Espectroscopia de ruptura induzida por laser - Laser-induced breakdown spectroscopy
A espectroscopia de ruptura induzida por laser ( LIBS ) é um tipo de espectroscopia de emissão atômica que usa um pulso de laser altamente energético como fonte de excitação. O laser é focado para formar um plasma, que atomiza e excita as amostras. A formação do plasma só começa quando o laser focalizado atinge um certo limite de ruptura óptica, que geralmente depende do ambiente e do material alvo.
Desenvolvimentos dos anos 2000
De 2000 a 2010, o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARL) pesquisou extensões potenciais para a tecnologia LIBS, que se concentrava na detecção de materiais perigosos. Os pedidos investigados na ARL incluíram a detecção de impasse de resíduos explosivos e outros materiais perigosos, discriminação de minas terrestres de plástico e caracterização de materiais de várias ligas metálicas e polímeros. Os resultados apresentados pela ARL sugerem que o LIBS pode ser capaz de discriminar entre materiais energéticos e não energéticos.
Pesquisar
Em 2000, espectrômetros de banda larga de alta resolução foram desenvolvidos e comercializados em 2003. Projetado para análise de materiais, o espectrômetro permitiu que o sistema LIBS fosse sensível a elementos químicos em baixa concentração.
As aplicações ARL LIBS estudadas de 2000 a 2010 incluíram:
- Testado para detecção de agentes alternativos de Halon
- Testou um sistema LIBS portátil em campo para a detecção de chumbo no solo e tinta
- Estudou a emissão espectral de óxidos de alumínio e alumínio do alumínio a granel em diferentes gases de banho
- Modelagem cinética realizada de plumas LIBS
- Demonstrou a detecção e discriminação de materiais geológicos, minas terrestres de plástico, explosivos e substitutos de agentes de guerra química e biológica
Os protótipos ARL LIBS estudados durante este período incluíram:
- Configuração de laboratório LIBS
- Sistema LIBS comercial
- Dispositivo LIBS portátil
- Sistema Standoff LIBS desenvolvido para detecção de mais de 100 m e discriminação de resíduos explosivos.
Desenvolvimentos de 2010
LIBS é uma das várias técnicas analíticas que podem ser implantadas no campo, em oposição às técnicas puras de laboratório, por exemplo, spark OES . A partir de 2015, pesquisas recentes sobre LIBS se concentram em sistemas compactos e (man) portáteis. Algumas aplicações industriais do LIBS incluem a detecção de misturas de materiais, análise de inclusões no aço, análise de escórias na metalurgia secundária, análise de processos de combustão e identificação em alta velocidade de peças de refugo para tarefas de reciclagem específicas de materiais. Munida de técnicas de análise de dados, essa técnica está sendo estendida a amostras farmacêuticas.
LIBS usando pulsos de laser curtos
Após a ionização multifotônica ou em túnel, o elétron está sendo acelerado pelo inverso Bremsstrahlung e pode colidir com as moléculas próximas e gerar novos elétrons por meio de colisões. Se a duração do pulso for longa, os elétrons recém-ionizados podem ser acelerados e, eventualmente, segue-se uma avalanche ou ionização em cascata. Uma vez que a densidade dos elétrons atinge um valor crítico, ocorre a quebra e o plasma de alta densidade é criado, o qual não tem memória do pulso de laser. Assim, o critério para o encurtamento de um pulso em meio denso é o seguinte: Um pulso interagindo com uma matéria densa é considerado curto se durante a interação o limite para a ionização da avalanche não for atingido. À primeira vista, essa definição pode parecer muito limitada. Felizmente, devido ao comportamento delicadamente equilibrado dos pulsos em meios densos, o limite não pode ser alcançado facilmente. O fenômeno responsável pelo equilíbrio é o pinçamento da intensidade através do início do processo de filamentação durante a propagação de fortes pulsos de laser em meios densos.
Um desenvolvimento potencialmente importante para LIBS envolve o uso de um pulso de laser curto como fonte espectroscópica. Nesse método, uma coluna de plasma é criada como resultado da focalização de pulsos de laser ultrarrápidos em um gás. O plasma autoluminoso é muito superior em termos de baixo nível de continuum e também de menor alargamento de linha. Isso é atribuído à densidade mais baixa do plasma no caso de pulsos de laser curtos devido aos efeitos de desfocagem que limitam a intensidade do pulso na região de interação e, portanto, evita mais ionização multifotônica / túnel do gás.
Intensidade da linha
Para um plasma opticamente fino composto de uma única espécie atômica neutra em equilíbrio térmico local (LTE), a densidade dos fótons emitidos por uma transição do nível i para o nível j é
Onde :
- é a densidade da taxa de emissão de fótons (em m −3 sr −1 s −1 )
- é o número de átomos neutros no plasma (em m −3 )
- é a probabilidade de transição entre o nível i e o nível j (em s −1 )
- é a degeneração do nível superior i (2 J +1)
- é a função de partição (em s −1 )
- é o nível de energia do nível superior i (em eV)
- é a constante de Boltzmann (em eV / K)
- é a temperatura (em K)
- é o perfil da linha tal que
- é o comprimento de onda (em nm)
A função de partição é a fração estatística de ocupação de todos os níveis das espécies atômicas:
LIBS para análise de alimentos
Recentemente, o LIBS foi investigado como uma ferramenta de análise micro-destrutiva de alimentos rápida. É considerada uma ferramenta analítica potencial para análises químicas qualitativas e quantitativas, tornando-a adequada como uma PAT (Tecnologia Analítica de Processo) ou ferramenta portátil. Leite, produtos de panificação, chá, óleos vegetais, água, cereais, farinha, batata, tamareira e diferentes tipos de carne foram analisados usando LIBS. Poucos estudos demonstraram seu potencial como ferramenta de detecção de adulteração para determinados alimentos. LIBS também foi avaliada como uma técnica de imagem elementar promissora em carne.
Em 2019, pesquisadores da University of York e da Liverpool John Moores University empregaram o LIBS para estudar 12 ostras europeias ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) do monte de conchas do Mesolítico final em Conors Island ( República da Irlanda ). Os resultados destacaram a aplicabilidade do LIBS para determinar as práticas de sazonalidade pré-histórica, bem como a idade biológica e o crescimento a uma taxa melhorada e custo reduzido do que era possível anteriormente.
Veja também
- Espectroscopia
- Espectroscopia atômica
- Espectroscopia Raman
- Fluorescência induzida por laser
- Lista de artigos sobre plasma (física)
- Lista de métodos de análise de superfície
- Ablação a laser
- Espectroscopia fotoacústica
Referências
- Lee, Won-Bae; Wu, Jianyong; Lee, Yong-Ill; Sneddon, Joseph (2004). "Aplicações recentes de espectrometria de decomposição induzida por laser: Uma revisão das abordagens de materiais". Revisões de espectroscopia aplicada . 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). "Espectrometria de decomposição induzida por laser - aplicações para controle de produção e garantia de qualidade na indústria siderúrgica". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia Atômica . 56 (6): 637–649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N . doi : 10.1016 / S0584-8547 (01) 00214-2 . ISSN 0584-8547 .
Leitura adicional
- Andrzej W. Miziolek; Vincenzo Palleschi; Israel Schechter (2006). Espectroscopia de decomposição induzida por laser . Nova York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
- Gornushkin, IB; Amponsah-Manager, K .; Smith, BW; Omenetto, N .; Winefordner, JD (2004). "Microchip Laser Induced Breakdown Spectroscopy: Preliminary Feasibility Investigation" . Espectroscopia aplicada . 58 (7): 762–769. Bibcode : 2004ApSpe..58..762G . doi : 10.1366 / 0003702041389427 . PMID 15282039 . S2CID 41416641 . Arquivado do original em 15/04/2013.
- Amponsah-Manager, K .; Omenetto, N .; Smith, BW; Gornushkin, IB; Winefordner, JD (2005). "Ablação de metais por laser microchip: Investigação do processo de ablação em vista de sua aplicação à espectroscopia de ruptura induzida por laser". 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). "Análise quantitativa de aço de baixa liga por espectroscopia de ruptura induzida por laser de microchip" . Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 20 (6): 552. doi : 10.1039 / B419173K . S2CID 39938942 .
- Bette, H; Noll, R (2004). "Espectrometria de ruptura induzida por laser de alta velocidade para microanálise de varredura". Journal of Physics D: Applied Physics . 37 (8): 1281. Bibcode : 2004JPhD ... 37.1281B . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 37/8/018 .
- Balzer, Herbert; Hoehne, Manuela; Noll, Reinhard; Sturm, Volker (2006). "Nova abordagem para monitoramento on-line do perfil de profundidade de Al da chapa de aço galvanizada por imersão a quente usando LIBS". Química Analítica e Bioanalítica . 385 (2): 225–33. doi : 10.1007 / s00216-006-0347-z . PMID 16570144 . S2CID 42607960 .
- Sturm, V .; Peter, L .; Noll, R. (2000). "Análise de aço com espectrometria de ruptura induzida por laser no ultravioleta de vácuo" . Espectroscopia aplicada . 54 (9): 1275–1278. Bibcode : 2000ApSpe..54.1275S . doi : 10.1366 / 0003702001951183 . S2CID 32765892 .
- Vadillo, José M .; Laserna, J.Javier (2004). "Espectrometria de plasma induzida por laser: verdadeiramente uma ferramenta analítica de superfície". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia Atômica . 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). "Análise molecular quantitativa com emissão de bandas moleculares usando espectroscopia de quebra induzida por laser e quimiometria" . Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 23 (5): 694. doi : 10.1039 / b714219f .
- В.Копачевский, В.Шпектор, Д.Клемято, В.Бойков, М.Кривошеева, Л.Боброва. (2008). "Количественный анализ состава тарных стекол анализатором LEA S500" . Фотоника (em russo) (1): 38–40.CS1 maint: vários nomes: lista de autores ( link )
- Noll, Reinhard (2012). Espectroscopia de decomposição induzida por laser: fundamentos e aplicações . Berlim: Springer. ISBN 978-3-642-20667-2.