UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

DEPARTAMENTO DE QUMICA ANALTICA

TESIS DOCTORAL

Desarrollo y aplicacin de mtodos quimiomtricos para el estudio de muestras mediante

Espectroscopia de Ablacin Lser (LIBS)

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

Samuel Moncayo Martn

DIRECTOR

Jorge Omar Cceres Gianni

Madrid, 2017

Samuel Moncayo Martn, 2016

SamuelMoncayoMartn

Desarrollo y Aplicacin de Mtodos Quimiomtricos para el Estudio de Muestras Mediante Espectroscopia de

Ablacin Laser (LIBS)

Tesis Doctoral

DepartamentodeQumicaAnaltica

Madrid 2016

SamuelMoncayoMartn

Certificado

Jorge Omar Cceres Gianni, Doctor en Ciencias Qumicas, Profesor Titular del

Departamento de Qumica Analtica de la Facultad de Ciencias Qumicas de la

Universidad Complutense de Madrid.

CERTIFICA:

Que el presente trabajo titulado DESARROLLO Y APLICACIN DE MTODOS

QUIMIOMTRICOS PARA EL ESTUDIO DE MUESTRAS MEDIANTE

ESPECTROSCOPIA DE ABLACIN LASER (LIBS) ha sido realizado por el

licenciado Samuel Moncayo Martn en el laboratorio de Qumica Lser del

Departamento de Qumica Analtica de la Universidad Complutense de Madrid bajo mi

supervisin y que las publicaciones que lo avalan no han sido utilizadas en tesis

anteriores, reuniendo a mi juicio los requisitos necesarios para optar al grado de Doctor

por la Universidad Complutense de Madrid, por lo que autorizo su presentacin.

Jorge Omar Cceres Gianni Doctor en Ciencias Qumicas

Universidad Complutense

Madrid, 15 Enero de 2016

II

SamuelMoncayoMartn

Agradecimientos

Esta Tesis doctoral no hubiese sido posible sin el apoyo y la colaboracin de

innumerables personas y entidades a las que me gustara conceder mi agradecimiento.

He aqu las que permanecern en mi recuerdo por su esfuerzo y dedicacin:

En primer lugar, agradecer a las instituciones que han permitido el desarrollo de

esta tesis, fundamentalmente a la Universidad Complutense de Madrid, adems de a la

Universidad Autnoma de Madrid, el Consejo Superior de Investigaciones Cientficas, a

la Universidad Comenius de Bratislava (Eslovaquia) y al L'Institut Lumire Matire de

la universidad Claude Bernard de Lyon (Francia). Un agradecimiento especial a mi

director de Tesis Jorge Cceres por todo su apoyo, orientacin, enseanza y valores, as

como a los dems profesores del grupo de investigacin, Roberto Izquierdo, Daniel

Rosales y Javier Villena. Sin olvidar al resto de profesores, y particularmente a

Fernando Navarro por su paciencia y ayuda en aspectos quimiomtricos. Al profesor

Joaqun Camacho por ofrecernos su equipo, a Luis Daz por todo su trabajo en nuestros

experimentos, sin olvidar a mi director de estancia el Profesor Pavel Veis de la

Universidad Comenius por acogerme y ensearme todo lo relacionado con los

parmetros fsicos del plasma as como a todo su grupo, singularmente al Doctor Peter

Cermak y los licenciados Jakub Ulik, Mria Suchoov y Marek Pribula. Al profesor

Vincent Motto-ros y al doctor Florian Trichar por su ayuda en la realizacin de las

imgenes elementales.

A mis maravillosas compaeras de laboratorio (Sadia Manzoor, Alicia Marn y

Lydia Ugena) por todos los buenos y no tan buenos momentos que hemos pasado en el

laboratorio y hacer de esta tesis una etapa importantsima de mi vida no solo a nivel

acadmico sino tambin personal. Sin desatender a todos los estudiantes de Grado y

III

SamuelMoncayoMartn

Mster que han colaborado en la realizacin de algunos experimentos, destacando a

Esther Snchez, Eirini, Elena y sobre todo a Ana Rodrigo.

A todos los autores de las publicaciones originadas, principalmente a Asier

Garca, al Dr. Ismael Coronado y Juncal Cruz .

Este proyecto es tambin parte de mi familia. Agradezco a mis padres Mara

Victoria y Desiderio por su apoyo, cario, paciencia y financiacin; a mi hermano

Mario; y a todos mis abuelos.

Por ltimo y no menos importante, a mis amigos de la facultad: Guillermo, Hctor,

Mara y muchos ms, por los buenos ratos pasados y a Elena Gonzlez por su apoyo y

nimos.

IV

SamuelMoncayoMartn

A mis cuatro abuelos, singularmente a Fernando Moncayo por despertar mi

pasin por la ciencia y ensearme a ser mejor persona. All donde est se sentir

orgulloso de m.

V

SamuelMoncayoMartn

NDICE:

Resumen:...... IX

Objetivos:... XVIII

Publicaciones:.. XIX

Captulo 1: Introduccin General

1.1 ESPECTROSCOPIA DE ABLACIN LSER (LIBS) .................................................................. 3 1.2 CARACTERSTICAS DE LA TCNICA LIBS............................................................................ 5 1.3 FUNDAMENTOS DE LA TCNICA LIBS ................................................................................. 7

1.3.1 Proceso de ablacin................................................................................................ 9 1.3.2 Ablacin con pulsos cortos.................................................................................... 101.3.3 Ablacin con pulsos ultracortos............................................................................ 111.3.4 Mecanismos de ablacin....................................................................................... 12

1.4 EVOLUCIN DEL PLASMA INDUCIDO POR LSER............................................................... 15 1.5 APLICACIONES LIBS ......................................................................................................... 17

Captulo 2: Aspectos analticos de LIBS: Anlisis cualitativo y cuantitativo

2.1 ANLISIS CUALITATIVO MEDIANTE LIBS ......................................................................... 19 2.2 ANLISIS CUANTITATIVO MEDIANTE LIBS....................................................................... 22 2.3 ENFOQUES PARA REALIZAR UN ANLISIS CUANTITATIVO ................................................ 25

2.3.1 Calibracin con estndar interno.............................................................................. 26 2.3.2 Calibracin basada en parmetros fsicos del plasma (Calibration Free)............... 28

2.4 FIGURAS DE MRITO DE LA CLASIFICACIN ...................................................................... 34 2.5 FIGURAS DE MRITO DE LA CUANTIFICACIN ................................................................... 36

2.5.1 Precisin .................................................................................................................... 37 2.5.2 Lmite de deteccin y cuantificacin ......................................................................... 382.5.3 Exactitud .................................................................................................................... 38

Captulo 3: Mtodos Quimiomtricos aplicados al anlisis LIBS

3.1 INTRODUCCIN A LA QUIMIOMETRA ............................................................................... 40 3.2 CLASIFICACIN DE LOS MODELOS QUIMIOMTRICOS ...................................................... 41 3.3 ANLISIS EXPLORATORIO DE DATOS (CLASIFICACIN NO SUPERVISADA) ....................... 45

3.3.1 Anlisis de componentes principales (PCA).............................................................. 463. 4 MTODOS DE CLASIFICACIN SUPERVISADOS LINEALES ................................................. 49

3.4.1 Anlisis discriminante................................................................................................ 49 3.4.2 Modelado suave independiente por analoga de clases (SIMCA)............................. 513.4.3 Regresin Parcial de Mnimos Cuadrados Anlisis Discriminante (PLS-DA)...... 543.4.4 rbol de decisin (CART).......................................................................................... 583.4.5 Regresin Logstica Binaria (BLR) ........................................................................... 59

3. 5 MTODOS DE CLASIFICACIN SUPERVISADOS NO LINEALES............................................ 60 3.5.1 Mquinas de Vectores Soporte (SVM)....................................................................... 60

3.6 REDES NEURONALES ......................................................................................................... 62 3.6.1 Introduccin a las redes neuronales.......................................................................... 62 3.6.2 Tipos de Neuronas ..................................................................................................... 64

VI

SamuelMoncayoMartn

3.6.3 Entrenamiento de una red neuronal .......................................................................... 65 3.6.4 Tipos de asociacin entre la informacin de entrada y de salida ............................. 673.6.5 Principales tipos de arquitecturas de las redes neuronales ...................................... 683.6.6 Algoritmos de entrenamiento de redes neuronales.................................................... 723.6.7 Generalizacin........................................................................................................... 78 3.6.8 Limitaciones de los modelos de Red Neuronal ......................................................... 79

Captulo 4: Instrumentacin y montajes experimentales

4.1 INSTRUMENTACIN LIBS UTILIZADA ............................................................................... 81 4.1.1 Lseres ....................................................................................................................... 81 4.1.2 Posicionamiento de la muestra.................................................................................. 84 4.1.3 Sistemas colectores de la radiacin empleados ........................................................ 854.1.3 Analizadores de la radiacin utilizados (espectrmetros) ........................................ 864.1.4 Detectores de la radiacin......................................................................................... 90

4.2 SISTEMAS EXPERIMENTALES UTILIZADOS ........................................................................ 92 4.2.1 Sistema Experimental utilizado en la UCM............................................................... 924.2.2 Sistema experimental utilizado en la UAM................................................................ 944.2.2 Sistema experimental utilizado en la Universidad Comenius (Eslovaquia).............. 96

Captulo 5: LIBS y mtodos quimiomtricos aplicados al anlisis alimentario

5.1 ANLISIS DE ACEITES DE OLIVA MEDIANTE LIBS Y REDES NEURONALES ARTIFICIALES ........................................................................................................................ 99

5.1.1 Introduccin............................................................................................................. 100 5.1.2 Procedimiento Experimental ................................................................................... 1025.1.3 Resultados................................................................................................................ 108

5.2 LIBS APLICADO AL CONTROL DE FRAUDE EN VINOS...................................................... 119 5.2.1 Introduccin............................................................................................................. 119 5.2.2 Sistema experimental ............................................................................................... 1225.2.3 Principales conclusiones de la identificacin de vinos ........................................... 133

Captulo 6: LIBS aplicado a la ciencia forense

6. 1 DISCRIMINACIN DE CUERPOS HUMANOS EN BASE A HUESOS Y DIENTES POR ESPECTROSCOPIA DE ABLACIN LSER (LIBS) Y REDES NEURONALES (NN) ..................... 138

6.1.1 Introduccin a la Identificacin de restos seos mediante LIBS y NN ................... 1386.1.2 Procedimiento Experimental ................................................................................... 1406.1.3 Resultados................................................................................................................ 144 6.1.4 Conclusiones a la discriminacin de individuos mediante LIBS y NN.................... 152

6. 2 EVALUACIN DE MTODOS QUIMIOMTRICOS SUPERVISADOS PARA LA CLASIFICACINDE RESTOS SEOS HUMANOS MEDIANTE ESPECTROSCOPIA DE ABLACIN LASER (LIBS) .... 153

6.2.1 Introduccin a la comparativa de mtodos quimiomtricos para la discriminacin yagrupamiento de restos seos........................................................................................... 1546.2.2 Mtodos aplicados ................................................................................................... 1576.2.3 Procedimiento experimental .................................................................................... 1576.2.4 Resultados y discusin ............................................................................................. 1626.2.5 Conclusiones a la evaluacin de mtodos quimiomtricos supervisados en la discriminacin de individuos mediante LIBS ................................................................... 174

VII

SamuelMoncayoMartn

Captulo 7: LIBS aplicado al anlisis Medioambiental

7.1 MEDIDA DE LA RELACIN MG/CA POR LIBS: UN NUEVO ENFOQUE PARA DESCIFRAR LAS CONDICIONES AMBIENTALES................................................................................................. 185

7.1.1 Introduccin al anlisis de muestras de moluscos .................................................. 186 7.1.2 Materiales y mtodos ............................................................................................... 1897.1.3 Resultados y discusin ............................................................................................. 1937.1.4 Conclusiones al anlisis de muestras de molusco mediante LIBS .......................... 200

7.2 RESULTADOS PRELIMINARES DEL ESTUDIO DE RELACIONES ELEMENTALES POR LIBS: ANLISIS DE CORALES .......................................................................................................... 202

7.2.1 Introduccin al anlisis de corales.......................................................................... 202 7.2.2 Materiales y mtodos ............................................................................................... 2047.2.3 Resultados y discusin ............................................................................................. 2087.2.4 Conclusiones al anlisis de corales......................................................................... 212

CONCLUSIONS:..................................................................................................................... 216

BIBLIOGRAFA: .................................................................................................................... 220

ANEXOS: ................................................................................................................................. 247

VIII

SamuelMoncayoMartn

Resumen

La espectroscopa de ablacin lser (LIBS) es una tcnica analtica que se basa

en la formacin y estudio de un plasma inducido por un pulso lser focalizado sobre la

superficie de un material. La emisin producida por dicho plasma, debido a la

recombinacin electrnica, es colectada generando un espectro que permite el estudio

cualitativo y/o cuantitativo del material.

LIBS se ha convertido en una tcnica espectroscpica establecida con un enorme

valor analtico debido al conjunto de ventajas que presenta y sus particulares

caractersticas tcnicas. Es destacable su rapidez, versatilidad y capacidad de producir

informacin analtica para prcticamente cualquier tipo de muestra de forma

escasamente destructiva y con mnima o incluso nula preparacin de muestra. Su

instrumentacin es sencilla, robusta y compacta, permitiendo incluso llevar anlisis in

situ, as como realizar anlisis remotos.

El principal objetivo de esta tesis es el estudio de la tcnica LIBS en

combinacin con mtodos quimiomtricos de anlisis, especialmente redes neuronales

artificiales, para llevar a cabo estudios cualitativos (identificacin y discriminacin)

usando espectros LIBS como huellas espectrales digitales caractersticas de muestras de

origen alimenticio (aceites de oliva y vinos), con inters forense (huesos y dientes

humanos) y por ltimo especies animales, moluscos y corales, con inters

paleoclimtico. La tcnica LIBS es ampliamente conocida, as como los mtodos

quimiomtricos; sin embargo la combinacin de ambos est an en desarrollo y son

pocos los autores que usan mtodos quimiomtricos avanzados para la mejora del

rendimiento de la tcnica. Aqu, se ha realizado una importante aportacin al estudio e

implementacin de varios mtodos quimiomtricos para la realizacin de anlisis

IX

SamuelMoncayoMartn

principalmente de tipo cualitativo, pero sin descuidar los anlisis cuantitativos,

mejorando su aplicacin a la espectroscopa.

La estructura de la tesis consta de dos partes fundamentales:

El objetivo de la primera parte (Cap. 1 - 3) es dar una imagen amplia de la

tcnica y los mtodos quimiomtricos de anlisis desde el punto de vista

analtico con el fin de centrar su estudio y aplicacin a la clasificacin de

diferentes tipos de muestra.

o Especficamente, en el captulo 1 Introduccin General se realiza un

breve comentario sobre los aspectos fundamentales de la radiacin lser,

el plasma y las caractersticas y fundamentos de LIBS, aportando un

resumen de la tcnica desde sus inicios hasta la actualidad (fundamentos

de la tcnica, caractersticas y por ltimo, sus principales aplicaciones).

o Los aspectos analticos de la tcnica, desde el punto de vista cualitativo y

cuantitativo, se describen en el captulo 2 Aspectos analticos de LIBS:

Anlisis cualitativo y cuantitativo. En dicho capitulo se incluye un

resumen de los diferentes tipos de anlisis cualitativos y mtodos de

cuantificacin (calibracin basada en parmetros fsicos del plasma (CF-

LIBS), figuras de mritos de los estudios de tipo cuantitativo y

cualitativo

o Los mtodos quimiomtricos de clasificacin usados son tratados con

detalle desde un punto de vista terico en el captulo 3 Mtodos

Quimiomtricos aplicados al anlisis LIBS. Se han estudiado mtodos

lineales de clasificacin no supervisados como el anlisis de

componentes principales (PCA), y supervisados como anlisis

X

SamuelMoncayoMartn

discriminante lineal (LDA), modelado suave independiente por analoga

de clases (SIMCA), regresin parcial de mnimos cuadrados anlisis

discriminante (PLS-DA), rboles de decisin (CART), regresin

logstica binaria (BLR). Por otra parte se han aplicado mtodos no

lineales como las redes neuronales artificiales (NN) y las mquinas de

soporte vectorial (SVM). Debido al peso importante que tienen las redes

neuronales artificiales en el desarrollo de la tesis, en este captulo se

desarrolla un ltimo epgrafe dedicado al estudio de su arquitectura,

funciones y algoritmos de entrenamientos ms habituales. Con este

apartado se pretende dar una visin diferente a las redes neuronales,

detallando sus operaciones y as eliminar su imagen de caja negra.

En la segunda parte (Cap. 4 - 7) se presentan los resultados experimentales

obtenidos en el desarrollo y aplicacin de la tcnica LIBS con la intencin de

cumplir tres objetivos fundamentales.

o En primer lugar, el captulo 4 Instrumentacin y montajes

experimentales se muestran los diferentes sistemas experimentales

utilizados, as como toda la instrumentacin.

o El captulo 5 LIBS y mtodos quimiomtricos aplicados al anlisis

alimentario aborda el desarrollo de una metodologa basada en LIBS y

mtodos quimiomtricos para la deteccin de la adulteracin de aceites

de oliva, as como de asegurar y controlar la denominacin de origen

certificada de vinos espaoles. Dado que la combinacin entre LIBS con

diversos mtodos quimiomtricos ha despertado cada vez ms inters en

la comunidad LIBS, se ha planteado un sistema de evaluacin de

XI

SamuelMoncayoMartn

diferentes mtodos quimiomtricos para la clasificacin de muestras

basado en medidas LIBS.

o En el captulo 6 LIBS aplicado a la ciencia forense hemos estudiado y

comparado los rendimientos de siete mtodos quimiomtricos en la

clasificacin de muestras de inters forense (huesos y dientes humanos)

a travs de espectros LIBS.

o Por ltimo, en el captulo 7 LIBS aplicado al anlisis Medioambiental

se presentan los resultados de los estudios desarrollados con muestras de

inters medioambiental y arqueolgico. Se ha medido, por primera vez,

la relacin Mg/Ca en conchas de moluscos mediante LIBS y los

resultados obtenidos se han comparado con los valores de las medidas

de istopos estables de oxgeno, para su correlacin con la temperatura

superficial del agua del mar y una futura correlacin con datos del

pasado (periodo mesoltico). Se presentan tambin los resultados

experimentales preliminares del estudio medioambiental realizado sobre

esqueletos de coral mediante LIBS y las primeras imgenes elementales

de alta resolucin con una resolucin lateral de slo 15 m.

o Por ltimo, se exponen las principales conclusiones obtenidas durante

los trabajos.

Se han incluido tres anexos:

En primer lugar diversas consideraciones sobre la seguridad lser en el

laboratorio y los efectos de dicha radiacin sobre la salud humana.

En segundo lugar, se mostrar el software e interfaces de usuario generadas para

la realizacin de esta tesis.

XII

SamuelMoncayoMartn

Por ltimo, se presenta la publicacin del trabajo sobre bronces con importancia

arqueolgica desarrollado durante mi estancia en Bratislava (Eslovaqua).

XIII

SamuelMoncayoMartn

Abstract

Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is an analytical technique that

relies on the formation and study of a plasma induced by a focused laser pulse on the

surface of a sample. The plasma emission produced, due to electronic recombination,

generates a spectrum. That spectrum is collected and its spectroscopic analysis allows

carrying out qualitative and/or quantitative analysis. LIBS technique has become

established as an important spectroscopic technique with enormous analytical potential

due to its particular characteristics and advantages over other analytical techniques. Its

speed, versatility and the capacity to produce analytical information for almost any type

of sample in a minimally destructive way with a reduced or none sample preparation are

of upmost importance. LIBS technique is a robust and compact methodology with an

easy implementation that allows to perform analytical measurement in situ and even

remote analysis.

The main objective of this thesis is the study of the LIBS technique in

combination with chemometric analysis methods, especially artificial neural networks,

in order to carry out several qualitative studies using LIBS spectra as characteristics

spectral fingerprints of the samples. LIBS technique is widely known as well as

chemometric methods; however its combination is nowadays under development and

only several authors use advanced chemometric methods to improve the performance

and the possibilities of the technique. Herein, an important contribution to the study and

implementation of several chemometric methods for the analysis has been made,

creating new applications of the LIBS technique. LIBS has been applied to analyze

samples with interest in the food industry, forensic science and environmental science.

XIV

SamuelMoncayoMartn

The results obtained provide successful results with a high degree of reliability and

robustness.

To achieved this objective, the thesis has been divided into two parts:

The objective of the first part (Cap. 1 - 3) is to provide a wide view of the

technique as well the chemometric methods from the theoretical and practical

point of view lead to the analysis and classification of different kind of samples.

o Specifically, in chapter 1 General Introduction a brief comment of the

fundamental aspects of the laser radiation, plasma emission and the

characteristics and theoretical considerations of LIBS have been

discussed. A summary of the most important LIBS application has been

also included.

o The analytic aspects of the LIBS technique, in terms of both qualitative

and quantitative analysis were discussed in chapter 2 " Analytical LIBS

aspects: qualitative and quantitative analysis ". Different types of

qualitative analysis and methods are discussed, including the calibration

based on physical plasma parameters (CF-LIBS). The figures of merit of

both quantitative and qualitative analysis have also been considered in

this chapter.

o All the classification chemometric methods used in this thesis are

discussed in detail from a theoretical point of view in chapter 3

"Chemometrics methods applied to the analysis LIBS". Linear

unsupervised classification methods such as principal component

analysis (PCA), and linear supervised classification methods such as

discriminant analysis (LDA), Soft Independent Modeling of Class

XV

SamuelMoncayoMartn

Analogies (SIMCA), Partial Least Squares-Discriminant Analysis (PLS-

DA), Classification and Regression Tree (CART), Binary Logistic

Regression (BLR) have been studied. Moreover, nonlinear classification

methods such as artificial neural networks (NN) and Support Vector

Machines (SVM) have been also included. Due to the importance of the

artificial neural networks in the development of the thesis, in this chapter

a final section was dedicated to its study, the most important

architecture, functions and algorithms have been considered. This section

gives a different vision of the neural networks, treating in detail its

operations.

In the second part (Chapter 4 - 7), the most important experimental results in the

development and implementation of the LIBS technique to the classification of

several samples are shown.

o Chapter 4 "Instrumentation and experimental results" details all the

experimental set up used and the LIBS instrumentation.

o Chapter 5, "LIBS and chemometric methods applied to the food

analysis" deals with the development of a new methodology based on

LIBS and chemometric methods for detecting adulteration in food

products, in particular olive oils in order to ensure the quality and

control of the denomination of origin of Spanish red wines.

o In Chapter 6, "LIBS applied to forensic science" have been studied and

the performance of seven chemometric methods in the classification of

samples with interest in the forensic science by means of LIBS spectra

has been compared. The combination of LIBS with several chemometric

XVI

SamuelMoncayoMartn

methods has attracted a huge interest in the LIBS community and in this

chapter we propose a system to evaluate different chemometric methods

in the classification of samples based on LIBS measurements.

o Finally, chapter 7 "LIBS applied to environmental analysis" show the

results of the studies carried out using samples of environmental and

archaeological interest. The Mg / Ca ratio in mollusk shells by LIBS has

been measured for the first time, and the results have been compared

with stable isotopes of oxygen analysis, looking for the correlation with

the surface temperature of the sea. Furthermore, the preliminary

experimental results of the environmental study of coral skeletons using

LIBS will be also presented together with the very first elemental

imaging of coral.

To conclude the most relevant conclusions are presented.

Two annexes have been also included:

First, a consideration of the laser laboratory safety and the effects of this

radiation on human health.

Secondly, the software and user interfaces generated for the realization of this

thesis are shown.

Finally, a third one showing the publication developed during my research stay

in Bratislava (Slovakia) on the analysis of different bronze alloys with special

interest in the field of archaeological investigations.

XVII

SamuelMoncayoMartn

Objetivos

La espectroscopia de ablacin laser es una de las pocas tcnicas que, por sus

caractersticas, permite el anlisis rpido de muestras en cualquier estado de la materia,

produciendo una gran cantidad de informacin espectral, hacindola particularmente

adecuada para el tratamiento de datos mediante mtodos quimiomtricos de anlisis.

Esto justifica el esfuerzo que supone su estudio, y del que pueden plantearse los

siguientes objetivos:

1. Estudiar, analizar y comparar mtodos quimiomtricos que mejoren las capacidades

analticas de la tcnica LIBS desarrollando nuevas aplicaciones.

2. Demostrar la capacidad de la combinacin entre LIBS y mtodos quimiomtricos para

llevar a cabo anlisis cualitativos de identificacin y clasificacin e investigar el

potencial analtico de la tcnica en aplicaciones concretas, facilitando las tareas de

deteccin de adulteraciones en alimentos y la reconstruccin de individuos a travs de

restos humanos en el mbito forense.

3. Desarrollar una metodologa de anlisis rpida, sencilla y robusta basada en redes

neuronales para la clasificacin de muestras en condiciones reales y de procedencia

tanto conocida como desconocida.

4. Demostrar la viabilidad de la tcnica LIBS en el estudio de la variabilidad climtica en

el pasado mediante el anlisis de moluscos y corales y comparar los resultados con

tcnicas y mtodos ya establecidos.

5. Demostrar el potencial de la tcnica para la obtencin de imgenes elementales y sus

posibles aplicaciones al anlisis geolgico y paleoclimtico en combinacin con

mtodos quimiomtricos.

XVIII

SamuelMoncayoMartn

Publicaciones

El desarrollo de esta tesis ha generado la publicaciones de los siguientes trabajos:

Publicacin en revistas:

1. Plume dynamics of laser-produced swine muscle tissue plasma. J.J Camacho, L. Daz,

A. Marin-Roldan, S. Moncayo and J. O. Caceres et al. Applied Spectroscopy. In press

2. Evaluation of supervised chemometric methods for sample classification by Laser

Induced Breakdown Spectroscopy S. Moncayo, S. Manzoor, F. Navarro-Villoslada, J.

O. Caceres. Chemometric and Intelligent Laboratory Systems 146 (2015) 354-364.

3. Mg/Ca ratios measured by Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS): a new

approach to decipher environmental conditions. A. Garca-Escrzaga, S. Moncayo, I.

Gtierrez-Zugasti, M. R. Gonzalez-Morales, J. Martn-Chivelet, J. O. Caceres. Journal

of Analytical Atomic Spectrometry. 30 (2015) 1913-1919.

4. Discrimination of Human bodies from Bones and Teeth Remains by Laser Induced

Breakdown Spectroscopy and Neural Networks. S. Moncayo, S. Manzoor, T. Ugidos,

F. Navarro-Villoslada, J. O. Caceres. Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy

101 (2014) 21-25

5. Fast Bacterial Identification by Laser Induced Breakdown Spectroscopy.

Industrial, Medical and Environmental Applications of Microorganisms: Current

Status and Trends. S. Manzoor, S. Moncayo, F. Navarro-Villoslada, J. A. Ayala, R.

Izquierdo-Hornillos, F. J. Manuel de Villena, J. O. Caceres. Wageningen Academic

Publishers (2014)

6. Rapid identification and discrimination of bacterial strains by laser induced breakdown

spectroscopy and neural networks. S. Manzoor, S. Moncayo, F. Navarro-Villoslada, J.

A. Ayala, R. Izquierdo-Hornillos, F. J. Manuel de Villena, J. O. Caceres.Talanta 121

65-70 (2014)

XIX

SamuelMoncayoMartn

7. Implicaciones de los istopos estables de oxgeno (18O) y de la relacin elemental

Mg/Ca en la determinacin de la estacin de captura de los recursos malacolgicos

durante el Mesoltico en el Cantbrico. A. Garca-Escrzaga, I. Gtierrez-Zugasti, S.

Moncayo, J. Martn-Chivelet, F. J. Manuel de Villena, J. O. Caceres and M. R.

Gonzalez-Morales. Actas de congreso Ibrico Arqueometra. 279-288 (2014)

8. Application of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Neural Networks

to Olive Oils Analysis. Jorge O. Caceres, S. Moncayo, J. D. Rosales, F. C. Alvira, G.

M. Bilmes .Applied Spectroscopy 67(9) 1064-72 (2013)

9. Determination of the postmortem interval by Laser Induced Breakdown Spectroscopy

using swine skeletal muscles. A. Marn-Roldan, S. Manzoor, S. Moncayo, F.

Navarro-Villoslada, R.C. Izquierdo-Hornillos, J.O. Caceres. Spectrochimica Acta Part

B Atomic Spectroscopy. 88 186-191 (2013).

Patente:

1. P201400880 titulada Mtodo de anlisis de bebidas alcohlicas.

Contribuciones en congresos internacionales:

1. 14 - 18 Septiembre, 2015. Euro-Mediterranean Symposium on LIBS. Linz (Austria)

Evaluation of supervised chemometric methods for sample classification by Laser

Induced Breakdown Spectroscopy. (Pster)

2. 3 - 5 Junio, 2014 Charles University in Prague. WDS 2014

Discrimination of copper alloys with archaeological interest using LIBS and

Chemometric Methods. (Pster)

XX

SamuelMoncayoMartn

3. 19 -21 Junio, 2013. 2 Congreso Internacional de Seguridad Alimentaria. Madrid

Aplicacin de Espectroscopia de Ablacin Lser (LIBS) y Redes Neuronales (NN) al

anlisis y control de adulteracin en Aceites de Oliva (Pster).

4. 11 - 15 Septiembre, 2011. Euro-Mediterranean Symposium on LIBS. Izmir (Turqua)

Identification and Discrimination of Bacterial Strains by Laser Induced Breakdown

Spectroscopy and Neural Network. (Presentacin Oral).

5. 22 - 24 Junio, 2011. Healthcare Systems Ergonomic and Patient Safety (HEPS). Oviedo

Discriminacin de cepas bacterianas mediante LIBS y NN (Pster).

Contribuciones en congresos nacionales:

1. 2 - 4 Septiembre, 2015. III Simposio de Jvenes Investigadores en Espectroscopia

Aplicada. evaluacin de mtodos quimiomtricos supervisados para la clasificacin de

restos seos humanos mediante espectroscopia de ablacin lser (LIBS) (Presentacin

Oral).

2. 27 28 Febrero, 2014. Conferencias LIBS Inviernos 2014. Madrid. Mtodos y

estrategias para llevar a cabo una determinacin cuantitativa utilizando espectroscopia

lser (LIBS) (Presentacin Oral).

3. 15 19 Julio 2013, Curso de Verano Complutense, El Escorial. Neural Networks as a

tool to support the investigation data analysis (Presentacin Oral).

4. 17 -20 de Septiembre, XXIII Reunin Nacional de Espectroscopia, Crdoba. Cmo

puede la quimiometra mejorar un anlisis LIBS? Aplicacin de mtodos

quimiomtricos en la discriminacin de individuos a travs de restos seos y dentales

(Pster).

XXI

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Captulo 1 Introduccin General

El estudio de la materia y su caracterizacin ha sido objeto de estudio de la fsica

desde sus inicios. Actualmente se conocen muchos estados de la materia adems de los

cotidianamente conocidos slidos, lquido y gaseoso.1 Algunos de estos estados son

generados en laboratorios o estn presentes bajo circunstancias particulares. Entre ellos

se encuentra el plasma que, a pesar de no ser comnmente conocido por la sociedad, es

el estado ms abundante del universo, estando presente en el sol, estrellas, nebulosas,

etc. Sin embargo en la Tierra es mucho ms escaso y por tanto menos conocido. El

plasma se puede definir como un medio parcial o totalmente ionizado, en el que

coexisten electrones libres, aniones, cationes y tomos neutros. La densidad de cargas

positivas y negativas es similar y por tanto se puede considerar electrnicamente neutro.

El plasma fue descrito por primera vez en los aos 20 por Irving Langmuir (premio

nobel en Qumica en 1932). Sin embargo, fueron otros cientficos los que comenzaron

el estudio de plasma, en particular Benjamin Franklin en 1752, Michael Faraday en

1820, William Crookes 1880, quien defini por primera vez la observacin de un gas

radiante, J. J. Thomson en 1897 con el descubrimiento de los rayos catdicos. El

comportamiento del plasma es similar al de los gases, con la excepcin de que dentro

del plasma las partculas tienen un comportamiento colectivo, encentrndose ligadas a

travs de fuerzas electromagnticas generadas entre ellas, siendo un buen conductor

elctrico1. Otra importante diferencia es la posibilidad de confinamiento lejos de las

paredes, as como su manejo espacial. Dentro de un plasma se desarrollan varios

procesos, entre ellos cabe destacar tres:2

1

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

En primer lugar la ionizacin y/o excitacin, debido a la alta densidad de

electrones libres, estos pueden interactuar con tomos neutros generando

especies ionizadas/excitadas.

Dicha ionizacin, produce el segundo efecto, la ionizacin en cadena,

produciendo en algunos casos una corriente elctrica.

En tercer lugar se produce la emisin de luz por parte del plasma, debido al

decaimiento energtico y cuyo anlisis espectroscpico permite conocer las

especies contenidas en el plasma. Adems de todos estos procesos se pueden

producir disociaciones moleculares, reactividad con superficies, etc.

Las magnitudes ms importantes de un plasma son tanto su densidad electrnica como

su temperatura. Estas magnitudes permiten definir diferentes plasmas, ejemplificados en

la Fig. 1.1, los cuales generan una multitud de aplicaciones como la iluminacin por

plasma (lmparas de arco), esterilizacin de materiales que no soportan altas

temperaturas, funcionalizacin de superficies, reactores de fusin nuclear por

confinamiento (Tokamak) y por su puesto estudios espectroscpicos.

2

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Figura 1.1: Clasificacin de plasmas en funcin de su densidad y temperatura electrnica.

1.1 Espectroscopia de ablacin lser (LIBS)

Desde su invencin en el ao 19603,4 el lser ha sido una solucin en busca de

problemas, siendo la invencin ms verstil del siglo XX, estando presente en la

resolucin de problemticas en un gran mbito de aplicaciones, especialmente cuando

es necesario el uso de fuente de luz controlada y localizada.

Una importante aplicacin de la tecnologa lser, es la formacin de plasmas inducidos.

En este caso la exposicin de un material a un haz lser focalizado, produce su ablacin

y la formacin de un plasma de alta temperatura y densidad electrnica. La

espectroscopia de ablacin lser (LIBS) hace uso de la emisin ptica de dicho plasma

para obtener informacin caracterstica de las especies presentes y resolver problemas

de tipo cualitativo y cuantitativo. La tcnica LIBS se conoce desde la dcada de los 60,

el primer trabajo publicado que usaba un lser para la produccin de un plasma data del

ao 1962 por Brech and Cross.5 La obtencin del plasma slo era posible en aire y no

en gases inertes, debido al uso de lseres continuos sin la suficiente energa. Las

3

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

aplicaciones analticas de la tcnica en ese momento eran pocas ya que la pluma del

plasma era demasiado dbil para la obtencin de un espectro con utilidad analtica. Se

realizaron varias mejoras con el fin de aumentar el poder de excitacin lo que lleva

asociado un aumento en el tamao y la luminosidad de la pluma generada. Para ello se

introdujeron al sistema experimental una serie de electrodos, el primer trabajo donde se

describe dicha metodologa se debe a John Maxwell en 1963.6 En ese momento, adems

se introdujeron mejoras en el sistema experimental, como el uso de un lser de rub

dotado con sistema conmutador (Q-switch, en ingls) para la obtencin de pulsos cortos

y por primera vez origin un espectro analticamente til para el anlisis de muestras de

inters geolgico. Rpidamente se observ el potencial de la tcnica para el anlisis

multielemental y el nmero de trabajos creci rpidamente entre los aos 1964 y 1965.

En 1964 R. C. Rosan et al.7 presentaron el primer espectro LIBS obtenido sin hacer uso

de electrodos auxiliares. Haciendo uso de la tcnica sin electrodos, Runge8 determin

Ni y Cr en acero inoxidable usando un lser de rub pulsado, siendo esta la primera

publicacin LIBS tal y como conocemos la tcnica hoy en da. En dicho trabajo se

incluy la primera curva de calibracin LIBS, demostrando as su potencial en anlisis

de tipo cuantitativo.

La tcnica lleg a Europa y en 1963, Debras-Gudon y Liodec9 publicaron el primer

estudio espectroscpico de un plasma generado por ablacin lser pulsada (100s de

pulso, 100 J de energa capaz de producir spot de 100 m de tamao). Adems de lneas

atmicas, los autores observaron bandas de emisin de especies moleculares como CN y

AlO. Las aplicaciones geolgicas fueron sin duda las que ms se desarrollaron, la

tcnica permita un anlisis multielemental semicuantitativo, lo cual era difcil de

obtener a travs de otras tcnicas, en aquel momento, y la tcnica rpidamente fue

4

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

exportada a otros campos como la minera, arqueologa, biologa, ciencias forenses y

biologa entre otras.

En 1981, T. R. Loree et al. con su trabajo Laser-induced breakdown spectroscopy:

Time-integrated applications10 rebautizaron la tcnica con el acrnimo LIBS y a partir

de ese momento empez a cobrar una mayor importancia para los investigadores, siendo

muchos los que comenzaron a trabajar en ella permitiendo un gran avance tanto en su

conocimiento como sus aplicaciones. En la actualidad es una tcnica en auge que sigue

despertando un enorme inters gracias a las mejoras instrumentales y la tecnologa

actual, que permiten el uso de lseres, espectrmetros y detectores ms econmicos y

compactos.

1.2 Caractersticas de la tcnica LIBS

La espectroscopia de ablacin lser es una tcnica sencilla y rpida que permite

realizar un anlisis qumico cualitativo o cuantitativo multielemental, con una

sensibilidad razonable (del orden de ppm para todos los elementos) a muestras en

cualquier estado de agregacin, con una baja o nula preparacin de muestra. La

obtencin del espectro es instantnea y por tanto puede ser utilizada para el anlisis de

muestras en tiempo real. Permite el anlisis de materiales tanto conductores como no

conductores in-situ, sin limitacin de tamao de la muestra. Es una tcnica altamente

dinmica, la cual permite el anlisis de elementos mayoritarios y en concentraciones

traza con un nico pulso lser, con una alta resolucin lateral y en profundidad (5 100

m) con la capacidad de realizar anlisis mnimamente destructivos (ng de material con

cada pulso).

Otra ventaja adicional de la tcnica es su sencilla implementacin para colaborar con

otras tcnicas, como Laser Induced Fluoresce (LIF), X-Ray Fluoresce (XRF), Raman

5

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Spectral Imaging, entre otras. La Fig. 1.2 muestra el comportamiento de la tcnica LIBS

frente a los requerimientos ideales de las tcnicas espectroscpicas. Sin embargo a da

de hoy, la tcnica presenta algunos problemas intrnsecos que han impedido una mayor

expansin en la industria y en anlisis rutinarios como: Anlisis micro destructivo, la

baja reproducibilidad (necesaria experiencia), sensibilidad limitada (ppm para la

mayora de los casos), baja correlacin entre diferentes laboratorios y una alta influencia

de los elementos presentes en la matriz. Como consecuencia no existen procedimientos

estndar de anlisis y cada aplicacin necesita de un desarrollo y optimizacin previa.

A pesar de sus limitaciones intrnsecas, existen formas de mejorar y superar la mayora

de las inconvenientes, por ejemplo, la aplicacin de sistemas doble pulso mejoran la

sensibilidad y lmites de deteccin de la tcnica. Las ventajas operacionales que

presenta sobre el resto de tcnicas para realizar anlisis in-situ a alta velocidad, hacen

que LIBS sea y siga siendo una tcnica analtica importante con un gran potencial por

descubrir y con multitud de aplicaciones por desarrollar.

6

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Figura 1.2: Comportamiento de la tcnica LIBS frente a los requerimientos ideales para una tcnica espectroscpica

1.3 Fundamentos de la tcnica LIBS

El proceso LIBS consiste bsicamente en la irradiacin de la superficie de una

muestra con una radiacin lser pulsada focalizada con energa suficiente (en el orden

de los mJ) y con una duracin tpica de pocos nanosegundos. Despus de focalizar el

pulso lser la densidad de energa que incide sobre la muestras es del orden de varios

GW/cm2.11 La interaccin entre la radiacin lser y la muestra provoca la vaporizacin

del material produciendo un plasma luminoso. El plasma est constituido por una gran

densidad de electrones libres, tomos neutros y especies ionizadas. Los procesos de

relajacin electrnica dentro del plasma producen una emisin de radiacin con

informacin fsica y analtica de la composicin de la muestras til para llevar a cabo

anlisis espectrales de tipo cualitativo y cuantitativo.12 Desde el punto de vista

cualitativo, la emisin de cada elemento es caracterstica y nica y est relacionada con

7

http:cuantitativo.12http:GW/cm2.11

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

su estructura atmica, sirviendo por tanto como huella espectral caracterstica de dicho

elemento.13 Por otra parte, la intensidad de emisin de una lnea est relacionada con la

cantidad de especies emisoras en el plasma y es til para la obtencin de informacin

cuantitativa de la composicin del plasma y con ella la del material a travs de

diferentes procesos como por ejemplo, las curvas de calibrado.14,15 Adems es posible

estudiar la dinmica del plasma y con ello obtener sus caractersticas fsicas como son

su temperatura y densidad electrnica.16,17

La formacin del plasma depende de varios factores, los ms importantes desde el punto

de vista operacional, son las propias caractersticas del lser que lo induce: longitud de

onda, ancho del pulso y energa por pulso.18 Adems, las condiciones de focalizacin

tambin afectan de forma significativa a la formacin del plasma debido la fluencia

producida y que son: el tipo de lente distancia focal y la cintura del haz en el foco. Los

factores ambientales presentan tambin una enorme influencia. Entre ellos cabe destacar

la presin a la cual es sometido el plasma (ver Fig. 1.3) ya que est relacionada con los

procesos de expansin del plasma y de la composicin de la atmsfera de gas que

confina al plasma que influye en las posibles reacciones qumicas formando especies

moleculares y en su evolucin temporal y espacial.19 Por ltimo y como factor ms

importante, la formacin del plasma tiene una importante componente debida a la

composicin de la muestra a analizar. La composicin de la muestra, debido a efectos

de la matriz, produce variaciones en la pluma del plasma pudiendo ocasionar efectos de

ablacin no estequiomtrica y ablacin selectiva.25

8

http:selectiva.25http:espacial.19http:pulso.18http:elemento.13

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Figura 1.3: Imagen de la pluma a diferentes presiones. A) 7.510-5 Torr, B)2.810-2 Torr

y C) 750 Torr (presin atmosfrica en Madrid).

1.3.1 Proceso de ablacin

El trmino ablacin se refiere al proceso a travs del cual una pequea cantidad de

materia es evaporada de la superficie de un material, o en alguna excepcin del seno de

un lquido, mediante la irradiacin con una fuente de lser de suficiente energa,

produciendo la generacin de una emisin ptica y sonora.20

Cuando la energa del lser es suficientemente alta como para romper el umbral de

ablacin del material, este es rpidamente vaporizado, los enlaces qumicos se rompen

produciendo tomos e iones en estados excitados generando un plasma de alta

temperatura, en torno a los 15000 K.21 Este cambio de temperatura ocurre a alta

velocidad, 1000 Km/s, lo cual provoca una diferencia de presin de unos 108 Pa entre el

plasma y los alrededores, produciendo una onda de coche sonora apreciable por el

usuario. En algunos casos, dicha onda de choque puede ser registrada y usada

analticamente, lo cual se conoce como photoacustic induced by laser ablation. 22,23

El umbral de ablacin se define como la potencia mnima por unidad de rea necesaria

para producir la ablacin de un material.12 Por lo tanto el proceso de ablacin no solo

depende de las caractersticas y propiedades propias del material a estudiar sino tambin

de las caractersticas del lser usado, como son su longitud de onda y de la duracin del

9

http:material.12http:sonora.20

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

pulso. En cuanto al material, el umbral de ablacin depende de su absorbancia a la

longitud de onda de trabajo, la fortaleza del enlace y su tensin de vaporizacin. A

modo de ejemplo, el umbral para un metal est en torno a 0.5 GW/cm2, en el caso de

rocas, cermicas el umbral est prximo a 1 GW/cm2 y en el caso de materiales

orgnicos en torno a 2 GW/cm2 .

Se han propuesto dos posibles mecanismos para explicar el fenmeno de ablacin (con

pulsos ultracortos y con pulsos cortos) la principal diferencia entre ambos se debe a la

duracin del pulso lser incidente.19 Es importante destacar que en el plasma las

colisiones entre electrones y fotones as como los procesos trmicos estn en el orden de

los picosegundos, y por tanto en funcin de la duracin del pulso lser, su interaccin

con el material y el plasma inducido es diferente y el proceso de ablacin se produce de

forma distinta. Los pulsos ultracortos son pulsos lser de duracin menor a los

picosegundos, generalmente se lleva a cabo con lseres de femtosegundo que trabajan

en un dominio del tiempo menor a los tiempos de difusin del calor. Por otra parte,

pulsos cortos, de duracin superior a picosegundos, normalmente del orden de pocos

nanosegundos, su duracin hace que el haz lser interaccione con el material y el

plasma inducido produciendo efectos trmicos. Este tipo de lseres son los ms

habituales y utilizados en LIBS debido tanto a su menor coste como a su mayor

facilidad de uso.

1.3.2 Ablacin con pulsos cortos

Se trata de pulsos cuya duracin supera los tiempos de termalizacin. La energa

electromagntica es transferida a los electrones instantneamente, y por tanto siguen

ganando energa durante toda la duracin del pulso transfirindola a los alrededores,

produciendo crteres sin bordes definidos y donde es posible apreciar material

10

http:incidente.19

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

solidificado sobre los bordes y en el fondo del crter, que proviene de la ablacin. En la

Fig 1.4 se puede observar un crter producido por un lser de Nd:YAG con un pulso de

duracin de 5 ns. El principal mecanismo, que rige este proceso, es la llamada ablacin

trmica o sublimacin directa. Primero, se produce la fusin del material y despus una

explosin del material donde los electrones e iones estn en equilibrio trmico. Esto

implica que el material extrado no solo proviene de la zona irradiada sino tambin de

los alrededores afectados por el calor.

Figura 1.4: Imagen SEM del crter producido por un lser de Nd:YAG en una muestra de tejido de musculo porcino.

1.3.3 Ablacin con pulsos ultracortos

Son pulsos producidos por lseres de femtosegundo, donde los tiempos de las

colisiones entre electrones y fotones y la difusin del calor son varios rdenes de

magnitud mayores que la duracin del pulso. En este caso, los crteres presentan una

geometra cilndrica con bordes bien definidos y prcticamente sin material solidificado

en las proximidades del plasma. El material ablacionado solo proviene de la zona

irradiada, no se ve afectado por las zonas colindantes y la cantidad ablacionada slo

depende de la profundidad de penetracin del haz y de su dimetro. La Fig. 1.5 muestra

11

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

un crter generado por interaccin de un pulso femtosegundo de Ti:Zafiro a 430 mW,

800 nm, y con pulsos de 35 fs sobre la superficie de un metal.

Figura 1.5: Imagen SEM del crter producido por un lser Ti:Zafiro sobre la superficie de un metal. (Handbook Cremers et al.12)

1.3.4 Mecanismos de ablacin

En ambos casos, pulsos cortos y ultracortos, los principales mecanismos que

sustentan el plasma generado son la ionizacin/recombinacin y la excitacin por

impacto electrnico. La ablacin o breakdown es un proceso complejo que se inicia por

una ionizacin multifotnica y se propaga por una ionizacin en cascada. Este proceso

se puede resumir con el siguiente esquema:20

A + nh A+ + e-

A + e- A+ + 2e-

Donde A y A+ son un tomo y un ion respectivamente que provienen del material y nh

es la energa de n fotones. Cuando la absorcin de varios fotones, supera la energa de

ionizacin del material, en un proceso llamado ionizacin multifotnica (MPI), se

producen electrones libres que producen la sucesiva ionizacin de tomos del material.

La generacin de los primeros electrones libres (seed electrons) pueden ser debidos a

posibles impurezas de especies con baja energa de ionizacin en el punto focal del

lser.20 Las colisiones entre los electrones libres y los tomos neutros, son responsables

12

http:lser.20

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

de la produccin de una cascada de electrones y la generacin de un plasma.

Posteriormente, otro fenmeno a tener en cuenta es la explosin de Coulomb,24 la cual

consiste en la expulsin de iones despus que los electrones han sido expulsados del

material mediante un proceso MPI. Este fenmeno ocurre cuando los electrones

expulsados no son remplazados instantneamente (orden de picosegundo) por los

electrones prximos, crendose una diferencia de carga superficial en la que los iones

sufren una gran repulsin. Si la repulsin electrosttica sobrepasa la energa de enlace,

los iones son expulsados del material restablecindose la neutralidad. Este proceso no es

frecuente cuando se irradian materiales conductores, ya que la neutralidad se establece

rpidamente, sin embargo, en el caso de materiales dielctricos y semiconductores se

produce con mayor frecuencia.25 El proceso de ablacin es complejo y no se puede

realizar una separacin clara entre un tipo de mecanismo u otro, sino que ambos

coexisten. Tanto el mecanismo de ablacin trmica y la cascada de ionizacin, como la

explosin de Coulomb estn altamente influenciados por el tipo de material bajo

anlisis, as como de las caractersticas del lser de excitacin (longitud de onda,

duracin del pulso). Se puede concluir que, la ablacin trmica se produce cuando se

irradia con pulsos largos y longitudes de onda cercanas al IR en el anlisis de materiales

conductores, mientras que la ablacin multifotnica y la explosin de Coulomb, se

producen con longitudes de onda cortas, pulsos cortos e irradiancias altas en materiales

dielctricos.

Un aspecto importante cuando se utilizan pulso cortos, es el fenmeno que ocurre justo

despus de la ablacin del material. La energa del lser no es transferida directamente a

la muestra, los fotones incidentes interaccionan con los electrones libres produciendo su

calentamiento y provocando el efecto conocido como Bremsstrahlung inverso. El efecto

13

http:frecuencia.25

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Bremsstrahlung es de vital importancia en los primeros instantes del plasma, produce

un continuo de radiacin que impide la observacin de lneas atmicas e inicas del

plasma, y por tanto es necesario generar un retardo entre la formacin del plasma y la

adquisicin del espectro. Otro efecto a tener en cuenta es la reflexin parcial del haz

laser por parte del plasma, este efecto escudo es tambin conocido como

apantallamiento o shielding. Una vez que se ha formado un gas ionizado, este se

expande hacia los alrededores calentando las capas de gas adyacentes hacindose opaco

a la radiacin incidente e impidiendo la llegada de la radiacin a la superficie de la

muestra. Este efecto se ve favorecido con el uso de lser en el IR frente a los lser de

UV.18

Hasta este punto, todos los mecanismos han sido descritos para muestras slidas, sin

embargo, una de las principales ventajas de la tcnica LIBS, es la posibilidad de ser

aplicado a muestras en cualquier estado de agregacin. En el siguiente prrafo se

describe el proceso de ablacin para muestras en estados de agregacin diferentes a la

fase slida, como son los lquidos, gases y aerosoles de gases.

Los estudios LIBS aplicados a muestras lquidas han sido ampliamente investigados

para el desarrollo de aplicaciones principalmente mdicas. Cuando se trabaja con

muestras biolgicas, el lquido fundamental que constituye la mayor parte de los tejidos

es el agua.

Generalmente el umbral de ablacin de lquidos es superior al encontrado en slidos,

esto es debido principalmente a una menor seccin de ablacin que dificulta la

formacin del plasma a travs de mecanismos multifotnicos.11 Este efecto se traslada

al caso de gases, donde los umbrales de ablacin son an ms altos. En gases puros, la

cantidad de electrones libres (semilla) en la zona focal del lser es muy baja, por tanto la

14

http:multifotnicos.11

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

produccin del plasma est poco favorecida.26 Al igual que ocurra en slidos, la

presencia de impurezas bien sean lquidos o partculas en el gas (aerosoles) favorecen el

inicio de la ablacin. Se pueden producir diferentes zonas susceptibles de inicio del

plasma que finalmente colapsan en un nico plasma. El efecto de autofocalizacin que

se produce en los lquidos puede favorecer la formacin del plasma, haciendo el haz

lser ms delgado, generando una mayor irradiancia y favoreciendo la ablacin.

1.4 Evolucin del plasma inducido por lser

Una vez el plasma ha sido creado por cualquiera de los mecanismos mencionados

anteriormente, este, evoluciona durante un cierto tiempo debido a las colisiones y

procesos radiativos, expandindose hasta su completa extincin. Este proceso de

expansin y extincin es funcin de los propios parmetros y caractersticas del plasma

como son su temperatura y densidad electrnica, as como las propiedades del medio

que lo rodea como la presin y composicin del gas ambiente.27,28 Debido a la

influencia de multitud de parmetros en la dinmica del plasma, su estudio y su

evolucin se rige por mecanismos complejos, en ocasiones difciles de entender y no

conocidos del todo an. En este caso y para simplificar el desarrollo, vamos a suponer

que el comportamiento del plasma es similar al de su densidad electrnica. De este

modo se pueden producir tres comportamientos diferentes:

- Ne > 1019 cm-3, estos altos valores de densidad electrnica se pueden obtener

instantes despus de haberse producido la ablacin y en el inicio de la formacin

del plasma en condiciones atmosfrica o bajo altas presiones. La presin externa

impide la expansin del plasma, quedando confinado a una pequea regin del

espacio. En este primer momento, el espectro obtenido se encuentra formado

mayoritariamente por un continuo de radiacin y alguna lnea ancha, lo cual

15

http:favorecida.26

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

impide en gran medida su estudio espectroscpico no siendo til para un anlisis

espectroscpico.

- 1016 < Ne < 1019 cm-3, estas condiciones se encuentran habitualmente cuando se

estudia el plasma a tiempos mayores, del orden de cientos de nanosegundos,

despus de la ablacin. Bajo estas circunstancias, el espectro de emisin

obtenido est dominado por las lneas de emisin de las especies presentes en el

plasma y se comportan siguiendo la funcin de distribucin de Boltzmann. En

ese momento, se considera que el plasma se encuentra bajo equilibrio

termodinmico local (LTE) y el espectro es til para su anlisis qumico

mediante LIBS.

- Ne < 1016 cm-3, no podemos considerar el plasma bajo LTE, hay un desajuste

entre las poblaciones de los niveles energticos bajos frente a los altos. En este

momento empiezan a ser importantes las reacciones entre las especies presentes

en el plasma con los gases presentes en los alrededores, producindose especies

moleculares y cuya emisin es visible en el espectro en forma de bandas.

En la Fig. 1.6 se muestra la escala temporal en LIBS junto con la evolucin temporal de

la banda violeta de la molcula de CN, pudiendo observar la estructura vibracional en

un plasma producido a presin atmosfrica.

16

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

Figura 1.6: Escala temporal y evolucin temporal de las bandas vibracionales de la molcula

de CN producidas por un lser Nd:YAG a 1064nm en una muestra de tejido porcino.

1.5 Aplicaciones LIBS

La capacidad de producir la ablacin de la mayora de materiales y la formacin de

un plasma caracterstico de la muestra tras la interaccin del pulso lser sobre la

superficie del material combinado con las tcnicas espectroscpicas de emisin ptica

hacen de LIBS una tcnica verstil y til tanto para anlisis cualitativo como

cuantitativo de una gran variedad de muestras en diferentes disciplinas. Las ventajas

ms significativas de la tcnica LIBS sobre otras tcnicas analticas son: la posibilidad

de anlisis con escaso o nulo tratamiento de muestra, anlisis en tiempo real a alta

velocidad, anlisis in situ y su carcter mnimamente destructivo. Aunque los procesos

fsicos que tienen lugar durante la ablacin son complejos y hoy en da no estn

completamente descritos, la versatilidad de la tcnica y sus ventajas operacionales han

hecho que LIBS, durante los ltimos 50 aos, haya generado la publicacin de miles de

artculos, libros y cientos de revisiones sobre los fundamentos tericos de la tcnica, as

como las mltiples aplicaciones desarrolladas. En cuanto a las posibles aplicaciones de

la tcnica LIBS, desde sus inicios las publicaciones usando la tcnica LIBS han seguido

17

SamuelMoncayo Martn Captulo 1

un incremento exponencial, la Fig. 1.7 muestra la tendencia desde los aos noventa

hasta la actualidad. Gracias a su enorme versatilidad las aplicaciones desarrolladas van

desde un estudio fsico del plasma generado hasta aplicaciones espaciales, pasando por

el anlisis de metales15,29, , lquidos30-33 o slidos sumergidos34-36, aerosoles37-40, muestras

geolgicas41-44, deteccin de explosivos45-48 y sustancias peligrosas para la salud como

microorganismos13,49-51 y virus52, aplicaciones forenses53-56, anlisis de plsticos,14,57-58

muestras medioambientales59-61, con inters arqueolgico62-64 o incluso biomdicas. 65-67

Figura 1.7: Evoluciones de las publicaciones que contienen la palabra LIBS en el desarrollo fundamental de la tcnica y sus aplicaciones

Esta figura, no solo indica el incremento del nmero de publicaciones, tambin puede

indicar el aumento del nmero de investigadores y por lo tanto de publicaciones en el

rea, en cualquier caso demuestra que es un rea activa y en crecimiento.

18

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

Captulo 2: Aspectos analticos de LIBS: Anlisis cualitativo ycuantitativo

Una caracterstica importante de la tcnica LIBS es la posibilidad de ser aplicada

para realizar anlisis cualitativos y cuantitativos. Los espectros LIBS pueden ser

utilizados como huella digital espectral para la clasificacin de muestras a travs del

uso de las herramientas matemticas adecuada y tambin es posible realizar anlisis de

tipo cuantitativo, determinando la concentracin de uno o varios elementos

simultneamente, incluso con un nico pulso lser. Gracias a su versatilidad, la tcnica

ha sido desarrollada y aplicada para el anlisis de una gran multitud de elementos y

matrices.

2.1 Anlisis cualitativo mediante LIBS

Los anlisis de identificacin y clasificacin de muestras se pueden realizar con

diversos objetivos entre los que cabe destacar: la determinacin de la ausencia o

presencia de un elemento dado, clasificacin de una muestra desconocida entre dos a

ms clases y la evolucin de cierto elemento o la estabilidad qumica de una especie en

el seno de una matriz. En el primer caso, para determinar la presencia de un elemento en

una matriz, tambin llamados anlisis tipo screening, es necesario fijar un lmite de

concentracin por encima del cual podemos asegurar la presencia de dicho elemento

con un correspondiente grado de confianza. Este valor lmite viene dado

fundamentalmente por las caractersticas del sistema experimental, en particular por el

sistema de deteccin utilizado, siendo los sistemas con detectores intensificados (ICCD)

capaces de obtener menores lmites de deteccin frente a los detectores CCD

19

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

convencionales. En general, para llevarlo a cabo se puede usar la intensidad de una

nica lnea o bien de varias lneas debidas a especies tanto atmicas, inicas como

bandas moleculares que estn presentes en el espectro LIBS. Es importante mencionar

que cuando la lnea o lneas de inters no son detectadas no implica necesariamente que

la muestra est libre de tal elemento, sino que puede encontrarse a una concentracin

menor al lmite de deteccin de nuestro sistema. Adems, es posible que existan

interferencias espectrales que pueden producir una identificacin errnea. Para este tipo

de anlisis es deseable contar con un sistema experimental capaz de lograr alta

sensibilidad y resolucin en la zona de inters analtico.

Para la identificacin cualitativa de la composicin elemental de una muestra

basada en sus lneas de emisin se han aplicado diversos procedimientos, el ms

comunes es la identificacin mediante bases de datos, siendo las ms frecuentes las

correspondientes a National Institute of Standard and Technology (NIST)68 y Kuruck

(Harvard). Estas bases de datos adems de incluir informacin sobre la longitud de onda

de las lneas de emisin incluyen informacin sobre la intensidad relativa, constantes

espectroscpicas tales como los coeficientes de emisin, niveles energticos del trnsito

y degeneracin, entre otros. Es habitual que las lneas registradas en las bases de datos

no coincidan exactamente con las encontradas en nuestro espectro, por ello es de gran

utilidad contar con bases de datos propias. Estas bases propias se pueden obtener con

materiales de referencia o bien usando sales inorgnicas de alta pureza y composicin

perfectamente conocida. Los espectros de referencia han de ser obtenidos en

condiciones similares a las de trabajo con el fin de ser representativas. Es especialmente

importante mantener una temperatura del plasma similar a la hora de comparar la

presencia de especies dentro del mismo.

20

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

Cuando se trabaja con muestras totalmente desconocidas, es posible estimar su

composicin analizando patrones espectrales caractersticos de ciertos elementos, como

pueden ser dobletes, tripletes o multipletes. Para asegurar la presencia de un elemento es

conveniente observar varias lneas del mismo en el espectro. A mayor nmero de lneas

identificadas, podremos asegurar su presencia con un mayor grado de fiabilidad.

En las bases de datos se puede encontrar lneas de emisin para varios estados de

ionizacin de los elementos. En este punto es importante analizar la temperatura del

plasma generado mediante nuestro sistema experimental. En general en LIBS, las

temperaturas de plasma obtenidas se encuentran en torno a los 1.5 2.0 eV y las lneas

de emisin observadas provienen habitualmente de especies atmicas o de iones con

estados de ionizacin uno, siendo los elementos en estados de ionizacin mayores poco

frecuentes. Sin embargo, bajo condiciones especiales es posible observar lneas de

emisin de iones en estados de ionizacin superiores.16

En cuanto a la clasificacin de muestras de forma multivariante, dos posibles

metodologas se utilizan habitualmente. Algunos autores hacen uso de un conjunto de

lneas espectrales de inters mientras que otros tienen en cuenta el espectro completo.69

En esta tesis ambos procedimientos han sido aplicados, el uso de uno u otro depende de

la aplicacin y del objetivo del anlisis as como del mtodo de clasificacin utilizado.

El espectro LIBS generado es considerado como una huella dactilar espectral de la

muestra.69 A travs de modelos quimiomtricos es posible obtener la suficiente

informacin cualitativa que permita la clasificacin de la misma. Los modelos

quimiomtricos aplicados sern abordados con ms detalle en el captulo 3.

21

http:muestra.69http:completo.69http:superiores.16

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

2.2 Anlisis cuantitativo mediante LIBS

LIBS ha evolucionado notablemente en los ltimos 40 aos gracias, en parte, a

la posibilidad de realizar anlisis cuantitativos o semicuantitativos multielementales de

forma sencilla o incluso in-situ de la mayora de elementos en diversas aplicaciones,

donde se puede destacar los anlisis ambientales,70 de patrimonio histrico,71

aplicaciones espaciales72 y geolgicas,14 entre otras.59 Sin embargo, los problemas

asociados a las medidas cuantitativas son el taln de Aquiles de la tcnica. En general,

la dificultad de realizar una medida cuantitativa est asociada a tres aspectos. En primer

lugar la robustez y reproducibilidad de las medidas que son funcin del sistema

experimental utilizado. En segundo lugar, el control de la preparacin de muestra

(presencia de heterogeneidades y efectos de matriz de la muestra) y por ltimo los

problemas relacionados con el anlisis de los espectros. Uno de los principales

problemas, siendo comn a la mayora de tcnicas analticas, es el llamado efecto

matriz.73 En LIBS este efecto est acentuado y se manifiesta en situaciones en las que la

intensidad de emisin de un elemento no se comporta de forma proporcional a su

concentracin. La matriz influye enormemente en la formacin del plasma, este efecto

se denomina ablacin selectiva y modifica las caractersticas del plasma como son su

temperatura, densidad de electrnica, etc, siendo difcil relacionar directamente la

intensidad con la concentracin, especialmente cuando se trabaja con concentraciones

prximas al lmite de cuantificacin de la tcnica.

Para poder aplicar LIBS como mtodo cuantitativo, hemos de estar de seguros

de realizar las medidas bajo equilibrio termodinmico local (LTE) y tener un plasma

pticamente fino. La lnea de emisin de a Iij de una lnea a la frecuencia ij est

22

http:matriz.73http:otras.59

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

relacionada con el nmero de especies emisoras a dicha frecuencia Nu por la siguiente

expresin:74

!!" = !!!!!!!"!!"! (Eq.2.1)

donde Aij es el coeficiente de emisin espontneo de la transicin, h la constante de

Planck y G es un factor instrumental que slo depende de las caractersticas del sistema

empleado. Para que esta relacin entre la emisin y el nmero de emisores se cumpla, la

transicin ij debe ser pticamente fina, o lo que es lo mismo que no est afectada por el

efecto de autoabsorcin. La autoabsorcin es muy frecuente cuando se consideran

trnsitos que involucran estados electrnicos bajos en energa o lneas de resonancia

(trnsitos que involucran al estado fundamental), particularmente cuando la

concentracin del elemento es elevada. Existe una amplia bibliografa tratando el

estudio y evaluacin del efecto de autoabsorcin, as como de diferentes metodologas

para su correccin.75,76 De Giacomo et al.77 ofrecen una serie de consideraciones tiles

para la seleccin de las lneas espectrales potencialmente tiles para ser usadas en la

cuantificacin. Como criterios de seleccin ms importante se puede destacar:

No usar lneas que involucren el estado fundamental, debido a sus altas

posibilidades de presentar autoabsorcin y por tanto observar la lnea con una

intensidad menor a la que le correspondera.

No usar lneas con coeficientes de emisin espontnea menores a 210-6 s-1 ,

debido a que su tiempo de emisin es similar al tiempo de duracin del pulso

lser.

No utilizar lneas con intensidades muy altas, debido a que pueden sobreestimar

la poblacin real del elemento especialmente si estamos considerando elementos

presentes en una alta concentracin.

23

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

Adems de estas consideraciones, es adecuado analizar el plasma obtenido a fin de

asegurar una ablacin estequiomtrica y la obtencin de un plasma homogneo. La

ablacin estequiomtrica implica que la vaporizacin de todos los elementos se produce

manteniendo las proporciones originales de los elementos que componen la muestra. Es

frecuente la generacin de una ablacin selectiva donde la concentracin de las especies

en el plasma depende de las propiedades y caractersticas de los elementos y por tanto el

plasma generado posee una composicin diferente a la muestra. A travs de la seleccin

adecuada de los parmetros experimentales como la fluencia, longitud de onda del lser,

tiempo de duracin del pulso, es posible producir una ablacin estequiomtrica,

produciendo un resultado preciso en la cuantificacin. La homogeneidad del plasma es

ms complicada de controlar. El plasma es un sistema dinmico en constante evolucin

y con interaccin con el medio, producindose grandes gradientes trmicos. Dentro del

plasma se producen diferencias entre las zonas externas del plasma, ms fras y en

contacto directo con la atmsfera que lo rodea y la zona interna del plasma, ms caliente

y menos afectada por el entorno. Por tanto, considerando la parte central del plasma es

posible asumir que el comportamiento y composicin del mismo es ms homogneo y

de mayor utilidad desde el punto de vista de la cuantificacin.

Para intentar suplir los posibles inconvenientes de la tcnica para el anlisis

cuantitativo, se han propuesto empleo de distintos mtodos de cuantificacin, como el

de estndar interno, y los basados en los parmetros fsicos del plasma. A continuacin

se describen estos mtodos.

24

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

2.3 Enfoques para realizar un anlisis cuantitativo

El anlisis cuantitativo puede realizarse de diferentes formas, la ms sencilla y

directa es analizando la respuesta de una determinada lnea de emisin a una

concentracin dada. Para generar la curva de calibracin se han de realizar medidas de

la intensidad de un conjunto de patrones de concentracin conocida y con una matriz

similar a la muestra problema y representar su correspondiente seal, frente a la

concentracin. Sin embargo, este proceso no es adecuado para un gran nmero de casos

debido al efecto matriz, el cual hace que el elemento de anlisis se comporte de forma

diferente en los patrones que en las muestras. Para minimizar dicho efecto, se puede

usar la normalizacin con estndar interno, bien sea utilizando la relacin entre dos

lneas presentes en la muestra,54 una lnea de la muestra y la seal de un elemento

aadido externamente78 o incluso entre la lnea de inters y el ruido de fondo.79

Adems de los mtodos de cuantificacin convencionales para anlisis cuantitativo

univariante, es cada vez ms frecuente el uso de mtodos multivariantes para la

cuantificacin de muestras mediante LIBS, como es el caso del PLS-DA.

Por ltimo, es posible obtener la concentracin de un elemento usando

informacin de los parmetros del plasma generado, en lo que se conoce como

Calibration Free o Free LIBS .80 En dicha calibracin no es necesario el uso de

curvas de calibracin convencionales, sino que la concentracin puede ser determinada

a travs de parmetros fsicos del plasma, como su temperatura y densidad electrnica,

aplicando algoritmos matemticos que nos permitan su obtencin. Este mtodo de

calibracin presenta una importante ventaja frente a las calibraciones convencionales y

es la posibilidad de determinar de la concentracin con solo una muestra sin necesidad

de medir patrones de concentraciones conocidas. Como contrapartida, se puede destacar

25

http:fondo.79

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

la necesidad de conocer con gran precisin y exactitud los parmetros fsicos del

plasma, lo cual es difcil para algunas muestras.

2.3.1 Calibracin con estndar interno

El procedimiento de calibracin con estndar interno puede ser aplicado de dos

formas diferentes, en primer lugar es posible usar como referencia la concentracin

conocida de un elemento presente en la muestra, lo cual implica el conocimiento previo

de su concentracin y por lo que desde el punto de visto prctico no es muy til. Sin

embargo, es de especial inters en el caso de muestras formadas por capas o lminas en

las que la concentracin de un determinado elemento vara en funcin de la capa. Por

ello, conociendo la concentracin del elemento en una capa, se permite obtener su

concentracin en el resto de capas.81 Para llevar a cabo dicho procedimiento, es

necesario el uso de la relacin entre dos lneas de emisin del elemento y multiplicarlo

por la concentracin conocida para obtener la concentracin desconocida a travs de la

siguiente ecuacin:82

!!? = !!?!!" (Eq. 2.2)!"#

donde Cx? y CxS son la concentracin del elemento X a determinar y la concentracin del

elemento X de referencia, respectivamente y donde Ix? es la intensidad de emisin del

elemento X de concentracin desconocida y IxS la intensidad del elemento X de

referencia.

Es importante mencionar que la relacin de intensidades de las lneas ha de

realizarse con trnsitos electrnicos similares en energa, es decir prximos en longitud

de onda. La seleccin de dicha lnea debe hacerse cuidadosamente, seleccionando

aquellas que presenten una alta relacin seal/ruido, evitando lneas de resonancia y

lneas con posibles interferentes espectrales. Este procedimiento, es usado

26

http:capas.81

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

habitualmente en otras tcnicas analticas y es una simplificacin de una curva de

calibrado convencional con un nico punto.

Por otra parte, el mtodo de estndar interno puede ser utilizado para minimizar

el efecto matriz cuando se busca determinar la concentracin de un elemento presente a

una baja concentracin dentro de una matriz con un elemento mayoritario. Esto implica

asumir que la concentracin del elemento mayoritario es constante en toda la matriz,

cosa que en muchos casos no ocurre, aadiendo un error sistemtico en la medida. Se

calcula a travs del cociente ente la intensidad del elemento traza y la intensidad del

estndar interno como se muestra en la siguiente ecuacin:

!!"#$%&'(%)% = !! (Eq. 2.3)!!

donde la Inormalizada corresponde al cociente entre la intensidad del elemento traza Iy y la

intensidad del estndar IS. En el captulo 7 est metodologa ha sido aplicada a la

determinacin de Mg y Sr en muestras de concha de moluscos (P.Lineatus) en dos

estructuras biognicas de carbonato de calcio (calcita y aragonito) para su correlacin

con la temperatura de la superficie del mar (SST). El resultado obtenido por esta

metodologa no es la concentracin absoluta del elemento sino una concentracin

relativa de dicho elemento frente a otro de referencia. A pesar de no proporcionar un

valor absoluto, es muy til ya que elimina cualquier influencia de parmetros

experimentales, especialmente fluctuaciones en la energa del lser, quedando dicho

efecto compensado con la relacin de intensidades. Adems, no es necesario el uso de

materiales de referencia o estndares certificados para su aplicacin, los cuales en

muchos casos o no existen o son difciles de obtener, tambin elimina la etapa de

calibracin del equipo instrumental que est sujeta a una de deriva instrumental.

27

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

2.3.2 Calibracin basada en parmetros fsicos del plasma (Calibration Free)

Este procedimiento de calibracin fue desarrollado por primera vez en el ao

1999 por A. Ciucci et al.80 Su desarrollo se produjo debido a la necesidad de corregir las

desviaciones que produce el efecto matriz en la determinacin de la concentracin

elemental y sobre todo debido a la dificultad de obtener curvas de calibracin para

muestras complejas, en las cuales es extremadamente difcil la obtencin de patrones

similares a las muestras.

Este proceso se basa en el conocimiento de los parmetros fsicos de los plasmas

inducidos por la ablacin lser y puede ser aplicada a la cuantificacin de slidos,

lquidos y gases. Para poder realizar este tipo de anlisis es imprescindible un estudio

del plasma para poder asegurar con certeza que el plasma es representativo de la

composicin real de la muestras, que es pticamente delgado y estar bajo condiciones

de equilibrio termodinmico local (LTE). Para verificar la obtencin de un plasma

pticamente delgado se han usado, en bibliografa, diferentes procedimientos como el

propuesto por L.J. Radziemski et al.38, midiendo la intensidad de un multiplete debido a

N I, midiendo la intensidad de tres lneas de O I 83 o el propuesto por J.B. Simeonsson

et al.84 donde se verifica midiendo la anchura de una misma lnea en distintas posiciones

axiales del plasma y distintas energas del lser, sin embargo el ms sencillo es evaluar

la relacin de intensidades de un mismo elemento con la relacin de los coeficientes de

Einstein para esas transiciones.

La determinacin precisa de los parmetros fsicos del plasma como su

temperatura y densidad electrnica, es fundamental para obtener un valor de

concentracin exacto. Para poder obtener un valor de temperatura preciso, es necesario

cumplir la condicin de tener un plasma en LTE ya que afecta directamente al valor de

28

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

temperatura obtenido. En LTE la temperatura obtenida por las ecuaciones de Boltzmann

y Saha es igual a la de la distribucin de velocidades de los electrones libres segn

Maxwell-Boltzmann. Y adems se cumple la ley de Kirchhoff de la radiacin, la cual

establece la relacin entre el coeficiente de emisin y el coeficiente de absorcin. Para

que asegurar el LTE los procesos colisionales de los electrones del plasma han de

predominar frente a los radiativos, siendo necesaria una alta densidad electrnica. Segn

el criterio de McWhirter85 existe una densidad electrnica crtica para la cual los

procesos de colisiones son diez veces superiores a los radiativos y debe cumplir que:86

!! 1.6 10!"!! ! ! !cm!! (Eq. 2.4)

siendo T la temperatura y E la diferencia de energa entre los niveles de la transicin.

1016 -2 En general la densidad electrnica crtica se encuentra en torno a los 1015 - cm .

Esta densidad es vlida cuando se trabaja a presiones entre 1 - 760 Torr, sin embargo

cuando se trabaja a bajas presiones este valor tiene que ser evaluado de nuevo. El

criterio de McWhirter es necesario pero no exclusivo para lograr el LTE y en

consecuencia, para asegurar el LTE se han de aplicar dos criterios adicionales. El

primero de ellos trata de comparar las temperaturas de excitacin e ionizacin obtenidas

por la ecuacin de Boltzmann y las obtenidas por Saha-Boltzmann.38 El otro criterio se

basa en la comparacin de la distribucin de Boltzmann terica frente a la experimental.

Una vez obtenido un plasma pticamente delgado y se satisfacen los criterios

que aseguran el LTE, para llevar a cabo una cuantificacin free LIBS es necesario la

determinacin de la densidad electrnica y la temperatura del plasma.

Para la medida de la densidad electrnica existen tres procedimiento ampliamente

utilizados: el uso del ensanchamiento de lneas Stark (STB)22, el desplazamiento Stark

(STS)25 y el obtenido a travs de la ecuacin de Saha-Boltzmann (SBE).88 Es frecuente

29

http:Saha-Boltzmann.38

SamuelMoncayoMartn Captulo 2

que para la determinacin de la densidad electrnica se usen elementos que provienen

de la atmsfera alrededor del plasma como Ar, He, H, N y O.

En la realizacin de esta tesis los clculos de densidad electrnica han sido calculados a

travs del ensanchamiento Stark y por tanto slo este mtodo se detallar.

El ensanchamiento Stark se produce debido a los choques entre los tomos emisores con

electrones e iones, provocando un ensanchamiento de la lnea de emisin y un

desplazamiento de la longitud de onda de la lnea. El ensanchamiento de la lnea no slo

se produce por el efecto Stark, el efecto Doppler tambin est presente, sin embargo,

este suele ser menor que el efecto Stark y puede ser despreciado.

En lneas del tomo de hidrgeno o tomos hidr