Fotoakustik veya optoakustik spektroskopi, 1970'li yılların başında geliştirilmiş olan ve katı veya yarı katı maddelerin ultraviyole veya görünür absorbsiyon spektrumlarını elde etmek için uygulanan bir yöntemdir.
Fotaokustik Etki: Fotoakustik spektroskopi absorbsiyon etkisine dayanan bir analiz yöntemidir. Bu etki ilk olarak Alexander Graham Bell ve arkadaşları (1880) tarafından bulunmuştur.
Kapalı bir hücredeki gaza ışın gönderilirse gaz ışını absorblar. Bunun için bir kaynaktan çıkan ışından belirli bir dalga boyundaki kısım monokromatör ile ayrılarak önce bir choppere (kesici) gönderilir. Chopper bu ışını kesik kesik sisteme verir. Kapalı hücredeki gaz molekülleri ışını absorblayarak temel enerji halinden uyarılmış hale geçerler. Uyarılmış tanecikler diğer taneciklerle sürekli olarak çarpışmakta olduğundan uyarılma enerjilerini kısmen veya tamamen kaybederlerken ortamdaki diğer taneciklerin kinetik enerjileri artar (ışımasız zayıflama).
Kinetik enerji artışı taneciklerin hücre cidarına yaptığı basıncı artırır; hücreye kesik kesik gelen ışının kesilme hızına bağlı olarak hücre iç cidarında bir basınç dalgalanması, yani akustik (ses) frekanslar oluşur. Bu frekanslar hassas bir mikrofon ile kaydedilir. Şekil-27‘de bir fotoakustik gaz monitörünün şeması görülmektedir. Çalışma sistemi:
- Örnek ölçme odacığına konulur ve odacık valflerle sıkıca kapatılır.
- IR kaynaktan gelen ışın bir kesici ve filtreden geçerek odacığa girer; örneğin ışını absorblamasıyla ısı açığa çıkar ve basınç değişiklikleri meydana gelir.
- Basınç değişiklikleri, kesici frekansını vasıtasıyla bir basınç dalgası yaratır; bu da mikrofonlar tarafından algılanır.
- Mikrofon sinyali gaz konsantrasyonuyla orantılıdır; gerekli işlemlerden geçer ve sonuç heseplanır.
Katı maddelerin fotoakustik çalışmalarında madde, içinde hava veya başka bir inert gaz (ışın absorblamayan) ile hassas bir mikrofon bulunan kapalı bir hücre içine konur. Monokromatörden geçen bir dalga boyundaki ışın chopperden geçirildikten sonra katı madde üzerine gönderilir.; ıIşın katı tarafından absorblanır ve sonra fotokustik etki gözlenir; oluşan sesin kuvveti, absorblanan ışının miktarı ile doğru orantılıdır.
Şekil-27: TechnologiesInnova PAS gaz monitörü
Şekil-28: Tek ışınlı fotoakustik spektrofotometre ve digital veri sisteminin şematik diyagramı
Işının örnek (katı veya yarı katı) tarafından yansıtılan veya saçılan bölümü mikrofona herhangi bir sinyal verecek etki yapmaz, yani işlemi etkilemez. Bu husus yöntemin en önemli özelliğidir.
Katılarda oluşan fotoakustik etkinin nedeni de gazlardakine benzer. Işın absorblayan katı uyarılır ve uyarılma enerjisini kısa bir süre sonunda ışımasız relaksasyon ile kaybeder; böylece katıdan, etrafını saran gaz moleküllerine sürekli olarak ısı transferi olur ve kap içindeki basınç dalgalanmaları mikrofonla saptanır.
Şekil-28'de tek-ışınlı bir fotoakustik spektrofotometrenin blok diyagramı görülmektedir. Cihazda yapılan bir uygulamanın fotoakustik spektrumu da Şekil-29 (a)'da verilmiştir. Burada kan (tamamı), plazmadan ayrılmış kan hücrelerinin, ve hücrelerden ekstrakt edilmiş hemoglobin ile hazırlanmış örneklerin fotoakustik spektrumu görülmektedir (örnekler, maddenin deneyin yapıldığı dalga boyunda absorbsiyonu olmayan bir katı üzerine sürülmesiyle hazırlanır).
Normal spektroskopik yöntemlerle çok seyreltik kan örnekleriyle bile olumlu sonuçlar alınamaz. Çünkü kanda bulunan protein ve yağ moleküllerinin ışını saçma (scatterin) özellikleri çok kuvvetlidir. Fotoakustik etkide ise ışın saçılması olayı yöntemi bozmaz; bu nedenle kan analizleri, büyük molekülleri ayırmaya gerek olmadan yapılabilir.
Şekil-29 (b) ve (c)’de fotoakustik spektroskopinin diğer bir uygulaması görülmektedir. (b)’deki beş spektra, ince tabaka kromatografik levhalarda ayrılmış beş organik maddeye aittir. Bu spektralar ince-tabaka levhalar üzerinde alınmıştır.
Şekil-29: (a) Fotoakustik spektrumlar (A. Katı üzerine sürülmüş kan, B. kırmızı kan hücreleri ve C. Hemoglobin) (b) Bir ince tabaka kromatogram (TLC) üzerindeki noktaların,ve (c) aynı bileşiklerin çözeltilerinin spektrumları (I. p-nitroanilin, II. Benziliden aseton, III. Salisilaldehit, IV. 1-tetralon, V. fluorenon)
Şekil-(c)’deki spektralar, kıyaslama yapılabilmesi için, çözeltilere aittir. İki spektranın benzerliği bileşiğin tanımlanmasını sağlar.
Fotoakustik spektroskopisinin diğer uygulamaları arasında minerallerin, yarı iletkenleri, doğal ürünler (deniz yosunları ve hayvan dokuları gibi), yüzey kaplamaları, ve katalitik yüzeyler sayılabilir.
Katı maddelerin kalitatif tanımlanması için orta-infrared bölgedeki çalışmalarda da fotoakustik ölçmeler kullanılmaktadır. Özellikle, S/N oranı yüksek olan Fourier transform teknik ile bu yöntemde başarılı olunmaktadır. Fotoakustik hücreler Fourier transform cihazlarının aksesuarları olarak satılmaktadır.
