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.