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O que é espectroscopia CARS? Por que ela é tão especial?
No campo científico atual, a espectroscopia CARS (Espectroscopia Raman Anti-Stokes Coerente) surgiu na pesquisa química e física com suas vantagens únicas. Essa tecnologia é usada principalmente para detectar sinais de vibração de moléculas, semelhante à espectroscopia Raman tradicional, mas sua sensibilidade e intensidade de sinal excedem em muito a primeira. A espectroscopia CARS é realizada usando tecnologia multifóton, o que permite fornecer imagens moleculares mais nítidas e, assim, se tornar uma ferramenta importante em muitos campos de pesquisa.
Contexto históricoA espectroscopia CARS é um processo óptico não linear de terceira ordem que envolve a interação de três feixes de laser.
A espectroscopia CARS foi proposta pela primeira vez em 1965, quando P. D. Maker e R. W. Terhune, da Ford Motor Company, publicaram um estudo sobre o fenômeno. Eles usaram lasers de rubi pulsados para sondar a resposta de terceira ordem de uma variedade de materiais e observaram que um sinal CARS com deslocamento para o azul foi gerado quando os pulsos dos dois feixes se sobrepuseram no espaço e no tempo. Essa técnica recebeu o nome de "espectroscopia CARS" por Begley et al. na Universidade de Stanford em 1974.
Princípios básicos
O princípio de funcionamento da espectroscopia CARS pode ser explicado por modelos clássicos e mecânicos quânticos. Classicamente, uma molécula pode ser vista como um oscilador (amortecido) com uma frequência característica ωv. No CARS, esse oscilador é acionado pela diferença de frequência entre o feixe da bomba e o feixe de Stokes. Esse mecanismo de acionamento é semelhante à sensibilidade do ouvido à diferença de frequência entre duas notas diferentes tocadas em um piano.
Comparação de CARS e espectroscopia RamanNo processo CARS, o feixe de bombeamento primeiro excita a molécula para um estado virtual que não é um estado intrínseco da molécula, mas permite transições para outros níveis de energia reais.
A espectroscopia CARS e a Raman compartilham semelhanças na investigação dos modos vibracionais das moléculas, mas também há diferenças significativas. O CARS requer duas fontes de laser pulsado, enquanto a espectroscopia Raman requer apenas um único laser de onda contínua (CW). Como o sinal CARS é observado no lado azul, ele não precisa competir com o fenômeno de fluorescência, o que torna o CARS mais vantajoso em aplicações práticas.
Áreas de aplicação
Microscopia CARS
O CARS tem uma ampla gama de aplicações em microscopia seletiva de espécies e diagnósticos de combustão, especialmente na área de imagens não invasivas em amostras biológicas. Muitos pesquisadores usam microscopia CARS para observar lipídios em amostras biológicas, fornecendo um novo método para estudar biologia.
Diagnóstico de combustão
A espectroscopia CARS também é usada para monitoramento de temperatura de gases e chamas porque seu sinal tem uma dependência não linear da temperatura. O sinal CARS reflete o estado térmico do sistema porque está relacionado ao número de partículas no estado fundamental e nos estados vibracionalmente excitados.
Outras aplicações
Além das aplicações acima, a tecnologia CARS está sendo desenvolvida atualmente para uso em áreas de monitoramento de segurança, como detecção de bombas na estrada. Isso destaca seu valor potencial na segurança pública.
Em resumo, a espectroscopia CARS se tornou uma tecnologia importante na pesquisa atual devido à sua intensidade de sinal superior e alta sensibilidade aos modos de vibração molecular. À medida que a tecnologia se desenvolve, poderemos ver sua aplicação em mais áreas no futuro?
