光音響分光

光音響分光（Photoacoustic Spectroscopy, PAS）は、光音響効果を応用した分光法です。この技術は、物質が光エネルギーを吸収した際に生じる熱と、それに伴う音響波の発生を利用します。

原理

光音響効果は、物質が光を吸収すると、そのエネルギーが熱に変換され、結果として体積膨張が起こり、音響波（疎密波）が発生する現象です。光音響分光では、サンプルに単色光を照射し、その光の周波数を音響域に設定します。このとき、サンプルから発生する音響波をマイクロフォンや圧電素子などの検出器で捉えます。照射する光は、モノクロメーターとチョッパーを介して、周期的に断続するパルス状の光としてサンプルに届けられます。

応用例

光音響分光は、様々な分野で応用されています。

無放射緩和過程の研究: 光音響分光は、分子が光エネルギーを吸収した後、熱としてエネルギーを放出する無放射緩和過程の詳細な研究に役立ちます。無放射緩和過程の割合（量子収率）が大きいほど、検出される信号も大きくなります。また、信号の遅れを解析することで、無放射緩和速度を求めることも可能です。
固体・懸濁液サンプルの光吸収スペクトル測定: 光音響分光は、固体サンプルや懸濁液サンプルの光吸収スペクトルを測定するのに適しています。従来の分光法とは異なり、光散乱や反射の影響を受けにくいため、これらのサンプルの測定に有効です。
光音響イメージング:近年では、光音響イメージングという新しい技術も発展しています。これは、生体組織に近赤外光を照射し、組織内で発生する超音波を検出することで、組織の断層画像を得る技術です。光音響イメージングは、従来の超音波イメージングに比べて高い解像度を持ち、がんの診断や血管の状態の評価など、医療分野での応用が期待されています。
植物光合成の解析:光音響分光は植物の光合成の解析にも用いられています。光合成の過程で発生する酸素の量を測定したり、光合成反応に関わる色素の状態を調べたりすることができます。

まとめ

光音響分光は、光音響効果を利用した汎用性の高い分光法であり、様々な分野で利用されています。無放射緩和過程の研究から、固体・懸濁液サンプルの光吸収スペクトル測定、光音響イメージング、植物光合成の解析まで、幅広い応用が可能です。今後の技術発展により、さらに多くの分野での活用が期待されます。

参考文献

澤田嗣郎. "光音響分光法とその応用− PAS, 1982." 学会 出版センター.
江良皓. "光音響分光法による固体材料の研究." 応用物理 48.10 (1979): 985-990.
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小島秀夫, et al. "光音響分光法を用いた植物光合成の解析." 電子情報通信学会技術研究報告. OME, 有機エレクトロニクス 97.473 (1998): 1-6.
石原美弥. "光音響イメージングの最近の進展." 日本レーザー医学会誌 34.1 (2013): 10-13.
辻田和宏. 光音響イメージングの医療応用に向けて− 光音響画像と超音波画像の融合−. 日本レーザー医学会誌, 2013, 33.4: 380-385.

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