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Trabalho de precisão para grandes moléculas
Os lasers em cascata quântica são capazes de medir as menores moléculas com alta precisão. Mas a tecnologia não conseguiu medir moléculas de gás maiores – até agora! Os pesquisadores da Empa conseguiram quantificar o etanol, uma importante molécula orgânica, com o auxílio de um laser desse tipo. Em colaboração com o Instituto Federal Suíço de Metrologia (METAS), uma equipe de pesquisadores desenvolveu com sucesso um método para determinar a concentração de etanol em uma mistura de gás com uma proporção muito alta de vapor de água e dióxido de carbono.
A espectrometria a laser em cascata quântica é um método estabelecido para medir com eficácia e precisão diferentes concentrações de gás. Até agora, os dispositivos a laser têm sido particularmente bem-sucedidos na medição de pequenas moléculas, como poluentes atmosféricos gasosos ou gases de efeito estufa. No entanto, os pesquisadores da Empa conseguiram otimizar um espectrômetro a laser para que moléculas maiores possam ser medidas. “Conseguimos visualizar a estrutura fina da absorção infravermelha de moléculas”, diz Lukas Emmenegger, chefe do laboratório de Poluição do Ar / Tecnologia Ambiental.
A fim de determinar as concentrações das diferentes moléculas numa mistura de gases, um feixe de laser é disparado através da chamada célula de múltiplas reflexões na mistura gasosa, pelo que a luz do laser é então absorvida pelas moléculas de gás. Quanto maior a absorção da luz, maior a concentração das moléculas envolvidas. Para poder quantificar moléculas maiores, os pesquisadores usaram um laser com resolução muito alta, reduziram a pressão da amostra de gás e observaram atentamente. Como resultado, os menores desvios nos espectros tornaram-se visíveis (ver gráfico).
Espectro de absorção simulado da respiração com um teor alcoólico ligeiramente aumentado. A espectroscopia a laser também pode ser usada para visualizar estruturas finas em etanol (linha vermelha) que permitem medições seletivas e sensíveis. Imagem: Optics Express 27, 5314 (2019)
Cooperação bem sucedida
Essa nova conquista dos pesquisadores da Empa é tão bem-sucedida que já está sendo aplicada. Em colaboração com o Instituto Federal de Metrologia da Suíça (METAS), a equipe desenvolveu um dispositivo que agora é usado para comparar os gases de referência usados para verificar dispositivos de medição de álcool. A concentração de etanol em respiração sintética – uma mistura de etanol, água, dióxido de carbono e nitrogênio – é medida com muito mais precisão do que com os métodos anteriores. Os instrumentos de medição de álcool usados pelos policiais, por exemplo, são aprovados e calibrados pelo METAS. Diferentes métodos para a produção de gases de referência são usados em todo o mundo. No entanto, estes métodos alcançam resultados diferentes: Esta é uma solução insatisfatória, porque uma pequena diferença percentual pode ter um grande efeito ao calibrar instrumentos de medição de álcool. Para poder garantir resultados de medição uniformes e comparáveis, é necessário um método de referência precisamente definido na Suíça, no qual um gás de calibração é produzido por saturação com uma mistura álcool-água.
Dados confiáveis e uniformes
“Com o laser em cascata quântica, esses gases de referência agora podem ser comparados com precisão e confiabilidade”, diz Emmenegger. Esta é uma tarefa importante, pois também é relevante para os fabricantes de instrumentos saber quais misturas de gás de referência estão sendo comparadas. Isso pode levar à situação em que o instrumento com o mesmo ajuste preenche os requisitos em um país, mas não em outro, simplesmente porque o país em questão se ajusta usando um método diferente. A medição confiável com o laser em cascata quântica pode ajudar a padronizar os sistemas de referência para que os requisitos possam ser atendidos igualmente em diferentes países.
No entanto, Emmenegger e sua equipe já estão pensando no futuro, porque o método de medir com precisão diferentes moléculas orgânicas de diferentes tamanhos oferece uma ampla gama de outras aplicações. Graças ao projeto conjunto com o METAS, os pesquisadores conseguiram desenvolver uma abordagem que permite muitas outras aplicações, como análises médicas de ar respirável ou monitoramento ambiental.
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