Espectroscopia de ruptura inducida por láser

Type of atomic emission spectroscopy

Esquema de un sistema LIBS – Cortesía del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU.

La espectroscopia de ruptura inducida por láser ( LIBS ) es un tipo de espectroscopia de emisión atómica que utiliza un pulso láser altamente energético 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]

Acontecimientos de la década del 2000

Entre 2000 y 2010, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARL) investigó posibles extensiones de la tecnología LIBS, que se centraba 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 el LIBS puede ser capaz de 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 en campo para la detección de plomo en suelo y pintura
• Estudió la emisión espectral de aluminio y óxidos de aluminio a partir de aluminio a granel en diferentes gases de baño.
• Se realizó un modelado cinético de las columnas LIBS
• Se demostró la detección y discriminación de materiales geológicos, minas terrestres plásticas, explosivos y sustitutos de agentes de guerra química y biológica.

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

• Configuración de LIBS en el laboratorio
• Sistema LIBS comercial
• Dispositivo LIBS portátil
• Sistema LIBS de separación desarrollado para la detección y discriminación de residuos explosivos a más de 100 m.

Acontecimientos de la década de 2010

LIBS es una de las diversas técnicas analíticas que se pueden implementar en el campo en contraposición a las técnicas puras de laboratorio, por ejemplo, la OES por chispa . A partir de 2015 ^[update], la investigación reciente sobre LIBS se centra en sistemas compactos y portátiles. Algunas aplicaciones industriales de LIBS incluyen la detección de mezclas de materiales, ^[8] análisis de inclusiones en acero, análisis de escorias en metalurgia secundaria, ^[9] análisis de procesos de combustión, ^[10] e identificación a alta velocidad de piezas de chatarra para tareas de reciclaje específicas de materiales. Armada con técnicas de análisis de datos, esta técnica se está extendiendo a muestras farmacéuticas. ^{[11] [12]}

LIBS utilizando pulsos láser cortos

Después de la ionización multifotónica o de túnel , el electrón se acelera mediante la radiación de frenado inversa y puede colisionar con las moléculas cercanas y generar nuevos electrones a través de colisiones. Si la duración del pulso es larga, los electrones recién ionizados pueden acelerarse y, finalmente, sigue la ionización en avalancha o en cascada. Una vez que la densidad de los electrones alcanza un valor crítico, se produce la ruptura y se crea un plasma de alta densidad que no tiene 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 una materia densa se considera corto si durante la interacción no se alcanza el umbral para la ionización en avalancha. A primera vista, esta definición puede parecer demasiado limitante. Afortunadamente, debido al comportamiento delicadamente equilibrado de los pulsos en medios densos, el umbral no se puede alcanzar fácilmente. ^{[ cita requerida ]} El fenómeno responsable del equilibrio es la fijación de la intensidad ^[13] a través del inicio del proceso de filamentación durante la propagación de pulsos láser fuertes en medios densos.

Un desarrollo 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 de enfocar pulsos láser ultrarrápidos en un gas. El plasma autoluminoso es muy superior en términos de bajo nivel de continuidad 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/túnel del gas. ^{[15] [16]}

Intensidad de línea

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

${\displaystyle I_{ij}(\lambda )={\frac {1}{4\pi }}n_{0}A_{ij}{\frac {g_{i}\exp ^{-E_{i}/k_{B}T}}{U(T)}}I(\lambda )}$

dónde :

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

La función de partición es la fracción de ocupación estadística de cada nivel de la especie atómica: ${\displaystyle U(T)}$ ${\displaystyle k}$

${\displaystyle U(T)=\sum _{j}g_{j}\exp ^{-E_{j}/k_{B}T}}$

LIBS para análisis de alimentos

Recientemente, se ha investigado la tecnología LIBS como una herramienta rápida y microdestructiva para el análisis de alimentos. Se considera una herramienta analítica potencial para el análisis químico cualitativo y cuantitativo, lo que la hace adecuada como una tecnología analítica de procesos (PAT) o una herramienta portátil. Se han analizado leche, productos de panadería, té, aceites vegetales, agua, cereales, harina, patatas, dátiles y diferentes tipos de carne utilizando la tecnología LIBS. ^[18] Algunos estudios han demostrado su potencial como herramienta de detección de adulteraciones para ciertos alimentos. ^{[19] [20]} La tecnología LIBS también se ha evaluado como una prometedora técnica de obtención de imágenes elementales en la 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) del basurero de conchas del Mesolítico Tardío en la isla Conors ( República de Irlanda ). Los resultados destacaron la aplicabilidad de LIBS para determinar las prácticas de estacionalidad prehistórica, así como la edad biológica y el crecimiento a un ritmo mejorado y con un coste reducido de lo que se había logrado anteriormente. ^{[22] [23]}

Véase también

• Espectroscopia atómica
• Ablación láser
• Fluorescencia inducida por láser
• Lista de métodos de análisis de superficies
• Espectroscopia fotoacústica
• Espectroscopia Raman
• Espectroscopia

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 Standoff en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos". Espectroscopia . Espectroscopia-06-01-2009. 24 (6) . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
5. Gottfried, Jennifer L.; De Lucia, Frank C. Jr. (2010). "Espectroscopia de ruptura inducida por láser: capacidades y aplicaciones". doi :10.21236/ada528756. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
6. "Detección de materiales energéticos y residuos explosivos mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser: I. Medidas 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 la producción y el aseguramiento de la calidad en la industria del acero". 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 Part B: Atomic Spectroscopy . 115 : 40–45. Bibcode :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 aire-combustible 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 descomposición inducida por láser". Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 57 (7): 1131–1140. Bibcode :2002AcSpe..57.1131S. doi :10.1016/s0584-8547(02)00062-9.
12. Myakalwar, Ashwin Kumar; Sreedhar, S.; Barman, 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 utilizando análisis quimiométrico multivariante". Talanta . 87 : 53–59. doi :10.1016/j.talanta.2011.09.040. PMC 3418677 . PMID  22099648. 
13. Xu, Shengqi; Sun, Xiaodong; Zeng, Bin; Chu, Wei; Zhao, Jiayu; Liu, Weiwei; Cheng, Ya; Xu, Zhizhan; Chin, See Leang (2012). "Método simple para medir la intensidad de pico del láser dentro de un filamento láser de femtosegundo en el aire". Optics Express . 20 (1): 299–307. Bibcode :2012OExpr..20..299X. doi : 10.1364/oe.20.000299 . PMID  22274353.
14. A. Talebpour et al., Espectroscopia de los gases que interactúan con pulsos láser intensos de femtosegundos, 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 de alta presión: camino hacia 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 Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-20667-2.OCLC 773812336  .
18. Markiewicz-Keszycka, Maria; et al. (2017). "Espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) para el análisis de alimentos: una revisión". Tendencias en ciencia y tecnología de los alimentos . 65 : 80–93. doi : 10.1016/j.tifs.2017.05.005 .
19. Sezer, Banu; et al. (2018). "Identificación del fraude lácteo mediante espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS)". Revista internacional de productos lácteos . 81 : 1–7. doi :10.1016/j.idairyj.2017.12.005.
20. Dixit, Yash; et al. (2017). "Espectroscopia de descomposición inducida por láser para la cuantificación de sodio y potasio en carne picada: una técnica potencial para detectar la adulteración del riñón de res". Métodos analíticos . 9 (22): 3314–3322. doi :10.1039/C7AY00757D.
21. Dixit, Yash; et al. (2018). "Introducción a la obtención de imágenes por espectroscopia de descomposición inducida por láser en 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. (6 de marzo de 2019). "El mapeo elemental extensivo revela proporciones Mg/Ca como proxy climático en 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 registros de Mg/Ca de Ostrea edulis (ostra europea) arqueológica del yacimiento 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 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 la producción y el aseguramiento de la calidad en la industria del acero". 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.

Lectura adicional

• 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 de microchip: investigación preliminar de viabilidad". Applied Spectroscopy . 58 (7): 762–769. Bibcode :2004ApSpe..58..762G. doi :10.1366/0003702041389427. PMID  15282039. S2CID  41416641. Archivado desde el original el 15 de abril de 2013.
• Amponsah-Manager, K.; Omenetto, N.; Smith, B.W.; Gornushkin, I.B.; Winefordner, J.D. (2005). "Ablación de metales mediante láser con microchip: 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.
• López-Moreno, C.; Amponsah-Manager, K.; Smith, B.W.; Gornushkin, I.B.; Omenetto, N.; Palanco, S.; Laserna, JJ; Winefordner, J.D. (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 de 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 de la chapa de acero galvanizada por inmersión en caliente utilizando LIBS". Química analítica y bioanalítica . 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 inducida por láser: una auténtica herramienta analítica de superficies". Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 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 utilizando 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 de disco LEA S500". Фотоника (en ruso) (1): 38–40.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Noll, Reinhard (2012). Espectroscopia de ruptura inducida por láser: fundamentos y aplicaciones . Berlín: Springer. ISBN 978-3-642-20667-2.

Enlaces externos

• Base de datos NIST LIBS