水晶増強光音響分光法(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy QEPAS) とは水晶音叉を使用する分光法。
概要 光音響分光法の一形態で光音響効果を応用して気体の濃度を定量する。従来の光音響分光法では検出にマイクロフォンを使用していたため、遮音容器が必要で高感度化に限界があり、限定的な普及に留まっていた。検出に高Q値(鋭い共振特性)を持つ水晶音叉を使用することにより、高感度化が可能になった。検出対象の物質を非接触、高感度で検出可能とされる。 有害なガス等を高感度で検出できる。
原理 対象となる試料(気体及び揮発性有機化合物)が有する吸収帯の波長のレーザー光を試料に照射してその光強度を変調させると試料が光エネルギーを吸収・解放する過程で熱の出入りが起き、局所的な圧力波(音波)が発生(光音響効果)するのでそれが水晶音叉の2つの足(プロング)の間に当たることにより、音叉が共振して逆方向に振動するので水晶の圧電効果により、振動が電圧信号に変換され、この信号の大きさから試料の濃度を定量するものである。従来は光源としてレーザーが使用されていたが高出力の発光ダイオードが普及したことにより発光ダイオードも光源として使用されるBöttger, Stefan, Martin Angelmahr, and Wolfgang Schade. "Photoacoustic gas detection with LED QEPAS." The European Conference on Lasers and Electro-Optics. Optica Publishing Group, 2011.Zheng, Huadan, et al. "Ppb-level QEPAS NO2 sensor by use of electrical modulation cancellation method with a high power blue LED." Sensors and Actuators B: Chemical 208 (2015): 173-179.Köhring, Michael, et al. "LED-absorption-QEPAS sensor for biogas plants." Sensors 15.5 (2015): 12092-12102.Breitegger, P., et al. "Towards low-cost QEPAS sensors for nitrogen dioxide detection." Photoacoustics 18 (2020): 100169.。
長所 ppt(1兆分の1)レベルの超低検出限界を実現 水晶音叉そのものが鋭い共振特性を有する狭帯域(約32 kHz)バンドパスフィルターとして機能するため、背景雑音を除去できるので従来の光音響分光法では必要だった防音・遮音容器が不要で外乱に対する耐性が優れる。 防音・遮音容器が不要で小型軽量 他の化学物質検出法では特定の揮発性有機化合物(VOC)を対象とした化学修飾された使い捨ての検出素子を必要とする場合も少なからずあるがQEPASでは不要で量子カスケードレーザーのような広帯域光源を使用すれば多チャンネル化が可能
用途 呼気や環境に含まれる揮発性有機化合物を高感度で検出、数値化する用途に適用できる。 診断 - 呼気に含まれる揮発性有機化合物をバイオマーカーとして疾病の早期発見に使用する。非侵襲で測定できる。 爆発物検出 - に含まれる爆発物マーカーを検出して検知する量子カスケードレーザー(QCL)などの中赤外領域で強い吸収帯を利用することにより、過酸化アセトン(TATP)などの過酸化物系爆発物の蒸気を大気圧下で検出、ppmまたはそれ以下の検出下限を有する。 環境調査 違法薬物の検査 - 空港や港湾で麻薬探知犬の役割を担う
脚注
関連資料 Lewicki, Rafal, et al. "QEPAS based detection of broadband absorbing molecules using a widely tunable, cw quantum cascade laser at 8.4 μm." Optics Express 15.12 (2007): 7357-7366. Dong, Lei, et al. "QEPAS spectrophones: design, optimization, and performance." Applied Physics B 100.3 (2010): 627-635. Kosterev, A. A., et al. "QEPAS detector for rapid spectral measurements." Applied Physics B 100.1 (2010): 173-180. Kosterev, A. A., et al. "QEPAS for chemical analysis of multi-component gas mixtures." Applied Physics B 101.3 (2010): 649-659. Dong, Lei, et al. "Ppb-level detection of nitric oxide using an external cavity quantum cascade laser based QEPAS sensor." Optics Express 19.24 (2011): 24037-24045. Ma, Yufei, et al. "QEPAS based ppb-level detection of CO and N 2 O using a high power CW DFB-QCL." Optics Express 21.1 (2013): 1008-1019.
関連項目 イオン易動度分光測定式探知器 爆発物マーカー