Conheça a história e os benefícios do uso do gás argônio na Espectrometria de Emissão Óptica

Em uma palavra: “argônio”. Mas por quê? Se a óptica com argônio é realmente superior, por que ainda háespectrômetros OES com óptica a vácuo? Para entender essa questão, primeiro é preciso compreender por que essas soluções são necessárias e, em seguida, como a câmara óptica evoluiu ao longo do tempo.

O que é melhor? Óptica a vácuo ou argônio?

Desde o início, é importante compreender por que essa pergunta surge. A óptica de um espectrômetro é responsável por analisar o espectro de emissão. Esse espectro de emissão se estende do ultravioleta profundo (região DUV), em torno de 120 nm, até o infravermelho próximo, por volta de 800 nm. As características do espectro, assim como os requisitos para uma análise eficaz, variam significativamente entre as diferentes regiões espectrais. À medida que se avança na faixa do ultravioleta, as emissões tornam-se cada vez mais sensíveis à absorção por impurezas presentes na atmosfera, como umidade, oxigênio e hidrocarbonetos. Portanto, para análises precisas, é importante que o ambiente da câmara óptica seja completamente inerte, especialmente na faixa UV do espectro. Isso requer que a câmara seja totalmente preenchida com um gás inerte, como o argônio, ou mantida sob alto vácuo. Ambas as soluções evitam a absorção da luz, garantindo a qualidade da análise.

Como tudo começou

O desempenho de um OES – em termos de limites de detecção, precisão e exatidão – é diretamente proporcional à sua resolução óptica. Quanto maior a resolução, melhores tendem a ser todas as métricas de desempenho. A resolução depende de três parâmetros principais:

• Densidade de sulcos da grade: quanto maior a densidade, maior será a dispersão óptica.
• Distância focal da óptica: quanto maior a distância focal, maior será a dispersão espectral.
• Densidade de pixels (para detectores CMOS/CCD): Quanto maior a densidade de pixels, melhor a resolução.

Ao projetar um OES, pesquisadores, especialistas em aplicações e engenheiros de design primeiro definem qual resolução óptica é necessária para alcançar os resultados desejados. Quando os primeiros espectrômetros foram desenvolvidos, a tecnologia de grades de difração estava muito aquém do nível atual. Durante décadas, essas grades não ultrapassavam 1.000 sulcos por milímetro. Como consequência, os projetistas recorriam a distâncias focais muito grandes (entre 1 e 3 metros) para atingir a resolução desejada. Isso tornava as câmaras ópticas extremamente volumosas. Garantir que essas câmaras de grande porte permanecessem totalmente inertes durante o preenchimento com argônio era praticamente impossível — e, mesmo que fosse viável, o custo associado ao volume de gás consumido seria extremamente elevado. Portanto, a solução adotada foi submeter essas câmaras a alto vácuo.

Bombas de vácuo de grande porte e alta potência tornaram-se a opção padrão para esses espectrômetros.

Por que, então, os espectrômetros OES com fotomultiplicadoras (PMT) continuaram a operar sob vácuo, mesmo após as melhorias nas grades de difração?

A tecnologia de grades evoluiu rapidamente, permitindo que os espectrômetros OES se tornassem muito mais compactos. No entanto, os modelos equipados com PMT esbarraram em outra grande limitação: o próprio PMT. Os PMTs são dispositivos de grandes dimensões, e é necessário utilizar um PMT específico para cada comprimento de onda que se deseja analisar. Como muitos elementos exigem múltiplos comprimentos de onda para cobrir toda sua faixa espectral, era necessário acomodar diversos PMTs. Os requisitos de espaço, então, tornaram-se uma limitação. Para acomodar todos os PMTs necessários dentro do sistema óptico, o arco ao longo do qual eles eram posicionados também precisava ser amplo. Isso não pode ser alcançado com distâncias focais pequenas, e esse fator limitante fez com que mesmo os OES com PMTs mais “compactos” não atingissem distâncias focais inferiores a 750 mm.

Como consequência, as câmaras ópticas desses espectrômetros permaneceram amplas. Apesar de as grades terem se tornado cada vez melhores e suas densidades aumentarem continuamente, os OES com PMTs não conseguiam aproveitá-las, pois distâncias focais menores exigiriam a redução do número de PMTs que poderiam ser acomodados no sistema óptico.

Essas limitações, somadas à inércia da tradição, fizeram com que os OES com PMTs continuassem utilizando óptica a vácuo até os dias atuais.

Como os OES com sensores CMOS ou CCD conseguem alcançar esse resultado?

Os detectores CMOS e CCD possuem dimensões reduzidas. Cada um deles (usado em espectrômetros) contém de 2.000 a mais de 3.800 pixels. Na prática, cada detector cobre entre 2.000 e mais de 3.800 linhas espectrais individuais. Com esses detectores, as limitações de espaço são muito menores. Não é necessário muito espaço para acomodar um grande número de detectores. Como resultado, os projetistas de OES podem utilizar grades com densidades de sulcos significativamente maiores (em comparação com os OES com PMTs), o que permite distâncias focais mais curtas e, ainda assim, alcançar a mesma resolução — ou até superior — à dos sistemas baseados em PMTs. Isso torna o volume da câmara óptica significativamente menor em comparação com o de um espectrômetro OES baseado em PMT.

Esse volume reduzido viabiliza o uso de óptica preenchida com argônio, tornando-a a opção ideal para essa aplicação. Portanto, os projetistas, ao poderem optar entre óptica preenchida com argônio ou operando a vácuo, escolhem a alternativa mais adequada com base em desempenho, risco e custo.

Por que a óptica preenchida com argônio é considerada superior?

A óptica preenchida com argônio supera a óptica a vácuo em três parâmetros principais:

• Economia (custo): A óptica a vácuo requer uma bomba de vácuo de grande porte conectada diretamente à câmara óptica. Isso acrescenta dois fatores de custo:
  a. Eleva o custo de capital, uma vez que a bomba de vácuo é um componente indispensável do sistema.
  b. Eleva significativamente os custos operacionais devido a:
  i. Maior consumo de energia.
  ii. O óleo, um dos principais consumíveis da bomba de vácuo, exige substituição periódica.
  iii. Perdas decorrentes de falhas da bomba de vácuo.
• Tempo de estabilização: Os espectrômetros OES com sensores CMOS/CCD utilizam ópticas seladas, preenchidas ou purgadas com argônio. Isso garante um tempode estabilização reduzido. Na maioria dos instrumentos, o tempo de estabilização é inferior a uma hora, mesmo em condições de partida a frio. Já os sistemas com óptica a vácuo, apresentam, tempos de estabilização significativamente maiores. De fato, em instrumentos de maior porte, o processo de criação do vácuo pode levar várias horas.
• Risco ao instrumento: A óptica com argônio não representa riscos ao equipamento. O mesmo não se aplica à óptica a vácuo. Um problema recorrente na óptica a vácuo é o ‘backflow (retorno)’ de óleo da bomba para o interior da câmara óptica. Esse retorno causa danos significativos à câmara, cuja reparação só pode ser realizada na nas instalações do fabricante — implicando longos períodos de inatividade e custos elevados. Além disso, a maioria dos fabricantes que empregam óptica a vácuo não oferece garantia nem cobertura de manutenção (AMC) para a bomba de vácuo.