BR102016009765B1

BR102016009765B1 - Espectrômetro portátil de espalhamento de luz e processo para determinação da função de autocorrelação temporal média

Info

Publication number: BR102016009765B1
Application number: BR102016009765-7A
Authority: BR
Inventors: Luiz Orlando Ladeira; Oscar Nassif De Mesquita; Lívia Siman Gomes
Original assignee: Universidade Federal De Minas Gerais
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2021-04-13
Also published as: WO2017090017A1; BR102016009765A2

Abstract

espectrômetro portátil de espalhamento de luz e processo para determinação da função de autocorrelação temporal média a presente invenção trata de um espectrômetro portátil de espalhamento de luz (epel) que utiliza a correlação de fótons para medir e caracterizar espalhamento dinâmico de luz em emulsões coloidais. também trata de um processo para determinação da função de autocorrelação temporal média. o dispositivo proposto na presente invenção possui um sistema mecano-óptico com uma configuração especial que compreende pelo menos uma fonte de luz coerente, lentes, divisor de feixe, elemento óptico que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz, elemento com propriedade de polarização e outros elementos que propiciam características superiores tais como: tamanho reduzido; portátil; fácil manuseio; robusto; realiza medições de dinâmica difusiva em tempo reduzido; pode ser utilizado aberto em ambiente iluminado, sem necessidade de bloquear a luz ambiente externa sobre a amostra e em locais diversos; boa tolerância a vibrações, além de possibilitar a configuração do sistema mecano-óptico em todas as orientações espaciais. o epel poderá ser utilizado em laboratórios e também para determinações de dinâmica difusiva "in situ", inclusive para imuno-ensaios.

Description

[001] A presente invenção trata de um espectrômetro portátil de espalhamento de luz (EPEL) que utiliza a correlação de fótons para medir e caracterizar espalhamento dinâmico de luz em emulsões coloidais. Também trata de um processo para determinação da função de autocorrelação temporal média. O dispositivo proposto na presente invenção possui um sistema mecano-óptico com uma configuração especial que compreende pelo menos uma fonte de luz coerente, lentes, divisor de feixe, elemento óptico que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz, elemento com propriedade de polarização e outros elementos que propiciam características superiores tais como: tamanho reduzido; portátil; fácil manuseio; robusto; realiza medições de dinâmica difusiva em tempo reduzido; pode ser utilizado aberto em ambiente iluminado, sem necessidade de bloquear a luz ambiente externa sobre a amostra e em locais diversos; boa tolerância a vibrações, além de possibilitar a configuração do sistema mecano-óptico em todas as orientações espaciais. O EPEL poderá ser utilizado em laboratórios e também para determinações de dinâmica difusiva “in situ”, inclusive para imuno-ensaios.

[002] Partículas em suspensão coloidal apresentam movimento Browniano, que é um movimento aleatório de translação do seu centro de massa e de rotação do seu eixo, o último para o caso de partículas não esféricas. A dinâmica difusiva resultante desse movimento aleatório de translação, rotação e/ou translação e rotação combinados pode ser medida usando a técnica de espectroscopia de correlação de fótons, revisada no livro “Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy” por H. Z. Cummins and E. R. Pike, Plenum Press, New York (1974). Exemplos de aplicação dessa técnica constam nos artigos “Photon correlation spectroscopic analysis of a natural electret material: Carnauba wax”, por G. A. Barbosa, R. Russi, A. S. T. Pires e O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett., 38, 236 (1981); “Dynamics at the nonequilibrium crystal-melt interface”, por O. N. Mesquita e H. Z. Cummins, Physical Chemical Hydrodynamics, v. 5, p. 389-399 (1984) e “Dynamic light scattering at the nonequilibrium crystal-melt interface in Biphenyl and Naphthalene”, por O. N. Mesquita, L. O. Ladeira, I. Gontijo, A, G. Oliveira e G. A. Barbosa, Physical Review B - Solid State, v.38, p. 1550 (1988).

[003] A técnica de espectroscopia de correlação de fótons consiste basicamente em coletar a luz espalhada por partículas dispersas em solução por certo tempo t, analisar e medir a dinâmica associada ao seu movimento Browniano. Essa análise é realizada através de flutuações temporais da intensidade I(t) de luz espalhada, coletada num certo ângulo em relação à luz incidente, mediante o cálculo da função de autocorrelação temporal de intensidades (FACTI - função de autocorrelação temporal deintensidades), que pode ser definida pela expressão (1):

[004] No caso particular de espalhamento dinâmico de luz produzido por partículas em movimento Browniano em um fluido, a FACTI é uma função exponencial decrescente e o tempo de decaimento da FACTI é caracterizado por um tempo de relaxação T. Esse tempo é relacionado ao coeficiente de difusão e reflete a dinâmica difusiva das partículas no meio espalhador.

[005] Existem duas configurações básicas para a coleta da intensidade de luz espalhada: 1) configuração homodina, onde somente a luz espalhada é coletada e detectada; 2) configuração heterodina, onde a luz espalhada interfere com parte da luz (laser) que não passa pela amostra (oscilador local) e é então detectada. No caso de difusão por partículas Brownianas, o tempo de decaimento da FACTI heterodino é igual a duas vezes o tempo de decaimento da FACTI homodino, podendo o coeficiente de difusão e distribuição de tamanho das partículas ser obtidos em quaisquer das duas configurações de espalhamento. No entanto, para medidas onde as partículas, além de difundirem, apresentarem uma velocidade ao longo de alguma direção, somente na configuração heterodina essa velocidade pode ser medida. Assim, para medidas de velocidade e potencial zeta de partículas, que envolve a medida de velocidade de partículas carregadas sob a ação de um campo elétrico conhecido, a configuração heterodina é que deve ser necessariamente usada. Sendo assim, da análise da FACTI é possível obter os coeficientes de difusão e a distribuição de tamanhos das partículas em solução, tanto usando a configuração homodina quanto a heterodina. A velocidade e o potencial zeta de partículas só podem ser obtidos na configuração heterodina.

[006] O espectrômetro de correlação de fótons padrão é um equipamento usado para a medida do diâmetro e da forma de partículas em suspensão coloidal, via medida do coeficiente de difusão translacional ou rotacional das partículas. Esse instrumento usualmente consiste de uma fonte de luz coerente incidente em um porta-amostras de vidro contendo a solução de partículas a ser analisada. As partículas espalham a luz da fonte e esse espalhamento é coletado (tipicamente a um ângulo de 90 graus) e direcionado a um detector de fótons. O sinal do detector é transferido para um dispositivo eletrônico dedicado que, além de gravar digitalmente o sinal da luz espalhada, calcula a FACTI e, consequentemente, fornece resultados sobre os coeficientes de difusão translacional e rotacional dos objetos espalhadores de luz. Para a melhor relação sinal/ruído, a luz espalhada deve ser coletada numa região muito pequena da região de espalhamento (17), ou seja, numa região onde os fótons de luz incidentes possuam seus campos elétricos em fase e, portanto, sob uma área de coerência. Essa condição instrumental demanda um sistema de colimação óptica bem elaborado, incluindo o uso de lentes, orifícios colimadores (pinholes) ou fibras óticas, presentes nos espectrômetros de correlação de fótons tradicionais e comerciais.

[007] A presente invenção consiste de um espectrômetro de correlação de fótons portátil na configuração de retroespalhamento, ou seja, com a luz espalhada fazendo um ângulo próximo de 180 graus com a luz incidente, com uma nova concepção óptica simples e funcional. No equipamento proposto na presente invenção, todos os elementos são acoplados a um bloco maciço, de forma que a fonte de luz, o sistema de detecção de luz espalhada e o porta-amostra já estão centrados e alinhados, tornando o equipamento compacto, portátil, de baixo custo e de fácil utilização. O espectrômetro proposto poderá ser usado para análise de diversos sistemas coloidais.

[008] O equipamento é composto por uma fonte de luz coerente (1), um elemento óptico (2) que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz (1) e da amostra espalhadora (13), duas lentes (3 e 4), um elemento com propriedade de polarização (18) e um conjunto de elementos fotoativos (5), preferencialmente do tipo CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), todos conectados a uma peça integradora (6) via conectores, preferencialmente elementos de acoplamento (7 e 8), configurando um equipamento de fácil montagem com dimensões inferiores a (20cmX20cmX20cm) e peso inferior a 5 kg. O fato de todos os elementos ópticos serem acoplados a uma peça integradora (6), perfazendo um monobloco sólido, garante alinhamento ótico e rigidez mecânica, permitindo que o equipamento funcione em locais diversos, mesmo aqueles não à prova de vibrações, e em diversas orientações, preferencialmente nas orientações vertical e horizontal. Além disso, o equipamento funciona sem isolamento adicional de luz, podendo a luz do ambiente permanecer acesa sobre o porta-amostras (14), e dispensa operações de alinhamento e posicionamento óptico quando de sua operação.

[009] O esquema óptico da presente invenção permite, na região de espalhamento (17), um ganho de intensidade da ordem de 40.000 vezes em relação à intensidade do feixe do laser (11), como será explicado abaixo. Associado a isto, a detecção com um conjunto de elementos fotoativos (5) otimiza a obtenção do sinal de intensidade de luz espalhada, que melhora a relação sinal-ruído e a sensibilidade da medida. Essa melhoria do sinal detectado ainda diminui o tempo de coleta do ensaio, acelerando e facilitando a automatização do processo. O equipamento proposto na presente invenção possui estabilidade e robustez que permitem a adaptação de diversos tipos de porta-amostras e sistemas, como por exemplo, câmaras de fluxo, placas de multi-poços como aquelas utilizadas nos testes ELISA (acelerando a coleta de dados), tubos plásticos, dutos industriais, etc.

[0010] A presente invenção é o espectrômetro de correlação de fótons mais compacto disponível hoje, podendo ser usado em muitas das aplicações que espectrômetros convencionais são usados, porém com vantagens tais como: tamanho, portabilidade, fácil manuseio e transporte, permitindo utilizações in loco, preferencialmente nas orientações vertical e horizontal. Além disso, o tempo de aquisição de dados necessário para a obtenção de uma boa FACTI é muito menor no equipamento proposto do que nos espectrômetros convencionais. Vantagens adicionais são ainda: sua robustez mecano-óptica e o fato de poder ser utilizado aberto em ambiente iluminado, sem necessidade de bloquear a luz ambiente externa sobre a amostra (13). Essas vantagens dão ao espectrômetro proposto uma grande versatilidade de uso, podendo ser utilizado em indústrias (alimentícias, petroquímicas, farmacêuticas, etc) onde a distribuição de tamanho de partículas tem que ser analisada com rapidez, ou ainda em laboratórios de análise e hospitais, que também necessitam de rapidez para um grande número de exames e imunoensaios. Sua utilização também é possível em situações individuais de ambientes externos como fazendas, postos de saúde, etc.

[0011] Atualmente existem diversos documentos de patente que descrevem dispositivos que utilizam a técnica de espalhamento dinâmico de luz e correlação de fótons para a determinação de propriedades hidrodinâmicas de partículas suspensas em fluídos. Além disso, no mercado existem empresas que fabricam e vendem equipamentos de espectrômetro de correlação de fótons. No entanto, esses equipamentos são constituídos por detectores de fótons conectados a sistemas dedicados para cálculo de funções de autocorrelação temporal de intensidade de luz espalhada, além de um arranjo óptico, resultando em instrumentos grandes e pesados, com uso restrito a laboratórios de pesquisa ou mesas de bancadas.

[0012] Dentre os primeiros documentos de patente sobre espectrômetros de correlação de fótons, o documento US 4975237, intitulado “Dynamic light scattering apparatus”, de 1990, descreve uma configuração padrão, porém utiliza fibra óptica para a coleta da luz espalhada.

[0013] O documento US 20130003061, intitulado “Dynamic light scattering based microrheology of complex fluids with improved singlescattering mode detection”, descreve os produtos da linha Zetasizer Nano da Malvern Instruments e compreende um método e um equipamento para obter parâmetros viscoelásticos de fluídos complexos. O equipamento é um espectrômetro de correlação de fótons que permite que a luz espalhada pela amostra seja coletada através de fibra óptica em ângulos que variam entre 173 e 13 graus. A luz espalhada é direcionada a dois equipamentos do tipo contador de fótons, ligados a um correlacionador. Esse equipamento difere essencialmente da presente invenção, pois o instrumento objeto da presente invenção não utiliza fibra óptica, nem contador de fótons e nem sistema tipo correlacionador. Os produtos da linha Zetasizer Nano da Malvern Instruments possuem dimensões (32cmx60cmx26cm) e pesam 21 kgs e, portanto, são maiores e mais pesados do que o equipamento proposto na presente invenção.

[0014] O equipamento NanoDLS da Brookhaven Instruments determina o raio hidrodinâmico de partículas baseado em espalhamento dinâmico de luz. O instrumento coleta luz espalhada a 90 graus e utiliza uma fibra óptica do tipo monomodo, um fotodiodo de avalanche e um correlacionador digital, diferindo essencialmente do equipamento proposto na presente invenção, que não utiliza nenhum dos componentes acima descritos.

[0015] A empresa Microtrac (www.microtrack.com) comercializa o equipamento Nanotrac Wave, um instrumento de espalhamento dinâmico de luz que mede o tamanho, o potencial zeta e o peso molecular de partículas suspensas em solução. O Nanotrac Wave coleta luz na configuração de retroespalhamento, mas diferentemente do equipamento objeto da presetne invenção, o Nanotrac não utiliza o método de espectroscopia de correlação de fótons para obtenção dos parâmetros e sim, uma abordagem protegida por documento de patente denominada “Controlled Reference Method”. O Nanotrac possui dimensões 38cmx36cmx33cm e um peso aproximado de 6,8 kgs, também maior e mais pesado do que o equipamento proposto na presente invenção.

[0016] A empresa Nano Discovery Incorporation (www.nanodiscoveryinc.com) comercializa o equipamento NanoDLSay (NDS1200) baseado em espalhamento dinâmico de luz (coleta a 90 graus) e correlação de fótons. O NDS1200 foi especialmente desenvolvido para imuno-ensaios via análise de propriedade hidrodinâmicas de nanopartículas ligadas a anticorpos e proteínas. O instrumento é protegido pelo documento de patente HYPERLINK"http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?II=0&ND=3&adjac ent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20101111&CC=US&NR=2010285989 A1&KC=A1" US20080018719 , intitulado “Detection of analytes usingmetal nanoparticle probing and dynamic light scattering”. Além do arranjo óptico mais simples, a presente invenção poderá ser uma plataforma portátil para imuno-ensaios usando, por exemplo, nanopartículas como biosensores.

[0017] O EPEL poderá facilmente ser transportado a qualquer região e permitirá que imuno-ensaios sejam feitos “in situ”. Essa funcionalidade é particularmente útil no caso veterinário, para inspeção da saúde dos animais na própria fazenda e o mesmo para a identificação rápida de patógenos e pragas agrícolas em áreas de plantio ou cultivo, com enorme economia para os produtores. O mesmo se aplica no caso de doenças humanas, quando epidemias precisam ser monitoradas in loco, com rapidez e facilidade. Equipamentos EPEL distribuídos aos agentes sanitários permitirão que os próprios agentes, sem treinamento prévio, sejam capazes de operar, obter resultados em tempo real e alimentar bancos de dados com informações sobre a evolução da epidemia e detecção de pacientes contaminados.BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASA Figura 1 exibe a tecnologia proposta em uma orientação vertical aplicada a uma configuração não limitante da invenção. Na figura estão explicitadas algumas características físicas e elementos do dispositivo: uma fonte de luz coerente (1), um elemento óptico (2) que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz (1) e da amostra espalhadora (13), duas lentes (3 e 4), um elemento com propriedade de polarização (18) e um conjunto de elementos fotoativos (5), preferencialmente do tipo CMOS (5), todos conectados a uma peça integradora (6) via acopladores (7 e 8). O feixe (9) incide no elemento óptico (2) e gera dois feixes (10) e (11). O feixe (10) incide sobre uma superfície absorvedora de luz (12). O feixe (11) atravessa a lente (3) e produz uma região focal dentro da amostra (espalhadora) (13), denominada região espalhadora (17), e uma reflexão na superfície inferior do porta-amostras (14). O feixe (16) é coletado na configuração de retroespalhamento e atravessa a lente (3), o elemento óptico (2), a lente (4), o elemento com propriedade de polarização (18) e atinge a superfície fotossensível da conjunto de elementos fotoativos (5). As imagens capturadas pelo conjunto de elementos fotoativos (5) são preferencialmente processadas em um processador embarcado incluso no dispositivo proposto, mas também podem ser transferidas e gravadas em um computador (19), em que serão posteriormente processadas.A Figura 2 apresenta um diagrama do instrumento EPEL na orientação horizontal. Nessa opção de utilização, o EPEL é girado de 90 graus em relação à configuração da Figura 1 e a amostra espalhadora (13) está contida em um porta amostras (14) posicionado verticalmente. O EPEL compreende uma fonte de luz coerente (1), um elemento óptico (2) que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz (1) e da amostra espalhadora (13), duas lentes (3 e 4), um elemento com propriedade de polarização (18) e uma conjunto de elementos fotoativos (5), preferencialmente do tipo CMOS (5), todos conectados a uma peça integradora (6) via acopladores (7 e 8). O feixe (9) incide no elemento óptico (2) e gera dois feixes (10) e (11). O feixe (10) incide sobre uma superfície absorvedora de luz (12). O feixe (11) atravessa a lente (3) e produz uma região focal dentro da amostra espalhadora (13), denominada região espalhadora (17), e uma reflexão na superfície inferior do porta- amostras (14). O feixe (16) é coletado na configuração de retroespalhamento e atravessa a lente (3), o elemento óptico (2), a lente (4) e o elemento com propriedade de polarização (18), e atinge a superfície fotossensível do conjunto de elementos fotoativos (5). As imagens capturadas pelo conjunto de elementos fotoativos (5) são preferencialmente processadas em um processador embarcado incluso no dispositivo proposto, mas também podem ser transferidas e gravadas em um computador (19), em que serão posteriormente processadas.A Figura 3 apresenta um diagrama amplificado de uma parte do EPEL. No diagrama mostra-se que o feixe (11) incide na lente (3), fora do seu eixo óptico, e produz um feixe com uma região focal dentro de uma amostra espalhadora (13). Ao incidir fora do eixo óptico da lente (3), a porção do feixe que é refletida na superfície inferior do porta-amostras (14 e 15) permanece espacialmente separada da porção do feixe de interesse (16), proveniente da região de espalhamento de luz da amostra (17). O feixe (16) é coletado na configuração de retroespalhamento e passa pela lente (3), pelo elemento óptico (2) - retirado desse diagrama para simplificação, pela lente (4) e por um elemento com propriedade de polarização (18), e é coletado pelo conjunto de elementos fotoativos (5), configurando a região homodina (20). O feixe estático resultante da reflexão do laser (15) na superfície inferior do porta-amostras (14) também passa pela lente (3), pelo elemento óptico (2), pela lente (4) e por um elemento com propriedade de polarização (18), e é coletado pelo conjunto de elementos fotoativos (5) configurando a região (21), espacialmente separada da região homodina (20). Sendo assim, no conjunto de elementos fotoativos (5) aparecem claramente duas imagens de regiões distintas: uma região (21) onde está presente a luz estática refletida na superfície inferior do porta-amostras e outra região onde está presente somente a imagem da região espalhada (17), denominada região homodina (20). As imagens capturadas pelo conjunto de elementos fotoativos (5) são preferencialmente processadas em um processador embarcado incluso no dispositivo proposto nesta invenção, mas também podem ser transferidas e gravadas em um computador (19), em que serão posteriormente processadas.A Figura 4 - apresenta um diagrama amplificado de uma parte do EPEL. Uma vez que os elementos ópticos do equipamento estão alinhados, a imagem no conjunto de elementos fotoativos (5) - retirado deste diagrama para simplificação, permanece fixa, podendo-se mover o porta-amostras (14), de forma automatizada ou não, e coletar luz de diferentes poços, sem ajustes adicionais.A Figura 5 mostra um exemplo de uma peça (22) opcional do EPEL, que permite o acoplamento simultâneo de quatro fontes de luz coerentes. Para sua utilização, a fonte de luz (1) e seu suporte são retirados do bloco maciço (6) e a peça (22) é acoplada na mesma posição.A Figura 6 mostra um gráfico das funções de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizadas do espalhamento de luz por microesferas de poliestireno calibradas (diâmetro nominal de 0,20 μm ± 5%), medidas com o equipamento representando na Figura 1, usando as configurações homodina (círculos cheios) e heterodina (quadrados cheios). Da análise, obtém-se que o diâmetro das microesferas é de 0,21 μm ± 5%, indicando uma excelente concordância com os tamanhos nominais proporcionados pelo fabricante.A Figura 7 mostra um gráfico das funções de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizadas do espalhamento de luz por microesferas de poliestireno calibradas com diâmetro nominal de 0,080 μm ± 5% (quadrados) e 0,500 μm ± 5% (círculos), medidas com o equipamento representado na Figura 1, usando a configuração homodina. Da análise, obtém-se que o diâmetro das microesferas é de 0,085 μm ± 5% e 0,520 μm ± 5%, respectivamente, indicando uma excelente concordância com os tamanhos nominais proporcionados pelo fabricante. A Figura 8 mostra um gráfico da função de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizada das flutuações de intensidade devido ao espalhamento de luz por nanobastões de ouro, medida na região homodina (19). Da análise, obtém-se um comprimento de aproximadamente 30 μm e um diâmetro de aproximadamente 16 μm para os nanobastões em solução.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIA

[0018] A presente invenção trata de um espectrômetro portátil de espalhamento de luz (EPEL) que utiliza a correlação de fótons para medir e caracterizar espalhamento dinâmico de luz em emulsões coloidais. Também trata de um processo para determinação da função de autocorrelação temporal média. O dispositivo proposto na presente invenção possui um sistema mecano-óptico com uma configuração especial que compreende pelo menos uma fonte de luz coerente, lentes, divisor de feixe, elemento óptico que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz, elemento com propriedade de polarização e outros elementos que propiciam características superiores tais como: tamanho reduzido; portátil; fácil manuseio; robusto; realiza medições de dinâmica difusiva em tempo reduzido; pode ser utilizado aberto em ambiente iluminado, sem necessidade de bloquear a luz ambiente externa sobre a amostra e em locais diversos; boa tolerância a vibrações, além de possibilitar a configuração do sistema mecano-óptico em todas as orientações espaciais. O EPEL poderá ser utilizado em laboratórios e também para determinações de dinâmica difusiva “in situ”, inclusive para imuno-ensaios.

[0019] A técnica de espectroscopia de correlação de fótons consiste basicamente em coletar a luz espalhada por partículas dispersas em solução por certo tempo t, analisar e medir a dinâmica associada ao seu movimento Browniano. Essa análise é realizada através de flutuações temporais da intensidade I(t) de luz espalhada, coletada num certo ângulo em relação à luz incidente, mediante o cálculo da função de autocorrelação temporal de intensidades (FACTI - função de autocorrelação temporal de intensidades), que pode ser definida pela expressão (1):

[0020] No caso particular de espalhamento dinâmico de luz produzido por partículas em movimento Browniano em um fluido, a FACTI é uma função exponencial decrescente e o tempo de decaimento da FACTI é caracterizado por um tempo de relaxação T. Esse tempo é relacionado ao coeficiente de difusão e reflete a dinâmica difusiva das partículas no meio espalhador.

[0021] Existem duas configurações básicas para a coleta da intensidade de luz espalhada: 1) configuração homodina, onde somente a luz espalhada é coletada e detectada; 2) configuração heterodina, onde a luz espalhada interfere com parte da luz (laser) que não passa pela amostra (oscilador local) e é então detectada. No caso de difusão por partículas Brownianas, o tempo de decaimento da FACTI heterodino é igual a duas vezes o tempo de decaimento da FACTI homodino, podendo o coeficiente de difusão e distribuição de tamanho das partículas ser obtido em quaisquer das duas configurações de espalhamento. No entanto, para medidas onde as partículas, além de difundirem, apresentarem uma velocidade ao longo de alguma direção, somente na configuração heterodina essa velocidade pode ser medida. Assim, para medidas de velocidade e potencial zeta de partículas, que envolve a medida de velocidade de partículas carregadas sob a ação de um campo elétrico conhecido, a configuração heterodina é que deve ser necessariamente usada. Sendo assim, da análise da FACTI é possível obter os coeficientes de difusão e a distribuição de tamanhos das partículas em solução, tanto usando a configuração homodina quanto a heterodina. A velocidade e o potencial zeta de partículas só podem ser obtidos na configuração heterodina.

[0022] O equipamento proposto contém um conjunto mecano-óptico que compreende de pelo menos os seguintes elementos: uma fonte de luz coerente (1), um elemento óptico (2) que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz (1) e da amostra espalhadora (13), duas lentes (3) e (4), um elemento com propriedade de polarização (18) e um conjunto de elementos fotoativos (5), preferencialmente do tipo CMOS (5), todos acoplados a uma peça integradora (6) via acopladores (7 e 8). O equipamento permite o seu uso em qualquer orientação espacial, preferencialmente nas orientações vertical (Fig. 1) e horizontal (Fig. 2). O feixe de luz (9) incide a aproximadamente 45 graus no elemento óptico (2) e gera dois feixes (10) e (11). O feixe (10) incide sobre uma superfície absorvedora de luz (12) e o feixe (11) incide na lente (3), fora do seu eixo óptico, e produz um feixe com uma região focal dentro de uma amostra espalhadora (13). Ao incidir fora do eixo óptico da lente (3), a porção do feixe que é refletida na superfície inferior do porta-amostras (14 e 15) permanece espacialmente separada da porção do feixe de interesse (16), proveniente da região de espalhamento de luz da amostra (17), coletado na configuração de retroespalhamento. O feixe (16) passa novamente pela lente (3), pelo elemento optico (2), incide na lente (4) e passa por um elemento com propriedade de polarização (18). A lente (4) tem a função de conjugar a imagem da região de espalhamento (17) no conjunto de elementos fotoativos (5). O elemento com propriedade de polarização (18) possui liberdade de giro, de modo a coletar a luz no modo polarizado (vertical/vertical ou VV) ou despolarizado (vertical/horizontal ou VH). A imagem formada sobre a superfície fotossensível do conjunto de elementos fotoativos (5) é uma pequena região da luz espalhada (17) pelo feixe da luz incidente (11), região focal, que atravessa a região do porta-amostras (14) com a emulsão coloidal de interesse.

[0023] A taxa de captura do conjunto de elementos fotoativos (5) deve ser escolhida dependendo da resolução temporal que se necessita para o experimento. Para cada conjunto de elementos fotoativos (5) existe uma relação entre o número de elementos fotoativos (pixel) da região de interesse da imagem (ROI) e a taxa de captura. A ROI é escolhida sobre a imagem da região de espalhamento de luz (17), região homodina (20) do espalhamento. As imagens capturadas pelo conjunto de elementos fotoativos (5) são preferencialmente processadas em um processador embarcado incluso no dispositivo proposto, mas também podem ser transferidas e gravadas em um computador (19) em que serão posteriormente processadas. A FACTI é calculada, pixel a pixel, sobre os pixeis da ROI, para todos os quadros, usando um software dedicado. O programa retorna a FACTI média sobre todos os elementos fotoativos.

[0024] O equipamento proposto na presente invenção é robusto e admite diferentes tipos de porta-amostras: além daqueles com fundo plano e boa qualidade óptica, admite tubos de ensaios plásticos comumente utilizados no preparo de amostras laboratoriais e na coleta de sangue em exames de rotina. A fonte de luz coerente incide na superfície inferior do porta-amostras (14) e atravessa a amostra (13). O porta-amostras (14) é posicionado entre a lente (3) e o seu plano focal. Desta forma, a reflexão originada da incidência da luz na superfície do fundo do porta-amostras (14) fica restrita a uma região perto do feixe incidente (11), enquanto a região de focalização e de espalhamento mais intenso na amostra (17) fica espacialmente separada, como indicado na Figura 3. A região de espalhamento (17) corresponde à região focal da lente (3), aumentando em muito a intensidade local da fonte de luz e, portanto, da luz espalhada, aumento este da ordem de 10000 vezes. Como a região de espalhamento (17) está no foco da lente (3), esta mesma lente coleta a luz retroespalhada, tal que a imagem da região de espalhamento (17) é conjugada no infinito por ela.

[0025] A geometria de retroespalhamento faz com que se tenha um ganho adicional da intensidade espalhada, uma vez que a luz é coletada dentro da área projetada, ou seja, a intensidade espalhada é proporcional a (1/sinθ) ~ 4 onde θ é aproximadamente o ângulo de espalhamento. Isto resulta em um aumento total da potência espalhada na região de espalhamento (17) da ordem de 40 mil vezes, em relação ao feixe inicial (11). Na configuração de retroespalhamento dessa proposta, a focalização do feixe da luz causa uma dispersão nos valores da magnitude do vetor de onda espalhado da ordem de 2%, que causa uma dispersão de 4% na determinação dos coeficientes de difusão. Caso seja necessário, essa fonte de erro instrumental pode ser levada em conta na análise de dados, melhorando os resultados onde a precisão na medida do coeficiente de difusão se fizer necessária.

[0026] Em outra saída da peça integradora (6) é acoplada uma lente (4) confocal com a lente (3), tal que a imagem da região de espalhamento (17) é conjugada pela lente (4) sobre um conjunto de elementos fotoativos (5), preferencialmente do tipo CMOS.

[0027] O uso do conjunto de elementos fotoativos (5) nessa geometria facilita muito a compactação do equipamento proposto na presente invenção. No conjunto de elementos fotoativos (5) aparecem claramente duas imagens de regiões distintas: uma região (21) onde está presente a luz estática refletida na superfície inferior do porta-amostras (14) e outra região onde está presente somente a imagem da região espalhada (17), denominada região homodina (20). Uma vez que o elemento ótico (2) está alinhado, a posição da região homodina (20) da imagem no conjunto de elementos fotoativos (5) permanece fixa, podendo-se mover o porta- amostras e coletar luz de diferentes poços sem ajustes adicionais. Isso é bastante apropriado para aplicações em linha de produção, onde um sistema automatizado pode mover o porta-amostras sobre o espectrômetro sem a necessidade de ajustes adicionais (Figura 3).

[0028] Em torno da região homodina da imagem é possível escolher uma pequena região de interesse (ROI), para aumentar a taxa de captura do conjunto de elementos fotoativos (5), quando necessário.

[0029] Outra importante vantagem do EPEL é o fato do instrumento permitir o uso de várias fontes de luz coerentes simultaneamente, sem a necessidade de alinhamento óptico adicional. A Fig. 4 mostra um exemplo de uma peça (22) opcional do EPEL que permite o acoplamento simultâneo de quatro fontes de luz coerentes. Para sua utilização, a fonte de luz (1) e seu suporte são retirados do bloco maciço (6) e a peça (22) é acoplada na mesma posição. Nesse caso, as imagens da região de espalhamento (17) referentes à incidência das diferentes fontes de luz coerente na amostra espalhadora são conjugadas em posições diferentes no conjunto de elementos fotoativos (5).

[0030] Para o caso de medidas de velocidades e potencial zeta das partículas, necessita-se da configuração heterodina. Uma das possíveis formas de se obter a configuração heterodina é posicionar o porta-amostras (14) a uma distância maior da lente (3), tal que as duas regiões (20) e (21) se superponham e interfiram na imagem coletada pelo conjunto de elementos fotoativos (5). Outra maneira de detecção do espalhamento dinâmico de luz na configuração heterodina é possível utilizando a reflexão do feixe (10). Através da colocação de uma superfície refletora na face (12), o feixe (10) é refletido de volta ao espelho (2) e incide sobre a região (20) no conjunto de elementos fotoativos (5), onde interfere com o feixe (16). A intensidade do feixe (10) deve ser ajustada com o auxílio de um filtro neutro em seu caminho óptico, para a melhor eficiência da heterodinação. No exemplo 1 abaixo apresentamos, para as duas configurações homodina e heterodina, o resultado das FACTIM, que podem ser determinadas por meio da expressão (2), nos dois casos para a difusão de microesferas de poliestireno calibradas, onde claramente se vê que o tempo de decaimento heterodino é duas vezes maior que o tempo de decaimento homodino.

[0031] O dispositivo EPEL (ou um dispositivo eletrônico conectado a ele) armazena uma sequência temporal de imagens da região de espalhamento (17), numa taxa de captura previamente escolhida. Caso se necessite de uma maior resolução temporal, pode-se usar outros tipos de conjunto de elementos fotoativos (5), por exemplo um conjunto de elementos fotoativos (5) de varredura em linha (“line scan”), que coletam dados de uma linha em torno de 2.000 pixeis com uma taxa de aquisição de dados de até 500 mil quadros por segundo, não limitante a este valor. Apotência da fonte de luz pode ser também aumentada segundo anecessidade de uso do espectrômetro, o que dá a ele uma grandeversatilidade em termos de sensibilidade de detecção. O sinal daintensidade temporal de luz espalhada por cada elemento fotoativo do conjunto de elementos fotoativos (5) é armazenado no próprio dispositivo EPEL ou em um dispositivo eletrônico conectado a ele (como, por exemplo, um computador, laptop, tablet, celular, etc) e um programa dedicado calcula a função de correlação temporal de intensidade de luz espalhada FACTI para cada elemento fotoativo do conjunto de elementos fotoativos (5) . Esse mesmo programa calcula a função de autocorrelação temporal de intensidade de luz espalhada média FACTIM, que é o resultado da soma de todas as FACTI, dividida pelo número de elemento fotoativos (N) usados na análise em questão. Com o resultado da FACTIM, obtém-se o coeficiente de difusão.

[0032] O espectrômetro proposto na presente invenção possui a versatilidade de medir de forma independente tanto o coeficiente de difusão translacional quanto o coeficiente de difusão rotacional, nas configurações VV e VH, respectivamente.

[0033] No espectrômetro de correlação de fótons descrito na presente invenção, cada elemento fotoativo (pixel) do arranjo de detectores do conjunto de elementos fotoativos (5) é um detector independente, que pode coletar luz de várias áreas de coerência, devido à geometria compacta descrita na invenção. Nessa configuração, devido ao número de áreas de coerência maior do que um, a razão entre a flutuação de intensidade de luz espalhada e a intensidade média de luz espalhada é muito menor do que no caso ideal de uma única área de coerência. Entretanto, essa desvantagem é compensada pelo fato da detecção da luz espalhada ser realizada por um conjunto de elementos fotoativos (pixel), simultaneamente, de modo que essa detecção múltipla em paralelo corresponde efetivamente a um grande número de espectrômetros de correlação de fótons medindo o mesmo evento simultaneamente. Ou seja, o paralelismo na detecção compensa estatisticamente a baixa coerência espacial na detecção. Desse modo, a redução das dimensões do espectrômetro não compromete seu desempenho, como pode ser visto nas figuras 4, 5 e 6. Essa nova forma de detecção de fótons em espectroscopia de correlação de fótons hoje é possível devido à enorme capacidade de aquisição de dados em taxas elevadas dos sistemas de computação atuais. Esse arranjo retorna uma FACTI com excelente relação sinal-ruído, como será mostrado nos exemplos de aplicação do equipamento. O fato de todos os elementos ópticos serem conectados a uma peça integradora (6) e a não necessidade do uso de orifícios de colimação para a seleção da área de coerência, faz esse equipamento objeto da presente invenção muito robusto do ponto de vista mecânico e óptico, de fácil montagem e alinhamento, compacto e portátil. Além dessas características específicas, o equipamento pode ser utilizado nas mesmas aplicações que espectrômetros de correlação de fótons convencionais.

[0034] Um processo de determinação da função de autocorrelação temporal de intensidade de luz espalhada média (FACTIM), por meio do espectrômetro portátil de espalhamento de luz, é apresentado, e suas etapas constituintes são as seguintes:a) armazenar a série temporal de intensidade de luz espalhada capturada por cada elemento fotoativo do espectrômetro portátil de espalhamento de luz;b) calcular a função de correlação temporal individualmente para cada série temporal de intensidade de luz espalhada (FACTI) capturada por cada elemento fotoativo;c) somar os resultados obtidos na etapa “b”;

[0035] d) dividir o resultado obtido na etapa “c” pelo número de elementos fotoativos usados na análise.

[0036] Como exemplo de aplicação do equipamento proposto, são apresentadas medidas feitas em soluções com microesferas de poliestireno e soluções com nanobastões de ouro. As medidas foram realizadas em uma ROI de 2 x 40 elementos fotoativos de um conjunto de elementos fotoativos (5) e com um laser de intensidade de 4mW como fonte de luz coerente. Em contraste com espectrômetros convencionais, que utilizam um único detector de fótons, temos nesses exemplos 80 detectores de fótons, diminuindo o tempo de coleta do experimento (tipicamente da ordem de 1 segundo) e melhorando a relação sinal-ruído. Cada pixel do conjunto de elementos fotoativos (5) age como um detector independente, dispensando assim a necessidade do uso de orifícios de colimação (pinholes) para limitar a região coletada e a área de coerência. Essa vantagem do espectrômetro proposto na presente invenção elimina o uso de sistemas de colimação ópticos, simplificando e reduzindo enormemente as dimensões espaciais do equipamento.

[0037] A invenção pode ser mais bem compreendida através dos exemplos abaixo, não limitantes da tecnologia.

[0038] Exemplo 1 - Determinação do tamanho de microesferas de poliestireno em suspensão coloidal (configurações homodina e heterodina)

[0039] A figura 6 apresenta um exemplo de funções de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizadas do espalhamento de luz por microesferas de poliestireno calibradas (diâmetro nominal de 0,20 μm ± 5%, Polysciences, Inc., www.polysciences.com) medidas com o equipamento proposto, usando as configurações homodina e heterodina. Esse é um teste padrão para o funcionamento de espectrômetros de correlação de fótons. O tempo de decaimento da FACTIM heterodina é duas vezes o tempo de decaimento da FACTIM homodina. A partir do ajuste da FACTIM com uma exponencial simples (linha contínua), obtemos que o diâmetro das microesferas é de 0,21 μm ± 5%, indicando uma excelente concordância com os tamanhos nominais proporcionados pelo fabricante. Devemos ressaltar que estas medidas foram feitas com a luz do ambiente acesa sobre a amostra, sem isolamento adicional de luz.

[0040] Exemplo 2 - Determinação do tamanho de microesferas de poliestireno em suspensão coloidal (configuração homodina)

[0041] A figura 7 apresenta funções de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizadas do espalhamento de luz por microesferas de poliestireno calibradas com diâmetro nominal de 0,080 μm ± 5% (quadrados) e 0,500 μm ± 5% (círculos), medidas com o equipamento representado na Figura 1, usando a configuração homodina. Esse é um teste padrão para o funcionamento de espectrômetros de correlação de fótons. A partir do ajuste da FACTIM com uma exponencial simples (linha contínua) obtemos que o diâmetro das microesferas é de 0,085 μm ± 5% e 0,520 μm ± 5%, respectivamente, indicando uma excelente concordância com os tamanhos nominais proporcionados pelo fabricante. Vale ressaltar que estas medidas foram feitas com a luz do ambiente acesa sobre a amostra, sem isolamento adicional de luz.

[0042] Exemplo 3 - Determinação das dimensões de nanobastões de ouro em suspensão coloidal (configuração homodina)

[0043] O equipamento proposto na presente invenção pode ser utilizado para determinar as dimensões de nanopartículas metálicas. Usando a configuração homodina, a Figura 8 apresenta a função de autocorrelação temporal (FACTIM) normalizada das flutuações devido ao espalhamento por nanobastões de ouro. Ajustando a (FACTIM) com duas exponenciais (linha contínua), obtem-se os coeficientes de difusão translacional paralelo e perpendicular ao eixo principal do nanobastão. A partir destes coeficientes obtém-se o comprimento e a razão de aspecto das nanopartículas em solução. Nesse exemplo, os tempos de decaimento obtidos para os nanobastões foram de 68 μs e 276 μs, relativos ao movimento perpendicular e paralelo, respectivamente. Esses tempos retornam um comprimento de aproximadamente 30 nm e uma razão de aspecto de 1,8 e, portanto, um diâmetro de aproximadamente 16 nm para os nanobastões de ouro.

Claims

1. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ caracterizado por compreender pelo menos uma fonte de luz coerente (1) que emita um feixe (9), pelo menos um elemento óptico (2), que reflete e transmite os feixes provenientes da fonte de luz (1) e da amostra espalhadora (13), e em qual incide o feixe (9), gerando o feixe (10), que incide sobre a superfície absorvedora (12), e o feixe (11), que incide sobre a lente (3); pelo menos duas lentes (3) e (4); pelo menos um elemento com propriedade de polarização (18) e pelo menos um conjunto de elementos fotoativos (5), no qual cada elemento é um detector independente que coleta luz de diversas áreas de coerência originadas do espalhamento do feixe (11) pela amostra espalhadora (13), coletado pela lente (3), todos acoplados a uma peça integradora (6) via acopladores (7) e (8).

2. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conjunto de elementos fotoativos (5) ser preferencialmente do tipo CMOS.

3. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo elemento com propriedade de polarização (18) ter liberdade de giro, de modo a coletar a luz no modo polarizado (vertical/vertical ou VV) ou despolarizado (vertical/horizontal ou VH).

4. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela orientação espacial do conjunto mecano-óptico ser preferencialmente vertical ou horizontal em relação à amostra.

5. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender, opcionalmente, uma pluralidade de fontes de luz coerentes conectadas ao sistema mecano-óptico do espectrômetro por meio de um suporte (22).

6. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo posicionamento do porta-amostras (14) em relação à lente (3) ser tal que as duas regiões (20) e (21) se superponham e interfiram na imagem coletada pelo conjunto de elementos fotoativos (5), propiciando uma possibilidade de configuração heterodina.

7. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo posicionamento opcional de uma superfície refletora em substituição à superfície absorvedora (12), de modo que o feixe (10) seja refletido de volta ao espelho (2) e incida sobre a região (20) no conjunto de elementos fotoativos (5), onde interfere com o feixe (16), propiciando uma possibilidade alternativa de configuração heterodina.

8. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1 e 7, caracterizado pela interposição opcional de um filtro neutro de ajuste de intensidade no caminho óptico do feixe (10), imediatamente antes da região (20) do conjunto de elementos fotoativos (5), para incrementar a eficiência do processo de heterodinação.

9. ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender, opcionalmente, um porta-amostras (14), que pode ser dos seguintes tipos: câmaras de fluxo, placas de multi-poços, tubos plásticos, dutos industriais, carrossel ou bandejas de amostras para automação.

10. PROCESSO DE DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO DE AUTOCORRELAÇÃO TEMPORAL DE INTENSIDADE DE LUZ ESPALHADA MÉDIA (FACTIM), POR MEIO DO ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL DE ESPALHAMENTO DE LUZ, caracterizado por compreender as seguintes etapas:a) armazenar a série temporal de intensidade de luz espalhada capturada por cada elemento fotoativo do espectrômetro portátil de espalhamento de luz;b) calcular a função de correlação temporal individualmente para cada série temporal de intensidade de luz espalhada (FACTI) capturada por cada elemento fotoativo;c) somar os resultados obtidos na etapa “b”;d) dividir o resultado obtido na etapa “c” pelo número de elementos