Artigo do Prof. Flávio Caldas Cruz, DEQ IFGW, em colaboração com o National Institute of Standards and Technology (NIST, EUA) e Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona (Espanha) foi publicado na revista Science Advances deste mês. Conforme reportado no artigo “Infrared electric field sampled frequency comb spectroscopy”, os pesquisadores construíram um aparato óptico que consegue medir rapidamente todo o espectro do infravermelho a fim de detectar propriedades biológicas, químicas e físicas da matéria. Trata-se de uma versão nova e melhorada dos já conhecidos “pentes de frequências ópticas”.

Pentes de frequências óticas são fontes de luz compostas de milhares de frequências conhecidas com grande precisão. Cada uma delas pode ser considerada como um laser monocromático independente. Várias implementações desses pentes possibilitaram o desenvolvimento de relógios atômicos da próxima geração e são promissores para aplicações ambientais, como a detecção de vazamentos de metano. Aplicações biológicas são mais lentas de serem desenvolvidas, em parte porque é difícil gerar e medir diretamente a luz infravermelha relevante. O dispositivo descrito no artigo ocupa apenas alguns metros quadrados e apresenta aplicações potenciais no diagnóstico de doenças, identificação de produtos químicos utilizados na fabricação e coleta de energia de biomassa.

Para demonstrar aplicações biológicas, os pesquisadores usaram o novo aparelho para caracterizar anticorpo monoclonal (material de referência do NIST), que é uma proteína composta de mais de 20.000 átomos. Essa proteína é utilizada pela indústria biofarmacêutica para garantir a qualidade dos tratamentos.

A luz no infravermelho médio é uma ferramenta de pesquisa especialmente útil porque as moléculas geralmente giram e vibram nessas frequências. Devido à falta de fontes de luz de banda larga ou sintonizáveis, assim como de detectores eficientes, como os que são disponíveis para luz visível e infravermelho próximo, não tem sido fácil pesquisar essa região do espectro infravermelho.

Para resolver esse problema os pesquisadores usaram lasers de fibra óptica, como os usados em telecomunicações, os quais geram luz que abrange toda a faixa usada para identificação de moléculas. Essa região é chamada de região de “impressão digital molecular” e situa-se no infravermelho médio com comprimentos de onda de 3 a 30 micrômetros (frequências de aproximadamente 10 a 100 terahertz). As quantidades de luz absorvidas em frequências específicas fornecem uma assinatura única de uma dada molécula. O novo sistema é inovador na detecção em tempo real dos campos elétricos da luz absorvida. Utiliza-se fotodetectores que operam na faixa de telecomunicações (no infravermelho próximo), os quais são de baixo custo. Além disso elimina-se os detectores de infravermelho médio, que exigem resfriamento com nitrogênio líquido e tem limitação na largura de banda, não detectando luz com comprimentos de onda acima de 13 micrômetros.

Os pesquisadores detectaram vibrações que são assinaturas de três bandas de amidas (gruposquímicos contendo carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio) no material de referência do anticorpo monoclonal. Estas bandas espectrais em proteínas são usadas para determinar os mecanismos de dobramento, desdobramento e agregação. Características específicas das bandas detectadas indicaram que a proteína tem uma estrutura em folha, concordando com estudos anteriores. As folhas conectam grupos químicos em um arranjo plano.

Além das aplicações biológicas, a nova fonte pode ser usada para detectar interações entre a luz infravermelha e matéria condensada em abordagens de computação quântica que armazenam dados em vibrações ou rotações moleculares. Além disso, quando combinado com novas técnicas de imagem, o sistema compacto poderá obter imagens em escala nanométrica de amostras que atualmente requerem o uso de fontes de luz síncrotron.

O trabalho experimental foi realizado nos laboratórios do NIST em Boulder, EUA, com os quais o IFGW mantem uma longa colaboração. Os co-autores do artigo são pesquisadores do IFGW-UNICAMP, NIST (EUA) e BAE Systems (EUA), e ICFO (Instituto de Ciências Fotônicas, Espanha). A pesquisa contou com suporte financeiro de agências do EUA, Europa e da FAPESP.

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