Projetos Pyramon

Brasileiro cria espectrômetro que cabe em um chip

Com informações da Agência Fapesp -  23/04/2018

Detalhe do chip capaz de identificar amostras químicas. [Imagem: M.C.M.M.Souza]

Detecção química portátil

Uma equipe do Brasil e dos EUA miniaturizou um dos instrumentos de pesquisa mais utilizados para identificar e analisar substâncias químicas.

Usando fotônica no silício - um casamento de tecnologias que levou décadas para ser sacramentado - eles construíram um espectrômetro dentro de um chip.

Até agora, os espectrômetros de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR, na sigla em inglês) eram volumosos, impossibilitando seu uso em campo para detecção de compostos químicos e biológicos, incluindo o monitoramento de gases de efeito estufa de forma remota.

"A tecnologia de fotônica de silício oferece uma plataforma para a fabricação de espectrômetros miniaturizados de alto desempenho e baixo custo," disse Mário César de Souza, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas), que construiu o chip fotônico com a colaboração de pesquisadores da Universidade da Califórnia de San Diego.

Espectrômetros FTIR

Os espectrômetros FTIR identificam compostos químicos irradiando um feixe de luz infravermelha sobre a amostra e medindo a quantidade de luz e os comprimentos de onda (cores) absorvidos. O padrão de absorção (espectro) fornece informações sobre a composição química da amostra.

Nos últimos anos começaram a surgir diversos projetos voltados ao desenvolvimento desse instrumento baseado na tecnologia de fotônica integrada, que utiliza especialmente luz no espectro infravermelho.

As tentativas não tinham avançado até então em razão de vários desafios técnicos, entre eles o fato de que as guias de ondas de silício são altamente dispersivas, ou seja, cada comprimento de onda viaja com uma velocidade diferente nesse material e, dessa forma, apresentam índices de refração (velocidade) diferentes. E o efeito termo-óptico - passar uma corrente sobre a guia de onda para esquentá-la - não se mostrou uma solução adequada porque as altas temperaturas tornam esta técnica não-linear, ou seja, uma mudança na temperatura altera o índice de refração de maneira não-proporcional.

Mário e seus colegas conseguiram superar essa dificuldade criando um método de calibração a laser que permite quantificar e corrigir as distorções causadas pela dispersão e não-linearidade das guias de onda de silício. Como prova de conceito, eles desenvolveram um chip de espectrômetro FTIR com 1 milímetro quadrado baseado em procedimentos-padrão de fabricação de fotônica de silício.

"Desenvolvemos um dispositivo que nem de longe é otimizado e, mesmo assim, já atinge resoluções comparáveis às dos espectrômetros portáteis comerciais existentes hoje, baseados em óptica de espaço livre," comparou Mário.

O objetivo agora é implementar um aparelho que seja totalmente funcional e integrado, com fotodetectores, fontes de luz e fibras ópticas. "A ideia é que tanto a fonte de luz como o detector do espectrômetro sejam integrados em uma mesma plataforma," disse Mário.

Bibliografia:

Fourier transform spectrometer on silicon with thermo-optic non-linearity and dispersion correction
Mário César Mendes Machado de Souza, Andrew Grieco, Newton C. Frateschi, Yeshaiahu Fainman
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 665
DOI: 10.1038/s41467-018-03004-6

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