LIBS para coleções de museus: perguntas e respostas com Russell Harmon

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No artigo recente, "Analysis of Garnet by Laser-Inposed Breakdown Spectroscopy - Two Practical Applications" (Minerals 11, 705 (2021)), os Drs. Russell Harmon, Michael Wise, Richard Hark e Ph.D. O estudante Peter Defnet avaliou duas aplicações práticas do LIBS que poderiam ser implementadas com um analisador LIBS portátil no local em um museu ou durante o trabalho de campo geológico.

Em um esforço para aprofundar o significado do estudo, o Dr. Harmon nos informou sobre o trabalho passado, presente e futuro com granadas e a importância do SciAps handheld LIBS para impressões digitais geoquímicas e coleções de museus em geral. Harmon é professor associado adjunto do Departamento de Ciências Marinhas, Terrestres e Atmosféricas da North Carolina State University.

P: Você pode nos dar uma explicação rápida sobre o que é impressão digital geoquímica?

Russel Harmon: Cada material tem uma composição química única, e isso pode ser decifrado a partir de sua assinatura espectral LIBS. A impressão digital geoquímica não é uma análise quantitativa, que requer padrões correspondentes de matriz. Em vez disso, a impressão digital geoquímica é uma técnica de análise rápida qualitativa que compara todas as informações nos espectros de banda larga LIBS sobre a composição elementar para diferenciar os materiais.

Com base nessa ideia, um grande número de espectros LIBS foi adquirido para as seis classes diferentes de granadas – almandina, andradita, grossular, piropo, espessartina e uvarovita – e então usamos análise de sinal sofisticada para um processamento estatístico dos dados espectrais para ver se poderíamos diferenciar essas classes. Essa abordagem foi altamente bem-sucedida. O próximo passo é construir uma biblioteca espectral dos diferentes tipos de granadas, de modo que, quando apresentada a uma granada de tipo desconhecido ou incerto, seu espectro LIBS possa ser comparado à biblioteca para verificar se ela pertence ou não a uma das seis granadas aulas na biblioteca.

Podemos aplicar esta técnica a outros materiais geológicos também.

Um artefato de obsidiana vem de uma fonte específica? Esta amostra de columbita tantalita vem da República Democrática do Congo, onde foi extraída ilicitamente, ou vem de um desses outros dez lugares no mundo onde sabemos que os minerais estão sendo extraídos de forma legítima? A qual formação calcária em sequência estratigráfica pertence esse afloramento isolado?

Os geólogos de campo geralmente se deparam com essas e muitas questões semelhantes, e a LIBS pode ser uma ferramenta útil para fornecer uma resposta conveniente.

‍Q: Por que você usou granadas para este estudo?

Russel Harmon: Garnet é um mineral mineralogicamente direto com a fórmula geral X3Y2Si3O12, onde o sítio X divalente contém tipicamente Mg, Fe2+ ou Ca e o sítio Y trivalente contém Al, Cr ou Fe3+. Assim, pensamos que seria fácil usar a análise quimiométrica dos espectros LIBS para distinguir entre os seis tipos comuns de granada – granada FeAl (almandina), granada MgAl, granada MnAl (espessartina), granada CaAl (grossular), granada CaFe (andradita) , e granada CaCr (uvarovita). Escrevemos o primeiro artigo sobre granadas em 2010, usando um sistema LIBS de laboratório e minha coleção pessoal de granadas. Eu tinha um cadete de West Point que precisava de um projeto de pesquisa de verão. Dan estava interessado no lado do processamento de dados matemáticos de tudo isso, então, na época, consideramos isso um pouco como um 'problema de brinquedo', pois, embora os seis tipos de granada venham em muitas cores diferentes, cada espécime tinha uma etiqueta de tipo. Publicamos essas descobertas em 2010 na Applied Optics, “Digitalização geoquímica baseada em espectroscopia de quebra induzida por laser para análise e discriminação rápidas de minerais: o exemplo da granada” (Daniel Alvey, Russell Harmon, et al. https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-49-13-C168)

Essa é a base do que Richard (Hark) e eu fizemos alguns anos depois, quando usamos o primeiro analisador portátil da SciAps, o Z-500, para ver se poderíamos obter resultados semelhantes, o que conseguimos. (Impressão digital geoquímica por espectroscopia de quebra induzida por laser portátil, 2017). Esses dois estudos levaram ao atual estudo de granada publicado em Minerais (2021), que teve início quando Richard e eu começamos a trabalhar com Michael Wise no Departamento de Mineralogia da Museu Smithsonian de História Natural e contou a ele sobre os estudos de granada. Então, decidimos passar por sua coleção de granadas. Michael estava usando análise de microssonda eletrônica para granada quantitativa e reconheceu alguns erros de classificação. Assim, cerca de 200 granadas foram examinadas tanto pelo EMP quanto pelo LIBS. Para nossa surpresa, descobrimos que cerca de 30 por cento das granadas foram mal classificadas, os rótulos das amostras estavam errados.

‍P: Isso é uma análise rápida. E muita rotulagem errada!

Russel Harmon: Bem, historicamente, as coleções de museus contam com trilhas de papel e aceitam doações de minerais com o rótulo que acompanha os espécimes. Isso é o que torna o estudo único.

O LIBS portátil pode ver o que realmente está lá, no local em tempo real. É uma abordagem totalmente nova para autenticação.

Em seguida, estamos planejando levar o Z-300 para o Museu Peabody em Yale onde existem 800 granadas na coleção e apenas cerca de um quarto delas tem rótulos. Por causa do trabalho que fizemos no Smithsonian, o curador da coleção mineral gostaria de verificar a veracidade desses rótulos e identificar os outros.

‍P: Por que usar o LIBS em vez dos outros métodos?

Russel Harmon: Bem, é necessário muito tempo para preparar amostras minerais para análise por abordagens laboratoriais tradicionais, como análise EMP.

Você pode analisar apenas 20-30 em uma semana. Mas o LIBS pode fazer centenas de análises por dia.

O LIBS é uma ferramenta analítica, sem o risco de radiação associado ao XRF portátil, e pode percorrer uma coleção de minerais muito rapidamente, apenas abrindo uma gaveta do armário e analisando rapidamente seu conteúdo para ver como as amostras estão rotuladas, já que temos um boa biblioteca espectral como base para a comparação. E o mais interessante é que isso pode ser feito com muitos outros minerais em coleções de museus que possuem químicas complexas. Acho que alguém descobriria que muitos dos minerais simplesmente não foram identificados corretamente.

Os museus também podem usar o LIBS para analisar muitos tipos diferentes de artefatos em suas coleções arqueológicas, como madeira, cerâmica, fragmentos de cerâmica, obsidiana, ossos, moedas antigas, realmente qualquer tipo de artefato.

‍SciAps, Inc. é um fabricante líder de analisadores portáteis de XRF e LIBS, capaz de medir praticamente todos os elementos, em quase todos os materiais. Esses instrumentos inovadores têm expandido as aplicações para medições portáteis e em campo de elementos, minerais e compostos em todas as principais indústrias do mundo. Assine nossa lista de e-mail ser o primeiro a ouvir sobre este mundo em expansão da análise portátil, ou entre em contato conosco para falar com um de nossos especialistas do setor.