定しました。これらの測定は、人為的な一酸化窒素の排出によるオゾン層の破壊の問題に関連する重要なデータを提供しました。初期の研究の一部は、ローゼンクワイグとガーショによるRG理論の開発に依存していました。^{[4] [5]}

FTIR光音響分光法の重要な機能の1つは、赤外線分光法によってサンプルをその場で評価できることです。これにより、化学官能基、ひいては化学物質を検出して定量化できます。これは、粉砕したり化学処理したりせずに評価できる生物学的サンプルに特に役立ちます。貝殻、骨、およびそのようなサンプルが調査されています。^{[6] [7] [8]}光音響分光法の使用は、骨形成不全症の骨における分子相互作用の評価に役立っています。^[9]

学術研究の大半は高解像度の機器に集中していますが、反対の方向へ向かう研究もあります。過去 20 年間で、漏れ検出や二酸化炭素濃度の制御などの用途向けの非常に低コストの機器が開発され、商品化されました。通常、電子的に変調される低コストの熱源が使用されます。ガス交換用のバルブの代わりに半透過性ディスクを通した拡散、低コストのマイクロフォン、デジタル信号プロセッサによる独自の信号処理により、これらのシステムのコストが下がりました。光音響分光法の低コストの用途の将来は、完全に統合されたマイクロマシン光音響機器の実現である可能性があります。

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きました。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。^[10]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。^[11]

光音響分光法は軍事用途にも広く利用されています。その一つが有毒化学物質の検出です。光音響分光法の感度は化学攻撃に関連する微量化学物質の検出に理想的な分析技術です。^[12]

LPASセンサーは、産業、セキュリティ（神経ガスや爆発物の検出）、医療（呼気分析）に応用される可能性がある。 ^[13]

• Sigrist, MW (1994)、「レーザー光音響分光法による空気モニタリング」、Sigrist, MW (編集者)、「分光技術による空気モニタリング」、Wiley、ニューヨーク、pp. 163–238。

• 光音響分光法の概要: [1]
• 微量ガスモニタリングにおける光音響分光法 [2]
• ヘルムホルツ共鳴セルに基づく微量ガス検出用光音響分光計（www.aerovia.fr）[3]
• カンチレバー強化光音響分光法に基づく微量ガス検出用光音響マルチガスモニター(www.gasera.fi)