TECNICAS ESPECTROSCOPICAS PARA EL CUIDADO AMBIENTAL

Las técnicas láser ofrecen un sinfín de aplicaciones relacionadas con el control del medioambiente. Esta versatilidad está basada en las posibilidades que brindan para detectar la presencia de ínfimas cantidades de sustancias contaminantes en sustratos sólidos, líquidos o gaseosos.

Por este motivo, las divisiones Técnicas Espectroscópicas y Sensores Láser del Deilap decidieron avanzar en el desarrollo de una de ellas, la espectroscopía fotoacústica aplicada a la detección de trazas gaseosas, método que ofrece límites de detección que pueden llegar al orden de partes por billón (1x10-9). Los campos de implementación de esta técnica son múltiples e incluyen desde la búsqueda de mínimas cantidades de gases contaminantes en el aire que respiramos, hasta aplicaciones que exceden el campo de la polución ambiental y se diseminan en áreas como la industria, la medicina, la seguridad y las Fuerzas Armadas.

–¿Cómo funciona la espectroscopía fotoacústica?

–Aunque parezca extraño, la espectroscopía fotoacústica intenta, en alguna medida, “escuchar” la luz. Este intento que parece disparatado encuentra su explicación en términos físicos: el efecto fotoacústico, descubierto por Bell en el año 1880, es un proceso de transformación de energía luminosa en térmica y de ésta en acústica. Lo que hace la espectroscopía fotoacústica es escuchar los sonidos que produce una molécula irradiada con una determinada longitud de onda luminosa.

El sistema está compuesto por una fuente de excitación luminosa, una cámara o resonador acústico con micrófono incorporado, y una parte electrónica formada básicamente por filtros electrónicos y una computadora que procesa las señales captadas por el micrófono. Uno de los dispositivos más estudiados está basado en el uso de láseres modulados de dióxido de carbono que emiten en frecuencias infrarrojas, no visibles al ojo humano, ya que en esa longitud de onda tienen su espectro de absorción la mayoría de los gases contaminantes.

Para efectuar las mediciones hay que introducir dentro de la cámara la mezcla de gases y luego irradiarla con una fuente luminosa sintonizada en la frecuencia adecuada a la sustancia que se quiere detectar. Las moléculas de la sustancia absorben esa longitud de onda o color de la luz, comienzan a vibrar y chocar con las que están a su alrededor produciendo un pequeño aumento de temperatura y presión, generando así una onda que se expande hasta la pared de la cámara; allí se refleja y regresa hacia el centro, en donde es nuevamente irradiada por otro pulso lumínico. Esta dinámica de expansión-contracción, junto con la excitación sincrónica, genera una amplificación de la señal acústica que es captada por el micrófono. La intensidad de la señal recibida por el micrófono depende directamente del número de moléculas de interés presentes en la muestra, a mayor proporción más señal, siendo la computadora la que se encarga de interpretar los datos procedentes de la cámara y determinar su cantidad.

Para obtener mediciones exactas es necesario calibrar el dispositivo con rigurosidad; para ello, al igual que con otros métodos espectroscópicos, hay que conocer con precisión la absorbancia –el espectro de absorción– de la sustancia en cuestión. Si bien los científicos tienen acceso a bases de datos con la absorbancia de cada molécula, ésta puede diferir de una fuente lumínica a otra en razón de su ancho de línea; por este motivo, para evitar posibles inexactitudes los investigadores realizan esta tarea utilizando sustancias puras en el laboratorio.

Conocer la absorbancia permite determinar con qué longitud de onda hay que irradiar la mezcla de gases, sin embargo esto no basta para la efectividad del dispositivo. Para generar cambios de temperatura y presión que produzcan una mayor señal acústica el haz de luz debe ser modulado –interrumpido periódicamente–. Así, la frecuencia de los pulsos está en relación directa con las dimensiones del resonador acústico en donde se coloca la mezcla y la velocidad de propagación del sonido en el gas. Esto obliga a los investigadores a ajustar cuidadosamente la cadencia de los pulsos.

Por otra parte, los contaminantes revelan su presencia mediante el sonido; sin embargo, la señal acústica que permite determinar su cantidad se encuentra inmersa en el ruido ambiente, que no tiene una sincronización precisa. Para aislar la señal delatora se colocan filtros electrónicos que permiten su diferenciación, tras lo cual es amplificada y analizada por una computadora que, gracias a la aplicación de precisos modelos físico-matemáticos elaborados en base a la calibración previamente realizada en el laboratorio, permite determinar con exactitud el grado de contaminación de la muestra.

MENU DE UTILIDADES

Si bien el abanico de aplicaciones es inmenso, ya que es posible utilizar esta técnica para medir la presencia de todo tipo de sustancias, para ello es necesario armar en el laboratorio un sistema específico para cada una de ellas, basado en las características espectrales que presentan. Así, desde que comenzaron a perfeccionar el uso de este método, los miembros del Deilap fueron desarrollando diferentes sistemas adecuados a cada sustancia de interés buscada.

En el campo de la polución ambiental, los investigadores diseñaron un instrumento para medir la contaminación por dióxido de nitrógeno (NO2) producida principalmente por las usinas termoeléctricas y los gases de escape de los automotores. Lo novedoso de este dispositivo es que para irradiar la muestra a analizar, en lugar del tradicional láser pulsado, utiliza un conjunto de leds azules. Con esta innovación los investigadores obtuvieron varias ventajas frente a los sistemas convencionales, ya que se trata de un equipo más pequeño, liviano y transportable. Además, como los leds son una tecnología relativamente barata y de uso masivo redujeron notablemente su costo.

Este prototipo obtuvo en el año 2008 el primer premio en la categoría Investigación Aplicada del concurso Innovar del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva.

Polución del aire, seguridad en aeropuertos, aplicaciones médicas o en la industria alimentaria, el abanico de aplicaciones de la técnica fotoacústica para la detección de trazas gaseosas es inmenso. Pero la implementación a mayor escala de este método depende de la optimización de los dispositivos tecnológicos que utiliza, en especial de las fuentes lumínicas. Si bien los principios teóricos de la fotoacústica se conocen desde fines del siglo XIX, hasta que no surgieron micrófonos y amplificadores adecuados, computadoras más poderosas y fuentes luminosas intensas como los láseres, la fotoacústica no dejó de ser sólo una curiosidad científica sin aplicaciones prácticas. Junto con los trabajos destinados a estudiar la espectroscopía de las moléculas de interés, el desafío actual de los investigadores argentinos es desarrollar láseres u otras fuentes lumínicas con longitudes de onda adecuadas a la absorbancia de la sustancia a detectar, compactas y económicas.