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Espectroscopia de ruptura inducida por láser

Esquema de un sistema LIBS – Cortesía del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos La espectroscopia de ruptura inducida por láser ( LIBS ) es un tipo de ...

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Esquema de un sistema LIBS – Cortesía del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos

La espectroscopia de ruptura inducida por láser ( LIBS ) es un tipo de espectroscopia de emisión atómica que utiliza un pulso láser de alta energía como fuente de excitación. [ 1 ] [ 2 ] El láser se enfoca para formar un plasma, que atomiza y excita las muestras. La formación del plasma solo comienza cuando el láser enfocado alcanza un cierto umbral de ruptura óptica, que generalmente depende del entorno y del material objetivo. [ 3 ]

Novedades de la década de 2000

Entre 2000 y 2010, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARL) investigó posibles extensiones de la tecnología LIBS, centrándose en la detección de materiales peligrosos. [ 4 ] [ 5 ] Las aplicaciones investigadas en el ARL incluyeron la detección a distancia de residuos explosivos y otros materiales peligrosos, la discriminación de minas terrestres de plástico y la caracterización de materiales de diversas aleaciones metálicas y polímeros. Los resultados presentados por el ARL sugieren que LIBS podría discriminar entre materiales energéticos y no energéticos. [ 6 ]

Investigación

Los espectrómetros de banda ancha de alta resolución se desarrollaron en 2000 y se comercializaron en 2003. Diseñado para el análisis de materiales, el espectrómetro permitió que el sistema LIBS fuera sensible a elementos químicos en baja concentración. [ 7 ]

Las aplicaciones ARL LIBS estudiadas entre 2000 y 2010 incluyeron: [ 5 ]

  • Probado para la detección de agentes alternativos al halón.
  • Se probó un sistema LIBS portátil para la detección de plomo en suelo y pintura.
  • Se estudió la emisión espectral del aluminio y los óxidos de aluminio a partir de aluminio en masa en diferentes gases portadores.
  • Se realizó un modelado cinético de las plumas LIBS.
  • Demostró la detección y discriminación de materiales geológicos, minas terrestres de plástico, explosivos y sustitutos de agentes de guerra química y biológica.

Los prototipos ARL LIBS estudiados durante este período incluyeron: [ 5 ]

  • Configuración del laboratorio LIBS
  • Sistema LIBS comercial
  • Dispositivo LIBS portátil
  • Sistema LIBS de detección remota desarrollado para la detección y discriminación de residuos explosivos a más de 100 metros de distancia.

Novedades de la década de 2010

LIBS es una de las varias técnicas analíticas que se pueden implementar en el campo a diferencia de las técnicas puramente de laboratorio, por ejemplo, OES de chispa . A partir de 2015Las investigaciones recientes sobre LIBS se centran en sistemas compactos y portátiles. Algunas aplicaciones industriales de LIBS incluyen la detección de mezclas de materiales, [ 8 ] el análisis de inclusiones en acero, el análisis de escorias en metalurgia secundaria, [ 9 ] el análisis de procesos de combustión, [ 10 ] y la identificación de alta velocidad de piezas de chatarra para tareas de reciclaje específicas de materiales. Con el apoyo de técnicas de análisis de datos, esta técnica se está extendiendo a muestras farmacéuticas. [ 11 ] [ 12 ]

LIBS mediante pulsos láser cortos

Tras la ionización multifotónica o por efecto túnel , el electrón se acelera por la radiación de frenado inversa y puede colisionar con las moléculas cercanas, generando nuevos electrones. Si la duración del pulso es larga, los electrones recién ionizados pueden acelerarse y, finalmente, se produce una ionización en cascada o por avalancha. Una vez que la densidad de electrones alcanza un valor crítico, se produce una ruptura y se crea un plasma de alta densidad que no conserva la memoria del pulso láser. Por lo tanto, el criterio para la brevedad de un pulso en medios densos es el siguiente: un pulso que interactúa con materia densa se considera corto si durante la interacción no se alcanza el umbral de ionización por avalancha. A primera vista, esta definición puede parecer demasiado restrictiva. Afortunadamente, debido al delicado equilibrio de los pulsos en medios densos, el umbral no se alcanza fácilmente. El fenómeno responsable de este equilibrio es la limitación de intensidad [ 13 ] mediante el inicio del proceso de filamentación durante la propagación de pulsos láser intensos en medios densos.

Un avance potencialmente importante para LIBS implica el uso de un pulso láser corto como fuente espectroscópica. [ 14 ] En este método, se crea una columna de plasma como resultado del enfoque de pulsos láser ultrarrápidos en un gas. El plasma autoluminiscente es muy superior en términos de bajo nivel de continuo y también menor ensanchamiento de línea. Esto se atribuye a la menor densidad del plasma en el caso de pulsos láser cortos debido a los efectos de desenfoque, que limitan la intensidad del pulso en la región de interacción y, por lo tanto, evitan una mayor ionización multifotónica/de túnel del gas. [ 15 ] [ 16 ]

Intensidad de línea

Para un plasma ópticamente delgado compuesto por una sola especie atómica neutra en equilibrio térmico local (ETL), la densidad de fotones emitidos por una transición del nivel i al nivel j es [ 17 ].

Iij(λ)=14πnorte0Aijgramoiexp−mii/kBTU(T)I(λ){\displaystyle I_{ij}(\lambda )={\frac {1}{4\pi }}n_{0}A_{ij}{\frac {g_{i}\exp ^{-E_{i}/k_{B}T}}{U(T)}}I(\lambda )}

dónde  :

  • Iij{\displaystyle I_{ij}}es la densidad de tasa de emisión de fotones (en m −3 sr −1 s −1 )
  • norte0{\displaystyle n_{0}}es el número de átomos neutros en el plasma (en m −3 )
  • Aij{\displaystyle A_{ij}}es la probabilidad de transición entre el nivel i y el nivel j (en s −1 )
  • gramoi{\displaystyle g_{i}}es la degeneración del nivel superior i (2 J +1)
  • U(T){\displaystyle U(T)}es la función de partición (sin unidades)
  • mii{\displaystyle E_{i}}es el nivel de energía del nivel superior i (en eV)
  • kB{\displaystyle k_{B}}es la constante de Boltzmann (en eV/K)
  • T{\displaystyle T}es la temperatura (en K)
  • I(λ){\displaystyle I(\lambda )}es el perfil de línea tal que∫−∞∞I(λ)dλ=1{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }I(\lambda )d\lambda =1}
  • λ{\displaystyle \lambda }es la longitud de onda (en nm)

La función de particiónU(T){\displaystyle U(T)}es la fracción de ocupación estadística de cada nivelk{\displaystyle k}de las especies atómicas  :

U(T)=∑jgramojexp−mij/kBT{\displaystyle U(T)=\sum _{j}g_{j}\exp ^{-E_{j}/k_{B}T}}

LIBS para análisis de alimentos

Recientemente, se ha investigado LIBS como una herramienta de análisis de alimentos rápida y microdestructiva. Se considera una herramienta analítica potencial para el análisis químico cualitativo y cuantitativo, lo que la hace adecuada como una herramienta PAT (Tecnología Analítica de Procesos) o portátil. Se han analizado leche, productos de panadería, té, aceites vegetales, agua, cereales, harina, patatas, dátiles de palma y diferentes tipos de carne utilizando LIBS. [ 18 ] Pocos estudios han demostrado su potencial como herramienta de detección de adulteración para ciertos alimentos. [ 19 ] [ 20 ] LIBS también se ha evaluado como una prometedora técnica de imagen elemental en carne. [ 21 ]

En 2019, investigadores de la Universidad de York y de la Universidad John Moores de Liverpool emplearon LIBS para estudiar 12 ostras europeas ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) procedentes del yacimiento de conchas del Mesolítico tardío de la isla de Conors ( República de Irlanda ). Los resultados destacaron la aplicabilidad de LIBS para determinar las prácticas estacionales prehistóricas, así como la edad biológica y el crecimiento, con una mayor rapidez y a un menor coste que los métodos anteriores. [ 22 ] [ 23 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006). Manual de espectroscopia de ruptura inducida por láser . Nueva York: John Wiley. ISBN 0-470-09299-8.
  2. ↑ Schechter, Israel; Miziolek, Andrzej W.; Vincenzo Palleschi (2006). Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS): fundamentos y aplicaciones . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
  3. ↑ JP Singh y SN Thakur, Espectroscopia de ruptura inducida por láser, 1.ª ed. (Elsevier, 2007).
  4. ↑ Munson, Jennifer L. Gottfried Frank C. De Lucia Jr. Andrzej W. Miziolek Chase A. (junio de 2009). "Estado actual de las aplicaciones de seguridad de LIBS de largo alcance en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos" . Spectroscopy . Spectroscopy-06-01-2009. 24 (6) . Recuperado el 27 de agosto de 2018 .
  5. 1 2 3 Gottfried, Jennifer L.; De Lucia, Frank C. Jr. (2010). "Espectroscopia de ruptura inducida por láser: capacidades y aplicaciones". doi : 10.21236/ada528756 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  6. ↑ "Detección de materiales energéticos y residuos explosivos mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser: I. Mediciones de laboratorio" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 10 de mayo de 2020.
  7. ↑ "Investigadores del Ejército de EE. UU. exploran técnicas de detección láser | Quality Digest" . www.qualitydigest.com . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
  8. ↑ Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Peter, Laszlo; Sturm, Volker (2001). "Espectrometría de ruptura inducida por láser: aplicaciones para el control de producción y el aseguramiento de la calidad en la industria siderúrgica". Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 56 (6): 637– 649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N . doi : 10.1016/s0584-8547(01)00214-2 .
  9. ^ Sanghapi, Hervé K.; Ayyalasomayajula, Krishna K.; Yueh, Fang Y.; Singh, Jagdish P.; McIntyre, Dustin L.; Jain, Jinesh C.; Nakano, Jinichiro (2016). "Análisis de escorias mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser" . Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia atómica . 115 : 40– 45. Código Bib : 2016AcSpe.115...40S . doi : 10.1016/j.sab.2015.10.009 .
  10. ↑ Hsu, Paul S.; Gragston, Mark; Wu, Yue; Zhang, Zhili; Patnaik, Anil K.; Kiefer, Johannes; Roy, Sukesh; Gord, James R. (2016). "Sensibilidad, estabilidad y precisión de las mediciones cuantitativas de la relación combustible-aire basadas en Ns-LIBS para llamas de metano-aire a 1–11 bar" . Applied Optics . 55 (28): 8042– 8048. Bibcode : 2016ApOpt..55.8042H . doi : 10.1364/ao.55.008042 . PMID 27828047 . 
  11. ↑ St-Onge, L.; Kwong, E.; Sabsabi, M.; Vadas, EB (2002). "Análisis cuantitativo de productos farmacéuticos mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia atómica . 57 (7): 1131– 1140. Bibcode : 2002AcSpe..57.1131S . doi : 10.1016/s0584-8547(02)00062-9 .
  12. ^ Myakalwar, Ashwin Kumar; Sreedhar, S.; Camarero, Ishan; Dingari, Narahara Chari; Venugopal Rao, S.; Prem Kiran, P.; Tewari, Surya P.; Manoj Kumar, G. (2011). "Investigación y clasificación de comprimidos farmacéuticos basada en espectroscopia de descomposición inducida por láser mediante análisis quimiométrico multivariado" . Talanta . 87 : 53– 59. doi : 10.1016/j.talanta.2011.09.040 . PMC 3418677 . PMID 22099648 .  
  13. ^ Xu, Shengqi; Sol, Xiaodong; Zeng, Bin; Chu, Wei; Zhao, Jiayu; Liu, Weiwei; Cheng, Ya; Xu, Zhizhan; Chin, ver Leang (2012). "Método sencillo para medir la intensidad máxima del láser dentro de un filamento láser de femtosegundo en el aire" . Óptica Express . 20 (1): 299– 307. Bibcode : 2012OExpr..20..299X . doi : 10.1364/oe.20.000299 . PMID 22274353 . 
  14. ↑ A. Talebpour et al., Espectroscopia de gases que interactúan con pulsos láser de femtosegundos intensos, 2001, Laser Physics , 11: 68–76
  15. ↑ Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). "Límites de enfoque de pulsos láser ultrarrápidos intensos en un gas a alta presión: Camino a una nueva fuente espectroscópica". Optics Communications . 183 ( 5– 6): 479– 484. Bibcode : 2000OptCo.183..479T . doi : 10.1016/s0030-4018(00)00903-2 .
  16. ↑ Geints, Yu. E.; Zemlyanov, AA (2009). "Sobre el límite de enfoque de la propagación de pulsos láser de femtosegundos de alta potencia en el aire". The European Physical Journal D . 55 (3): 745– 754. Bibcode : 2009EPJD...55..745G . doi : 10.1140/epjd/e2009-00260-0 . S2CID 121616255 . 
  17. ↑ Reinhard, Noll (2012). Espectroscopia de ruptura inducida por láser: fundamentos y aplicaciones . Springer-Verlag Berlín Heidelberg. ISBN 978-3-642-20667-2OCLC 773812336​​ 
  18. ↑ Markiewicz-Keszycka, Maria; et al. (2017). "Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) para el análisis de alimentos: una revisión" . Trends in Food Science & Technology . 65 : 80–93 . doi : 10.1016/j.tifs.2017.05.005 . 
  19. ↑ Sezer, Banu; et al. (2018). "Identificación del fraude lácteo mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS)". International Dairy Journal . 81 : 1–7 . doi : 10.1016/j.idairyj.2017.12.005 . 
  20. ↑ Dixit, Yash; et al. (2017). "Espectroscopia de ruptura inducida por láser para la cuantificación de sodio y potasio en carne picada de res: una técnica potencial para detectar la adulteración de riñón de res" . Métodos Analíticos . 9 (22): 3314– 3322. doi : 10.1039/C7AY00757D . 
  21. ↑ Dixit, Yash; et al. (2018). "Introducción a la espectroscopia de ruptura inducida por láser en imágenes de alimentos: difusión de sal en la carne" . Journal of Food Engineering . 216 : 120–124 . doi : 10.1016/j.jfoodeng.2017.08.010 . 
  22. ↑ Hausmann, N.; Prendergast, AL; Lemonis, A.; Zech, J.; Roberts, P.; Siozos, P.; Anglos, D. (2019-03-06). "El mapeo elemental extenso revela las proporciones Mg/Ca como un indicador climático en los registros estacionales de lapas mediterráneas" . Scientific Reports . 9 (1): 3698. Bibcode : 2019NatSR...9.3698H . doi : 10.1038/s41598-019-39959-9 . ISSN 2045-2322 . PMC 6403426. PMID 30842602 .   
  23. ↑ Hausmann, Niklas; Robson, Harry K.; Hunt, Chris (30 de septiembre de 2019). "Patrones de crecimiento anual y variabilidad entre especímenes en los registros de Mg/Ca de Ostrea edulis arqueológica (ostra europea) del yacimiento del Mesolítico tardío de la isla Conors" . Open Quaternary . 5 (1): 9. doi : 10.5334/oq.59 . ISSN 2055-298X . 
  • Lee, Won-Bae; Wu, Jianyong; Lee, Yong-Ill; Sneddon, Joseph (2004). "Aplicaciones recientes de la espectrometría de ruptura inducida por láser: una revisión de los enfoques de materiales". Applied Spectroscopy Reviews . 39 (1): 27– 97. Bibcode : 2004ApSRv..39...27L . doi : 10.1081/ASR-120028868 . ISSN 0570-4928 . S2CID 98545359 .  
  • Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Peter, Laszlo; Sturm, Volker (2001). "Espectrometría de ruptura inducida por láser: aplicaciones para el control de producción y el aseguramiento de la calidad en la industria siderúrgica". Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 56 (6): 637– 649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N . doi : 10.1016/S0584-8547(01)00214-2 . ISSN 0584-8547 . 

Lecturas adicionales

  • Andrzej W. Miziolek; Vincenzo Palleschi; Israel Schechter (2006). Espectroscopia de ruptura inducida por láser . Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
  • Gornushkin, IB; Amponsah-Manager, K.; Smith, BW; Omenetto, N.; Winefordner, JD (2004). "Espectroscopia de ruptura inducida por láser en microchips: investigación preliminar de viabilidad" . Applied Spectroscopy . 58 (7): 762– 769. Bibcode : 2004ApSpe..58..762G . doi : 10.1366/0003702041389427 . PMID 15282039. S2CID 41416641 .  {{cite journal}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  • Amponsah-Manager, K.; Omenetto, N.; Smith, BW; Gornushkin, IB; Winefordner, JD (2005). "Ablación láser de metales con microchips: Investigación del proceso de ablación en vista de su aplicación a la espectroscopia de ruptura inducida por láser". Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 20 (6): 544. doi : 10.1039/B419109A .
  • Lopez-Moreno, C.; Amponsah-Manager, K.; Smith, BW; Gornushkin, IB; Omenetto, N.; Palanco, S.; Laserna, JJ; Winefordner, JD (2005). "Análisis cuantitativo de acero de baja aleación mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser de microchip". Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 20 (6): 552. doi : 10.1039/B419173K . S2CID 39938942 . 
  • Bette, H; Noll, R (2004). "Espectrometría de ruptura inducida por láser de alta velocidad para microanálisis por barrido". Journal of Physics D: Applied Physics . 37 (8): 1281. Bibcode : 2004JPhD...37.1281B . doi : 10.1088/0022-3727/37/8/018 . S2CID 250750854 . 
  • Balzer, Herbert; Hoehne, Manuela; Noll, Reinhard; Sturm, Volker (2006). "Nuevo enfoque para el monitoreo en línea del perfil de profundidad de Al del acero de chapa galvanizada por inmersión en caliente utilizando LIBS". Analytical and Bioanalytical Chemistry . 385 (2): 225– 33. doi : 10.1007/s00216-006-0347-z . PMID 16570144 . S2CID 42607960 .  
  • Sturm, V.; Peter, L.; Noll, R. (2000). "Análisis de acero con espectrometría de ruptura inducida por láser en el ultravioleta de vacío" . Applied Spectroscopy . 54 (9): 1275– 1278. Bibcode : 2000ApSpe..54.1275S . doi : 10.1366/0003702001951183 . S2CID 32765892 . 
  • Vadillo, José M.; Laserna, J. Javier (2004). "Espectrometría de plasma inducido por láser: una verdadera herramienta analítica de superficie". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia Atómica . 59 (2): 147. Bibcode : 2004AcSpe..59..147V . ​​doi : 10.1016/j.sab.2003.11.006 .
  • Doucet, François R.; Faustino, Patrick J.; Sabsabi, Mohamad; Lyon, Robbe C. (2008). "Análisis molecular cuantitativo con emisión de bandas moleculares mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser y quimiometría" . Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 23 (5): 694. doi : 10.1039/b714219f . S2CID 97020157 . 
  • В.Копачевский, В.Шпектор, Д.Клемято, В.Бойков, М.Кривошеева, Л.Боброва. (2008). "Análisis de equipo de análisis LEA S500" . Фотоника (en ruso) (1): 38– 40.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  • Noll, Reinhard (2012). Espectroscopia de ruptura inducida por láser: fundamentos y aplicaciones . Berlín: Springer. ISBN 978-3-642-20667-2.
  • Base de datos LIBS del NIST
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