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 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 sólo comienza cuando el láser enfocado alcanza un cierto umbral de degradación óptica, que generalmente depende del entorno y del material objetivo. ^[3]

Desarrollos de la década de 2000

De 2000 a 2010, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) investigó posibles extensiones de la tecnología LIBS, que se centró en la detección de materiales peligrosos. ^{[4] [5]} Las aplicaciones investigadas en ARL incluyeron la detección de residuos explosivos y otros materiales peligrosos, la discriminación de minas terrestres plásticas y la caracterización de materiales de diversas aleaciones metálicas y polímeros. Los resultados presentados por ARL sugieren que LIBS puede 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 a los halones.
• Probó un sistema LIBS portátil de 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.
• Modelado cinético realizado de columnas LIBS.
• Demostró la detección y discriminación de materiales geológicos, minas terrestres plásticas, explosivos y sustitutos de agentes de guerra química y biológica.

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

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

Desarrollos de la década de 2010

LIBS es una de varias técnicas analíticas que se pueden implementar en el campo a diferencia de las técnicas puras de laboratorio, por ejemplo, Spark OES . A partir de 2015 ^[update], la investigación reciente sobre LIBS se centra en sistemas compactos y (man)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 de alta velocidad de piezas de desecho para Tareas de reciclaje de materiales específicos. Armada con técnicas de análisis de datos, esta técnica se está extendiendo a muestras farmacéuticas. ^{[11] [12]}

LIBS usando pulsos láser cortos

Después de la ionización multifotónica o de túnel, el electrón es acelerado por Bremsstrahlung inverso y puede chocar con las moléculas cercanas y generar nuevos electrones mediante colisiones. Si la duración del pulso es larga, los electrones recién ionizados pueden acelerarse y eventualmente se produce una ionización en avalancha o cascada. Una vez que la densidad de los electrones alcanza un valor crítico, se produce una descomposición y se crea un plasma de alta densidad que no tiene memoria del pulso láser. Así, el criterio para determinar 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 de ionización por avalancha. A primera vista, esta definición puede parecer demasiado restrictiva. Afortunadamente, debido al comportamiento delicadamente equilibrado de los pulsos en medios densos, el umbral no se puede alcanzar fácilmente. ^{[ cita necesaria ]} El fenómeno responsable del equilibrio es la fijación de la intensidad ^[13] mediante el inicio del proceso de filamentación durante la propagación de fuertes pulsos láser 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 de enfocar pulsos de láser ultrarrápidos en un gas. El plasma autoluminoso es muy superior en términos de un bajo nivel de continuidad y también de un menor ensanchamiento de líneas. Esto se debe a la menor densidad del plasma en el caso de pulsos láser cortos debido al efecto de desenfoque, que limita la intensidad del pulso en la zona de interacción y evita así una mayor ionización multifotónica/túnel del gas. ^{[15] [16]}

Intensidad de línea

Para un plasma ópticamente delgado compuesto por 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 LIBS como una herramienta de análisis de alimentos rápida y microdestructiva. Se considera una herramienta analítica potencial para análisis químicos cualitativos y cuantitativos, lo que la hace adecuada como PAT (tecnología analítica de procesos) o herramienta portátil. Mediante LIBS se han analizado leche, productos de panadería, té, aceites vegetales, agua, cereales, harina, patatas, dátiles y diferentes tipos de carne. ^[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 obtención de imágenes elementales en la carne. ^[21]

En 2019, investigadores de la Universidad de York y de la Universidad John Moores de Liverpool utilizaron LIBS para estudiar 12 ostras europeas ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) del conchero del Mesolítico tardío en la isla Conors ( República de Irlanda ). Los resultados resaltaron 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 costo reducido de lo que se podía lograr anteriormente. ^{[22] [23]}

Ver también

• espectroscopia atómica
• Ablación laser
• Fluorescencia inducida por láser
• Lista de métodos de análisis de superficies.
• Espectroscopia fotoacústica
• espectroscopia raman
• Espectroscopia

Referencias

1. Radziemski, León 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 descomposición inducida por láser, 1ª 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 Standoff LIBS en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos". Espectroscopia . Espectroscopia-01-06-2009. 24 (6) . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
5. Gottfried, Jennifer L .; De Lucía, Frank C. Jr. (2010). "Espectroscopia de descomposición inducida por láser: capacidades y aplicaciones". doi : 10.21236/ada528756. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
6. "Detección de materiales energéticos y residuos explosivos con espectroscopia de descomposición inducida por láser: I. Mediciones de laboratorio" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 10 de mayo de 2020.
7. "Investigadores del ejército estadounidense exploran técnicas de detección láser | Resumen de calidad". www.qualitydigest.com . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
8. Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Pedro, Lászlo; 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 Parte B: Espectroscopia atómica . 56 (6): 637–649. Código Bib : 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, Marcos; Wu, Yue; Zhang, Zhili; Patnaik, Anil K.; Kiefer, Johannes; Roy, Sukesh; Gord, James R. (2016). "Sensibilidad, estabilidad y precisión de mediciones cuantitativas de la relación combustible-aire basadas en Ns-LIBS para llamas de metano-aire a 1-11 bar". Óptica Aplicada . 55 (28): 8042–8048. Código Bib : 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 Parte B: Espectroscopia atómica . 57 (7): 1131-1140. Código Bib : 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. Código Bib : 2012OExpr..20..299X. doi : 10.1364/oe.20.000299 . PMID  22274353.
14. A. Talebpour et al., Espectroscopia de los gases que interactúan con intensos pulsos láser de femtosegundos, 2001, Laser Physics , 11: 68–76
15. Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). "Enfoque de los límites de intensos pulsos láser ultrarrápidos en un gas a alta presión: camino hacia una nueva fuente espectroscópica". Comunicaciones Ópticas . 183 (5–6): 479–484. Código Bib : 2000OptCo.183..479T. doi :10.1016/s0030-4018(00)00903-2.
16. Geints, Yu. MI.; Zemlyanov, AA (2009). "Sobre el límite de enfoque de la propagación del pulso láser de femtosegundo de alta potencia en el aire". La revista física europea D. 55 (3): 745–754. Código Bib : 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 978-3-642-20667-2. OCLC  773812336.
18. Markiewicz-Keszycka, María; et al. (2017). "Espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) para 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, Banú; et al. (2018). "Identificación del fraude lácteo mediante espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS)". Revista Láctea Internacional . 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 de los riñones de carne". 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". Revista de Ingeniería de Alimentos . 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). "Un mapeo elemental extenso desbloquea las proporciones de Mg/Ca como indicador climático en los registros estacionales de lapas mediterráneas". Informes científicos . 9 (1): 3698. Código bibliográfico : 2019NatSR...9.3698H. doi :10.1038/s41598-019-39959-9. ISSN  2045-2322. PMC 6403426 . PMID  30842602. 
23. Hausmann, Niklas; Robson, Harry K.; Cazar, Chris (30 de septiembre de 2019). "Patrones de crecimiento anual y variabilidad entre muestras en registros de Mg / Ca de Ostrea edulis (ostra europea) arqueológica del sitio mesolítico tardío de la isla Conors". Cuaternario abierto . 5 (1): 9. doi : 10.5334/oq.59 . ISSN  2055-298X.

• Lee, Won-Bae; Wu, Jianyong; Lee, Yong-Ill; Sneddon, José (2004). "Aplicaciones recientes de espectrometría de descomposición inducida por láser: una revisión de los enfoques de materiales". Reseñas de espectroscopia aplicada . 39 (1): 27–97. Código Bib : 2004ApSRv..39...27L. doi :10.1081/ASR-120028868. ISSN  0570-4928. S2CID  98545359.
• Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Pedro, Lászlo; 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 Parte B: Espectroscopia atómica . 56 (6): 637–649. Código Bib : 2001AcSpe..56..637N. doi :10.1016/S0584-8547(01)00214-2. ISSN  0584-8547.

Otras lecturas

• Andrzej W. Miziolek; Vincenzo Palleschi; Israel Schechter (2006). Espectroscopia de descomposición 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 descomposición inducida por láser de microchip: investigación de viabilidad preliminar". Espectroscopia Aplicada . 58 (7): 762–769. Código Bib : 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, BW; Gornushkin, IB; Winefordner, JD (2005). "Ablación de metales con láser con microchip: investigación del proceso de ablación con vistas a su aplicación a la espectroscopia de ruptura inducida por láser". Revista de espectrometría atómica analítica . 20 (6): 544. doi :10.1039/B419109A.
• López-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". Revista de espectrometría atómica analítica . 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". Revista de Física D: Física Aplicada . 37 (8): 1281. Código bibliográfico : 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 seguimiento en línea del perfil de profundidad de Al de la chapa de acero galvanizada en caliente mediante LIBS". Química Analítica y Bioanalítica . 385 (2): 225–33. doi :10.1007/s00216-006-0347-z. PMID  16570144. S2CID  42607960.
• Sturm, V.; Pedro, L.; Noll, R. (2000). "Análisis de acero con espectrometría de ruptura inducida por láser en el vacío ultravioleta". Espectroscopia Aplicada . 54 (9): 1275-1278. Código Bib : 2000ApSpe..54.1275S. doi :10.1366/0003702001951183. S2CID  32765892.
• Vadillo, José M.; Laserna, J. Javier (2004). "Espectrometría de plasma inducida por láser: verdaderamente una herramienta analítica de superficies". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia atómica . 59 (2): 147. Código bibliográfico : 2004AcSpe..59..147V. doi :10.1016/j.sab.2003.11.006.
• Doucet, François R.; Faustino, Patricio J.; Sabsabi, Mohamad; Lyon, Robbe C. (2008). "Análisis molecular cuantitativo con emisión de bandas moleculares mediante quimiometría y espectroscopía de ruptura inducida por láser". Revista de espectrometría atómica analítica . 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 descomposición inducida por láser: fundamentos y aplicaciones . Berlín: Springer. ISBN 978-3-642-20667-2.

enlaces externos

• Base de datos NIST LIBS