Фотоакустический эффект или оптоакустический эффект — это образование звуковых волн после поглощения света в образце материала. Для получения этого эффекта интенсивность света должна изменяться либо периодически ( модулированный свет ), либо в виде одиночной вспышки ( импульсный свет ). [1] [ нужна страница ] [2] Фотоакустический эффект количественно определяется путем измерения сформированного звука (изменения давления) с помощью соответствующих детекторов, таких как микрофоны или пьезоэлектрические датчики . Изменение во времени электрического выходного сигнала (тока или напряжения) от этих детекторов является фотоакустическим сигналом. Эти измерения полезны для определения определенных свойств изучаемого образца. Например, в фотоакустической спектроскопии фотоакустический сигнал используется для получения фактического поглощения света как непрозрачными, так и прозрачными объектами. Он полезен для веществ в чрезвычайно низких концентрациях, поскольку очень сильные импульсы света от лазера могут использоваться для повышения чувствительности, а очень узкие длины волн могут использоваться для специфичности. Кроме того, фотоакустические измерения служат ценным исследовательским инструментом при изучении тепла, выделяющегося в фотохимических реакциях (см.: фотохимия ), особенно при изучении фотосинтеза .
В общем, электромагнитное излучение любого вида может вызвать фотоакустический эффект. Это включает в себя весь диапазон электромагнитных частот, от гамма-излучения и рентгеновских лучей до микроволн и радио . Тем не менее, большая часть сообщенных исследований и приложений, использующих фотоакустический эффект, касается ближнего ультрафиолетового / видимого и инфракрасного спектральных областей.
Открытие фотоакустического эффекта датируется 1880 годом, когда Александр Грэхем Белл экспериментировал с передачей звука на большие расстояния. С помощью своего изобретения, названного « фотофоном », он передавал голосовые сигналы, отражая солнечный свет от движущегося зеркала на приемник из селенового солнечного элемента . [3] В качестве побочного продукта этого исследования он наблюдал, что звуковые волны производились непосредственно из твердого образца при воздействии на него луча солнечного света, который быстро прерывался вращающимся щелевым колесом. [4] Он заметил, что результирующий акустический сигнал зависел от типа материала, и правильно рассудил, что эффект был вызван поглощенной световой энергией , которая впоследствии нагревала образец. Позже Белл показал, что материалы, подвергшиеся воздействию невидимых (ультрафиолетовых и инфракрасных) частей солнечного спектра, также могут производить звуки, и изобрел устройство, которое он назвал «спектрофоном», чтобы применить этот эффект для спектральной идентификации материалов. [5] Сам Белл, а позже Джон Тиндаль и Вильгельм Рентген расширили эти эксперименты, продемонстрировав тот же эффект в жидкостях и газах. [6] [7] Однако результаты были слишком грубыми, зависели от обнаружения на слух, и от этой техники вскоре отказались. Применение фотоакустического эффекта пришлось ждать до разработки чувствительных датчиков и интенсивных источников света. В 1938 году Марк Леонидович Вейнгеров возродил интерес к фотоакустическому эффекту, сумев использовать его для измерения очень малых концентраций углекислого газа в газообразном азоте (всего 0,2% по объему). [8] С тех пор исследования и приложения росли быстрее и шире, приобретая в несколько раз большую чувствительность обнаружения.
Хотя тепловой эффект поглощенного излучения считался основной причиной фотоакустического эффекта, в 1978 году было показано, что выделение газа в результате фотохимической реакции также может вызывать фотоакустический эффект. [9] Независимо от этого, рассмотрение очевидного аномального поведения фотоакустического сигнала от листа растения, которое нельзя было объяснить исключительно тепловым эффектом возбуждающего света, привело к пониманию того, что фотосинтетическое выделение кислорода обычно вносит основной вклад в фотоакустический сигнал в этом случае. [10]
Хотя большая часть литературы по этому вопросу посвящена только одному механизму, на самом деле существует несколько различных механизмов, которые производят фотоакустический эффект. Первичный универсальный механизм — фототермический , основанный на тепловом эффекте света и последующем расширении поглощающего свет материала. В деталях фототермический механизм состоит из следующих стадий:
Основная физическая картина в этом случае предполагает, что исходные температурные пульсации являются источниками распространяющихся температурных волн («тепловых волн»), [11] , которые перемещаются в конденсированной фазе, в конечном итоге достигая окружающей газообразной фазы. Результирующие температурные пульсации в газообразной фазе являются первопричиной изменений давления там. Амплитуда перемещающейся тепловой волны сильно уменьшается (экспоненциально) вдоль направления ее распространения, но если расстояние ее распространения в конденсированной фазе не слишком велико, ее амплитуда вблизи газообразной фазы достаточна для создания обнаруживаемых изменений давления. [1] [ нужна страница ] [2] [12] Это свойство тепловой волны придает уникальные особенности обнаружению поглощения света фотоакустическим методом. Изменения температуры и давления, которые при этом происходят, являются незначительными по сравнению с повседневными масштабами — типичный порядок величины для изменений температуры при использовании обычных интенсивностей света составляет около микро- или миллиградусов, а для результирующих изменений давления — около нано- или микробаров.
Фототермический механизм проявляется, помимо фотоакустического эффекта, также другими физическими изменениями, в частности, испусканием инфракрасного излучения и изменениями показателя преломления . Соответственно, его можно обнаружить различными другими способами, описываемыми такими терминами, как «фототермическая радиометрия», [13] «термическая линза» [14] и «термическое отклонение луча» (широко известное также как эффект « миража », см. Фототермическая спектроскопия ). Эти методы параллельны фотоакустическому обнаружению. Однако каждый метод имеет свою особую область применения.
Хотя фототермический механизм универсален, могут существовать и другие дополнительные механизмы, наложенные на фототермический механизм, которые могут вносить значительный вклад в фотоакустический сигнал. Эти механизмы, как правило, связаны с фотофизическими процессами и фотохимическими реакциями после поглощения света: (1) изменение материального баланса образца или газовой фазы вокруг образца; [9] (2) изменение молекулярной организации, которое приводит к изменению молекулярного объема. [15] [16] Наиболее яркими примерами этих двух видов механизмов являются фотосинтез. [10] [15] [17] [18] [19] [20]
Первый механизм, описанный выше, в основном заметен в фотосинтезирующем листе растения . Там, вызванное светом выделение кислорода вызывает изменения давления в воздушной фазе, что приводит к фотоакустическому сигналу, который по величине сопоставим с сигналом, вызванным фототермическим механизмом. [10] [18] Этот механизм был предварительно назван «фотобарическим». Второй механизм проявляется в фотосинтетически активных субклеточных комплексах в суспензии (например, фотосинтетических реакционных центрах ). Там, электрическое поле, которое образуется в реакционном центре, после процесса переноса электронов, вызванного светом, вызывает эффект микроэлектрострикции с изменением молекулярного объема. Это, в свою очередь, вызывает волну давления, которая распространяется в макроскопической среде. [15] [20] Другим случаем этого механизма является протонный насос бактериородопсина . Здесь вызванное светом изменение молекулярного объема вызвано конформационными изменениями, которые происходят в этом белке после поглощения света. [15] [21]
При применении фотоакустического эффекта существуют различные режимы измерения. Газообразные образцы или образцы конденсированной фазы, где давление измеряется в окружающей газовой фазе, обычно зондируются микрофоном. Полезная применимая временная шкала в этом случае находится в диапазоне от миллисекунды до субсекунды. Чаще всего, в этом случае возбуждающий свет непрерывно прерывается или модулируется на определенной частоте (в основном в диапазоне между примерно 10–10000 Гц), а модулированный фотоакустический сигнал анализируется с помощью синхронного усилителя на предмет его амплитуды и фазы или синфазных и квадратурных компонентов. Когда давление измеряется в конденсированной фазе зондируемого образца, используются пьезоэлектрические датчики, вставленные в сам образец или соединенные с ним. В этом случае временной масштаб составляет от менее чем наносекунд до многих микросекунд [1] [ нужна страница ] [2] [22] [23] Фотоакустический сигнал, полученный от различных датчиков давления, зависит от физических свойств системы, механизма, который создает фотоакустический сигнал, светопоглощающего материала, динамики релаксации возбужденного состояния и частоты модуляции или профиля импульса излучения, а также свойств датчика. Это требует соответствующих процедур для (i) разделения сигналов, вызванных различными механизмами, и (ii) получения временной зависимости выделения тепла (в случае фототермического механизма) или выделения кислорода (в случае фотобарического механизма в фотосинтезе) или временной зависимости изменений объема из временной зависимости результирующего фотоакустического сигнала. [1] [ нужна страница ] [2] [12] [22] [23]
Рассматривая только фототермический механизм, фотоакустический сигнал полезен при измерении спектра поглощения света , особенно для прозрачных образцов, где поглощение света очень мало. В этом случае обычный метод абсорбционной спектроскопии , основанный на разнице интенсивностей светового луча до и после его прохождения через образец, непрактичен. В фотоакустической спектроскопии такого ограничения нет. сигнал напрямую связан с поглощением света и интенсивностью света. Деление спектра сигнала на спектр интенсивности света может дать относительный процентный спектр поглощения, который можно откалибровать для получения абсолютных значений. Это очень полезно для обнаружения очень малых концентраций различных материалов. [24] Фотоакустическая спектроскопия также полезна для противоположного случая непрозрачных образцов, где поглощение по существу полное. В устройстве, где датчик помещается в газообразной фазе над образцом, а свет падает на образец сверху, фотоакустический сигнал возникает из зоны поглощения, близкой к поверхности. Типичным параметром, который управляет сигналом в этом случае, является «длина тепловой диффузии», которая зависит от материала и частоты модуляции и обычно составляет порядка нескольких микрометров . [1] [ нужна страница ] [12] Сигнал связан со светом, поглощенным на небольшом расстоянии длины тепловой диффузии, что позволяет определить спектр поглощения. [1] [ нужна страница ] [12] [25] Это также позволяет отдельно анализировать поверхность, которая отличается от объема. [26] [27] Изменяя частоту модуляции и длину волны зондирующего излучения, можно существенно изменить глубину зондирования, что приводит к возможности профилирования глубины [27] и фотоакустической визуализации , которая выявляет неоднородности внутри образца. Этот анализ также включает возможность определения тепловых свойств из фотоакустического сигнала. [1] [ нужна страница ]
Недавно фотоакустический подход был использован для количественного измерения макромолекул, таких как белки. Фотоакустический иммуноанализ маркирует и обнаруживает целевые белки с помощью наночастиц , которые могут генерировать сильные акустические сигналы. [28] Анализ белков на основе фотоакустики также применялся для тестирования в месте оказания медицинской помощи. [29]
Другое применение фотоакустического эффекта — его способность оценивать химическую энергию, запасенную на различных этапах фотохимической реакции. После поглощения света происходят фотофизические и фотохимические преобразования, которые запасают часть световой энергии в виде химической энергии. Запасание энергии приводит к меньшему выделению тепла. Получающийся в результате меньший фотоакустический сигнал, таким образом, дает количественную оценку степени запасания энергии. Для переходных видов это требует измерения сигнала в соответствующей временной шкале и возможности извлечь из временной части сигнала зависящее от времени выделение тепла с помощью надлежащей деконволюции. [19] [22] [23] Существует множество примеров для этого применения. [30] Аналогичное применение — изучение преобразования световой энергии в электрическую энергию в солнечных элементах. [31] Особым примером является применение фотоакустического эффекта в исследовании фотосинтеза.
Фотосинтез является очень подходящей платформой для исследования с помощью фотоакустического эффекта, предоставляя множество примеров его различных применений. Как отмечено выше, фотоакустический сигнал от влажных фотосинтезирующих образцов (например, микроводоросли в суспензии, морские водоросли ) является в основном фототермическим. Фотоакустический сигнал от губчатых структур (листья, лишайники ) представляет собой комбинацию фототермического и фотобарического (выделение или поглощение газа) вкладов. Фотоакустический сигнал от препаратов, которые осуществляют первичные реакции переноса электронов (например, реакционные центры ), представляет собой комбинацию фототермического и вклада изменения молекулярного объема. В каждом случае, соответственно, фотоакустические измерения предоставили информацию о
Эти измерения предоставили информацию, касающуюся механизма фотосинтеза, а также дали указания о целостности и здоровье образца.
Примерами являются: (a) энергетика первичных процессов переноса электронов , полученная из накопления энергии и изменения молекулярного объема, измеренного при субмикросекундных вспышках; (b) характеристики 4-шагового цикла окисления в фотосистеме II , [19] полученные для листьев путем мониторинга фотоакустических импульсных сигналов и их колебательного поведения при повторяющихся возбуждающих вспышках света; (c) характеристики фотосистемы I и фотосистемы II фотосинтеза ( спектр поглощения , распределение света по двум фотосистемам) и их взаимодействия. Это получается путем использования непрерывно модулированного света определенной конкретной длины волны для возбуждения фотоакустического сигнала и измерения изменений в накоплении энергии и выделении кислорода, вызванных фоновым светом на различных выбранных длинах волн.
В общем, фотоакустические измерения накопления энергии требуют эталонного образца для сравнения. Это образец с точно таким же поглощением света (на данной длине волны возбуждения), но который полностью деградирует весь поглощенный свет в тепло в пределах временного разрешения измерения. К счастью, фотосинтетические системы являются самокалибрующимися, предоставляя такой эталон в одном образце следующим образом: сравниваются два сигнала: один, который получается только с зондирующим модулированным/импульсным светом, и другой, когда добавляется устойчивый немодулированный свет (называемый фоновым светом ), который достаточно силен, чтобы довести фотосинтез до насыщения. [32] [33] [34] Добавленный устойчивый свет сам по себе не производит никакого фотоакустического эффекта, но изменяет фотоакустический отклик из-за модулированного/импульсного зондирующего света. Результирующий сигнал служит эталоном для всех других измерений в отсутствие фонового света. Фототермическая часть эталонного сигнала максимальна, поскольку при фотосинтетическом насыщении энергия не сохраняется. В то же время вклад остальных механизмов стремится к нулю при насыщении. Таким образом, опорный сигнал пропорционален полной поглощенной световой энергии.
Для того чтобы разделить и определить фотобарический и фототермический вклады в губчатых образцах (листья, лишайники), используются следующие свойства фотоакустического сигнала: (1) На низких частотах (ниже примерно 100 Гц) фотобарическая часть фотоакустического сигнала может быть довольно большой, а общий сигнал уменьшается под фоновым светом. Фотобарический сигнал получается в принципе из разности сигналов (общий сигнал минус опорный сигнал, после коррекции для учета накопления энергии). (2) На достаточно высоких частотах, однако, фотобарический сигнал очень сильно ослабляется по сравнению с фототермическим компонентом и им можно пренебречь. Кроме того, фотобарический сигнал не может наблюдаться даже на низких частотах в листе, внутреннее воздушное пространство которого заполнено водой. Это справедливо также для живых талломов водорослей, суспензий микроводорослей и фотосинтезирующих бактерий. Это связано с тем, что фотобарический сигнал зависит от диффузии кислорода из фотосинтетических мембран в воздушную фазу и в значительной степени ослабевает по мере увеличения расстояния диффузии в водной среде. Во всех вышеперечисленных случаях, когда фотобарический сигнал не наблюдается, можно определить запас энергии, сравнив фотоакустический сигнал, полученный только с зондирующим светом, с опорным сигналом. Параметры, полученные из вышеприведенных измерений, используются различными способами. Запас энергии и интенсивность фотобарического сигнала связаны с эффективностью фотосинтеза и могут использоваться для мониторинга и наблюдения за здоровьем фотосинтезирующих организмов. Они также используются для получения механистического понимания процесса фотосинтеза: свет с различными длинами волн позволяет получить спектр эффективности фотосинтеза, распределение света между двумя фотосистемами фотосинтеза и идентифицировать различные таксоны фитопланктона. [35] Использование импульсных лазеров дает термодинамическую и кинетическую информацию о первичных этапах переноса электронов фотосинтеза.