Magyar Kémikusok Lapja
Analitikai kémia – 2018
A fotoakusztikus gázdetektálás gyakorlati alkalmazásai
Bozóki Zoltán, Szabó Anna, Ajtai Tibor, Szabó Gábor
A gázkoncentrációt mérő műszerek piacán egyre jelentősebb szerephez jutnak az optikai abszorpciós spektroszkópián alapuló mérési módszerek, sok esetben háttérbe szorítva az alternatív mérési módszereket (pl. szilárdtest-szenzorok, katalitikus érzékelők stb.). Ehhez a gyors népszerűség-növekedéshez szükséges hajtóerőt döntő mértékben a spektroszkópiai módszerek megbízhatósága, szelektivitása biztosítja, mivel egy molekula optikai abszorpciós spektruma ujjlenyomatszerűen azonosíthatóvá teszi a molekulát még egy sokkomponensű gázkeverék esetében is. A fotoakusztikus spektroszkópia egyike a látványosan fejlődő spektroszkópiai módszereknek, ami nagyrészt a módszer egyedi előnyeinek köszönhető. A cikk megvizsgálja, hogy melyek azok az alkalmazási területek, ahol a fotoakusztikus módszer a legelőnyösebben használható.
A fotoakusztikus jelkeltés alapja, hogy ha egy anyagmintában, amely lehet gáznemű, folyékony vagy akár szilárd halmazállapotú is, időben változó mértékben fény nyelődik el, akkor a mintában (illetve annak környezetében) akusztikus jel (hanghullám) keletkezik, melyet egy, a zárt vagy kvázizárt gáztérhez illesztett mikrofonnal detektálni lehet. Ez az ún. fotoakusztikus effektus. A jelenséget A. G. Bell fedezte fel 1880-ban, amikor egy fonendoszkóp membránját, illetve a membránnal érintkező, erősen fényelnyelő folyadékot egy fényszaggató egységen (azaz egy forgó tárcsán) átvezetett, és így teljesítménymodulált napfénnyel megvilágítva hangot észlelt. További vizsgálatai során azt is megfigyelte, hogy bizonyos fényszaggatási frekvenciákon a keletkező jel rezonáns módon megerősödik. Megállapította, hogy a rezonáns erősödés frekvenciái megegyeznek a mintatartó (későbbiekben fotoakusztikus kamra) egy-egy akusztikus rezonanciafrekvenciájával.
Kilégzett levegő metánkoncentrációjának mérése fotoakusztikus műszerrel. Az alany egy csövön keresztül fújja egy üvegpalackba a kilégzett levegőt, amelyből a műszer folyamatos gázáramlás mellett mintát vesz
Már a múlt század negyvenes éveiben felvetődött, hogy a fotoakusztikus módszert alkalmazni lehetne gázkomponensek koncentrációjának mérésére, de a megfelelő fényforrás hiánya miatt csak néhány ilyen irányú próbálkozás történt. A lézerek felfedezése a tudomány és a technika számos területe mellett a fotoakusztikus gázdetektálásban is forradalmi fejlődést idézett elő. Szinte a lézerek felfedezésével egy időben elkezdték vizsgálni a lézerek alkalmazhatóságát fotoakusztikus mérésekben. Hamar nyilvánvalóvá vált, hogy lézerekre alapozva olyan mérőeszközöket lehet létrehozni, amelyekkel szennyező komponensek koncentrációját kiemelkedően kis koncentrációban (ppb vagy sub-ppb) és – a lézerek keskeny emissziós sávszélességének köszönhetően – nagy szelektivitással lehet mérni.
