SciAps lidera las aplicaciones LIBS portátiles en SciX 2022

Lea a continuación las aplicaciones emergentes presentadas en ciencia ficción utilizando el LIBS portátil líder en el mundo, creado por las personas que ayudaron a escribir el libro sobre espectroscopia y espectrometría portátiles. Haga clic en nuestra página de estudios independientes para explorar aún más.

SciX, presentado por FACSS, es una conferencia líder para químicos analíticos que buscan intercambio científico, con una combinación única de sesiones técnicas que cubren todos los campos de la química analítica, un piso de exhibición de vanguardia y oportunidades para establecer contactos.

Las Bases (Fundamentales)

Enfoques fundamentales para ampliar las aplicaciones de LIBS portátiles comerciales

Matthieu Baudelet, Kristen Livingston, Magdalena E. Jackson; Universidad de Florida Central, Instituto Politécnico Rensselaer El método sin calibración se ha aplicado con éxito en su mayoría a LIBS (CF-LIBS) en condiciones de laboratorio. Sin embargo, el análisis de campo se requiere cada vez más para el análisis de varias muestras donde no hay estándares disponibles (como antropología y arqueología). Como resultado, es más práctico utilizar un instrumento LIBS portátil y de mano (hhLIBS) para analizar estos materiales. Este estudio establece si el método sin calibración se puede aplicar a los datos de hhLIBS para medir con éxito la concentración elemental utilizando CF-LIBS. Demostrar la capacidad de hhLIBS sin calibración para servir como una técnica cuantitativa precisa disminuiría la necesidad de estándares de matriz coincidente y ampliaría la gama de aplicaciones analíticas en el trabajo de campo. Los resultados y también la discusión sobre las diferencias fundamentales entre los plasmas LIBS tradicionales y portátiles serán el foco de esta charla, para determinar cuánto más amplio podemos llevar LIBS portátiles cuantitativos a áreas donde los estándares de calibración aún no están disponibles.

Quimiometría

Aplicaciones de algoritmos de clasificación a datos de instrumentación portátil

Caelin Celani, Karl Booksh, Jocelyn Alcántara-García, Tyler Coplen, James Jordan, William Johnston, Amelia Speed, Rachel McCormick, Olivia Jaeger, Carolyn Chen; Universidad de Delaware, Servicio Geológico de los Estados Unidos, Universidad Estatal de Fairmont, Centro de Salud Pública del Ejército, Noramco, Eurofins PSS Insourcing Quimiometría aplicada a diversas aplicaciones de instrumentación portátil La llegada y la creciente popularidad de la instrumentación portátil está permitiendo la expansión del laboratorio analítico a lugares que antes eran inaccesibles. Si bien una de las principales desventajas de tener portabilidad de campo es la disminución de la resolución espectral, la implementación del análisis de datos multivariados se puede utilizar para superar algunos aspectos del rendimiento general disminuido en relación con la instrumentación de mesa. La viabilidad de la instrumentación portátil junto con algoritmos de clasificación quimiométrica se muestra en dos aplicaciones distintas. En primer lugar, se muestra la clasificación exitosa de especies individuales de maderas duras tropicales del género Dalbergia y sus similares. En este análisis, se recolectan huellas dactilares elementales de cada madera dura con espectroscopía de ruptura inducida por láser (LIBS) en condiciones variables, incluida una relación señal-ruido (S/N) baja con muchos espectros y una S/N alta con menos espectros, y se distinguen con una serie de algoritmos de clasificación, que incluyen análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales (PLS2-DA), k-vecinos más cercanos (k-NN), árboles de clasificación y regresión (CART), bosques aleatorios (RF) y máquinas de vectores de soporte (SVM). De este estudio se puede concluir que LIBS no solo es una herramienta portátil viable para identificar especies de madera, sino que también menos espectros de datos de mayor calidad modelados con SVM producen los mejores resultados de clasificación. En segundo lugar, los textiles históricos se analizan con espectroscopia de reflectancia de fibra óptica (FORS) y fluorescencia de rayos X (XRF) y se clasifican según una “regla de decisión” de clasificador plano. La regla de decisión se crea en base a picos de reflectancia visibles y muestra una mejor agrupación en relación con otros rangos de longitud de onda relevantes discutidos en la literatura sobre conservación de arte. Este problema de análisis de conglomerados muestra que al teñir textiles, los cromóforos están presentes en cantidades tan pequeñas que las propiedades generales, como el color del textil, anulan cualquier señal de análisis de trazas. Además, al menos para los textiles, los espectros XRF presentados en este trabajo indican que el punto de inflexión FORS no se correlaciona con la composición elemental del textil y del mordiente.

Aplicaciones geológicas

Desde fuentes minerales y estalactitas hasta suelos y seguridad vial: aplicaciones LIBS que mejoran la calidad de nuestras vidas

Nancy J. McMillan; Universidad Estatal de Nuevo México La espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) con análisis quimiométrico e inteligencia artificial ofrece capacidades potencialmente disruptivas. Cada espectro LIBS contiene una enorme cantidad de información, incluidas concentraciones de todos los elementos naturales, proporciones isotópicas e información estructural. Varios proyectos destacan las características únicas del análisis quimiométrico de espectros LIBS. El origen geográfico de las piedras preciosas es importante porque: 1) el valor de las piedras preciosas se basa en parte en su procedencia, y 2) los acuerdos destinados a limitar las violaciones de derechos humanos dependen de una determinación precisa de su procedencia. Las técnicas tradicionales que comparan similitudes compositivas de conjuntos de muestras relativamente pequeños en diagramas químicos de tres componentes arrojan resultados insatisfactorios. Utilizando LIBS, Kochelek et al. (2015) estudiaron 569 rubíes y zafiros de 21 ubicaciones en 11 países con tasas de predicción exitosa del 97.9% (zafiro) y 95.4% (rubí) para la mina de origen. Este enfoque tuvo éxito porque tanto el número de muestras como de variables era grande. La identificación de formaciones de cuevas de calcita bióticas y abióticas permite mapear la distribución espacial no solo de dónde están activas las bacterias actualmente sino también de dónde estuvieron activas en el pasado, un método potencialmente útil en la búsqueda de vida extraterrestre. Se analizaron muestras de calcita de la cueva Fort Stanton, Nuevo México, EE. UU., con unidades LIBS de escritorio y portátiles; Los modelos quimiométricos dieron como resultado tasas de predicción exitosas del 92% para ambos instrumentos. La medición rápida de nutrientes clave en los suelos podría permitir la personalización de fertilizantes para proporcionar solo los nutrientes que faltan en parcelas específicas Omer et al. (2020) calibraron LIBS y espectros visibles-infrarrojos cercanos para determinar las concentraciones de nutrientes clave en los suelos, lo que demuestra que LIBS proporciona buenas curvas de calibración. Finalmente, los materiales agregados utilizados en las carreteras afectan la calidad del pavimento. Una unidad LIBS automática analizó muestras de agregados de roca; Luego, el análisis quimiométrico extrajo propiedades de ingeniería de los espectros calibrados, algunas directamente relacionadas con la composición química. Se desarrollaron modelos exitosos para predecir la gravedad específica, la expansión durante la congelación/descongelación y las propiedades de fricción de los agregados, así como la identificación de materiales nocivos en los agregados. Estas aplicaciones ilustran el poder de esta tecnología para cambiar la forma en que pensamos sobre la calidad y las fuentes de los materiales que consumimos en nuestra vida cotidiana.

Contribución de LIBS a los recursos minerales: del análisis multielemental al mapeo mineralógico

Cécile Fabre; Universidad de Lorena / GeoRessources Los estudios mineralógicos y petrográficos requieren métodos analíticos capaces de subrayar la distribución de los elementos principales a los elementos traza dentro de las muestras geológicas. Los métodos convencionales EMPA (Electron Microprobe Analysis) y µXRF (X-Ray Fluorescence) utilizados para dicha investigación, pero en zonas restrictivas, están a punto de ser alcanzados por la técnica µLIBS (Espectroscopía de descomposición inducida por láser) que permite una rápida cartografía elemental en roca delgada. secciones o incluso muestras más grandes en condiciones ambientales. Este método espectroscópico con una velocidad de adquisición extremadamente rápida (hasta 1 kHz), bajos límites de detección, especialmente para elementos ligeros (a un nivel inferior a ppm), se adapta perfectamente para realizar imágenes multielementales de elementos principales a trazas y la posibilidad de escanear grandes superficies. (varios cm2) con una resolución microscópica (hasta 15 µm). Además, dado que es un método totalmente óptico, es bastante fácil acoplar otras modalidades de caracterización, como la imagen óptica, Raman o luminiscente. La discriminación mineral y los contenidos elementales relativos también están disponibles con la herramienta LIBS portátil en un área de observación milimétrica, directamente en la superficie de un afloramiento rocoso o cualquier sección de roca. En esta presentación, nos centraremos en investigaciones recientes sobre el desarrollo de imágenes LIBS para recursos minerales a través de diferentes temas: mapeo elemental (cuantitativo o no), discriminación o identificación mineralógica, correlación entre resultados multielementales y observaciones moleculares (es decir, Raman o luminiscencia ) obtenido con la misma configuración LIBS, aumento de la adquisición de espectros (hasta kHz) con una extensión de la superficie de la muestra. En efecto, si la correlación de dos/tres mapas elementales se puede completar mirando (con nuestros ojos) los mapas, cuando el número de datos es demasiado importante, la contribución de las técnicas quimiométricas puede ser fundamental.

Análisis cuantitativo de flúor en muestras geológicas con espectroscopia de descomposición inducida por láser portátil

Gabrielle Lambton; SciAps Resultados cuantitativos precisos, repetibles y rápidos de flúor obtenidos con un analizador LIBS portátil. La espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) es una herramienta útil para el análisis de muestras geológicas debido a la amplia gama de elementos detectados. Este estudio utilizó un sistema LIBS portátil para la cuantificación de flúor en muestras geológicas. Los modelos de calibración empírica se construyeron utilizando un software avanzado basado en PC, Profile Builder, para recopilar datos cuantitativos. Esta investigación analiza los espectros LIBS recopilados en entornos tanto de He como de Ar. Las muestras utilizadas incluyen mineral de Cu-Au que contiene 340-72,500 XNUMX ppm de F. El flúor puede ser difícil de detectar en un espectro LIBS debido a su alta energía de excitación, lo que da como resultado una emisión débil de las líneas F atómicas. El flúor es común en muestras geológicas que contienen Ca. Durante las últimas etapas de la formación de plasma LIBS, F se recombinará con Ca para formar moléculas con bandas de emisión molecular características. Este estudio usó bandas moleculares de CaF para construir una calibración empírica para F y los resultados se compararon con una calibración construida usando líneas de emisión atómica de F. La precisión y el límite de detección de F mejoraron usando bandas moleculares de CaF versus líneas de emisión atómica de F. Las relaciones señal-fondo mejoraron cuando los plasmas se formaron en He en comparación con Ar, mientras que las intensidades espectrales aumentaron para los plasmas formados en Ar. Las calibraciones realizadas a partir de plasmas formados en He (frente a Ar) proporcionaron resultados cuantitativos marginalmente mejores para F. Esta investigación presenta datos que muestran que se pueden obtener resultados cuantitativos precisos, repetibles y rápidos de flúor con un analizador LIBS portátil.

Aplicaciones Ambientales y Culturales

Optimización de la instrumentación portátil LIBS para el análisis de sitios arqueológicos e históricos y su entorno

Vicente Palleschi, Bruno Cocciaro, Olga De Pascale, Giorgio Senesi; CRN, ItaliaEl estudio de los asentamientos arqueológicos e históricos en su contexto ambiental natural es extremadamente importante en la perspectiva de la arqueología ambiental, la disciplina que tiene como objetivo la reconstrucción de ambientes antiguos mediante la investigación arqueo y paleobotánica. En ese marco, es fundamental desarrollar y utilizar instrumentación portátil para el análisis de los materiales geológicos, biológicos y arqueológicos de interés. La espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) tiene, en principio, todas las características de sensibilidad y eficiencia para ser utilizada eficazmente en este tipo de estudios. Sin embargo, el requisito de portabilidad se refleja en un rendimiento analítico más deficiente de los instrumentos LIBS portátiles con respecto a sus equivalentes de laboratorio. En esta charla discutiremos los procedimientos que se pueden desarrollar para mejorar el tratamiento de los espectros LIBS adquiridos con instrumentación portátil en el estudio de muestras arqueológicas y ambientales.

Clasificación estadística de restos mezclados mediante LIBS portátiles

kristen livingston, Matthieu Baudelet, Jonathan Bethard, Katie Zejdlik-Passalacqua; Universidad de Florida Central, Universidad del Sur de Florida, Universidad de Carolina Occidental La tecnología LIBS desplegable en campo acelera la reasociación de individuos dentro de restos humanos mezclados. La mezcla de restos humanos es una situación desafiante tanto en contextos forenses como arqueológicos. Los elementos esqueléticos de múltiples individuos se mezclan y requieren clasificación o reasociación a sus respectivos individuos. Esta tarea suele ser tediosa, si no desalentadora, cuando se emplean métodos osteométricos físicos y/o visuales. Sin embargo, los rasgos físicos no son el único factor de discriminación útil entre los huesos de los individuos. Su perfil químico también puede variar de persona a persona. Este estudio evalúa si estas diferencias en la composición química de los restos óseos pueden clasificar únicamente los huesos en sus respectivos grupos individuales. La espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) es el método analítico de elección para obtener dichos perfiles químicos de los huesos. No requiere preparación de la muestra y genera rápidamente un espectro de emisiones ópticas representativo de la composición de la superficie de la muestra. Además, LIBS es casi no destructivo; no hay indicación visible de que se haya eliminado material de la superficie del hueso. Finalmente, la tecnología LIBS está disponible en instrumentos portátiles desplegables en campo. Dado que gran parte del trabajo en antropología y bioarqueología se lleva a cabo en el campo, la instrumentación portátil es fundamental para un análisis eficaz y eficiente. Este estudio simula el análisis de fosas comunes y la reasociación de restos mezclados a partir de la información química proporcionada por los espectros LIBS de huesos. Se construye un conjunto completo de datos mediante la adquisición de espectros a través de un gran subconjunto de huesos, cada uno de múltiples restos individuales conocidos obtenidos en las instalaciones de descomposición. Los modelos estadísticos se construyen y prueban posteriormente con aprendizaje automático supervisado. Junto con las técnicas de reducción de datos, los algoritmos de análisis discriminante, como LDA y PLS-DA, pueden hacer coincidir con éxito un hueso no clasificado con el individuo al que pertenece. Esta técnica se muestra prometedora como una herramienta que ayuda a los bioarqueólogos y antropólogos forenses en la clasificación de restos humanos mezclados. El análisis espectral de huesos 248 utilizando sistemas LIBS portátiles tiene un gran potencial para acelerar la reasociación de individuos dentro de ensamblajes esqueléticos.

Presentación de póster: Aplicación de LIBS portátiles y XRF al análisis de artefactos arqueológicos: premio al mejor póster de estudiante

Magdalena E. Jackson, Kristen Livingston, Mary Kate Donais, Matthieu Baudelet, Jacob T. Shelley, Douglas Perrelli; Instituto Politécnico Rensselaer, Universidad de Florida Central, St. Anselm College, Universidad Estatal de Nueva York en BuffaloLa espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) y la fluorescencia de rayos X (XRF) proporcionan una composición elemental rápida de muestras sólidas. Estas técnicas tienen aplicaciones en arqueología para la diferenciación de especímenes similares no identificados. Sin embargo, la arqueología a menudo se practica sin el uso de instrumentación analítica. El análisis elemental puede respaldar las excavaciones arqueológicas al complementar los métodos de campo tradicionales con información empírica. Además, los instrumentos portátiles LIBS y XRF ofrecen la capacidad de realizar análisis in situ e informar la dirección de una excavación. En este póster, se presentan los resultados de dos proyectos de arqueometría que exploran el uso de instrumentos portátiles de análisis elemental. En un caso, se usó LIBS portátil para analizar huesos humanos mezclados para organizar esqueletos. Los métodos subjetivos y propensos a errores se utilizan típicamente para identificar y separar restos óseos mezclados. Se plantea la hipótesis de que LIBS puede proporcionar una complementación confirmatoria viable de este proceso. El primer paso para determinar la viabilidad de esta aplicación fue compilar un conjunto de datos de espectros LIBS a partir de un conjunto de esqueletos distintos. Se usaron restos óseos de la isla Sai, Sudán, para generar muestras de huesos preseleccionados y sitios predeterminados en cada hueso. Se recogieron más de 126 medidas de diez esqueletos. El conjunto de datos, que consta de espectros e información del sitio esquelético, se analizó utilizando métodos de reconocimiento de patrones para discriminar entre esqueletos individuales. El propósito es mostrar que LIBS es un método viable para asignar restos óseos mezclados a personas con o sin confianza en la vista o en forma. En otro ejemplo, se usó XRF portátil para examinar artefactos en el sitio de excavación del antiguo Cataract House Hotel en Niagara Falls, Nueva York. Se recolectaron espectros múltiples de dos paredes de yeso, que se cree que se construyeron durante adiciones separadas al hotel. El análisis de los espectros XRF reveló contenidos elementales únicos, proporcionando evidencia para respaldar esta hipótesis y vincular las recetas de yeso con períodos de tiempo específicos. Las mediciones de laboratorio XRF y LIBS de estas muestras corroboraron los resultados de campo. Las muestras adicionales recolectadas del sitio incluyeron escamas de pigmento verde, que se analizaron utilizando varios métodos espectroscópicos, incluidos XRF, Raman y espectroscopia infrarroja, para revelar información sobre el origen del pigmento.

Enfoques avanzados

Uso de LIBS para caracterizar aleaciones de alta entropía para entornos extremos

Prasoon K. Diwakar, Bharat Jasthi, Nicolás E. Pugh; Escuela de Minas de Dakota del Sur, Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur Aplicación novedosa de LIBS para aleaciones de alta entropía Las aleaciones de elementos principales múltiples (MPEA) y las aleaciones de alta entropía (HEA) son una clase de material que ahora se usa cada vez más en entornos extremos debido a sus propiedades superiores. Cuando se opera en condiciones que pueden causar que el material falle de manera inusual, es importante saber qué está sucediendo con la estructura del material en tiempo real. En este estudio, MPEA AlNbTaTiZr se sintetizó mediante fusión por arco y se utilizó espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) para analizar y determinar diversas propiedades de MPEA. Al analizar los espectros LIBS de MPEA, la presencia de varios elementos más ligeros puede provocar un efecto de matriz. Es importante determinar cuándo y dónde puede ocurrir un efecto de matriz con varias técnicas basadas en láser, como LIBS. Las muestras que se crearon y probaron estaban hechas de metales de alta pureza (Al, Nb, Ta, Ti y Zr) o concentraciones equimolares de alta pureza de AlTi, AlNbTi, AlNbTiZr y AlNbTaTiZr. Se demostrará que había un efecto de matriz presente cuando se añadía titanio al aluminio y viceversa, pero en menor grado cuando se añadían otros componentes. Usando el análisis espectral LIBS, se extrajeron varias propiedades de los materiales, incluida la microdureza. Se presentarán más detalles y mecanismos de análisis LIBS MPEAs de aleaciones de alta entropía.