Caracterização de Sensor Fotoacústico para Detecção de Moléculas Biológicas

A detecção de moléculas biológicas é objeto de estudo de diversas áreas do conhecimento. Podemos citar o óxido nitroso e o metano que são moléculas presentes na agricultura e pecuária e são gases estufa importantes nos fenômenos da mudança climática. O etileno é um marcador de maturação de frutos. Há moléculas que são biomarcadores de doenças como a acetona, a amônia e o óxido nítrico, que, respectivamente, estão associados com diabetes, doença renal crônica e asma. A técnica de espectroscopia fotoacústica (EFA) se mostra eficaz na detecção dessas moléculas por apresentar uma seletividade e uma sensibilidade alta na detecção (na ordem de parte por milhão (ppm) e parte por bilhão (ppb)). A EFA utiliza principalmente dois intrumentos: uma fonte de radiação e uma câmara acústica de detecção. Neste trabalho, um laser de cascata quântica associado a uma célula fotoacústica diferencial (CFD) é empregado para detecção de gases. No efeito fotoacústico, a radiação modulada do laser excita a amostra gasosa contida no interior da célula fotoacústica, e a energia absorvida é então convertida em calor no processo de relaxação, gerando ondas de pressão que podem ser detectadas por microfones e amplificadas por um dispositivo Lock-in. A linha de radiação do laser empregado é na faixa espectral de 948,2 – 952,2 cm-1 para a detecção. A configuração experimental também contém fluxômetros para transportar o gás certificado do cilindro para a célula e filtros químicos para remover a água das medidas. Parte importate no trabalho de detecção das moléculas é a caracterização desses instrumentos. A CFD foi caracterizada quanto aos seus parâmetros construtivos e quanto às moléculas de etileno, dióxido de carbono e nitrogênio. Inicialmente foram medidas todas as dimensões da CFD para fazer uma modelagem computacional pelo Método de Elementos Finitos (MEF) utilizando o Software COMSOL Multiphysics (SCM). Inicialmente, obteve-se dois máximos para a frequência de ressonância ao se fazer uma varredura de frequência na CFD, um resultado inesperado uma vez que os ressonadores da CFD são tubos abertos nas duas extremidades. Foi constatada a influência de dois tipos de ressonância para a CFD utilizando o SCM: ressonância longitudinal (que ocorre ao longo do tubo ressonante) e ressonância anel (que ocorre na comunicação entre os tubos ressonantes). Investigações posteriores mostraram que a variação do espaçamento entre as janelas da CFD produz um deslocamento da ressonância longitudinal. Então, utilizou-se espaçadores nas janelas da CFD e com isso foi possível determinar uma condição na qual as duas ressonâncias se sobrepuseram, definindo assim um único máximo para a ressonância.