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-1‘de
bir fotoakustik gaz monitörünün şeması görülmektedir.
Çalışma sistemi:
- Örnek
(hava olabilir) 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 hesaplanır.
Şekil-1: Technologies Innova PAS gaz monitörü
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; ışın katı tarafından absorblanır ve sonra fotokustik etki
gözlenir; oluşan sesin kuvveti, absorblanan ışının miktarı ile doğru
orantılıdır. 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 sonuçta kap içindeki basınç dalgalanmaları mikrofon ile saptanır.
Şekil-2: Tek ışınlı fotoakustik spektrofotometre ve digital
veri sisteminin şematik diyagramı
Şekil-2'de tek-ışınlı bir
fotoakustik spektrofotometrenin blok diyagramı görülmektedir. Cihazda yapılan
bir uygulamanın fotoakustik spektrumu da Şekil-3'de 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-4’de fotoakustik
spektroskopinin diğer bir uygulaması görülmektedir. Sol taraftaki beş spektra,
ince tabaka kromatografik levhalarda ayrılmış beş organik maddeye aittir. Bu
spektralar ince-tabaka levhalar üzerinde alınmıştır. Sağ taraftaki 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.
Şekil-3: A. Katı üzerine sürülmüş kan, B. kırmızı kan
hücreleri ve C. hemoglobinin fotoakustik spektrumları
Şekil-4: (a) Bir ince tabaka kromatogram (TLC) üzerindeki noktaların,ve (b) aynı bileşiklerin çözeltilerinin, spektrumları
