Espectrômetros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), entre as ferramentas de pesquisa mais utilizadas para identificar e analisar produtos químicos, são muito grandes para serem usados ​​no campo para detectar compostos.

Várias tentativas foram feitas para desenvolver espectrômetros FTIR miniaturizados para integração em drones para monitorar gases de efeito estufa remotamente, ou para integração em smartphones e outros dispositivos. Contudo, os dispositivos miniaturizados atuais são caros de produzir.

Cientistas do Laboratório de Pesquisa de Dispositivos da Universidade de Campinas (LPD-UNICAMP) no Brasil, colaborar com colegas da Universidade da Califórnia em San Diego, nos Estados Unidos, superaram essas restrições desenvolvendo um espectrômetro FTIR baseado em fotônica de silício, a tecnologia usada atualmente para produzir chips para computadores, smartphones e outros dispositivos eletrônicos.

O estudo foi liderado por Mário César Mendes Machado de Souza e um estágio de pesquisa no exterior, e publicado em Nature Communications . Souza é o autor principal do artigo.

"A fotônica de silício oferece uma plataforma para a fabricação de espectrômetros miniaturizados de alto desempenho acessíveis, " ele disse.

De acordo com Souza, A espectroscopia FTIR identifica produtos químicos usando uma fonte de luz infravermelha para medir a absorção. Uma amostra é exposta a diferentes comprimentos de onda de luz infravermelha, e o espectrômetro mede quais comprimentos de onda são absorvidos. O computador pega esses dados de absorção brutos e conduz um processo matemático conhecido como transformada de Fourier para gerar um padrão de absorbância ou espectro, que é comparado a uma biblioteca de espectros de compostos químicos para encontrar uma correspondência.

Nos últimos anos, os projetos tentaram desenvolver um espectrômetro FTIR baseado em fotônica integrada, que usa luz especialmente no espectro infravermelho, mas o progresso foi mínimo devido a vários desafios técnicos, Souza explicou. Um desses desafios é o perfil altamente dispersivo dos guias de onda de silício, o que significa que cada comprimento de onda viaja a uma velocidade diferente neste material e, portanto, tem um índice de refração diferente.

Os índices de refração de guias de ondas ópticas em silício podem ser "sintonizados" por meio do efeito termo-óptico, que envolve a passagem de uma corrente sobre o guia de ondas para aquecê-lo. Como o dispositivo deve ser operado em altas temperaturas para atingir alta resolução, esta técnica se torna não linear no sentido de que as mudanças na temperatura se correlacionam com mudanças desproporcionais no índice de refração.

"Na prática, o que acontece quando um efeito termo-óptico é aplicado a um espectrômetro infravermelho à base de silício com fotônica integrada é que as operações matemáticas da transformada de Fourier usadas para converter os dados do espectro de radiação coletados produzem resultados completamente errados, “Souza explicou.

Os pesquisadores superaram esses desafios criando um método de calibração de laser para quantificar e corrigir as distorções causadas pela dispersão e não linearidade do guia de ondas de silício. Como prova de conceito, eles desenvolveram um chip espectrômetro FTIR de 1 mm² baseado em procedimentos de fabricação fotônica de silício padrão.

O chip foi testado em laboratório, produzindo um espectro de banda larga com uma resolução de 0,38 terahertz (THz), que é comparável à resolução de espectrômetros portáteis disponíveis comercialmente que operam na mesma faixa de comprimento de onda, de acordo com os pesquisadores. "O dispositivo que desenvolvemos está longe de ser otimizado, mas ainda atinge resoluções comparáveis ​​às dos espectrômetros portáteis baseados em óptica de espaço livre disponíveis no mercado hoje, “Disse Souza.

Os pesquisadores agora planejam projetar um dispositivo totalmente funcional e integrado com fotodetectores, fontes de luz e fibras ópticas. "Nosso objetivo é integrar a fonte de luz e o detector do espectrômetro na mesma plataforma, “Disse Souza.