Schall aus Licht – Photoakustische Spektroskopie in der Analytik

Einleitung

Kann man Photonen hören? Dazu ein kleines Gedankenexperiment, das sich aber auch praktisch einfach umsetzen lässt: Ein Gurkenglas (etwa 0.5 bis 1 L Inhalt) wird innen auf eines Seite geschwärzt, z.B. durch das Hineinhalten einer rußenden Kerze (Abb. 1). Nachdem in den Deckel in der Mitte ein kleines Loch gebohrt wurde, wird das Glas wieder verschossen. Wenn dieses Glas jetzt seitlich mit einer starken, netzbetriebenen Lampe (z.B. 50 W Halogenstrahler) beleuchtet wird, ist ein deutliches Brummen zu hören. Teilweises Abschatten des Lichts führt zu geringerer Lautstärke; bei vollständiger Abschattung verschwindet der Ton. Wie kommt dieser Ton zustande? Das Licht wird an der geschwärzten Seite des Glases absorbiert, was zu einer Erwärmung des Glases und des Gases an der Glasoberfläche führt. Diese Erwärmung wiederrum resultiert in einer Expansion des Gases. Das Licht der Netz-, d.h. Wechselstrom-betriebene Lampe ist moduliert mit der doppelten Frequenz des Wechselstroms; in Folge ist auch die Expansion mit einer Frequenz von 100 Hz moduliert. Eine modulierte Gasexpansion ist eine Schallwelle. Dieser Vorgang ist bekannt als photoakustischer (PA) Effekt [1] und es wird dabei tatsächlich die Absorption von Licht hörbar.

Abbildung 1: Photoakustik im Gurkenglas.

Anwendungen

Der PA-Effekt wurde bereits 1880 von A.G. Bell bei Untersuchungen zur Übertragung von Schall mittels Licht entdeckt [2, 3]. Seit den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde er vermehrt für verschiedenste Fragestellungen in der chemischen Analytik und Materialwissenschaft untersucht und angewandt. Die meisten Untersuchungen richten sich auf die hochempfindliche Quantifizierung von Spurengasen [4] sowie die Charakterisierung der Absorptionseigenschaften von Aerosolen [5]. Ein gänzlich anderes Anwendungsfeld ist die medizinische Bildgebung, bei der hautsächliche gepulste Laser eingesetzt werden, um über den PA-Effekt Ultraschallsignale zu erzeugen [6].


PA-Gasmesstechnik

Für Absorptionsmessungen in Gasen wird das Gas durch einen akustischen Resonator geleitet. Ein modulierter Lichtstrahl mit einer Wellenlänge, die von einer bestimmten Gasspezies spezifisch absorbiert wird, wird durch den Resonator geleitet, wobei die Modulationsfrequenz passend zur akustischen Resonanzfrequenz gewählt ist. Das PA-Signal wird über ein Mikrophon detektiert. Üblicherweise erfolgt die Signalerfassung über einen Lock-in-Verstärker. Ein Beispiel für einen Aufbau zur simultanen Detektion von Ruß und NO2 in Abgas ist in Abbildung 1 zu sehen.

Abbildung 2: Aufbau zur photoakustischen Quantifizierung von Ruß in motorischem Abgas.

PA-Spektroskopie hat wesentliche Vorteile gegenüber klassischer Transmissions-basierter Absorptions-Spektroskopie. Lichtstreuung beeinflusst die Messergebnisse in erster Näherung nicht; damit ist die PA-Spektroskopie besonders für die Untersuchung der optischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln geeignet. Höhere Anregungsleistung, etwa durch Verwendung von Laseranregung resultiert in höheren Signalintensitäten und damit höherer Empfindlichkeit. Weiterhin ist das PA-Signal bei niedrigen Absorptionen gering, während hohe Absorptionen in hohen Signalen resultieren; in der klassischen Transmissions-Spektroskopie ist dieser Zusammenhang umgekehrt, was messtechnisch ungünstig ist. Insbesondere ist dadurch der dynamische Konzentrationsbereich begrenzt.

Diese Vorteile haben dazu geführt, dass beispielweise ein PA-basiertes Gerät weltweit routinemäßig zur Detektion von Ruß in motorischem Abgas eingesetzt wird [7]. Dieses System erlaubt die Quantifizierung der emittierten Rußmasse mit hoher zeitlicher (~1 s) und Konzentrationsdynamik. Diese umspannt von typischen Umgebungskonzentrationen im urbanen Bereich (µg m-3) bis zu mehreren 10 mg m-3.


Medizinische Bildgebung

Medizinische Bildgebung ist ein völlig anderes Anwendungsfeld der PA-Spektroskopie [8]. Dafür wird meist ein gepulster Laser eingesetzt, der in das Gewebe eingekoppelt wird. Abhängig von der gewählten Wellenlänge wird das Licht z.B. von Blutgefäßen absorbiert. Der PA-Effekt führt bei der Absorption von Nanosekunden-Pulsen zur Ausbildung einer Ultraschallwelle. Diese Welle, deren Intensität von der Intensität des eingestrahlten Lichtes sowie von der lokalen Absorption abhängt, breitet sich mit Schallgeschwindigkeit im Medium aus und kann an der Oberfläche des bestrahlten Gewebes zeitaufgelöst werden. Aus der Intensität des detektierten Signals kann die lokale Absorption abgeleitet werden, während aus der Zeitverzögerung zwischen dem Laserpuls und der Detektion an der Oberfläche über die Schallgeschwindigkeit die Tiefe bestimmt werden kann, in der die Absorption stattfand. Mittels verteilter Drucksensoren lässt sich so ein dreidimensionales Abbild der Absorptionsverteilung berechnen. Das in Abbildung 3 gezeigte Bild ist ein hervorragendes Beispiel für die Möglichkeiten der PA-Bildgebung in der Medizin. Dabei wurden die PA-Drucksignale über eine Phasenkontrastabbildung erfasst, so dass das gesamte Bild innerhalb von wenigen Minuten aufgenommen werden konnte.

Abbildung 3: Tomographisches PA-Abbild von Blutgefäßen im musculus biceps einer Maus, erstellt mittels eines Phasenkontrast-Aufnahmesystems der PA-Signale (Darstellung als maximum projection image) [9].

Literatur

[1]         Haisch, C., Photoacoustic spectroscopy for analytical measurements. Measurement Science & Technology, 2012. 23(1).

[2]         Bidwell, S., The photophone. Nature, 1880 23: p. 58-59.

[3]         anonymous, Production of sound by radiant energy. The Manufacturer and Builder, 1881. 13(7): p. 156-158.

[4]         Romann, A. and M.W. Sigrist, Photoacoustic gas sensing employing fundamental and frequency-doubled radiation of a continuously tunable high-pressure CO2 laser. Applied Physics B-Lasers and Optics, 2002. 75(2-3): p. 377-383.

[5]         Haisch, C., et al., A Wide Spectral Range Photoacoustic Aerosol Absorption Spectrometer. Analytical Chemistry, 2012. 84(21): p. 8941–8945.

[6]         Xu, M. and L.V. Wang, Photoacoustic imaging in biomedicine. Review of Scientific Instruments, 2006. 77(4): p. 041101/1-041101/22.

[7]         Beck, H.A., R. Niessner, and C. Haisch, Development and characterization of a mobile photoacoustic sensor for on-line soot emission monitoring in diesel exhaust gas. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2003. 375(8): p. 1136-1143.

[8]         Haisch, C., Quantitative analysis in medicine using photoacoustic tomography. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009. 393(2): p. 473-479.

[9]         Nuster, R., P. Slezak, and G. Paltauf, High resolution three-dimensional photoacoutic tomography with CCD-camera based ultrasound detection. Biomedical Optics Express, 2014. 5(8): p. 2635-2647.