Spectroscopie photoacoustique
La spectroscopie photoacoustique (PAS) implique l'irradiation d'une lumière intermittente sur un échantillon, puis la détection des fluctuations de température périodiques dans l'échantillon sous forme de fluctuations de pression. La spectroscopie photoacoustique n'a été appliquée que récemment dans la région infrarouge. Elle est utilisée dans divers domaines à mesure que la FTIR devient plus répandue.
Caractéristiques de la spectroscopie photoacoustique :
(1) Permet des mesures sans traitement préalable, quelle que soit la forme de l'échantillon ;
(2) Peut même être utilisée pour mesurer des échantillons optiquement neutres qui ne transmettent ni ne réfléchissent la lumière incidente ;
(3) La sensibilité de mesure augmente à mesure que l'intensité de la source lumineuse augmente ;
(4) Obtient des informations à différentes profondeurs en changeant la vitesse du miroir mobile dans l'interféromètre.
Ces caractéristiques peuvent être exploitées pour analyser des échantillons de forme irrégulière, effectuer des mesures des traitements de surface sur des tissus, films et poudres, et peuvent être utilisées pour des mesures dans la direction de la profondeur.
(1) Principe de la Spectroscopie Photoacoustique
Fig. 1 Principe de la Spectroscopie Photoacoustique
La mesure de spectroscopie photoacoustique est basée sur l'effet photoacoustique. L'effet photoacoustique a été découvert par Alexander Graham Bell en 1880. C'est le phénomène par lequel, lorsqu'une lumière intermittente est irradiée sur une substance, celle-ci émet des ondes acoustiques de la même fréquence que la fréquence de l'impulsion lumineuse. Il a fallu plusieurs décennies à partir de ce moment pour que l'effet photoacoustique soit appliqué comme technique de mesure. Avec le développement de microphones hautement sensibles et d'autres avancées en électronique, la recherche a progressé vers la mesure d'échantillons gazeux, en particulier. L'application de l'effet photoacoustique dans la région infrarouge est une nouvelle technique. Avec le développement d'instruments FTIR hautement sensibles, cette technique est largement recherchée pour l'analyse d'échantillons solides.
L'échantillon solide à mesurer est placé dans un récipient scellé auquel un petit microphone est attaché. La Fig. 1 montre le principe de mesure de la spectroscopie photoacoustique FTIR. Lorsque un faisceau de lumière infrarouge modulé est absorbé par l'échantillon, de la chaleur est générée en raison de la lumière incidente. Cette chaleur provoque des changements de pression dans la couche gazeuse environnante, qui peuvent être détectés par le microphone hautement sensible. Les signaux provenant du microphone sont des ondes d'interférence acoustiques. L'application de la transformation de Fourier à ces signaux produit un spectre similaire à un spectre d'absorption.
La théorie de la spectroscopie photoacoustique diffère selon la forme de l'échantillon et la construction de la cellule photoacoustique. Une théorie qui explique toutes les situations n'a pas encore été développée. La théorie RG basée sur les équations de diffusion thermique est une théorie bien connue pour les échantillons solides. Elle est résumée ci-dessous. Pour plus de détails, voir la Référence 1).
La théorie RG est basée sur le signal photoacoustique et trois paramètres : l'épaisseur de l'échantillon l, la longueur d'absorption de la lumière lß (où, lß = 1/ß et ß est le coefficient d'absorption), et la longueur de diffusion thermique µs (où, µs = 1/as et as est le coefficient de diffusion thermique). Elle est classée selon que l'échantillon est optiquement transparent (lb > l) ou opaque (lb < l), thermiquement épais (µs < l) ou thermiquement mince (µs > l). Pour un échantillon optiquement transparent, le signal photoacoustique reflète les propriétés optiques de l'échantillon, indépendamment des propriétés thermiques de l'échantillon. Cependant, seulement lorsque l'échantillon est optiquement opaque et thermiquement épais (µs < lb), le signal photoacoustique est proportionnel au coefficient d'absorption de l'échantillon et à la longueur de diffusion thermique.
Dans ce cas, bien que l'échantillon soit optiquement opaque, il est dit être photoacoustiquement transparent. Puisque la longueur de diffusion thermique est une fonction de la fréquence de modulation de la lumière incidente, augmenter la fréquence de modulation et réduire la longueur de diffusion thermique, de sorte que (µs < lß), rend un échantillon optiquement opaque photoacoustiquement transparent. De plus, comme le signal photoacoustique est proportionnel à la longueur de diffusion thermique pour un échantillon thermiquement épais, la profondeur à partir de laquelle le signal photoacoustique est émis peut être changée en changeant la fréquence de modulation. En d'autres termes, augmenter la fréquence de modulation réduit la profondeur et l'intensité du signal. Pour un interféromètre de Michelson normal, la fréquence de modulation f est exprimée comme f = 2Vv. Elle dépend de la vitesse du miroir mobile V (cm/s) et du nombre d'onde v (cm-1). Par conséquent, f diminue à mesure que la vitesse du miroir mobile diminue. Inversement, à mesure que la longueur de diffusion thermique augmente, des informations sont obtenues à partir d'une profondeur plus profonde par rapport à la surface.
(2) Cellule Photoacoustique
Fig. 2 PAS-300
La Fig. 2 montre l'apparence de la cellule photoacoustique. La cellule photoacoustique est un petit récipient bien scellé équipé d'un microphone hautement sensible. Réduire le volume de la cellule autant que possible augmente la sensibilité. La cellule est montée sur un support d'isolation contre les vibrations pour éliminer les vibrations du sol qui peuvent générer du bruit.
(3) Exemples de Mesures
Fig. 3 Spectre PAS pour Éponge
La spectroscopie photoacoustique détecte la lumière absorbée par l'échantillon sous forme d'ondes sonores. Le signal est nul (0) pour la lumière qui n'est pas absorbée. Par conséquent, les pics dans un spectre photoacoustique pointent vers le haut, contrairement à un spectre de transmission.
La Fig. 3 montre la mesure d'une éponge par spectroscopie photoacoustique.
Référence
- Tsuguo Sawada "Hikari Onkyou Bunkouhou to Sono Ouyou - PAS (Applications de la Spectroscopie Photoacoustique - PAS)" p. 10, Japan Scientific Societies Press (1982)
