Fotoacústica: estudiar la materia escuchando la luz
Ing. Francisco Javier
Castillo
Romero
Tecnológico Nacional de México-Instituto Tecnológico de Orizaba
Dr. José de Jesús Agustin
Flores
Cuautle
Instituto Tecnológico de Orizaba
Dr. Oscar Osvaldo Sandoval
González
Instituto Tecnológico de Orizaba
Dra. Gemima Lara Hernández
Instituto Tecnológico de Orizaba
Resumen
El efecto fotoacústico ocurre cuando la luz es absorbida por un material y provoca pequeños cambios de temperatura y vibraciones que se transforman en sonido detectable mediante sensores. Este fenómeno, descubierto en el siglo XIX, ha cobrado gran relevancia gracias al desarrollo de nuevas tecnologías que permiten aprovecharlo en distintos campos. En este artículo se explica de manera sencilla cómo se origina el efecto fotoacústico y se muestran ejemplos de sus aplicaciones en áreas tan diversas como la medicina, donde se utiliza para obtener imágenes no invasivas de tejidos, la agricultura, para mejorar la calidad de los cultivos y alimentos, o el medio ambiente, al facilitar la detección de contaminantes en el aire y el agua. Más allá del interés científico, la fotoacústica representa una herramienta prometedora con beneficios directos para la salud, la industria y el cuidado del entorno.Introducción
En física, el estudio del calor y del sonido suele considerarse como áreas separadas. Sin embargo,
existe una zona de convergencia entre ambas, especialmente cuando la luz es absorbida por un
material y produce calor y vibraciones. Este fenómeno ha generado interés en distintas disciplinas.
En particular, el efecto fotoacústico se refiere a la generación de ondas sonoras como
consecuencia
de la absorción de luz. Este fenómeno fue reportado por primera vez por Alexander Graham Bell
alrededor de 1880, aunque en ese entonces se consideró una curiosidad científica. Hoy en día,
gracias al desarrollo de nuevos instrumentos de medición y al avance en el procesamiento de datos,
su estudio ha resurgido, encontrando aplicaciones en diversos campos (Figura 1).
En el ámbito de la salud, esta técnica resulta especialmente valiosa porque permite
obtener
información útil para el diagnóstico médico sin dañar las muestras analizadas; es decir, es una
técnica no invasiva. Este trabajo recorre algunas de las áreas en las cuales la fotoacústica ha
generado resultados de interés tanto para la comunidad científica como para el público en general.
Desarrollo
La luz puede definirse como una forma de energía visible que se propaga en forma de ondas, conocidas
como radiación electromagnética. Cuando la luz incide sobre un material, su energía puede ser
absorbida, generando distintos efectos, como el efecto fototérmico o el efecto fotoacústico [1].
El efecto fototérmico consiste en el aumento de temperatura de un material al absorber
luz. Por su
parte, el efecto fotoacústico se refiere a la expansión y contracción del material como consecuencia
de dicha absorción, lo que produce ondas de presión que se manifiestan como sonido [2, 3]. Estas
ondas sonoras pueden ser detectadas mediante sensores acústicos, como micrófonos o materiales
piezoeléctricos (materiales que generan voltaje al ser comprimidos). Al conjunto de técnicas que
estudian estos fenómenos se le conoce como técnicas fotoacústicas. La Figura 2 muestra una
representación de los diferentes fenómenos asociados con la interacción de la luz con la materia.
A través de estas técnicas es posible estudiar el coeficiente de absorción óptico, que indica cuánta luz absorbe un material en función de sus propiedades y del color (longitud de onda) de la luz empleada [1]. Es importante destacar que las ondas generadas por el efecto fotoacústico dependen en gran medida tanto del color de la luz como de este coeficiente.
Además, como la absorción de luz también genera calor, es posible investigar las propiedades térmicas de los materiales, es decir, cómo se comporta el calor en su interior.
Una configuración común en estos estudios es la celda fotoacústica abierta, que consiste en un micrófono sobre el cual se coloca la muestra, mientras se ilumina desde el lado opuesto. Esta configuración permite medir la difusividad térmica, que describe la velocidad a la que un cambio de temperatura en un punto del material se transmite a otro. Esta propiedad puede determinarse en materiales transparentes (que permiten el paso de la luz) y opacos (que no lo permiten).
A continuación, se describen algunas de las áreas en las que se ha utilizado con éxito esta técnica.
Aplicaciones en los materiales
En el estudio de materiales, la técnica fotoacústica (PA, por sus siglas en inglés) se utiliza para
analizar propiedades ópticas, es decir, cómo se comporta la luz al interactuar con diferentes
sustancias. Específicamente, permite caracterizar el espectro de absorción fotoacústico y estimar de
manera cualitativa el coeficiente de absorción óptico. También se pueden investigar las propiedades
térmicas y mecánicas de materiales como polímeros, semiconductores y tejidos biológicos [4].
Una aplicación destacada es la detección de defectos internos en materiales. Por ejemplo,
Setiawan y
colaboradores reportaron la identificación de imperfecciones en láminas de aluminio de 300 micras de
espesor, a profundidades entre 215 y 254 micras [5]. Para ponerlo en contexto, un cabello humano
tiene un grosor aproximado de 100 micras.
Asimismo, esta técnica se ha utilizado para medir la dureza de metales y el espesor de
capas de
pintura, lo cual es valioso en el control de calidad industrial. En industrias como la aeronáutica,
el grosor de la pintura es crucial tanto por la cantidad utilizada como por el peso añadido.
Investigadores griegos han reportado mediciones en capas de 50, 100 y 200 micras [6]; nótese que
muchas marcas de papel aluminio tienen un grosor de 50 micras.
Impacto ambiental
La técnica fotoacústica también se ha empleado para medir la concentración de gases, algo
especialmente útil en el monitoreo ambiental. Por ejemplo, Rück y colaboradores reportaron la
detección de dióxido de nitrógeno (NO₂) en concentraciones de 20 partes por millón (ppm) [7], un gas
corrosivo que puede encontrarse en la atmósfera como resultado de actividades humanas. También se ha
detectado dióxido de carbono (CO₂) a concentraciones de 2500 ppm y monóxido de carbono (CO) hasta en
70 ppm [8].
En el agua, el fenómeno fotoacústico ha permitido detectar contaminantes como el
paracetamol, microplásticos de PET (polietileno tereftalato) y algas. Grzegorczyk y su equipo
evaluaron la sensibilidad de esta técnica para el monitoreo de estas sustancias [9].
Usos en la agricultura
El sector alimentario también se ha beneficiado de la fotoacústica. Diversas bebidas, vegetales,
granos, frutas y alimentos procesados han sido estudiados con esta técnica. Por ejemplo, Bicanic
analizó el espectro de absorción en granos de maíz y café para evaluar su calidad [10]. Estudios
adicionales han demostrado que es posible distinguir entre café orgánico y convencional utilizando
espectroscopía fotoacústica en el infrarrojo [11, 12].
Los carotenoides, pigmentos que dan color a frutas y verduras, han sido estudiados en
productos como leche y leche en polvo, así como en vegetales como espinaca, lechuga, rábano y
chiles, utilizando espectros fotoacústicos [13, 14].
Además, Lara y colaboradores midieron las propiedades térmicas del maíz con el objetivo de
mejorar los procesos industriales a gran escala [15].
Otro uso importante es la detección de residuos agrícolas como pesticidas. Lv y su equipo
detectaron el fungicida triciclazol en hojas de arroz [16], mientras que Baptista estudió residuos
de amonio en cultivos brasileños [17]. Gordillo, por su parte, utilizó la técnica fotoacústica para
determinar la dosis óptima de fertilizantes en maíz midiendo la fotosíntesis en hojas tratadas con
diferentes concentraciones de nitrógeno, fósforo y potasio [18].
Algunas aplicaciones médicas
Uno de los campos donde la técnica fotoacústica ha tenido mayor impacto es la medicina, gracias a que
los diferentes órganos, tejidos y fluidos corporales tienen coeficientes de absorción óptica
distintos dependiendo de la longitud de onda de la luz utilizada [19, 20].
La hemoglobina, proteína que transporta oxígeno en la sangre, presenta comportamientos
distintos
dependiendo de si está oxigenada o no. La hemoglobina oxigenada absorbe más luz infrarroja, mientras
que la desoxigenada absorbe más luz roja [21]. Este principio se emplea en los oxímetros para medir
la oxigenación de la sangre y, cuando se combina con técnicas fotoacústicas, permite obtener
imágenes (Figura 3) que distinguen arterias (sangre oxigenada) de venas (sangre desoxigenada).
Cuando la fotoacústica se combina con técnicas de imagen por ultrasonido, se obtiene una modalidad llamada imagenología funcional [22], que genera imágenes enriquecidas con información sobre el consumo de oxígeno en los tejidos. Esto es particularmente útil en el diagnóstico de enfermedades vasculares y otras patologías [23].
Además, como los tumores desarrollan nuevas redes vasculares para alimentarse, la fotoacústica puede detectar estas estructuras en etapas tempranas. Esto se ha aprovechado para detectar cáncer de piel, mama, ovario y próstata [21].
Otro avance importante fue logrado por Zhang y su equipo, quienes utilizaron tomografía fotoacústica para obtener imágenes de la dinámica sanguínea en cerebros de ratones, facilitando el estudio del origen de enfermedades neurológicas [24].
Conclusión
Aunque la obtención de imágenes basada en el efecto fotoacústico ha mostrado avances significativos,
aún existen retos por superar, como mejorar la resolución, reducir el costo y aumentar la
portabilidad de los equipos. Además, las aplicaciones clínicas están limitadas por la profundidad de
penetración que se puede alcanzar con esta técnica. Queda también un amplio campo por explorar en el
estudio de células, proteínas e interacciones moleculares.
El desarrollo tecnológico —incluyendo mejoras en instrumentación, análisis de datos e
integración
con inteligencia artificial— ha ampliado las posibilidades de la técnica fotoacústica, especialmente
en el análisis de espectros de absorción y en la mejora de imágenes médicas, sin dañar las muestras,
lo que la hace ideal para su uso en el ámbito de la salud.
Gracias a su capacidad de medir la oxigenación de tejidos humanos, se ha desarrollado la
imagenología funcional, en la que el contraste está dado por el nivel de oxígeno absorbido,
permitiendo así interpretar la función de los tejidos.
A pesar de los avances, la técnica se aplica principalmente a nivel de laboratorio, por lo
que es
necesario continuar con la investigación y el desarrollo de equipos portátiles más potentes. Esto
abre oportunidades para nuevas generaciones interesadas en esta área. Como se ha mostrado, las
técnicas fotoacústicas están más vigentes que nunca y permiten avanzar en el conocimiento de
fenómenos esenciales para nuestra vida diaria.
Este trabajo no pretende ser una recopilación exhaustiva de los avances en el área; sabemos
que
muchas preguntas quedan sin responder. Sin embargo, cada interrogante es una invitación a sumarse a
la búsqueda de respuestas.
Referencias
[2] Halliday, D., R. Resnick y J. Walker, Física. CEA, 2003.
[3] Alonso, M. y E. Finn, Física: Campos y ondas. Pearson Educación, 1998.
[4] Krishnaswamy, S., “Photoacoustic Characterization of Materials,” en Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics, W. N. Sharpe (Ed.). Springer US: Boston, MA, 2008, pp. 769–800.
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[6] Tserevelakis, G. J., A. Dal Fovo, K. Melessanaki, et al., “Photoacoustic signal attenuation analysis for the assessment of thin layers thickness in paintings,” Journal of Applied Physics, 2018, vol. 123, no. 12, art. 123102, doi: https://doi.org/10.1063/1.5022749.
[7] Rück, T., R. Bierl y F.-M. Matysik, “Low-cost photoacoustic NO₂ trace gas monitoring at the pptV-level,” Sensors and Actuators A: Physical, 2017, vol. 263, pp. 501–509, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.06.036.
[8] Dong, M., C. Zheng, L. Dong, et al., “Development and measurements of a mid-infrared multi-gas sensor system for CO, CO₂ and CH₄ detection,” Sensors, 2017, vol. 17, no. 10, p. 2221, doi: https://doi.org/10.3390/s17102221.
[9] Grzegorczyk, M., S. Pogorzelski y P. Rochowski, “Towards a novel class of photoacoustics-based water contamination sensors,” Journal of Environmental Chemical Engineering, 2022, vol. 10, no. 3, p. 107983, doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107983.
[10] Bicanic, D. D., “On the photoacoustic, photothermal and colorimetric quantification of carotenoids and other phytonutrients in some foods: a review,” Journal of Molecular Structure, 2011, vol. 993, no. 1–3, pp. 9–14, doi: https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2010.12.061.
[11] Bedoya, A., F. Gordillo-Delgado, D. Zapata-Sarmiento, et al., “Thermal effusivity measurement of conventional and organic coffee oils via photopyroelectric technique,” Food Research International, 2017, vol. 102, pp. 419–424, doi: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2017.09.013.
[12] Gordillo-Delgado, F., E. Marín, D. M. Cortés-Hernández, et al., “Discrimination of organic coffee via Fourier transform infrared–photoacoustic spectroscopy,” Journal of the Science of Food and Agriculture, 2012, vol. 92, no. 11, pp. 2316–2319, doi: https://doi.org/10.1002/jsfa.5628.
[13] N’Soukpoe-Kossi, C. N., R. Martel, S. Hotchandani y R. M. Leblanc, “Kinetic study of Maillard reactions in milk powder by photoacoustic spectroscopy,” Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1988, vol. 36, no. 3, pp. 497–501, doi: https://doi.org/10.1021/jf00081a023.
[14] Hernández-Aguilar, C., E. S. Gil, O. Z. Pérez, et al., “Photoacoustic Spectroscopy in the Optical Characterization of Foodstuff: A Review,” Journal of Spectroscopy, 2019, vol. 2019, p. 5920948, doi: https://doi.org/10.1155/2019/5920948.
[15] Lara Hernández, G., C. Hernández Aguilar, I. de Jesús Perea Flores, et al., “Thermal properties of maize seed components,” Cogent Food & Agriculture, 2023, vol. 9, no. 1, p. 2231681, doi: https://doi.org/10.1080/23311932.2023.2231681.
[16] Lv, G., C. Du, Z. Zhu, et al., “Rapid and Nondestructive Detection of Pesticide Residues by Depth-Profiling Fourier Transform Infrared Photoacoustic Spectroscopy,” ACS Omega, 2018, vol. 3, no. 3, pp. 3548–3553, doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00339.
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[18] Gordillo-Delgado, F., D. Zapata-Sarmiento y A. Bedoya, “Photoacoustic Technique Applied to the Assessment of the Dosage of a NPK Fertilizer in Maize (Zea mays L.),” Journal of Agricultural Science and Technology, 2023, vol. 25, no. 1, pp. 225–238, doi: https://doi.org/10.52547/jast.25.1.225.
[19] Omar, M., J. Aguirre y V. Ntziachristos, “Optoacoustic mesoscopy for biomedicine,” Nature Biomedical Engineering, 2019, vol. 3, no. 5, pp. 354–370, doi: https://doi.org/10.1038/s41551-019-0377-4.
[20] Xu, M. y L. V. Wang, “Photoacoustic imaging in biomedicine,” Review of Scientific Instruments, 2006, vol. 77, no. 4, art. 041101, doi: https://doi.org/10.1063/1.2195024.
[21] Lara Hernández, G. y J. J. A. Flores Cuautle, “Photothermal Techniques in Cancer Detection—Photoacoustic Imaging,” en Diagnosis and Treatment of Cancer using Thermal Therapies, C. J. Trujillo Romero y D.-L. Flores (Eds.). CRC Press, 2023, pp. 184–199.
[22] Ye, J., J. Xie, H. Zhao, et al., “Quantitative Photoacoustic Diagnosis and Precise Treatment of Inflammation In Vivo Using Activatable Theranostic Nanoprobe,” Advanced Functional Materials, 2020, vol. 30, no. 38, p. 2001771, doi: https://doi.org/10.1002/adfm.202001771.
[23] Farajollahi, A. y M. Baharvand, “Advancements in photoacoustic imaging for cancer diagnosis and treatment,” International Journal of Pharmaceutics, 2024, vol. 665, p. 124736, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2024.124736.
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