New insights into the chemistry of laser-induced plasmas. Cutting edge strategies for sensing and characterization of molecular solids
- Autores: Jorge Serrano Rojas
- Directores de la Tesis: José Javier Laserna Vázquez (dir. tes.), Javier Moros Portolés (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Rull Pérez (presid.), Jose Miguel Vadillo Perez (secret.), Carmen Cecilia García Pérez (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RIUMA
- Resumen
Desde su origen, la espectroscopia de plasmas inducidos por láser, más conocida por su acrónimo inglés LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) ha sido empleada principalmente para la detección y cuantificación multielemental en el análisis de materiales inorgánicos. Sin embargo, su aplicación al análisis y caracterización de compuestos orgánicos ha ido creciendo en popularidad debido a las atractivas características que dicha técnica ofrece. Entre ellas, destacan su potencial para realizar análisis in-situ de todo tipo de muestras (sólidos, líquidos y gases) sin necesidad de llevar a cabo una preparación previa de las mismas, su capacidad de detección simultánea y multielemental, su alta velocidad de análisis, y la posibilidad de su implementación en equipos portátiles y de detección a distancia. La presente Tesis Doctoral aborda el análisis de compuestos orgánicos mediante LIBS desde dos vertientes. De un lado, se han realizado exploraciones fundamentales destinadas a la comprensión de los fenómenos de ablación en este tipo de compuestos, de los mecanismos de ruptura de dichas moléculas y de la química de los plasmas inducidos por láser, principalmente, en la formación de las distintas especies responsables de las respuestas de emisión óptica. En este contexto, se han desarrollado investigaciones para la obtención de un mayor conocimiento de los procesos físico-químicos que tienen lugar desde la generación del plasma hasta su extinción. También se evalúa la influencia de las distintas propiedades del pulso láser (energía, longitud de onda y duración) sobre estos procesos, y en consecuencia, en los patrones ópticos de emisión. Además, se han llevado a cabo exploraciones para intentar descifrar algún tipo de relación entre los patrones de emisión óptica de sólidos moleculares y su estructura química. De forma paralela, y desde un punto de vista analítico, la técnica LIBS ha sido empleada para la caracterización e identificación de compuestos orgánicos en distintos campos de aplicación. Así, se valoró la capacidad de LIBS como herramienta para la caracterización de materiales nanométricos de carbono en un estudio dirigido a la caracterización de grafeno, así como su potencial en el reconocimiento de compuestos explosivos.
En lo relativo a los estudios fundamentales, los resultados han revelado que la estructura química de los compuestos orgánicos y sus propiedades (aromaticidad, efectos inductivos y resonantes, geometría, etc.) tienen un efecto crucial en el proceso de ablación láser y, en consecuencia, en los perfiles de emisión. Además, las principales rutas de formación de los radicales emisores CN, C2, NH, CH y OH, con frecuencia presentes en plasmas de orgánicos, han sido descifradas. Por otra parte, entre los hallazgos obtenidos a partir de la evaluación de los parámetros operacionales destaca la influencia de la duración del pulso láser en el proceso de ablación. El empleo de pulsos de femtosegundos, en sustitución de la típica irradiación con pulsos de nanosegundos, demostró proporcionar una mayor correspondencia entre los perfiles ópticos de emisión y la estructura molecular de los compuestos orgánicos. De esta forma, el uso de pulsos ultracortos supondría una herramienta mucho más selectiva para el análisis e identificación de muestras orgánicas en distintos campos de aplicación.
Por una parte, los resultados obtenidos ponen de manifiesto la posibilidad de caracterizar materiales de carbono (grafeno y otros materiales grafíticos) en base a los distintos perfiles temporales manifestados por las emisiones ópticas de los plasmas inducidos por láser.
Finalmente, gran parte de la investigación presentada en esta Tesis Doctoral fue enfocada a la implementación de la técnica LIBS como herramienta para la detección de residuos explosivos. La combinación de la técnica LIBS con el uso de herramientas quimiométricas avanzadas (reconocimiento de patrones y máquinas de aprendizaje) ha permitido identificar y diferenciar con precisión la presencia de residuos inocuos y explosivos depositados sobre sustratos de distinta naturaleza. Esta estrategia ha demostrado ser efectiva en situaciones bien definidas, es decir, para un conjunto bien acotado de residuos y sustratos.
En resumen, los resultados obtenidos en el presente trabajo de investigación suponen un paso hacia adelante en el uso de la técnica LIBS como herramienta para el análisis y caracterización de compuestos orgánicos.
