Espectroscopía de plasma inducido por láser (LIBS)

José Martínez de Munck.

Enero 3, 2022

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Resumen

La Espectroscopía de Plasma Inducido por Láser (LIBS), representa una de las técnicas más útiles para la selección e identificación de materiales, en este artículo se describe un breve resumen, el principio físico en el que se basa y sus ventajas más importantes.

Introducción

La Espectroscopía de Plasma Inducido por Láser, conocida como LIBS, es un tipo de espectroscopía de emisión atómica que emplea como fuente de excitación láseres de alta energía. Una de las grandes ventajas de la técnica es la posibilidad de analizar cualquier sustancia independiente del estado de agregación, ya sean sólidos, líquidos o gases, y otros. Debido a que todos los elementos de la tabla periódica emiten luz cuando son excitados convenientemente, esta técnica puede potencialmente resolver la composición elemental de cualquier muestra, estando limitada dicha detección a la potencia disponible de los láseres y a la sensibilidad y resolución espectral de los espectrómetros y detectores, principalmente.

La técnica LIBS tiene muchos puntos en común con otras técnicas analíticas basadas en el láser (como Raman o Fluorescencia), siendo la mayor parte del instrumental idéntico. De hecho, están disponibles en el mercado equipos que permiten operar con cualquiera de estas técnicas, desde objetos tan sencillos como equipos de audio de alta fidelidad, hasta bisturís laser de ultra-alta tecnología para operaciones clínicas altamente delicadas, o para incluso mantener la comunicación entre la red Starlink entre satélites (SpaceX agrega enlaces láser a los satélites de Starlink). Este haz de luz modulada, resulto ser de gran utilidad al fusionarse con las tecnologías de procesamiento de información, generando un salto espectacular en la velocidad de nuestras telecomunicaciones.

¿qué es un láser?

Es luz con características muy especiales. Sus iniciales significan Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation, o luz amplificada por emisión estimulada de radiación.

A diferencia de la luz “espontánea” que es la mayoría de la luz que percibimos (en los focos, e incluso en la luz solar), este tipo de luz es “estimulada”. Gracias al mecanismo de emisión, las ondas no viajan en todas direcciones, sino que se superponen unas con otras y viajan todas en la misma dirección. La potencia entonces resulta ser más alta.

Una de las aplicaciones en el área de materiales, es en la detección de aleaciones por medio de la espectroscopía, debido a la inclusión del láser, esta técnica se diferencia de los métodos analíticos y ha sido usada en los laboratorios por muchos años.

La mayoría de los analizadores LIBS de mano son usados (como otros similares que operan bajo otros principios) para ordenar y seleccionar aleaciones en patios de chatarra o de recibo/despacho de materiales, a fin de identificarlas.

Durante el análisis por medio de LIBS, un pulso de laser enfocado choca con la muestra, removiendo una pequeña cantidad de material de la superficie. Este material se calienta hasta pasar los 10,000 grados Celsius. La temperatura es tan alta que los átomos realmente se “rompen” y forman plasma. Interesantemente, la muestra no sufre calentamiento al tacto durante el análisis, al punto que puede sostenerse en la mano con toda seguridad.

Cuando el láser pulsado de alta potencia choca con la muestra, los electrones en los orbitales más externos son desplazados. Pero como estos electrones exteriores están protegidos por los de las capas más internas, no son fuertemente arrastrados por el núcleo. Así, estos electrones de las capas externas necesitarán menos energía para ser expulsados. De forma análoga a los métodos anteriores, los electrones expulsados crean una vacancia, lo cual genera una inestabilidad en el átomo, de forma análoga. Una vez que el pulso de luz cesa, el plasma comienza a enfriarse y la vacancia es ocupada por electrones provenientes desde las capas más externas, en forma de cascada. El exceso de energía liberada cuando los electrones se mueven entre dos niveles de energía o capas orbitales, es entonces emitido en forma de luz característica para cada elemento. Dicha luz se transporta vía fibra óptica a los elementos necesarios para su procesamiento.

Para una muestra metálica típica conteniendo, hierro, níquel, cromo, manganeso o vanadio, cada elemento emite muchas longitudes de onda, generando un espectro de hasta miles de picos. Estas longitudes de onda de luz son recolectadas a través de un cable de fibra óptica y luego procesadas con el espectrómetro (Figura 1).

Figura 1. Técnica de Espectroscopía de Plasma Inducido por Láser (LIBS).

Cada elemento es asociado con un pico espectral específico. Los espectros de LIBS son muy complejos, con potencialmente cientos o incluso miles de líneas para cada elemento, luego a partir de la intensidad del pico, se determina la composición a través de algoritmos adecuados. Estos identifican asimismo el tipo de muestra.

Una de las ventajas más importantes de la Espectroscopía de Plasma Inducido por Láser (LIBS), con respecto a otras tecnologías existentes es su rapidez en el análisis e identificación de aleaciones, tomando apenas uno o dos segundos, es decir, hasta 20 veces más rápida que la Fluorescencia de Rayos X (XRF). Esto puede llegar a ser muy importante en procesos en donde la alta productividad y la precisión es importante.

Desde el punto de vista de regulaciones y licencias, son pocos los requisitos exigidos para el operador, con respecto a otras técnicas como XRF. Generalmente no se necesitan licencias costosas o entrenamientos prolongados, las precauciones regularmente necesarias son: Gafas de seguridad especiales que protejan contra la emisión de laser de Clase 3B.

Las diferencias básicas entre los métodos de espectroscopía consisten en la forma de excitar los electrones de las capas superiores, a fin de desplazarlos y generar las vacancias, para producir la emisión secundaria de luz al generarse el movimiento electrónico a dichas vacancias. Cada tecnología cuenta con una forma diferente, aunque a grandes rasgos el principio es el mismo: la espectroscopía.

Finalmente se puede concluir que el método analítico por LIBS es bastante práctico y resulta excelente para la identificación de los elementos presentes en aleaciones.

Esperamos que esta simple opinión e información sobre general permita al lector tener una visión más clara en relación a la Técnica de Espectroscopía de Plasma Inducido por Láser (LIBS).