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ÓPTICA

El campo iluminado

Un grupo de la ciudad paulista de São Carlos construye un aparato robótico con láser destinado al análisis de los elementos químicos existentes en el suelo y en las hojas

Laser Embrapa_215Infografía: Ana Paula Campos / Ilustración: Alexandre AffonsoDentro de algunos años, pequeños haces de luz láser apuntados hacia la hoja una planta o hacia un fragmento de suelo podrán volverse comunes en los cultivos agrícolas. El láser se está convirtiendo en un medio confiable a la hora de analizar los elementos químicos presentes en un vegetal y para suministrar información importante sobre el abono, por ejemplo. Y lo que es más importante: estos ensayos pueden hacerse en tiempo real en el propio campo, en unos pocos minutos, e incluso contando con el apoyo de la localización vía GPS. Esta tecnología, denominada espectroscopia de plasma inducido por láser (Libs, por sus siglas en inglés), es la que emplea el robot Curiosity de la Nasa, para la detección de elementos tales como hierro, carbono y aluminio en las rocas de Marte. Un aparato similar se desarrolló en Embrapa Instrumentación, unidad de la estatal brasileña de investigación agropecuaria con sede la localidad de São Carlos, en el interior paulista. “Es el primer sistema Libs embarcado construido en Brasil”, dice la investigadora Débora Milori, de Embrapa, coordinadora del proyecto en el Centro de Investigaciones en Óptica y Fotónica, uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP. Además de su apoyo al Cepid, la Fundación patrocina esta investigación mediante una beca posdoctoral cuyo adjudicatario es el físico Jader Cabral.

Una versión más sofisticada de la técnica Libs es la de doble pulso. En ésta, existe un retardo entre ambos haces de láser en un lapso que va de los nanosegundos a los microsegundos. La ventaja de la misma sobre el sistema de pulso único, que es el más utilizado por la comunidad científica, radica en la posibilidad de aumentar varias veces la intensidad de la señal, mejorando así el límite de detección de esta técnica empleada para la cuantificación de elementos. Embrapa también construyó recientemente un sistema Libs de doble pulso, con la colaboración del físico Gustavo Nicolodelli y del becario de posdoctorado de la FAPESP.

“Existen varios trabajos que muestran que el sistema Libs de doble pulso tiene un desempeño analítico mejor, con un aumento de la sensibilidad y de los límites de detección entre dos y 20 veces mayores que los que se obtienen con los métodos que se valen de configuraciones con un solo pulso de láser”, dice el profesor Francisco Krug, del Centro de Energía Nuclear en Agricultura (Cena) de la USP. Krug coordinó un proyecto financiado por la FAPESP entre 2005 y 2009 mediante el cual se avanzó en el conocimiento y el desarrollo del análisis de hojas y del suelo vía espectrometría de plasma inducido por láser. El proyecto contó con la participación de Milori y de otros investigadores de Embrapa. “En general, el Libs de doble pulso requiere de una instrumentación un poco más compleja; pero ambos son relativamente sencillos. Actualmente, los sistemas portátiles disponibles en el mercado operan con las mediciones generadas por un pulso de láser”, dice Krug.

“De cualquier manera, lo que es seguro es que la tecnología de doble pulso incorporada a los aparatos portátiles derivará en una expansión aún mayor de la cantidad de aplicaciones analíticas”, dice. “Existen en la actualidad aparatos comerciales que explotan otras áreas de la espectroscopia y que se encuentran instalados en máquinas agrícolas para permitir el análisis de los suelos en tiempo real; por ende, cabe esperar que el Libs pueda pronto ayudar en la evaluación del estado nutricional de los cultivos agrícolas también en tiempo real”. El Grupo de Espectrometría Atómica del Cena-USP, bajo la coordinación de Krug, se especializa en el desarrollo y la validación de métodos cuantitativos para el análisis directo de muestras de interés agronómico y ambiental.

“La cuantificación puede llevarse a cabo mediante modelos de calibración, con muestras de referencia. La intensidad de la emisión de los elementos es proporcional a la concentración existente en la muestra. La calibración es bastante dependiente de la matriz. En otras palabras, esto quiere decir que hay que construir un modelo para cuantificar el carbono del suelo y otro para el carbono de las plantas”, dice Milori. El análisis con láser también es ventajoso con relación al menor tiempo que requiere si se lo compara con los test convencionales realizados en laboratorios, en los cuales existe la necesidad de preparar las muestras con reactivos químicos. Como no contempla el uso de estos productos, el Libs ayuda a disminuir la generación de residuos. “Es una técnica limpia”, dice Milori.

El objetivo de los investigadores de Embrapa consistió en construir un aparato portátil y adaptarlo a una especie de autito, similar a un robot, que puede transportarse al campo. “Montamos un sistema robótico para demonstrar el concepto, con la colaboración de los profesores Marcelo Becker y Daniel Magalhães, de la EESC [la Escuela de Ingeniería de São Carlos] de la USP.”

La ruptura de las moléculas
En el robot, un láser pulsado se enfoca sobre muestras de hojas o de suelo. El área es calentada y la temperatura asciende a los 50.000 kelvin (K). Este efecto térmico provoca una ruptura de las moléculas presentes en el material y una evaporación, formando así un plasma, es decir, una densa nube gaseosa de átomos, iones y electrones. Al cabo de algunos microsegundos, el plasma se enfría a temperaturas ubicadas entre 5.000 y 15.000 K y aparecen las líneas de emisión de luz características de cada elemento químico presente en la muestra. Esta luminosidad es captada por un conjunto de lentes instaladas en el aparato y enfocadas en un espectrómetro.

En el espectrómetro, la luz será detectada por un sistema optoelectrónico, como el que poseen las cámaras fotográficas digitales para captar las imágenes. De acuerdo con el espectro de luz emitido, es posible clasificar en el aparato a los elementos presentes en la muestra, tales como fósforo, carbono y cobre, por ejemplo. “Las emisiones producidas por los átomos y iones representan la impresión digital de cada elemento químico”, dice Milori. El análisis con láser se encuadra en el concepto de agricultura de precisión, que se vale cada vez más de instrumentos y recursos de la tecnología de la información, tales como computadoras, GPS y redes inalámbricas para implementar mejoras en el ámbito de la producción agrícola.

Proyectos
1 Desarrollo y evaluación de un sistema Libs de doble pulso: Aplicación en la caracterización de suelos (n° 2012/ 24349-0); Modalidad Beca posdoctoral Becario Gustavo Nicolodelli/ Embrapa; Coord. Débora Milori/ Embrapa; Inversión R$ 163.082,88 (FAPESP)
2 Análisis de suelos mediante el empleo de técnicas fotónicas para el desarrollo de aparatos portátiles de medición in situ (nº 2012/ 22196-1); Modalidad Beca posdoctoral; Becario Jader de Souza Cabral/ Embrapa; Coord. Débora Milori/ Embrapa; Inversión R$ 163.082,88 (FAPESP)
3 Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (Cepof) (n° 2013/ 07276-1); Modalidad Programa Centro de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Coord. Vanderlei Bagnato/ USP; Inversión R$ 1.000.000,00 por año (FAPESP)