Espectroscopia de ruptura inducida por láser

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. 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.

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. 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.

Investigación

Los espectrómetros de alta resolución de banda ancha 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.

Las aplicaciones ARL LIBS estudiadas entre 2000 y 2010 incluyeron:

• Probada para la detección de agentes alternativos de Halon
• Probó un sistema LIBS portátil para la detección de plomo en suelo y pintura
• Estudió la emisión espectral de óxidos de aluminio y aluminio de aluminio a granel en diferentes gases de baño
• Modelado cinético realizado de ciruelas LIBS
• Demostraron la detección y discriminación de materiales geológicos, minas de plástico, explosivos y agentes de guerra química y biológica.

Los prototipos de ARL LIBS estudiados durante este período incluyeron:

• Instalación de laboratorio LIBS
• Sistema LIBS comercial
• Dispositivo LIBS portátil
• El sistema LIBS Standoff se desarrolló para detectar más de 100 m y discriminar sobre residuos explosivos.

Acontecimientos de la década de 2010

LIBS es una de varias técnicas analíticas que se pueden implementar en el campo en lugar de técnicas puras de laboratorio, p. chispa OES. A partir de 2015, 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, análisis de inclusiones en acero, análisis de escorias en metalurgia secundaria, análisis de procesos de combustión 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.

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 a través de 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. El fenómeno responsable del equilibrio es la fijación de la intensidad durante 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. 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.

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

${\displaystyle I_{}(\lambda)={\frac {1}{4\pi ¿Qué? {g_{i}\exp Yo...$

donde:

• ${\displaystyle I_{ij}}$ es la densidad de tasa de emisión de fotones (en m⁻³ sr⁻¹ s⁻¹)
• ${\displaystyle No.$ 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 nivel j (en s⁻¹)
• ${\displaystyle g_{i}$ es la degeneración del nivel superior i (22)J+1)
• ${\displaystyle U(T)}$ es la función de partición (sin unidad)
• ${\displaystyle E_{i}$ 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 ${\displaystyle \int _{-\infty }I(\lambda)d\lambda =1}$
• ${\displaystyle \lambda }$ es la longitud de onda (en nm)

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

${\displaystyle U(T)=\sum ¿Por qué? ^{-E_{j}/k_{B}T}$

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. Pocos estudios han demostrado su potencial como herramienta de detección de adulteración en determinados alimentos. LIBS también ha sido evaluada como una prometedora técnica de obtención de imágenes elementales en la carne.

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. (Republica 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.