Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustica in determinarea [611885]

Universitatea POLITEHNICA din Bucures ,ti
Facultatea de S ,tiint ,e Aplicate
Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustica in determinarea
biomarkerilor gazosi din respiratia umana
Lucrare de licent ,˘a
Prezentat ˘a ca cerint ,˘a part ,ial˘a pentru obt ,inerea
titlului de Inginer
ˆın domeniul Inginerie Fizic ˘a
programul de studii Ingineri Zi
Conduc ˘ator s ,tiint ,ific Absolvent: [anonimizat]. Dan Dumitras , Oana Daciana Botta
Anul 2017

Declarat ¸ie de onestitate academic ˘a
Prin prezenta declar c ˘a lucrarea cu titlul Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustica in deter-
minarea biomarkerilor gazosi din respiratia umana , prezentat ˘aˆın cadrul Facult ˘at,ii de S ,tiint ,e Aplicate
a Universit ˘at ¸ii “Politehnica” din Bucures ¸ti ca cerint ¸ ˘a part ¸ial ˘a pentru obt ¸inerea titlului de Inginer ˆın
domeniul Inginerie Fizic ˘a, programul de studii Ingineri Zi este scris ˘a de mine s ¸i nu a mai fost pre-
zentat ˘a niciodat ˘a la o facultate sau institut ¸ie de ˆınv˘at ¸˘amˆant superior din t ¸ar ˘a sau str ˘ain˘atate. Declar c ˘a
toate sursele utilizate, inclusiv cele de pe Internet, sunt indicate ˆın lucrare, ca referint ¸e bibliografice.
Fragmentele de text din alte surse, reproduse exact, chiar s ¸i ˆın traducere proprie din alt ˘a limb ˘a, sunt
scrise ˆıntre ghilimele s ¸i fac referint ¸ ˘a la surs ˘a. Reformularea ˆın cuvinte proprii a textelor scrise de
c˘atre alt ¸i autori face referint ¸ ˘a la surs ˘a.ˆInt ¸eleg c ˘a plagiatul constituie infract ¸iune s ¸i se sanct ¸ioneaz ˘a
conform legilor ˆın vigoare. Declar c ˘a toate rezultatele simul ˘arilor, experimentelor s ¸i m ˘asur˘atorilor pe
care le prezint ca fiind f ˘acute de mine, precum s ¸i metodele prin care au fost obt ¸inute, sunt reale s ¸i pro-
vin din respectivele simul ˘ari, experimente s ¸i m ˘asur˘atori. ˆInt ¸eleg c ˘a falsificarea datelor s ¸i rezultatelor
constituie fraud ˘a s ¸i se sanct ¸ioneaz ˘a conform regulamentelor ˆın vigoare.
Bucures ¸ti, Iulie 2017.
Absolvent: [anonimizat]2 2
1. Efectul fotoacustic : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
1.1. Principiul de baza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Aplicare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Instrumentat ¸ia utilizat ˘aˆın m ˘asur ˘atorile de spectroscopie fotoacustic ˘a: : : : : : : : : 6
2.1. Laserul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1. Principii de baza ale laserilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Particularitati ale laserului cu CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Celula fotoacustic ˘a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3. Modulatorul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4. Radiometrul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5. Amplificatorul lock-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6. Sistemul de achizit ¸ie al datelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.7. Instalat ¸ia de alimentare a gazelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.8. Zgomote s ¸i factori limitativi ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a . . . . . . . . . . . . . . . 6
3. Biomarkeri gazosi in respiratia umana : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7
3.1. Analiza respiratiei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2. Biomarkeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei s ¸i amoniacului : : : : : : : : : : : : 8
4.1. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai amoniacului . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5. Masurarea biomarkerului etilena s ¸i amoniac la pacient ¸i cu diabet de tip-2 : : : : : : 9
ii

1
Introducere
Laserii continu ˘a s˘a fie un domeniu uimitor de robust de activitate, prin extinderea continua a frontie-
relor s ,tiint ,ifice s ,i tehnologice. Astfel, ast ˘azi putem avem efect laser f ˘ar˘a inversiune, lasere ˆın cascad ˘a
cuantice, efect laser ˆın medii puternic dispersive, ˆın biomateriale si ˆın cristale fotonice, un laser unic
atom, lasere semiconductoare cu timp de funct ,ionare prezis la mai mult de 100 de ani, iar acestea
sunt doar cateva dintre exemple posibile. ˆIn ultimele patru decenii, laserul a devenit un instrument
indispensabil pentru omenire fiind necesar in aplicat ,ii din domenii diverse, precum s ,tiint ,˘a, inginerie,
comunicat ,ii, fabricarea s ,i prelucrarea materialelor, medicina, divertisment, stocare s ,i prelucrare de
date, metrologie. Este aproape imposibil de imaginat, in contextul actual, implementarea cercetarii
in fizica, chimie si biologie fara utilizarea radiatilor provenite de la diferite sisteme laser. In aceasta
lucrare, laserul este folosit pentru a analiza probe in stare gazoasa, mai exact probe din respiratia
umana, iar aplicatia ce a fost aleasa in acest scop este spectroscopia fotoacustica.
Spectroscopia fotoacustica se bazeaza pe efectul fotoacustic manifestat in faza gazoasa, iar acesta
implica un fascicul de lumina, modulat in domeniul frecventelor audio, incident pe un gaz absorbant
ce produce o unda sonora in acel gaz. Astfel se urmareste observarea undelor acustice generate ca
urmare a absorbtiei radiatiei de catre proba. Spectroscopia fotoacustica reprezinta o analiza in timp
real, de sensibilitate ridicata, iar masuratorile realizate urmaresc determinarea cantitativa si calitativa
a biomarkerilor din aerul exhalat de catre pacienti. Prezenta unui anumit biomarker, dar si abun-
denta sa, pot da informatii despre starea patofiziologica a corpului. Cu ajutorul acestei metode se pot
determina boli precum astmul, cancerul, diabetul, ulcerul si de asemenea, se mai pot identifica con-
sumul de droguri sau alcool si efectul fumului de tigara. Cei mai utilizati biomarkeri in spectroscopia
fotoacustica sunt etilena, amoniacul si pentanul.
ˆIn lucrarea de fat ,˘a, vor fi analizate probe de respirat ,ie umana provenite de la pacient ,i cu diabet
tip-2, pun ˆandu-se accent pe biomarkerii etilena s ,i amoniac. Lucrarea este format ˘a din s ,ase capitole
dintre care trei teoretice s ,i trei cu contribut ,ii. Capitolul 1 cont ,ine informat ,ii despre principiul efectului
fotoacustic s ,i despre elementele montajului experimental, ce stau la baza realiz ˘arii spectroscopiei
fotoacustice. Capitolul 2 prezinta caracteristici ale biomarkerilor gazos ,i s,i tehnica analizei respirat ,iei
umane. Capitolele 3 s ,i 4 reprezinta contribut ,iile aduse ˆın domeniu, at ˆat prin m ˘asurarea coeficient ,ilor
de absorbt ,ie ai etilenei s ,i amoniacului, c ˆat s ,i prin m ˘asurarea concentrat ,iilor acestor biomarkeri. ˆIn
final, rezultatele experimentale sunt interpretate s ,i sunt prezentate concluziile.

Partea I
Teoria spectroscopiei fotoacustice cu laser cu
CO2
2

3
Capitolul 1
Efectul fotoacustic
1.1 Principiul de baza
Efectul fotoacustic (PA) reprezint ˘a,ˆın principal, generarea undelor acustice de c ˘atre un gaz absorbant
ce a fost iradiat de un fascicul de lumin ˘a. Acest efect a fost observat prima dat ˘aˆın 1880, c ˆand
Alexander Graham Bell studia o modalitate de a transmite sunetele f ˘ar˘a ajutorul cablurilor. El a
observat c ˘a un fascicul focalizat de lumina, rapid ˆıntrerupt, incident pe un bloc de seleniu, produce un
semnal sonor ce poate fi preluat printr-un tub. ˆIns˘a acest domeniu de studiu a r ˘amas inactiv timp de
50 de ani, p ˆan˘a la inventarea microfonului, care a f ˘acut posibil ˘aˆımbun ˘at˘at,irea m ˘asur˘atorilor. ˆIn 1973,
Allan Rosencwaig s ,i Gersho au dezvoltat un model detaliat pentru acest efect (Teoria R-G).
O molecul ˘a gazoas ˘a poate interact ,iona cu o radiat ¸ie electromagnetic ˘a prin absorbt ,ie, excitandu-se
s,i ajung ˆand pe un sub-nivel de vibrat ¸ie al unui nivel electronic superior. La trecerea unui fascicul
laser prin incinta in care este ment ,inut gazul, doar o parte din populat ¸ia de pe primul nivel energetic
absoarbe radiat ¸ia incident ˘a. Absorbt ¸ia se va realiza numai dac ˘a energia fotonilor incident ,i este egal ˘a
cu diferent ¸a de energie dintre nivelul energetic de baz ˘a s ¸i nivelul starii excitate a moleculelor, aceasta
fiind condit ,ia de rezonant ,˘a. Pentru a excita moleculele pe nivele electronice superioare se vor folosi
radiat ,ii din spectrul vizibil s ,i UV , iar pentru a atinge excitarea pe nivele vibrat ,ionale s ,i rotat ,ionale se
va folosi radiat ,ie din spectrul IR. Dupa un anumit timp, molecula se va dezexcita, elimin ˆand surplusul
de energie prin procese radiative, precum emisia spontan ˘a sau stimulat ˘a, sau neradiativ prin coliziune,
ˆın proces efectu ˆandu-se un transfer al energiei de excitare. La presiunile de lucru din domeniul fotoa-
custic (1 bar), timpul de relaxare radiativ ˘a este mai mare dec ˆat timpul necesar pentru dezexcitarea
colizional ˘a, deci emisiile radiative nu joac ˘a un rol important. Astfel, cele mai multe molecule vor
elibera energia absorbit ˘a prin fluorescent ¸ ˘a,ˆın cazul presiunilor sc ˘azute, sau transfer neradiativ.
Procesul neradiativ, reprezentat de ciocnirile moleculelor excitate cu alte molecule din sistem (nu-
mit spectrofon) sau cu peret ¸ii acestuia, permite transferul energiei de excitare ˆın energie vibrat ¸ional ˘a,
rotat ¸ional ˘a sau de translat ¸ie a particulelor ˆın interact ¸ie. ˆIn cazul transferului ˆın energie de translat ,ie,
procesul va determina cres ¸terea local ˘a a energiei termice, iar dup ˘a stabilirea echilibrului termic,
aceast ˘a energie va conduce la cres ¸terea temperaturii gazului. Densitatea de putere de c ˘aldur ˘a transfe-
rat˘a este proport ¸ional ˘a cu coeficientul de absorbt ¸ie al gazului s ¸i cu intensitatea luminii incidente. ˆIn
cazul lucrului cu un volum ˆınchis (de exemplu, ˆın celula PA), aceast ˘a cres ,tere a temperaturii gene-
reaz˘a o cres ¸tere de presiune. Dac ˘a fasciculul laser este modulat astfel ˆıncˆat frecvent ¸a de modulare, f,
s˘a fie mult mai mic ˘a dec ˆat inversul timpului de viat ¸ ˘a total al st ˘arii excitate,
ft1
r+t1
nr ; (1.1)
unde treste timpul de relaxare radiativ ˘a s ¸itreste timpul de relaxare neradiativ ˘a, atunci modularea
intensit ˘at ¸ii fasciculului va determina modularea presiunii gazului. Undele de presiune rezultate, care
sunt unde acustice, vor avea aceeas ¸i frecvent ¸ ˘a cu cea a modulat ¸iei s ,i pot fi detectate mai departe
cu ajutorul unor microfoane sensibile, plasate ˆın interiorul celulei de m ˘asur˘a.ˆIn acest mod, energia
radiat ¸iei absorbite de gaz va fi detectat ˘a sub forma unui semnal acustic – se observ ˘a motivul denumirii
de efect fotoacustic .
ˆIn timpul unei m ˘asuratori fotoacustice, proba trebuie s ˘a fieˆıncapsulat ˘aˆıntr-un compartiment numit

4
celula PA.(1.1) Termenul de ”spectrofon”, utilizat anterior, desemneaz ˘a sistemul format din volumul
ˆınchis ˆın care se produc undele acustice (celula PA) s ¸i detectorul sensibil al acestor unde (microfonul).
Pentru o radiat ¸ie de excitare, cu lungime de und ˘a de 10 mm, timpul de relaxare radiativ ˘a va fi
tr=102s,ˆıns˘a la presiune atmosferic ˘a, relaxarea neradiativ ˘a prezint ˘a un domeniu mai larg de timpi
scurt ,i (tnr=107105s).ˆIn acest caz, se va considera complet neglijabil ˘a relaxarea radiativ ˘aˆın
comparat ¸ie cu cea neradiativ ˘a.
ˆIn cazul gazelor moleculare, rata de relaxare neradiativ ˘a este proport ¸ional ˘a cu presiunea gazului
(trµp),ˆıns˘a timpul de relaxare radiativ ˘a este independent de aceasta. Amplitudinea semnalului acus-
tic este proport ¸ional ˘a cu num ˘arul de molecule absorbante s ,i permite determinarea unor concentrat ¸ii
foarte mici de gaz. Se va evalua, ˆın aceste condit ,ii, densitatea de energie absorbit ˘a de prob ˘a t,inˆand
cont de legea Lambert – Beer:
P(L) =P(0)exp(apL) =P(0)exp(acL); (1.2)
unde P(0) reprezint ˘a puterea radiat ¸iei laser incidente, P(L) este puterea radiat ¸iei laser transmise
ˆın mediul absorbant, apreprezint ˘a coeficientul de absorbt ¸ie (m ˘asurat ˆıncm1) la presiunea gazului s ,i
lungimea de und ˘a a radiat ,iei laser specificate ( ap=a
c),aeste coeficientul de absorbt ¸ie al gazului
(m˘asurat ˆıncm1
atm1),ceste concentrat ¸ia gazului (m ˘asurat ˆınatm1), iar Lreprezint ˘a lungimea
c˘aii de absorbt ¸ie.
Daca absorbt ¸iile sunt slabe (DP
P(0)1, unde DP= P(0) – P(L)) rezult ˘a urmatoarea egalitate:
c=1
aLlnP(L)
P(0)=1
aLln
1DP
P(0)
'1
aLDP
P(0)(1.3)
ˆIn majoritatea cazurilor aplicative, spectroscopia PA se utilizeaza pentru a determina concentrat ¸iile
elementelor care absorb radiat ¸ia incident ˘a. Analiz ˆand relat ,ia de mai sus (1.3), se poate afirma c ˘aˆıntre
concentrat ¸ia unei astfel de probe s ,i puterea laser absorbit ˘a exist ˘a o relatie de proport ,ionalitate di-
rect˘a, iar factorul de proport ¸ionalitate este inversul coeficientului de absorbt ¸ie ( a).ˆIn spectroscopia
fotoacustic ˘a (PAS), cantitatea de energie absorbit ˘a de c ˘atre prob ˘a este determinat ˘a prin cuantificarea
efectului de ˆınc˘alzire datorat energiei moleculelor excitate, spre deosebire de spectroscopia clasic ˘a,
ˆın care se analizeaz ˘a atenuarea intensit ˘at ¸ii fasciculului de radiat ¸ie incident ˘a.
Se poate clasifica efectul PA ˆın cinci etape majore: (Fig. 1.2) [65]:
1.Modulat ¸ia radiat ¸iei laser ˆın amplitudine sau ˆın frecvent ¸ ˘a, astfel ˆıncˆat lungimea de und ˘a s˘a se
suprapun ˘a cu una dintre liniile de absorbt ¸ie ale moleculelor t ¸int ˘a.
2.Excitarea moleculelor t ¸int ˘aprin absorbt ¸ia radiat ¸iei incidente, astfel acestea c ˘ap˘atˆand energie
de vibrat ¸ie-rotat ¸ie, cantitatea de energie absorbit ˘a depinz ˆand de coeficientul de absorbt ¸ie al
gazului, care este o funct ¸ie de presiune.
3.Dezexcitarea moleculelor prin coliziune, energia de excitare fiind transformat ˘aˆın energie ter-
mic˘a, determin ˆand o ˆınc˘alzire tranzitorie local ˘a; eficient ¸a conversiei energetice, din energia de
excitare ˆın energia translat ¸ional ˘a, depinde de presiune s ¸i de structura intern ˘a a moleculei; tim-
pul de relaxare vibrat ¸ional ˘a este, de obicei, foarte scurt astfel ˆıncˆat aceasta nu este limitat ˘a de
sensibilitate.
4.Extinderea s ¸i contract ¸ia gazului ˆıntr-un volum ˆınchis, conduce la variat ¸ii de presiune, acestea fi-
ind de fapt unde acustice; dac ˘a se realizeaz ˘a o corelat ,ie temporal ˘aˆıntre fluxul de fotoni incident ,i
s,i caracteristica celulei de absorbt ¸ie se poate crea o und ˘a acustic ˘a stat ,ionar ˘aˆın rezonator.
5.Monitorizarea undelor acustice generate, cu un microfon; eficacitatea transmisiei undelor acus-
tice la microfon s ,i detect ,iei lor depinde de geometria celulei PA s ¸i de propriet ˘at ¸ile termodina-
mice ale gazului.

5
Fig. 1.2 Schema proceselor fizice implicate ˆın procesul spectroscopiei fotoacustice[65]
1.2 Aplicare
ˆIn str ˆans˘a leg ˘atur˘a cu efectul PA sunt fenomenele fototermice (PT), care sunt cauzate de ˆınc˘alzirea
init ,ial˘a determinat ˘a de absorbt ,ia radiat ,iei.ˆIn timp ce efectul PA este detectat prin intermediul sen-
zorilor acustici, cum ar fi microfoane, hidrofoane sau dispozitive piezoelectrice, fenomenele PT sunt
detectate analiza ˆand modific ˘ari ale indicelui de refract ,ie al mediului, prin devierea fasciculelor prin
prob ˘a, proiect ˆand termic ˘a !!! sau, radiometrie PT. Ambele spectroscopii, PA s ,i PT, sunt utilizate
pe scar ˘a larg ˘aˆın prezent ˆın multe aplicat ,ii. Efectul fotoacustic, cuantificat prin m ˘asurarea sunetului
format (a modific ˘arilor de presiune), s ,i studiat prin variat ,iaˆın timp a semnalului electric de ies ,ire
de la detectori (semnal fotoacustic), este util ˆın determinarea anumitor propriet ˘at,i ale es ,antionului.
De exemplu, ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a, semnalul fotoacustic este folosit pentru a obt ,ine absorbt ,ia
efectiv ˘a a luminii, at ˆat prin obiecte opace, c ˆat s ,i transparente. O utilitate foarte mare o are ˆın cazul
substant ,elorˆın concentrat ,ii extrem de mici, impulsurile puternice de lumin ˘a laser put ˆand cres ,te sensi-
bilitatea, iar lungimile de und ˘aˆınguste fi folosite pentru specificitate. Mai mult dec ˆat atˆat, m ˘asur˘atorile
fotoacustice sunt un instrument de cercetare valoros ˆın studiul c ˘aldurii ˆın react ,ii fotochimice, ˆın spe-
cialˆın studiul fotosintezei.
Se remarc ˘aˆın istorie mai multe experimente notabile ale efectului PA, efectuate folosind ca surs ˘a
de radiat ,ie laserii. O prim ˘a utilizare a laserilor ˆın m˘asur˘atorile fotoacustice, a fost dezvoltat ˘a de c ˘atre
Kerr s ¸i Atwood (Kerr, 1968), care au m ˘asurat un factor de absorbt ¸ie a=1;2
102cm1,ˆıntr-un
amestec de CO 2s ¸i N 2, cu ajutorul unui laser cu CO 2ˆın und ˘a continu ˘a.ˆIn 1971, metoda a fost aplicat ˘a
de c˘atre Kreuzer, care a utilizat un laser cu He-Ne pentru a detecta prezent ,a metanului ˆın amestecuri
de azot, ˆın concentrat ¸ii sub 0,01 ppm. Astfel, spectroscopia PA ce foloses ,te laseri pulsat ,i cu HF sau
laserii cu CO 2, s,i-a demonstrat potent ,ialul s ,i utilitatea ˆın m˘asurarea concentrat ,iilor mici s ,i analizarea
spectrelor de absorbt ,ie redus ˘a.
ˆIntruc ˆat o sensibilitate ridicat ˘a metodei este de dorit, se pot utiliza tehnici care s ˘a permit ˘a am-
plificarea undelor acustice, ˆın interiorul celulei de m ˘asur˘a. Acest aspect poate fi realizat ˆın cazul ˆın
care frecvent ¸a de modulat ¸ie a fasciculului coincide cu frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a celulei PA. Pentru
a cres ¸te sensibilitatea de detect ¸ie s ¸i rezolut ¸ie spectral ˘a, de-a lungul timpului, montajele utilizate ˆın
spectroscopia PA au suferit mai multe modific ˘ari. Patel (Patel, 1977) s ¸i Kavaya (Kavaya, 1979) au
combinat spectrofonul cu un dispozitiv de inducere a c ˆampurilor magnetice s ¸i electrice. Echipamentul
fusese dezvoltat ˆın 1970, de Krupnov s ¸i colaboratorii, s ,i a f˘acut posibil ˘a detect ¸ia cu ˆınalt˘a rezolut ¸ie, a
unor absorbt ¸ii foarte slabe ˆın gaze. Astfel, Patel a putut m ˘asura concentrat ¸ii reduse de NO s ¸i H 2Oˆın
atmosfer ˘a, la o altitudine de 28 km, folosind un laser “spin-flip” Raman.
Sistemele de detect ¸ie, ce folosesc laseri cu CO sau CO 2, au fost utilizate pentru a analiza ames-
tecurile gazoase industriale s ,i gazele de es ¸apament, at ˆat din mediul urban, c ˆat s ¸i rural. ˆIn urma
m˘asur˘atorilor, s-au raportat coeficient ¸i de absorbt ¸ie de ordinul 108cm1, rezultatul fiind ˆın limitele
de detect ¸ie de ordinul ppb (1 ppb = 1 : 109atm). Dac ˘a se foloses ,te un sistem PA ˆın configurat ¸ie
intracavitate, sensibilitatea m ˘asur˘atorii poate cres ¸te semnificativ p ˆan˘a la valori de ordinul ppt (1 ppt =
1 : 1012atm). Datorit ˘a acestei sensibilitat ¸i, spectroscopia fotoacustic ˘a cu laser (LPAS) are o utilitate
ridicat ˘aˆın studiile de fiziologie, ˆın care volumul probei este limitat, astfel c ˘a timpul de r ˘aspuns al
sistemului trebuie s ˘a fie foarte scurt. Av ˆandˆın vedere c ˘a laserii cu CO 2(9-11) mms ¸i cei cu CO (4,8
– 5,4) mmrespectiv, (2,8 – 4,1) mmacoper ˘aˆımpreun ˘a o parte considerabil ˘a din spectrul IR, au putut
fi investigate peste 250 de gaze moleculare de interes biologic pentru protect ¸ia mediului, cu ajutorul
acestor sisteme de detect ¸ie PA. Recent, sensibilitatea sistemelor de detect ¸ie PA a permis l ˘argirea sfe-
rei de aplicat ¸ii ale spectroscopiei, ˆın domeniul medicinii. Astfel, acestea sunt utilizate ˆın investigat ¸ii
neinvazive de analiz ˘a a aerului expirat, rezultatele put ˆand fi folosite ˆın diagnosticarea diferitelor boli
ˆın faz ˘a incipient ˘a.

6
Cˆateva din avantajele pe care le ofer ˘a sunt: simplitatea oper ˘arii, sensibilitate, indiferent ,a la interferent ¸ ˘a,
universalitatea aplic ˘arii, plaj ˘a dinamic ˘a mare, acuratet ¸e, ˆınregistrarea datelor ˆın timp real, portabilitate
relativ ˘a s ¸i calibrare us ¸oar ˘a.
Studii asupra solidelor
Un avantaj principal al PAS aplicat solidelor este faptul c ˘a nu este necesar ˘a o preg ˘atire a pro-
belor iar suprafet ,ele nelustruite nu sunt problematice. Deoarece intensitatea semnalului PA este
proport ,ional cu energia absorbit ˘a, chiar s ,i spectrele probelor puternic ˆımpr ˘as,tietoare, de exemplu
pulberile, pot fi m ˘asurate cu us ,urint ,˘a. Totus ,i, trebuie ment ,ionat c ˘a, datorit ˘a naturii complexe a ge-
ner˘arii semnalului, care implic ˘a expansiunea gazului interstit ,ial, studiile PA asupra pulberilor sunt, de
obicei, doar de natur ˘a calitativ ˘a. Un alt avantaj al metodei ˆıl constituie sensibilitatea ridicat ˘a, put ˆand
fi detectate absorbt ,ii de ordine foarte mici. Pentru radiatii modulate, a fost dezvoltat un model teoretic
simplu, care se bazeaz ˘a pe faptul c ˘a generarea semnalului acustic se datoreaz ˘a unui flux de c ˘aldur ˘a
periodic, de la solid c ˘atre la gazul inconjur ˘ator, atunci c ˆand solidul este ˆınc˘alzit ciclic prin absorbt ,ia
luminii trecute prin-un chopper. ˆIn funct ,ie de propriet ˘at,ile optice s ,i termice ale probelor solide, se
pot distinge s ,ase cazuri diferite. Se permit astfel m ˘asuratori asupra materialelor total opace, lucru
imposibil de f ˘acut prin m ˘asur˘atori convent ,ionale, aceasta fiind o caracteristic ˘a unic ˘a a metodei. De
aceea, PAS este o tehnic ˘a folosit ˘a pentru: a studia WEAK BULK s ,i absorbt ,ia de suprafat ,˘aˆın cristale
s,i semiconductori, a evalua nivelul de energie absorbit ˘aˆın straturi subt ,iri, a m ˘asura spectrul straturilor
de oxid ˆın metale, diverse pulberi, materiale organice, etc., s ,i, de asemenea, pentru a investiga probe ˆın
multi-strat. !!!!Un alt exemplu de aplicat ,ie se refer ˘a la studiul adsorbant ,ei pe suprafet ,ele solide. PAS
este de as ,teptat s ˘a fie destul de sensibil la adsorbt ,ia de suprafat ,˘a,ˆın special ˆın cazul ˆın care substratul
este transparent sau foarte reflectorizant ˆın regiunea lungimii de und ˘aˆın care absoarbe adsorbantului.
Ambele modulat ,ie sinusoidal ˘a a razei laser incidente s ,i laserele pulsate au fost folosite ˆın acest scop.

7
Capitolul 2
Instrumentat ¸ia utilizat ˘aˆın m ˘asur ˘atorile de spectroscopie
fotoacustic ˘a
2.1 Laserul
2.1.1 Principii de baza ale laserilor
2.1.2 Particularitati ale laserului cu CO2
2.2 Celula fotoacustic ˘a
2.3 Modulatorul
2.4 Radiometrul
2.5 Amplificatorul lock-in
2.6 Sistemul de achizit ¸ie al datelor
2.7 Instalat ¸ia de alimentare a gazelor
2.8 Zgomote s ¸i factori limitativi ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a

8
Capitolul 3
Biomarkeri gazosi in respiratia umana
3.1 Analiza respiratiei
3.2 Biomarkeri

9
Capitolul 4
M˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei s ¸i amoniacului
4.1 M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei
4.2 M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai amoniacului

10
Capitolul 5
Masurarea biomarkerului etilena s ¸i amoniac la pacient ¸i cu diabet
de tip-2