Descripción física del plasma de un sistema de espectroscopía LIBS y su aplicación a la detección de cadmio y plomo en muestras de suelo

Abstract

El presente trabajo de tesis describe el plasma generado en la técnica de espectroscopía inducida por láser (LIBS) y su aplicación a la detección de cadmio y plomo en muestras de suelos. Se aborda la interacción láser-muestra, la formación del plasma, la emisión de radiación y la ablación del material y el modelo de equilibrio termodinámico local. Se desarrolla un protocolo para preparar estándares en muestras de suelo con concentraciones conocidas de cadmio (50-1000 ppm) y plomo (1000 - 10 000 ppm). Las muestras extraídas de los jardines de la sección Física de la Pontificia Universidad Católica del Perú son secadas, trituradas, pulverizadas, tamizadas, enriquecidas con soluciones de CdCl2·H2O y Pb(NO3)2 y prensadas en pastillas. El arreglo experimental incluye un láser pulsado, un sistema óptico, un espectrómetro, sincronización electrónica y un soporte rotatorio que permite que cada pulso incida en zona diferente y genere un espectro LIBS. Se identifica líneas de emisión de cadmio (214,439 nm, 226,502 nm y 228,802 nm) y de plomo (405,708 nm), así como otras de hierro, magnesio, calcio, aluminio, silicio y titanio. Sobre los espectros, se descartan los 150 primeros y se aplican técnicas de eliminación de datos atípicos: uno basado en la desviación absoluta mediana para las pastillas con plomo y otro con la distancia de Mahalanobis para las que contienen cadmio. Se elabora curvas de calibración con las intensidades y áreas bajo las líneas de emisión y se reporta coeficientes de determinación cercanos a uno y, bajos límites de detección y cuantificación. La metodología muestra buena repetibilidad y efecto matriz variable para diferentes muestras. Finalmente, los resultados se validan con espectroscopía de absorción atómica.

This thesis describes the plasma generated by the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique and its application to the detection of cadmium and lead in soil samples. It addresses the laser-sample interaction, plasma formation, radiation emission, material ablation, and the local thermodynamic equilibrium model. A protocol is developed to prepare standards in soil samples with known concentrations of cadmium (50-1000 ppm) and lead (1000 -10 000 ppm). The samples, extracted from the gardens of the Physics section at the Pontifical Catholic University of Peru, are dried, crushed, pulverized, VLHYHG HQULFKHGZLWK&G&Oၷā+ၷ2DQG3E 12ၸ ၷVROXWLRQV DQGSUHVVHGLQWRSHOOHWV The experimental setup includes a pulsed laser, an optical system, a spectrometer, electronic synchronization, and a rotating support that allows each pulse to hit a different area and generate a LIBS spectrum. Emission lines of cadmium (214,439 nm, 226,502 nm, and 228,802 nm) and lead (405,708 nm) are identified, as well as others from iron, magnesium, calcium, aluminum, silicon, and titanium. From the spectra, the first 150 are discarded, and outlier removal techniques are applied: one based on the median absolute deviation for lead pellets and another using the Mahalanobis distance for cadmium pellets. Calibration curves are created with the intensities and areas under the emission lines, reporting coefficients of determination close to one and low detection and quantification limits. The methodology shows good repeatability and variable matrix effects for different samples. Finally, the results are validated with atomic absorption spectroscopy.