Exame mais próximo de uma espectroscopia a laser

A espectroscopia por decomposição induzida a laser, ou LIBS, registrou avanços significativos nos últimos 10 anos. Pode analisar sólidos, líquidos e gases e produzir resultados rápidos, com danos pequenos à amostra. Não só isso mas o método também pode funcionar fora do laboratório, ao contrário de algumas ferramentas analíticas que requerem que amostras sejam levadas ao laboratório. Por exemplo, a LIBS está sendo usada para detectar contaminação de superfície em alguns reatores nucleares espalhados pelo mundo. O laser dos sistemas fica a alguns metros de distância da superfície do reator e ainda assim pode funcionar de maneira efetiva. Os sistemas preservam a maior parte da instrumentação sob a proteção de barreiras contra radiação, com apenas um espelho e lente, usados para direcionar e concentrar o feixe de laser, respectivamente, expostos à radiação nuclear.

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Vamos considerar outras aplicações práticas da LIBS mais adiante, mas como exatamente ela funciona? Como a LA-ICP-OES, a LIBS usa um laser para remover pequenas partículas da superfície de uma amostra. Mas na LIBS, em lugar de uma tocha de plasma, o laser mesmo cria o plasma.  Vejamos os quatro componentes principais de um sistema LIBS e como eles trabalham. O diagrama acima representa o esquema de montagem.

1. O laser, evidentemente, é a parte operacional do instrumento. Os sistemas LIBS em geral utilizam um laser de ítrio-alumínio reforçado por neodímio (Nd:YAG), em seu comprimento de onda fundamental de 1.064 nanômetros, mas muitos lasers diferentes foram usados. O laser não envia um feixe ininterrupto à amostra. Opera com pulsos, cuja duração é de entre cinco e 20 nanossegundos.
   
   
2. A luz do laser passa por uma lente, que concentra a energia na amostra. Alguns sistemas operam em laboratórios e acomodam pequenas amostras, com talvez alguns centímetros de espessura, colocadas em uma câmara. Outros podem ser levados a locais distantes e usados para analisar objetos maiores. De qualquer forma, quanto mais estreito o foco do laser, menos energia se torna necessária para decompor a amostra. De fato, os pulsos de laser do LIBS em geral tem energia de apenas 10 a 100 milijoules. Para colocar esse dado em contexto, lembre-se de que um joule é a energia necessária para erguer uma maçã a uma altura de um metro. Um milijoule representa 0,001 joule, ou seja, muito menos energia. Mas ela basta para a abrasão de partículas superficiais. Quando as partículas são removidas da superfície da amostra, se ionizam e formam uma pequena nuvem de plasma - aquilo que os químicos denominam "fagulha laser".
   
   
3. À medida que a nuvem de plasma se expande, os átomos constituintes no gás ionizado entram em estado de excitação, e isso resulta em emissões espectrais características. A luz emitida passa por uma série de lentes coletoras e chega a um sistema de fibra óptica, que a conduz a um espectrômetro.
   
   
4. O espectrômetro contém um prisma, que dobra a luz emitida, e uma câmera que fotografa os espectros para estudo posterior. Ao analisar os diversos comprimentos de onda presentes, bem como suas intensidades, os químicos podem identificar tanto os elementos da amostra quanto sua concentração. Os espectros que um químico vê podem se parecer com o gráfico à direita. 
   
   

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A LIBS apresenta diversos benefícios. O processo é relativamente simples e barato porque a amostra não requer preparação especial. Não só isso mas a LIBS pode ser usada para determinar a composição elementar de qualquer amostra, ao contrário de algumas técnicas que são boas para analisar sólidos mas não líquidos e gases. Até mesmo materiais muito duros podem ser estudados, porque os lasers têm muita energia. Mas um dos maiores benefícios da LIBS é sua capacidade de obter informação sem destruir a amostra. O laser remove menos de um miligrama de material, o que é praticamente invisível. Como veremos na próxima página, isso torna a LIBS uma solução ideal para a análise de itens valiosos, como pinturas ou artefatos arqueológicos.