Anales AFA Vol. 31 Nro. 4 (Enero 2021 - Abril 2021) 135-138
https://doi.org/10.31527/analesafa.2020.31.4.135
Óptica y Fotofísica
APLICACIÓN DE LA TÉCNICA LASER INDUCED BREAKDOWN
SPECTROSCOPY A LA DETECCIÓN DE Cl EN ACELGA PARA INFERIR LA
PRESENCIA DE PLAGUICIDAS
APPLICATION OF THE LASER INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY
TECHNIQUE TO THE DETECTION OF Cl IN CHARD TO INFER THE
PRESENCE OF PESTICIDES
L. J. Martino*
1
y C. A. D’Angelo
1
1
Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA
- CONICET - UNCPBA), Tandil, Argentina.
Autor para correspondencia: email: lumartino91@gmail.com
ISSN 1850-1168 (online)
Recibido: 02/07/2020 Aceptado: 22/07/2020
Resumen:
Los residuos de plaguicidas en alimentos son una amenaza para su consumo. Sin embargo detectar los
residuos en forma rápida y directamente sobre la muestra es un trabajo complejo. En este trabajo, se
explora la aplicación potencial de la técnica Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) para la
medición rápida de residuos de plaguicidas (imidacloprid, cipermetrina y clorpirifos) en hojas de acelga
mediante el registro de la línea de emisión de Cl I (725.66 nm). Pueden observarse diferencias
significativas con respecto a la muestra control, evidenciando la aplicabilidad de esta técnica como una
potencial herramienta para el estudio de residuos de plaguicidas en matrices de alimentos.
Palabras clave: Laser Induced Breakdown Spectroscopy, cloro.
Abstract:
Pesticide residues in food are a threat to consumption. However, detecting residues quickly and directly
on the sample is a complex job. In this work, the potential application of the Laser Induced Breakdown
Spectroscopy (LIBS) technique for the rapid measurement of pesticide residues (imidacloprid,
cypermethrin and chlorpyrifos) in chard leaves is explored by registering the chlorine emission line
(725.66 nm). Significant differences can be observed with respect to the control sample, evidencing the
applicability of this technique as a potential tool for the study of pesticide residues in food matrices.
Keywords: Laser Induced Breakdown Spectroscopy, chlorine.
I. INTRODUCCIÓN
La técnica LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) es una técnica de diagnóstico sencilla. Se
trata de enfocar radiación láser dentro o en la superficie del medio en estudio, provocando una ruptura
dieléctrica originada por el fuerte campo eléctrico del pulso láser, que da información respecto de los
componentes del medio en cuestión.
1–3
En el microplasma formado se alcanzan temperaturas de
algunos eV y se obtienen densidades electrónicas altas, del orden de 10
17
electrones/cm
3
. En esas
condiciones el material se separa en sus componentes atómicos con alto grado de ionización
produciendo emisión intensa de luz, que puede ser analizada espectralmente para la detección de las
líneas de emisión características de los elementos que constituyen la muestra analizada.
El análisis de las líneas espectrales de emisión, propias de cada elemento, proporciona información
cualitativa y cuantitativa sobre las especies presentes en el plasma (iones, átomos neutros y moléculas
simples). La técnica LIBS posee la capacidad de realizar mediciones rápidas, in-situ y de varios
elementos simultáneamente, requiriendo muy poca o ninguna preparación previa de las muestras a
analizar. Sin embargo, existen ciertos elementos cuya detección a presión atmosférica es compleja,
como es el caso de los halógenos. Esta dificultad, es debida a las altas energías de los niveles
electrónicos excitados. Para la detección de halógenos se utilizan algunas técnicas, tales como la
espectroscopía de absorción atómica (AAS), la espectroscopía de emisión atómica de plasma acoplado
inductivamente (ICP-OES), la fluorescencia de rayos X (XFR), no obstante estas técnicas suelen
consumir una gran cantidad de tiempo, y la detección de Cl resulta compleja.
La detección de residuos de pesticidas en las superficies de alimentos mediante la técnica LIBS es un
nuevo método. Debido a que los plaguicidas poseen algunos elementos específicos, sus residuos
pueden medirse por inferencia de los elementos presentes. En este trabajo, se estudia un método de
detección de plaguicidas en la superficie de acelgas, cuyo elemento utilizado para su detección es el
registro de la línea de emisión de Cl I (725.66 nm). La detección se realiza bajo condiciones de baja
presión, en una celda realizada para tal fin.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Reactivos
Los plaguicidas en los cuales se va a detectar la presencia de Cl son: clorpirifos (C
9
H
11
Cl
3
NO
3
PS),
imidacloprid (C
9
H
10
ClN
5
O
2
) y cipermetrina (C
22
H
19
Cl
2
NO
3
), los mismos son utilizados como
insecticidas en la producción de cultivos.
Preparado de muestras
Para este estudio se seleccionaron muestras de acelga (Beta vulgaris var. Cicla) obtenidas de una huerta
donde se lleva a cabo una producción orgánica, sin la aplicación de plaguicidas o fertilizantes que
pudieran provocar interferencias en las mediciones.
Para preparar las muestras contaminadas con los diferentes plaguicidas, las acelgas frescas se
sometieron a un lavado bajo agua de red con el fin de eliminar restos de suciedad y microorganismos
que pudieran quedar sobre la superficie. Luego se procedió a un lavado con agua destilada, y se secaron
en un horno a 60
∘
C hasta peso constante. Una vez obtenida una muestra seca, ésta fue pulverizada y
tamizada bajo un tamiz de 60 mesh (250
m) para obtener tamaños de partículas homogéneos. Luego,
2.5 g de acelga pulverizada fue mezclado y homogeneizado con 0.75 mL de cada plaguicida y se
dejaron secar a temperatura ambiente. Se prepararon pellets mediante un compactador a 100 MPa por 1
min, con un tamaño aproximadamente de 3 cm de diámetro y 0.2 cm de espesor. Mediante este proceso
también se preparó una muestra de acelga con agua destilada con fines de control.
Experimental LIBS
En la Fig. 1 se presenta un esquema del equipo experimental utilizado. Está constituido por un láser
Nd: YAG Q-switched pulsado (Continuum Surelite II), que emite en la longitud de onda fundamental
de 1064 nm, ancho de pulso ≈ 7 ns, con una tasa de repetición de 2 pulsos/s, y una energía 100
mJ/pulso.
FIG. 1: Esquema experimental LIBS.
Los pulsos láser fueron enfocados sobre la superficie de las muestras a baja presión y en dirección
normal, con una lente (L1) de 100 mm de longitud focal.
Las muestras a ser analizadas, se ubicaron en un soporte rotativo para evitar cráteres por ablación
dentro de una celda para generar plasma a baja presión.
La luz emitida por el plasma es colectada mediante una segunda lente (L2) de 200 mm de longitud
focal, que forma la imagen del plasma sobre la rendija de entradade un monocromador (JobinYvon
THR 1500, configuración Czerny-Turner, resolución de R = 300000 en doble pasaje a
= 300 nm,
longitud focal 1.5 m). La dispersión se produce mediante una red de difracción holográfica de 2000
líneas/mm. Por otro lado, también se tiene una imagen del plasma formada por una lente L3 sobre una
pantalla para lograr un ajuste de alineación del plasma en forma visual.
La luz es detectada por un fotomultiplicador, (Hamamatsu modelo R928) colocado en la rendija de
salida del monocromador. La señal eléctrica del fotomultiplicador es discriminada en el tiempo y
promediada por un promediador Boxcar (Standford Research System, módulos SR 250, SR 280). La
señal registrada por el fototubo es resuelta temporalmente con determinados tiempos de retardo post-
breakdown (coordinada con una señal trigger proveniente del láser) y tiempos de ventana adecuados.
Luego es promediada (promedio por cada tres muestras), enviada a un convertidor analógico-digital, y
finalmente es registrada por una PC.
La señal final registrada está dada por la intensidad de luz medida en la ventana temporal seleccionada.
Para analizar una porción del espectro se hace un barrido de una determinada zona espectral, mediante
la rotación de la red de difracción del monocromador con una velocidad adecuada. Esto permite hacer
registros espectrales con una resolución óptima en función de la cantidad de disparos láser.
Esta configuración experimental es muy eficaz para análisis muy detallados, especialmente para el
análisis de líneas muy débiles o difíciles de observar. Por otro lado, este arreglo permite el estudio de la
física de plasmas específicamente cuando es necesario el estudio de perfiles de líneas.
Obtención de señales LIBS
En los trabajos encontrados en la literatura,
4–6
demostraron que la detección de Cl en muestras se
realiza mediante el estudio de la línea de emisión 837.6 nm, sin embargo en este trabajo se eligió
estudiar la línea 725.66 nm debido a especificaciones del monocromador utilizado, el cual no permite
la visualización de líneas por encima de los 800 nm.
En la Tabla 1, se puede observar la línea de emisión seleccionada de Cl I conjuntamente con sus datos
espectroscópicos más importantes en la aplicación de la cuantificación por plasmas delgados.
7
TABLA 1: Información espectroscópica de la línea seleccionada para identificación de Cl en
plaguicidas.
El cloro al ser un halógeno es un elemento químico de compleja detección a presión atmosférica debido
a las altas energías de los niveles electrónicos excitados. Estudios previos,
6,8
determinan que para su
detección es necesario contar con un dispositivo de baja presión, de esta forma se produce un aumento
de la intensidad de emisión y de la relación señal/ruido. La mejora observada se debe principalmente a
la reducción de la protección del plasma, lo que resulta en una mayor ablación y un ensanchamiento
Stark menor debido al aumento del camino libre medio. Para esto se trabajó con una celda creada para
tal fin que permite llegar a estas condiciones experimentales utilizando una bomba mecánica que
alcanzaba una presión del orden de los 6-7 x 10
-2
mbar. En la Fig. 2 puede observarse claramente la
diferencia obtenida en el registro de línea de Cl I, en condiciones de presión atmosférica y baja presión,
para una muestra de acelga con clorpirifos.
FIG. 2: Perfil de línea de emisión de Cl I (725.66 nm) registrado con rendija de entrada y salida de 80
m, en condiciones de presión atmosférica y en baja presión.
Los tiempos óptimos post-breakdown para el registro de la línea de Cl I fueron obtenidos mediante un
estudio de la línea de emisión integrada a lo largo del tiempo. De esta forma, se registraron señales para
un tiempo de integración determinado, y se estudiaron las variaciones de intensidades a lo largo del
tiempo para encontrar condiciones experimentales donde el registro de línea sea más intenso, así la
intensidad es proporcional a la concentración del elemento en la muestra. Para la línea seleccionada se
eligió un rango de tiempo entre 50 ns a 1000 ns, con un tiempo de integración de 60 ns y un ancho de
rendija de entrada y salida del monocromador de 300
m en ambos casos, para asegurar integración
espectral completa de un perfil de línea. En la Fig. 3 se observa el registro neto, obtenido luego de
realizar la diferencia entre el promedio de tres mediciones, y un fondo donde se aseguró que fuera
obtenido en zonas donde no exista presencia de otros elementos posiblemente presentes en las
muestras.
FIG. 3: Registro de señal temporal de la intensidad neta de la línea de Cl I (725.66 nm).
Puede observarse de la Fig. 3 que la mayor diferencia se obtuvo alrededor de 150 ns, donde la
intensidad neta alcanza su mayor valor. Este tiempo de medición fue el elegido para realizar los
cálculos de registro de señal de Cl I en las muestras en cuestión, con un tiempo de integración de perfil
(gate time) de 4
s.
III. RESULTADOS
Para la adquisición de los registros de señales LIBS se implementó un nuevo método de medición, a fin
de mejorar y simplificar mediciones del tipo analíticas. Este método consistió en emplear el
monocromador de alta resolución como un espectrógrafo de integración por línea completa, de manera
que es posible integrar todo el perfil de una línea en cada plasma producido, sin detalles de la misma,
pero obteniendo la intensidad total. Para que la línea sea totalmente registrada por el fotomultiplicador,
se seleccionó un ancho de la rendija de salida acorde a la dispersión lineal del monocromador en el
plano de la misma. En este caso, un ancho de rendija de 300
m equivale a unos 0.034 nm para la
longitud de onda de la línea elegida. Este es un valor adecuado tanto para la integración de la línea,
como para minimizar la componente del continuo fuera de ella. Esto permitió una análisis rápido, con
mínima destrucción de la muestra (menos disparos de láser), pero al mismo tiempo con mayor
adquisición de datos de intensidades de línea, para realizar una buena estadística y mejorar la limitación
de repetitividad de LIBS. De esta forma pudieron adquirirse 40 registros de señal de cada elemento en
cada muestra y también se obtuvieron fondos, con el fin de obtener un registro de señal neta de cada
elemento. Debido a las diferencias de matriz por propiedades diferentes entre los plaguicidas, fue
necesario realizar un procesamiento de los datos. Para esto, se llevó a cabo una normalización de los
registros de línea obtenidos, con la función de obtener los datos en la misma escala, se normalizaron los
datos con respecto a un fondo medido. Lo descrito anteriormente puede observarse en la Fig. 4.
De la Fig. 4 pueden evidenciarse diferencias entre las líneas netas registradas a través de la medición de
la técnica LIBS en los plaguicidas en estudio, y a su vez también puede observarse la diferencia con
respecto a una muestra control que solamente estaba formada por acelga y no posee Cl. En el caso del
clorpirifos, que posee un total de 30.33% de Cl en su molécula, a diferencia de la cipermetrina y el
imidacloprid que sólo poseen un 17.03% y 13.86% de este elemento, se observa la mayor intensidad y
diferencia en relación a la muestra control.
FIG. 4: Registros de líneas de emisión de la línea Cl I (725.66 nm) en muestras de acelga
contaminadas con plaguicidas y la muestra control.
IV. CONCLUSIÓN
En este trabajo se pudieron estudiar registros de líneas de emisión de Cl I (725.66 nm) en muestras de
acelga contaminadas con clorpirifos, imidaclorpid y cipermetrina. A partir de un análisis previo y la
utilización de un esquema experimental adecuado para el registro de líneas complejas, se obtuvo el
tiempo post-breakdown más óptimo, en función de un análisis temporal del perfil de línea seleccionada.
El método no requiere preparado de muestras mediante largas técnicas con producción de desechos
peligrosos. A partir de este estudio es posible inferir la presencia de plaguicidas en muestras preparadas
con acelga a partir de la comparación con una muestra control. Siendo esto, un primer indicio de la
detección de plaguicidas en muestras vegetales mediante la técnica LIBS.
REFERENCIAS
[1] D. A. Cremers y L. J. Radziemski. Laser - Induced Plasmas and Applications (CRC Press, 1989).
[2] A. W. Miziolek, I. Schechter y V. Palleschi. Laser Induced Breakdown Spectroscopy.
Fundamentals and Application (Cambridge University Press, 2006).
[3] D. A. Cremers y L. J. Radziemsky. Handbook of Laser - Induced Breakdown Spectroscopy (Jhon
Wiley & Sons, Ltd, 2006).
[4] X. Zhao, C. Zhao, X. Du y D. Dong. Detecting and Mapping Harmful Chemicals in Fruit and
Vegetables Using Nanoparticle-Enhanced Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Sci. Rep. 9, 906
(2019).
[5] X. Du, D. Dong, X. Zhao, L. Jiao, P. Hana e Y. Langa. Detection of pesticide residues on fruit
surfaces using laser induced breakdown spectroscopy. RSC Adv. 5, 79956-79963 (2015).
[6] M. Tran, Q. Sun, B. W. Smith y J. D. Winefordner. Determination of F, Cl, and Br in Solid Organic
Compounds by Laser-Induced Plasma Spectroscopy. Appl. Spectrosc. 55, 739-744 (2001).
[7] A. Corney. Atomic and Laser Spectroscopy (Clarendon Press, 1977).
[8] A. J. Effenberger y J. R. Scott. Effect of atmospheric conditions on LIBS spectra. Sensors 10, 4907-
4925 (2010).
