Oceanic laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)development and application for the analysis of submerged solids

Resumo

Hoy en día, la caracterización del patrimonio cultural subacuático se ha convertido en una de las áreas más interesantes de la arqueología. El mar Mediterráneo es rico en restos arqueológicos debido a tormentas, accidentes y batallas navales desde tiempos prehistóricos y sólo en el sur de España ya se localizan varios cientos de yacimientos submarinos. Los valores históricos y culturales y el impacto económico de estos hallazgos hacen necesaria la existencia de mecanismos de control para ayudar a la preservación del patrimonio cultural. Así como, la información química extraída de las materias primas utilizadas en la antigüedad y la tecnología empleada en la producción de objetos arqueológicos resulta fundamental para una mejor comprensión de los acontecimientos históricos. Sin embargo, a veces extraer este material de su entorno no es posible debido al tamaño de la muestra, o no está permitido por la legislación o las prácticas de conservación. De hecho, el análisis in situ se convierte en la única alternativa para obtener la información de composición química del objeto. En este contexto, la Espectroscopía de Plasmas Inducidos por Láser (LIBS) proporciona una solución para este problema, ya que combina muchas de las características necesarias para esta aplicación, incluyendo información multi-elemental, no necesita preparación de muestras, capacidad ilimitada de material y análisis en tiempo real. De hecho podría ser posible utilizar varias configuraciones de trabajo tales como: i) un instrumento LIBS remoto basado en la transmisión de radiación láser utilizando un cable de fibra óptica. ii) un instrumento LIBS operado a distancia que implique la entrega de un pulso láser enfocado hacia la muestra a través del medio acuoso y luego la transmisión de la luz emitida por el plasma inducido por láser de nuevo vuelva al sistema de detección. Ambas alternativas son muy desafiantes y motivan la realización de esta Tesis que se divide en dos partes principales. Parte I se centra en la configuración de un sistema LIBS remoto capaz de realizar análisis LIBS en yacimientos arqueológicos hasta 50 metros de profundidad. En este sentido se evalúa la estabilidad y robustez, así como la adaptación al medio marino, del instrumento LIBS remoto. Se optimizan las condiciones operativas necesarias para obtener, en condiciones extremas, datos analíticos útiles para identificar y preservar el patrimonio cultural sumergido. Así como se diseña, construye y evalúa un método discriminatorio que permita la clasificación in situ de los objetos más comunes que se encuentren en un naufragio. Parte II se evalúa en laboratorio la viabilidad de diseñar un instrumento operado a distancia utilizando la técnica LIBS para el análisis de objetos situados en un entorno de profundidad oceánica. En esta sección se presta especial atención en el efecto de la presión hidrostática en aspectos fundamentales para la formación de plasma y los fenómenos posteriores a la formación de plasma en muestras sólidas sumergidas, así como en la señal de emisión de la misma. Con el objetivo de aumentar la calidad espectral se ha evaluado una configuración de excitación de doble pulso, así como, se han optimizado los parámetros operacionales tales como longitud de onda, la energía por impulso y la geometría de recolección entre otros. 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 de muestras arqueológicas sumergidas situadas a media y alta profundidad.