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Introdução a: Como funciona a análise a laser
Quando Theodore Maiman disparou o primeiro pulso de laser, em 1960, alguns descreveram a nova tecnologia como uma solução à procura de um problema. Mas os cientistas rapidamente descobriram que os lasers não eram apenas curiosos brinquedos e começaram a desenvolver aplicações práticas para eles. Hoje, médicos os usam para reparar retinas danificadas, remover marcas de pele e tatuagens e para realizar incisões cirúrgicas delicadas. O setor de eletrônica incorpora os lasers a diversos componentes, entre os quais leitores de código de barra, sistemas de armazenagem óptica e impressoras de computador. E a indústria aproveita sua alta energia para fazer buracos em diamantes e cortar materiais que variam do titânio ao plástico.
©2009 HowStuffWorks
Os lasers são especialmente importantes no campo da química analítica. Os especialistas em química analítica desenvolvem técnicas que determinam a composição química de substâncias. Algumas dessas técnicas medem propriedades físicas, como a massa, índice de refração ou condutividade térmica. Outras técnicas dependem de cargas ou correntes elétricas para ajudar a identificar as partes constituintes de uma substância. E ainda outros métodos medem a absorção, emissão ou difusão de radiação eletromagnética. Essa última categoria é conhecida como espectroscopia.
A espectroscopia a laser está se tornando uma ferramenta de análise cada vez mais importante. Imagine um sistema de laser montado em um veículo de exploração de Marte. Ao disparar um pulso de laser contra a terra marciana, os instrumentos do veículo detectam a luz refletida e determinam a composição química do solo. Agora imagine um soldado que leva nas costas um sistema de laser. Usando um terminal manual que combina o laser a um sistema óptico, ele pode analisar um pacote encontrado à beira de uma estrada para determinar se contém explosivos.
Essa forma de análise a laser pode parecer ficção científica mas não é. Atualmente os cientistas têm à sua disposição diversos tipos de técnicas analíticas que empregam o laser. Estudaremos algumas delas neste artigo, e examinaremos uma - a espectroscopia de decomposição induzida por laser , ou LIBS - de maneira detalhada, a fim de ilustrar os fundamentos da tecnologia. Enquanto o fazemos, você aprenderá de que maneira a análise por laser está ajudando a promover avanços em todos os campos, da segurança interna, ciência forense e medicina, arqueologia e história da arte.
Primeiro, vamos considerar de maneira mais profunda a base da química analítica, de maneira a compreender de que forma a tecnologia a laser se enquadra em um arsenal de ferramentas ou técnicas que podem ser usadas para determinar os blocos elementares ou moleculares básicos da formação de substâncias.
O laser como ferramenta de análise
Faça uma pausa em sua leitura por um momento e observe o ambiente que o cerca. Você vê com clareza os objetos sólidos, como o computador, a mesa e a impressora. Os líquidos - o refrigerante em seu copo e a água do aquário - são visíveis com a mesma clareza. Mesmo materiais que parecem invisíveis, como odores e correntes de ar, podem ser detectados pelos demais sentidos. Todas essas "coisas" que os cientistas designam matéria são compostas por moléculas, ou combinações de átomos. A química analítica gosta de dividir moléculas em seus átomos constituintes ou simplesmente determinar que moléculas ou átomos compõem determinada substância.
Argonne National Laboratory Uma investigador prepara amostras para espectrometria de massa
Ao longo dos anos, a química analítica resultou em diversas ferramentas e técnicas. Algumas dessas ferramentas e técnicas têm natureza qualitativa: identificam os compostos ou elementos presentes em uma substância, ou seja, aquilo que os químicos denominam analisáveis. Outras técnicas são quantitativas: medem o montante de alguns ou todos os analisáveis presentes. Em ambos os casos, a análise química envolve estimular uma amostra com luz, eletricidade ou um forte ímã, a fim de causar mudança na amostra que revele sua composição química.
Tomem como exemplo a espectrometria de massa , uma técnica comprovada. Suponha que um biólogo queira saber que toxinas estão presentes em peixes contaminados. Ele poderia tomar uma pequena porção de tecido muscular do peixe e dissolvê-la em um solvente líquido. Depois, colocaria o líquido em um recipiente no espectrômetro de massa. De lá, o líquido seria conduzido a uma câmara de ionização, na qual seria bombardeado por um feixe de elétrons. O bombardeio converteria os átomos e moléculas da amostra em partículas dotadas de carga elétrica conhecidas como íons. O biólogo usaria campos elétricos e magnéticos para separar os diversos íons de acordo com sua massa ou carga elétrica, e assim revelaria toxinas específicas, como DDT, presentes no peixe.
Nos últimos anos, o laser, usado como agente de estímulo, se tornou ferramenta valiosa de análise química. As diversas técnicas que envolvem lasers usadas na análise de substância se enquadram em duas grandes categorias: métodos de detecção ópticos e não ópticos.
Por exemplo, uma técnica de análise não óptica que utiliza o laser permite que os cientistas na verdade "ouçam" os diferentes elementos. Ela é conhecida como fotoacústica por pulso de laser , e envolve dirigir um laser a uma amostra. À medida que a amostra absorve a energia do laser, se aquece e expande, criando uma onda de pressão acústica. Um transdutor piezelétrico, que converte vibrações mecânicas em pulsos elétricos, ouve essas ondas e ajuda os químicos a identificar as moléculas presentes na amostra.
energia. Quando isso acontece, os químicos dizem que ele está em estado de excitação. Os elétrons em geral não permanecem em estado de excitação indefinidamente. Em lugar disso, retornam ao estado neutro, o que requer a liberação do mesmo montante de energia que permitiu a excitação inicial. Essa energia toma a forma de um fóton - a menor das partículas de luz -em determinado comprimento de onda, e porque comprimento de onda e cor estão relacionados, tem uma determinada cor.
Um átomo absorve energia na forma de luz, calor ou eletricidade. Os elétrons podem se mover de uma órbita de energia mais baixa para uma órbita de energia mais alta.
Cada elemento da tabela periódica tem um conjunto único de órbitas de Bohr que não é compartilhado por nenhum outro elemento. Em outras palavras, os elétrons de um elemento existem em órbitas ligeiramente diferentes dos elétrons de outro elemento. Porque as estruturas internas dos elementos são únicas, eles emitem comprimentos de onda de luz diferentes quando seus elétrons se excitam. Em resumo, cada elemento tem uma "impressão digital" (em inglês) atômica única que toma a forma de um conjunto de comprimentos de onda, ou espectro.
William Wollaston e Joseph von Fraunhofer desenvolveram o primeiro espectrômetro a fim de estudar essas impressões digitais dos espectros de cada elemento. Um espectrômetro é um instrumento que tanto difunde a luz quanto a exibe para estudo. A luz entra por uma fenda estreita e passa por uma lente que cria um feixe de raios paralelos. Os raios passam por um prisma, que curva a luz. Cada comprimento de onda ganha curvatura diferenciada, de modo que uma série de faixas coloridas é produzida. Uma segunda lente concentra a luz para levá-la a uma fenda de saída, que permite que uma cor de luz passe de cada vez. Os cientistas muitas vezes utilizam um pequeno telescópio, montado em base giratória, para observar com mais facilidade a cor que sai pela fresta. Ao observar o ângulo do prisma ou do telescópio,se torna possível determinar o comprimento de onda da luz que está saindo. Usar um espectroscópio para analisar uma amostra pode demorar alguns minutos, mas pode revelar muito sobre a fonte de luz. Alguns espectrômetros, conhecidos como espectrógrafos , podem fotografar o espectro.
Como seria de esperar, o espectrômetro é ferramenta essencial para os químicos que trabalham com espectroscopia a laser. Na próxima seção, consideraremos alguns dos tipos mais importantes de espectroscopia a laser.
Espectroscopia a laser
Na espectroscopia a laser, os químicos direcionam um feixe de laser a uma amostra, e isso resulta em uma fonte de luz característica que pode ser analisada por espectrômetro. Mas a espectroscopia a laser se divide em diversas escolas diferentes, dependendo da forma de laser escolhida pelos químicos e de que aspecto da resposta de excitação do átomo eles preferem estudar. Vamos tratar com mais atenção de algumas delas.
Portando o nome de C. V. Raman, o cientista indiano que a descobriu, a espectroscopia Raman mede a dispersão de luz monocromática causada por uma amostra. O feixe de um laser de argônio-íon é direcionado por um sistema de espelhos para uma lente, que concentra a luz monocromática na amostra. A maior parte da luz que escapa da amostra se dispersa no mesmo comprimento de onda da luz que atinge a amostra, mas parte da
luz se dispersa em comprimento de onda distintos. Isso acontece porque a luz do laser interage com os fônons , ou vibrações que ocorrem naturalmente nas moléculas da maioria das amostras sólidas e líquidas. Essas vibrações fazem com que os fótons do feixe de laser ganhem ou percam energia. A alteração na energia oferece informações sobre os modos dos fônons no sistema e em última análise sobre as moléculas presentes na amostra.
Fluorescência é um termo que se refere à radiação visível emitida por determinadas substâncias devido à radiação incidente em um comprimento de onda mais curto. Na fluorescência induzida por laser ( LIF ), um químico ativa uma amostra em geral usando apenas um laser de nitrogênio em combinação com um laser corante. Os elétrons da amostra ficam em estado de excitação e saltam a níveis de energia mais altos. A excitação dura alguns nanossegundos antes que os elétrons retornem ao estado neutro. Ao perder energia, eles emitem luz, ou fluorescem, em comprimento de onda mais longo que o do laser. Porque os estados de energia são únicos para cada átomo e molécula, as emissões de fluorescência são distintas e podem ser usadas para identificação.
A LIF é uma ferramenta analítica amplamente usada para muitas aplicações. Por exemplo, alguns países adotaram a LIF para proteger consumidores contra vegetais contaminados por pesticidas. A ferramenta em si consiste de um laser de nitrogênio, uma cabeça sensora e um espectrômetro, todos unidos em um sistema pequeno e portátil. O fiscal agrícola direciona o laser a um vegetal -folhas de alface, digamos - e analisa a fluorescência resultante. Em alguns casos, os pesticidas podem ser identificados diretamente. em outros, precisam ser identificados com base em sua interação com a clorofila, o pigmento verde presente em todas as folhas.
Espectroscopia por abrasão indutivamente acoplada a emissão de plasma óptico ( LA-ICP-OES ) é um método com nome um tanto complicado, e por isso vamos começar pelo ICP, o cerne dessa técnica analítica. "P" quer dizer plasma , um gás ionizado que consiste de íons positivos e elétrons livres. Na natureza, os plasmas em geral se formam apenas em estrelas, nas quais as temperaturas são altas o suficiente para resultar em ionização de gases. Mas os cientistas são capazes de criar plasmas em laboratório criando uma "tocha de plasma". A tocha consiste de três tubos concêntricos de silício cercados por um revestimento metálico. Quando uma corrente elétrica passa pelo revestimento, surge um campo magnético, e isso induz correntes elétricas em um gás, em geral argônio, que passa pelos tubos de silício. Isso excita o argônio e cria o plasma. Um bocal na ponta da tocha serve de saída ao plasma.
Agora o instrumento está pronto para analisar uma amostra. Na versão a laser do método ICP-OES, um laser de ítrio-alumínio reforçado por neodímio (Nd:YAG) é usado na obtenção por abrasão de algumas partículas microscópicas da superfície da amostra. Isso significa que a análise não se limita aos líquidos - funciona também para os sólidos. As partículas são levadas à tocha de plasma onde o estado de excitação as leva a emitir luz.
A espectroscopia por decomposição induzida a laser (LIBS) é semelhante à LA-ICP-OES, mas o laser faz a abrasão e cria o plasma simultaneamente. A popularidade da LIBS vem crescendo nos últimos anos, e por isso vamos dedicar atenção especial a ela na seção seguinte.
Exame mais próximo de uma espectroscopia a laser
A espectroscopia por decomposição induzida a laser, ou LIBS, registrou avanços significativos nos últimos 10 anos. Pode analisar sólidos, líquidos e gases e produzir resultados rápidos, com danos pequenos à amostra. Não só isso mas o método também pode funcionar fora do laboratório, ao contrário de algumas ferramentas analíticas que requerem que amostras sejam levadas ao laboratório. Por exemplo, a LIBS está sendo usada para detectar contaminação de superfície em alguns reatores nucleares espalhados pelo mundo. O laser dos sistemas fica a alguns metros de distância da superfície do reator e ainda assim pode funcionar de maneira efetiva. Os sistemas preservam a maior parte da instrumentação sob a proteção de barreiras contra radiação, com apenas um espelho e
- À medida que a nuvem de plasma se expande, os átomos constituintes no gás ionizado entram em estado de excitação, e isso resulta em emissões espectrais características. A luz emitida passa por uma série de lentes coletoras e chega a um sistema de fibra óptica, que a conduz a um espectrômetro.
- O espectrômetro contém um prisma, que dobra a luz emitida, e uma câmera que fotografa os espectros para estudo posterior. Ao analisar os diversos comprimentos de onda presentes, bem como suas intensidades, os químicos podem identificar tanto os elementos da amostra quanto sua concentração. Os espectros que um químico vê podem se parecer com o gráfico à direita.
© How Stuff Works
A LIBS apresenta diversos benefícios. O processo é relativamente simples e barato porque a amostra não requer preparação especial. Não só isso mas a LIBS pode ser usada para determinar a composição elementar de qualquer amostra, ao contrário de algumas técnicas que são boas para analisar sólidos mas não líquidos e gases. Até mesmo materiais muito duros podem ser estudados, porque os lasers têm muita energia. Mas um dos maiores benefícios da LIBS é sua capacidade de obter informação sem destruir a amostra. O laser remove menos de um miligrama de material, o que é praticamente invisível. Como veremos na próxima página, isso torna a LIBS uma solução ideal para a análise de itens valiosos, como pinturas ou artefatos arqueológicos.
prefeririam evitar esse problema, se possível. Ouviram falar de uma técnica nova e revolucionária - a espectroscopia por decomposição induzida a laser - e decidem experimentá-la.
A pintura é conduzida a uma instalação externa de restauração que conta com equipamento LIBS e instrumentação. A pintura é analisada centímetro a centímetro. O laser remove pequenas partículas da superfície e o espectrômetro estuda as emissões de cada nuvem de plasma, e com isso os químicos do laboratório podem determinar exatamente que moléculas estão presentes. Por exemplo, quando analisam uma parte pintada de branco, descobrem a presença de dois pigmentos diferentes. Um contém chumbo e o outro titânio. O pigmento branco de titânio só começou a ser vendido nos anos 20, e por isso eles sabem que a tinta que o contém é parte de uma restauração posterior. E não só isso: eles sabem exatamente onde termina uma camada e começa a próxima, ao observar as mudanças nas emissões do espectro.
Na verdade, os museus estão apenas começando a usar a LIBS, em geral em seções pequenas e ocultas da tela. Mas no futuro próximo poderão empregar a tecnologia para analisar a pintura e restaurá-la completamente. O restaurador poderá remover a tinta e sujeira camada a camada, até chegar ao trabalho do artista original.
Os dentistas também começam a usar a LIBS, com análises a laser que determinam onde termina uma cárie e começa o esmalte de um dente saudável. E os engenheiros de controle de qualidade nas usinas de alumínio estão adotando técnicas de análise com laser para garantir que as ligas contenham as proporções exatas de cada metal. Os arqueólogos e cientistas forenses também apreciam a tecnologia. Na verdade, o uso do laser em análises prova que a tecnologia, inventada há quase 50 anos, não é uma solução em busca de um problema, mas uma poderosa ferramenta que pode ajudar a resolver diversas questões.
