Os pesquisadores desenvolveram um microscópio que pode identificar quimicamente partículas individuais de tamanho mícron. A nova abordagem pode um dia ser usada em aeroportos ou outros locais de alta segurança como uma forma altamente sensível e de baixo custo para examinar rapidamente as pessoas em busca de quantidades microscópicas de materiais potencialmente perigosos.

No jornal Cartas de Óptica , da The Optical Society (OSA), pesquisadores do Laboratório Lincoln do Massachusetts Institute of Technology, EUA, demonstraram seu novo microscópio medindo espectros infravermelhos de esferas individuais de 3 mícrons feitas de sílica ou acrílico. A nova técnica usa uma configuração ótica simples que consiste em componentes compactos que permitirão que o instrumento seja miniaturizado em um dispositivo portátil do tamanho de uma caixa de sapatos.

"A vantagem mais importante de nossa nova técnica é sua alta sensibilidade, ainda com um design extremamente simples, "disse Ryan Sullenberger, equipe associada do MIT Lincoln Labs e primeiro autor do artigo. "Ele oferece novas oportunidades para análises químicas não destrutivas enquanto abre o caminho para uma instrumentação ultrassensível e mais compacta."

A capacidade do microscópio de identificar partículas individuais pode torná-lo útil para a detecção rápida de ameaças químicas ou substâncias controladas. Sua alta sensibilidade também é ideal para análises científicas de amostras muito pequenas ou para medir as propriedades ópticas de materiais.

Sondando impressões digitais espectrais

A espectroscopia de infravermelho é normalmente usada para identificar materiais desconhecidos porque quase todos os materiais podem ser identificados por seu espectro de absorção infravermelho exclusivo, ou impressão digital. O novo método detecta essa impressão digital infravermelha sem usar detectores infravermelhos. Esses detectores adicionam volume significativo aos instrumentos tradicionais, o que é limitante para dispositivos portáteis devido à sua necessidade de resfriamento.

A nova técnica funciona iluminando partículas com um laser infravermelho e um laser verde. O laser infravermelho deposita energia nas partículas, fazendo com que eles se aqueçam e se expandam. A luz laser verde é então espalhada por essas partículas aquecidas. Uma câmera de comprimento de onda visível é usada para monitorar esse espalhamento, rastrear mudanças físicas das partículas individuais através das lentes do microscópio.

O instrumento pode ser usado para identificar a composição do material de partículas individuais, ajustando o laser infravermelho para diferentes comprimentos de onda e coletando a luz visível espalhada em cada comprimento de onda. O leve aquecimento das partículas não confere nenhuma mudança permanente ao material, tornando a técnica ideal para análise não destrutiva.

A capacidade de excitar partículas com luz infravermelha e depois observar seu espalhamento com comprimentos de onda visíveis - um processo chamado modulação fototérmica de espalhamento de Mie - tem sido usado desde os anos 1980. Este novo trabalho usa componentes ópticos mais avançados para criar e detectar o espalhamento de Mie e é o primeiro a usar uma configuração de imagem para detectar várias espécies de partículas.

"Na verdade, estamos imaginando a área que estamos interrogando, "disse Alexander Stolyarov, equipe técnica e coautor do artigo. "Isso significa que podemos sondar simultaneamente várias partículas na superfície ao mesmo tempo."

O uso do novo microscópio de comprimentos de onda visíveis para geração de imagens fornece uma resolução espacial de cerca de 1 mícron, em comparação com a resolução de aproximadamente 10 mícrons dos métodos tradicionais de espectroscopia de infravermelho. Essa resolução aumentada permite que a nova técnica distinga e identifique partículas individuais que são extremamente pequenas e próximas umas das outras.

"Se houver duas partículas muito diferentes no campo de visão, somos capazes de identificar cada um deles, "disse Stolyarov." Isso nunca seria possível com uma técnica de infravermelho convencional porque a imagem seria indistinguível. "

Compactar, laser infravermelho sintonizável

O desenvolvimento do compacto, lasers infravermelhos em cascata quântica sintonizável foi uma tecnologia chave para a nova técnica. Os pesquisadores combinaram um laser em cascata quântica com uma fonte de laser visível muito estável e uma câmera de nível científico disponível comercialmente.

"Esperamos ver uma melhoria nos lasers em cascata quântica ajustáveis ​​de comprimento de onda de alta potência, "disse Sullenberger." Um laser infravermelho mais poderoso nos permite interrogar áreas maiores no mesmo período de tempo, permitindo que mais partículas sejam sondadas simultaneamente. "

Os pesquisadores planejam testar seu microscópio em materiais adicionais, incluindo partículas que não são de forma esférica. Eles também desejam testar sua configuração em ambientes mais realistas que podem conter interferentes na forma de partículas que não são do produto químico de interesse.

“A presença de interferentes é talvez o maior desafio que prevejo que teremos de superar, "disse Stolyarov." Embora a contaminação seja um problema para qualquer técnica de medição de absorção de pequenas quantidades de materiais, Acho que nossa técnica pode resolver esse problema por causa de sua capacidade de sondar uma partícula de cada vez. "