Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de operar lasers em cascata quântica em miniatura (QCLs) para medir rapidamente os espectros de absorção de diferentes moléculas orgânicas no ar simultaneamente. A técnica oferece um método sensível para detectar baixas concentrações de compostos orgânicos voláteis (VOCs), melhorando a capacidade de rastrear como esses compostos afetam a saúde humana, processos industriais e qualidade do ar ambiente. O novo sistema também pode melhorar a confiabilidade dos testes de álcool no ar expirado, distinguindo mais seletivamente entre o etanol e os outros gases que as pessoas exalam.

Os QCLs são feitos de várias camadas de semicondutores organizados para aumentar as emissões de fótons, explorando os efeitos quânticos. Os pesquisadores projetaram uma configuração baseada em QCL que mede compostos que absorvem radiação eletromagnética em um amplo espectro com um único laser, uma tarefa que anteriormente exigia que vários lasers trabalhassem juntos.

VOCs são comumente encontrados no escapamento de veículos, solventes, materiais de construção e muitos outros produtos. Eles podem ser prejudiciais às pessoas e aos ecossistemas, e contribuem para a produção de ozônio troposférico e para o aquecimento global. Métodos em tempo real para identificar e rastrear VOCs são importantes para pesquisadores de poluição e clima, organizações de saúde pública, fabricantes, socorristas e expedidores, entre outros.

O novo sistema, com base em um laser infravermelho eletricamente ajustável sem peças mecânicas, fornece precisão suficiente e analisa uma ampla gama de frequências ópticas para identificar simultaneamente várias espécies que estão presentes e determinar suas concentrações. Os pesquisadores sediados na Suíça, liderado por Lukas Emmenegger da Empa, um instituto de ciência e tecnologia de materiais, descreverá seu novo método no Congresso de Sensores e Sensores Ópticos da Sociedade Óptica, que acontecerá de 25 a 27 de junho em San Jose, Califórnia, durante a Sensors Expo 2019.

Abrindo janelas estreitas em um amplo espectro

Ao contrário da tarefa de detectar um único composto químico, identificar as diferentes espécies dentro de VOCs requer discar a saída óptica do QCL em uma faixa muito ampla de frequências. Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um tipo relativamente novo de QCL, otimizado para ser ajustável em uma faixa de frequência de emissão mais ampla do que o normal, conhecido como QCL de ajuste muito grande (QC-XT), e alimentou o dispositivo em um modo intermitente para maximizar o ajuste óptico e minimizar o consumo de energia do laser.

Em seguida, eles introduziram a principal inovação da nova abordagem:aquecendo o espelho frontal ou traseiro do laser com pulsos curtos de corrente elétrica, eles descobriram que podiam selecionar o intervalo de frequências que o laser produziria pelo chamado efeito Vernier. Usando essa abordagem, a configuração se move essencialmente através de vários canais de observação ao longo do espectro de absorção da molécula em que detalhes precisos podem ser medidos e comparados com características espectrais conhecidas, oferecendo cobertura quase contínua em uma ampla faixa de frequência com grande precisão.

"A mudança rápida entre os diferentes canais do QCL oferece seletividade e sensibilidade em tempo real sem precedentes para a detecção de VOCs, "Emmenegger disse.

"As medições de VOC de alta precisão são atualmente dominadas por métodos clássicos, tais como cromatografia gasosa ou espectrometria de massa. Combinar a alta resolução espectral de QCLs de feedback distribuído bem estabelecidos com a capacidade multicanal de QC-XT pode se tornar uma virada de jogo no campo da análise de VOC, "Emmenegger acrescentou.

Detecção rápida e sensível

Esta abordagem analítica inovadora se presta particularmente bem ao reconhecimento rápido de características espectrais amplamente espaçadas de VOCs. Para testar o método, a equipe usou sua nova configuração para medir simultaneamente o espectro infravermelho de uma mistura de metanol, etanol e acetaldeído.

A demonstração mostrou que o método distingue com sucesso cada espécie molecular das outras e é rápido e sensível. Uma rodada de medições por meio de seis canais espectrais diferentes levou um total de 18 milissegundos. Enquanto canais individuais são varridos em resolução espectral muito alta em apenas 50 microssegundos, a maior parte do tempo é gasta no ajuste do aquecimento elétrico dos componentes do laser para selecionar a próxima localização do canal ao longo do espectro.

O sistema avaliou concentrações moleculares tão baixas quanto 50 partes por milhão com uma precisão de 50 partes por bilhão. Com mais trabalho, os pesquisadores acreditam que o sistema pode atingir uma sensibilidade ainda maior.

Melhorar a análise da respiração

Além de estar preparado para uma série de aplicações na detecção de VOCs ambientais e ocupacionais, o novo sistema pode encontrar aplicação na análise médica do hálito ou para melhorar os padrões atualmente empregados para a medição do teor de álcool no ar expirado.

Em um artigo publicado em 12 de fevereiro no jornal The Optical Society Optics Express , a equipe da Empa relata a detecção de álcool transportado pelo ar em concentrações tão baixas quanto 9 partes por bilhão usando um QCL. Esses resultados sugerem que o uso de espectrômetros baseados em laser QCL para análise de álcool no ar expirado pode oferecer uma rota para confiabilidade e padronização globalmente melhoradas do teste forense mais frequente do mundo, pesquisadores dizem.