CELDA DE ABLACIÓN CRIOGÉNlCA CON CONTROL DE LA TEMPERATLRA DE LA MUESTRA
La presente invención se refiere a una celda de ablación con control de la temperatura de la muestra que comprende una tapa superior extraíble, una base de la celda que a su vez comprende en su interior un sistema de refrigeración interno, un sistema de refrigeración externo, un sensor de temperatura de la muestra, unos medios de control de la temperatwa y un sistema de ventilación externo. La celda de la presente invención se puede usar en combinación con otros dispositivos como, por ejemplo, un sistema de ablación láser acoplado a un sistema de plasma de acoplamiento inductivo con detección por espectrometría de emisión óptica o de masas.
La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se diseñen,
produzcan o utilicen celdas de ablación, como por ejemplo el de la maquinaria y equipo mecánico, geología, biología, medicina, arqueología o química.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La celda de ablación criogénica propuesta en la invención está estrechamente relacionada con un método analítico para la detección de elementos traza en muestras sólidas mediante el arrancado de material de la muestra empleando un haz láser. Para la detección de los elementos de interés, una muestra a analizar se dispone en un sistema de ablación láser para ser sometida al arrancado de material por impacto del haz láser sobre su superficie. Posterionnente, el aerosol generado a partir de la muestra es transportado mediante un flujo de gas portador inerte (generalmente helio o argón) hacia un plasma de acoplamiento inductivo (ICP) donde se produce la atomización e ionización del aerosol, pennitiendo posterionnente la detección de los iones generados con un espectr6metro de masas (MS) .
Los componentes básicos de los que consta un equipo de ablación láser (LA)
ICP-MS son: un sistema láser, donde se incluye una óptica de guía del haz láser
(conjunto de lentes y espejos que conducen el haz láser hasta la superficie de la
muestra) y una celda de ablación donde se dispone la muestra a analizar, una interfase
paIa el transporte del aerosol generado y, finalmente, un instrumento ICP-MS. Desde
los primeros estudios realizados durante la década de 1980 (Gray AL "Salid samp/e
S introduction by laser ablation for inductively coupled plasma source mass
speelrometr y " Ana/yst 110 (1985) 551; Arrowsmith P, Hughes SK "Entrainmenl and
transporl o/Jaser ah/ated plumes for suhsequent elemental ana/ysis" Appl. Spectrosc.
42 (1988) 1231) , el interés por la técnica LA-ICP-MS ha ido en aumento, de tal modo
que actualmente se emplea para el análisis elemental e isotópico en una gran variedad
10 de materiales sólidos (Durrant SF, Ward NI "Reeenl bi%giea/ and errvironmenla/
app/ications oflaser ah/anan inductively coupled plasma mass spectromefrJl' J. Anal.
Al Spectrom. 20 (2005) 821; Pisonero J, Femandez B, Günther D "Critiea/ Revision
of GD-MS, LA-ICP-MS and SIMS as lnorganie Mass Speelromelrie Methods for
Diroet Solid Ana/ysis" J. Anal. At. Spectrom. 24 (2009) 1145; Fernandez B, Claverle
15 F, Pecheyran e, Donard OFX "Direct analysis 01salid samples by femlosecond laser
ah/a/ion induc/ive/y coup/ed plasma mass speclromelrJ!' Trends Anal. Chem. 26
(2007) 951) . Entre las principales ventajas de la técnica LA-ICP-MS se encuentran su
facilidad de manejo, su alta sensibilidad (los limites de detección están en el intervalo
comprendido entre los mglkg y nglkg) y un rango dinámico de hasta doce órdenes de
20 magnitud, lo que permite la adquisición simultánea de componentes mayoritarios,
minoritarios y traza. Además, otra de sus principales características es la elevada
resolución espacial, tanto lateral (-5 ~m) como en profundidad (del orden
comprendido entre 500 nm y 2 ~m dependiendo del tipo de láser empleado) , por lo
que se considera una técnica no destructiva a nivel macroscópico.
25 Un. de las aplicaciones más importantes de la técnica LA-ICP-MS en los
últimos afios está relacionada con los estudios de "imaging". Esta técnica ofrece la
posibilidad de obtener imágenes con una gran resolución lateral directamente de la
superficie de la muestra, lo que permite estudiar la distribución elemental de los
diferentes anaiitos (Becker JS, Zoriy M, Matusch A, Wu B, Salher D, Palm C, Becker
30 JS "Bioimaging o/ me/als by /aser ab/ation inductively coup/ed plasma mass
speelrometr y (LA-ICP-MS) " Mass Spectrom. Reviews 2 (2010) 156) . Este tipo de
estudios resulta de gran interés en todos los campos relacionados con la biomedicina,
clínica y biología. Así, se ha demostrado su aplicabilidad a un tipo muy variado de muestras como corteza de árbol (Narewski U, Wemer G, Schulz H, Vogt C
"Application o/ laser ah/afion inductively coupled mass spectrometr y for (he determination 01 major, minor, and trace elements in bark samples" Fresenius' J.
Anal. Chem. 366 (2000) 167) , hojas de plantas (Cizdziel J, Bu K, Nowinski P "Determination o[ elemenls in silu in green leaves by laser ah/afion ICP-MS using pressed reference materials Jor calibra/ion" AnaL Methods 4 (2012) 564) , piezas dentales (Prohaska T, Latkoczy C, Schultheis G, Teschler-Nicola M, Stiogeder G
"Invesligafion 01 Sr ¡solope ralios in prehistoric human bones and leeth using Laser
Abla/ion ICP-MS and ICP-MS after RblSr separa/ion" J. Anal. Al. Spectrom. 17 (2002) 887) Y otolitos (Huelga-Suarez G, Femández B, Moldovan M, Alonso JIG
"Deteclion o/ transgenerationaI barium dual-is%pie marks in salman otolilhs by
means oJLA-ICP-MS' Anal. Bioanal. Chem. 405 (2013) 2901) .
Además, la técnica LA-ICP-MS también se emplea cada vez más para la detenninación de metales y elementos traza en tejidos de interés biomédico~ como tejidos de riñón y corazón (Zoriy M, Matusch A, Spruss T, Becker JS "Laser ahlation inductively coupled plasma mass spectrometr y lor imaging 01 copper, zinc, and platinum in thin sections ola kidney from a mouse treated with cis-platin" Int. J. Mass Spectrom. 260 (2007) 102; Becker JS, Breuer U, Hsieh HF, Osterholt T, Kurntabtim U, Wu B, Matusch A, Caruso JA, Qio Z "Bioimaging oJme/als and biomolecules in mouse hearl by laser ab/ation induclively coupled plasma mass spectrometr y and
secondar y ion mass speclrome/r y " Anal. Chem. 82 (2010) 9528) , ganglios linfáticos y
tejidos respiratorios (Hare D, Tolmachev S, James A, Bishop D, Austin e, Fr y er F, Doble P "Elemental bio-imaging 01thorium, uranium, and plutonium in tissues from
occupalionally expased Jormer nuclear workers" Anal. Chem. 82 (2010) 3176) , tejidos de cáncer de próstata y de mama (Giesen C, Waentig L, Mairioger T, Drescher
D, Kneipp J, Roos PH, Panneab U, Jakubowili N "Jodine as an elemental marker lor imaging oi single ceIls and tissue sections by laser ablafion inductively coupled
plasma mass spec/rometr y " J. Anal. Al. Spectrom. 26 (2011) 2160) Y secciones de tejido cerebral (Zoriy M, Delmhardt M, Matusch A, Becker JS "Comparative imaging
01p, S, Fe. Cu, Zn and e in Ihin seclions 01 ral brain tumor as welI as controllissues by laser ablalion induclively coupled plasma mass spectrometr y " Spectrochim. Acta Par! B 63 (2008) 375) . Dentro de los tejidos biomédicos, en los últimos años ha cobrado gran interés el empleo de la técnica LA-ICP-MS para evaluar tejidos de pacientes afectados por enfennedades newo16gicas degenerativas como el Parkinson y el A1zheimer (Matusch A, Depboylu C, Palm C, Wu B, H6glinger GV, Schiifer MKH, Becker JS "Cerebral bioimaging ofCu, Fe, Zn, and Mn in the MPTP mouse model 01 Parkinson 's disease using laser ah/afion inductively coupled plasma mass spectrometr) l' J. Am. Soco Mass Spectrom. 21 (2010) 161; Hutchinson RW, Cox AG, McLeod CW, Marshall PS, Harper A, Dawson EL, Howlett DR "Imaging and spatial distribution o/ p-amyloid peptide and metal fons in Alzheimer 's plaques by /aser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometr y " Anal. Biochem. 346 (2005) 225) .
Cuando se lleva a cabo el análisis de tejidos biológicos o biomédicos uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta es la preparación de las muestras, asi como la posible pérdida de metales de los tejidos durante este proceso. Actualmente, hay dos tipos de procedimientos estándar empleados en los laboratorios para l. preparación de secciones de tejidos biomédicos: (i) fijación del tejido en formalina y posteriormente embebido del mismo en parafina y (ii) congelación de la muestra en el estado nativo a temperaturas inferiores a -40OC. En el caso de las muestras embebidas en parafina se ha observado que puede haber pérdidas de algunos elementos durante el proceso de preparación de las muestras. De este modo, se ha demostrado que la · concentración de algunos metales (p.ej. Fe) en muestras embebidas en parafina es inferior a las concentraciones detectadas en muestras criogénicas. preparadas de forma nativa (Qin Z. Caruso JA, Lai B, Matusch A, Becker JS "Trace metal Imaging with high sJXltia/ reso/ution: App/ications in biomedicine" Metallomics 3 (2011) 28) . Este hecho podría deberse a la lixiviación de los metales de los tejidos en la disolución de formalina o durante el proceso de inclusión en parafina Sin embargo, el método de congelación del tejido fresco protege el estado nativo de la muestra (especialmente con respecto a la preservación de los analitos que pueden difundir fácilmente) . Por lo tanto, podría decirse que el método ideal para la preparación de las muestras es la congelación de las mismas, resultando en este caso imprescindible el empleo de una celda de ablación que permita trabajar a baja temperatura para asegurar de este modo tanto la integridad de las muestras como la exactitud de los análisis.
Por otro lado, aunque no resulta imprescindible emplear una celda criogénica para el análisis de otro tipo de muestras sólidas (p.ej. estructuras óseas, implantes o muestras geológicas) , se ha observado que las prestaciones obtenidas empleando un control estricto de la temperatura de la muestra a lo largo del análisis son superiores a . los anAlisis hechos sio control de la temperatura (Zoriy MV, Kayser M, Izmer A, Pickhardt e, Becker JS "Determination 01 uranium isotopic ralios in bio/agica/ samples using laser ablafion inductively coupled plasma double focusing sector field mass speetrometr y wi/h eooled abla/ion ehomber" Inter. J. Mass Spectrom. 242 (2005) 297) . De esta manera, el campo de aplicación de las celdas de ablación que operan a baja temperatura es muy amplio y no está únicamente restringido a muestras de tejidos biomédicos.
Actualmente existen varios tipos de celdas de ablación que permiten trabajar a baja temperatura, por ejemplo las descritas por Zoriy MV, Kayser M, Izmer A,
Pickhardt C, Becker JS "Determina/ion 01 uranium isotopic ralios in bioJogical
samples using laser ablafion indue/ively eoupled plasma double foeusing sector jield mass speetrometr y with cooled ablalion ehomber" Int. J. Mass Spectrom. 242 (2005) 297, Mmler W, Shelley JMG, Rasmussen SO "Diree/ ehemieal analysis offrozen ice eDres by UV-Iaser ablalion ICPMS" J. Anal. Al. Spectrom. 26 (2011) 2391 Y Feldmann J, Kindness A, Ek P "Laser abla/ion of sojl /issue using a er y ogenieally eooled ablalion eelr" J. Anal. Al. Spectrom. 17 (2002) 8\3. Sio embargo, en todas ellas, el control de la temperatura de la muestra y la refrigeración de la misma tienen lugar de manera indirecta, es decir, sin un control de la temperatura que se produce en la propia muestra sometida a la acción del haz láser.
En las celdas de ablación disponibles, el enfriamiento de la muestra tiene lugar sobre el soporte en el que se dispone la muestra a analizar y es la temperatura de este soporte la que es controlada por los sistemas de refrigeración. El control exacto y continuo de la temperatura de la muestra es un aspecto crucial para asegurar la iotegridad de la muestra durante el análisis (el cual puede llegar a durar más de 20 horas cuando se hacen estudios de imaging) , especialmente tratándose de muestras de tejidos preparados en su fonna nativa. Además, estas celdas de ablación no permiten monitorizar la temperatura de la muestra y, por lo tanto, ésta puede sufrir cambios debido a los importantes efectos ténnioos que ejerce el haz láser en la muestra durante el análisis. De este modo, los resultados obtenidos de los análisis por LA-ICP-MS
carecen de exactitud y precisión y no son representativos de la muestra.
Por otro lado, un aspecto importante a la hora de hacer estudios de imaging sobre muestras con estructuras a escala micrométrica (p.ej. inclusiones en muestras geológicas o distribución de metales en secciones de tejidos humanos) es la necesidad de llevar a cabo una correcta visualización de la muestra. Las celdas de ablación que permiten trabajar a baja temperatura disponen de una base de la celda opaca por lo que la iluminación de la muestra se realiza únicamente a través de la parte superior de la celda, resu1tando en muchos casos insuficiente para llevar a cabo análisis con una buena resolución lateral y poder distinguir as! microestructuras.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una celda de ablación con control de la temperatura de la muestra, que se puede usar en combinación con otros dispositivos como por ejemplo, un sistema de ablación láser acoplado a un sistema de plasma de acoplamiento inductivo con detección por espectrometrfa de emisión óptica o de masas.
La celda de ablación de la presente invención comprende:
Una tapa superior extraíble que permite la disposición de una muestra dentro de la celda de ablación. La tapa a su vez comprende una ventana transparente al láser por donde penetra el haz que pennite la ablación de la muestra. La tapa también dispone de al menos una abertura para la entrada de gas de arrastre y al menos una abertura para la salida de gas de arrastre. El gas de arrastre sirve para transportar el aerosol con partículas que se forma a partir de la ablación de la muestra hacia la salida de la celda de ablación. Este aerosol es apto para ser analizado por ejemplo empleando instrumentos de espectrometría de emisión óptica y de masas. Preferiblemente, el gas de arrastre es un gas inerte, como por ejemplo helio o argón, de forma que no interfiere en el análisis del material de interés.
Una base de la celda que a su vez comprende en su interior un intercambiador de calor interno, un sistema de refrigeración interno, una placa refrigeradora sobre el sistema de refrigeración interno y un portamuestras sobre la placa refrigeradora El intercambiador de calor interno proporciona un foco frío en el interior de la celda, que se enfría gracias al suministro constante de un fluido refrigerante que proviene del exterior. Por otra parte, el sistema de refrigeración interno pennite regular de forma dinámica e inmediata la temperatura de la muestra que se sitúa sobre el portamuestras, manteniéndola dentro de un rango apropiado para el proceso de ablación. El sistema de refrigeración interno trasiega calor desde el foco frío al foco caliente, el cual aparece debido a la potencia del haz láser que incide sobre la muestra, calentándola La placa refrigeradora transmite la temperatura de regulación proporcionada por el sistema de refrigeración interno al portamuestras, sobre el que se dispone la muestra. La base de la celda también comprende una ventana transparente a la luz y un sistema de conexión del intercambiador de calor interno y el sistema de refrigeración externo por el que penetra un fluido refrigerante.
Un sistema de refrigeración externo que a su vez comprende un intercambiador de calor externo y unos medios de bombeo de un fluido refrigerante que permiten llevar a cabo la circulación del fluido refrigerante a través del intercambiador de calor interno de la base de la celda y del intercambiador de calor externo. A los efectos de esta invención y su descripción, los medios de bombeo pueden ser cualquier sistema para trasegar un fluido, como por ejemplo una bomba radial, controlada electrónicamente, asociada a unos conductos que transportan el fluido bombeado.
Un sensor de temperatura de la muestra que perDÚte controlar de forma directa su temperatura.
Un sistema de ventilación externo que impulsa un fluido de ventilación sobre la ventana transparente al láser de la tapa superior extraíble. El sistema de ventilación permite mantener unas condiciones óptimas de trabajo disminuyendo por ejemplo los efectos de difracción o reflexión asociados a fenómenos de condensación sobre la ventana transparente al láser.
Unos medios de control de temperatura de todo el sistema.
En una realización preferida, la tapa superior extraíble y la hase de la celda son de un material aislante ténnico. La selección de Wl material con un coeficiente de transmisión ténnica apropiado influye directamente en la cinética de trasmisión de calor debida al fuerte gradiente ténnico que se puede dar entre el interior y el exterior de la celda Este aspecto repercute directamente en el dimensionamiento y la configuración de los diferentes subsistemas de la celda, como por ejemplo en los medios de control de temperatura, el intercambiador de calor interno o el sistema de refrigeración interno. En una realización más preferida, el material aislante ténnico es un compuesto de poliamida.
En otra realización preferida, 1, ventana transparente al láser comprende un cristal de cuarzo. El cristal de cuarzo ofrece unas propiedades ideales para la transmisión de un haz láser típicamente utilizado en procesos de ablación. Además, el cristal de cuarzo facilita la visión del interior de la celda y pennite la iluminación de la muestra por la parte superior. En Wl8 realización más preferida, el cristal de cuarzo permite la trasmisión de una longitud de onda electromagnética en el rango comprendido entre 1064 run y 193 run.
En otra realización preferida, la abertura para la entrada de gas de arrastre consiste en un orificio único. En otra realización preferida, la abertura para la entrada de gas de arrastre consiste en cuatro orificios de entrada.
En otra realización preferida, 1, abertura para 1, salida de gas de arrastre consiste en un orificio único. En una realización más preferida, el orificio único tiene forma de embudo recolector. En otra realización preferida, la abertura para la salida de gas consiste en cuatro orificios de salida.
La selección entre 000 o cuatro orificios para la entrada o la salida y la materialización de la salid, en fono, de embudo, depende del tamailo de 1, tapa y, por 10 tanto, del volumen de la celda de ablación y, sobre todo, de las características del gas de arrastre y los medios para impulsarlo. En algunas aplicaciones, como por ejemplo en estudios de imaging, la obtención de un flujo laminar del gas de arrastre con el aerosol es detenninante para obtener un buen resultado analítico.
En una realización específica, el intercambiador de calor interno es un serpentín. Un intercambiador de calor en fonna de serpentín es una solución muy eficiente, aumentando la capacidad de intercambio de calor en un volwnen de espacio muy reducido. Por otro lado, pennite además que el intercambiador de calor se pueda disponer en un espacio cercano a la pared interna de la celda, de fonna que deja despejado un gran volumen en el interior de la misma.
Al igual que con la selección de materiales aislantes, otros componentes del sistema necesitan una selección de materiales de acuerdo a criterios de transmisión ténnica, de fonna que propicien una cinética ténnica rápida. Entre los atributos que se ven relacionados con esta selección se encuentra la rapidez de reacción para el control de temperatura del sistema Una selección de materiales optimizada pennite limitar la lS variación ténnica de la muestra en el tiempo con una precisión de, incluso, décimas de grado.
En una realización más específica, el serpendn es de un material conductor ténnico. En una realización aún más especifica, el material conductor ténnico es un metal o una aleación de metales, como por ejemplo aluminio.
En otra realización específica, el sistema de refrigeración interno comprende al menos 4 elementos Peltier. Los elementos Peltier son dispositivos que permiten trasegar calor, regular la tempemtura de l. muestra y que además pueden estar controlados mediante señales de control. Prcferidamente, los elementos Peltier se disponen de forma anular alrededor del eje vertical de la muestra, en un número de 2S entre cuatro y ocho elementos. En una realización más específica, el sistema además comprende una placa aislante de un material aislante térmico que separa térmicamente la cara fría y la cara caliente de los elementos Peltier. En una realización aún más especUica, el material aislante térmico es un compuesto de poliamida. La placa aislante de un material aislante ténnico, como por ejemplo un compuesto de poliami~ tiene la función de aislar las dos caras de los Peltiers del sistema de refrigeración interno con el fin de que no exista convección entre ambas zonas de borde. De esta manera es posible incrementar la eficiencia del conjunto y obtener una refrigeración óptima de la muestra.
En otra realización específica, la placa refrigeradora es de un material conductor térmico. En una realización más específica, el material conductor térmico es metal o una aleación de metales, como por ejemplo cobre.
En una realización preferida, el portamuestras es de vidrio. Además de tener unas propiedades térmicas adecuadas, el vidrio es un material traslúcido, que permite el paso de la luz exterior, como la que proviene de la ventana transparente a la luz situada también en la base de la celda, y de este modo una buena visualización de la muestra. En otra realización preferida. el sistema de conexión del intercambiador de calor interno y del intercambiador de calor externo comprende unos raeores. En una realización más preferida, los racores son de metal o una aleación de metales.
En otra realización preferida, la ventana transparente a la luz de la base de la celda es un vidrio difusor.
En otra realización preferida, el intercambiador de calor externo también comprende elementos Peltier.
En una realización específica, el fluido refrigerante es polipropilenglicol. En otra realización específica, el fluido refrigerante es aceite de silicona.
En otra realización específica, el sensor de temperatura es un termopar en contacto con la muestra.
En otra realización específica, el sensor de temperatura es un pirómetro, que permite detectar directamente la temperatura de la muestra sin contacto, incluso situándose fuera de la celda. a través de la radiación de la misma.
En otra realización específica, el sistema además comprende unos medios de iluminación externos que ilwninan la muestra a través de la ventana transparente a la luz. Este aspecto es relevante a la hora de analizar muestras con estructuras o defectos a escala micrométrica, donde es necesaria una buena visualización de la superficie de la muestra mediante el complemento con sistemas de visión artificial, como por
ejemplo cámaras o microscopios. En una realización más especifica, los medios de iluminación externos comprenden un diodo emisor de luz, como por ejemplo un LEO, PLED u OLED.
S En otra realización especifica, el sistema de ventilación externo comprende un ventilador accionado por unos medios motores los cuales pueden materializarse con cualquier sistema capaz de mover el ventilador, como por ejemplo un motor eléctrico electrónicamente controlado.
10 En otra realización específica, el sistema de ventilación externo comprende una cámara a presión que contiene el fluido de ventilación, una conducción que conduce el fluido de ventilación sobre la ventana transparente al láser y unos medios valvulares, como por ejemplo una electroválvula o un regulador hidráulico o neumático, para regular la salida del fluido de ventilación.
1S En otra realización específica, el sistema de ventilación externo comprende un compresor que comprime el fluido de ventilación, una conducción que conduce el fluido de ventilación sobre la ventana transparente a1 láser y unos medios valvulares para regular la salida del fluido de ventilación. En esta realización preferida, el fluido de ventilación puede ser el aire exterior de la celda, tratado térmicamente o no, comprimido por un compresor y proyectado sobre la ventana transparente al láser.
20 25 En una realización preferida, los medios de control de temperatura recogen y tratan señales analógicas o digitales capturadas por el sensor de temperatura y envían señales de control analógicas o digitales al sistema de refrigeración interno. En una realización más preferida, los medios de control de la temperatura además envian señales de control al sistema de refrigeración externo. En una realización más preferida, cuando los sistemas de la celda utilizan elementos Peltier, los medios de control de temperatura recogen y tratan senaIes analógicas o digitales capturadas por el sensor de temperatura y envían señales de control analógicas o digitales a los elementos Peltier, que modifican su dinámica de funcionamiento en función de estas señales eléctricas de control.
En otra realización más preferida, el tratamiento de las señales analógicas o digitales se realiza mediante bloques funcionales de programa o programas de · software.
En otra realización más preferida, el tratamiento de las señales analógicas o digitales se realiza mediante algoritmos implementados en un ordenador. Este ordenador además puede centralizar el control de otros sistemas relacionados con la ablación, como por ejemplo el sistema láser o el sistema que proporciona el caudal de gas de arrastre.
La invención proporciona una celda con un sistema de refrigeración criogénico que permite realizar la ablación láser de muestras previamente criogenizadas a la vez que se mantiene la temperatura de la muestra dentro de un rango de ensayo predeterminado, a pesar de la perturbación térmica que se induce en la propia muestra durante el Wlálisis debido al impacto del haz láser sobre la misma y a la circulación de un gas de arrastre no enfriado a través de la celda de ablación. De esta manera la celda de ablación pennite el análisis de tejidos biológicos o biomédicos conservados en su fonna nativa, asegurando la integridad de las muestras durante el tiempo en el que ésta se encuentre dispuesta en la celda de ablación.
La invención también proporciona una celda con un sensor de temperatura de la muestra que preferidamente puede ser un tennopar en contacto directo con la superficie de la misma o un pirómetro dirigido sobre la superficie de la muestra. La medición de la temperatura de la muestra de fonna directa pennite un control instantáneo y continuo de la temperatura de la muestra durante el análisis sin necesidad de hacer aproximaciones o lecturas indirectas que podrían falsear los resultados. La medición directa de la temperatura de la muestra además hace que se pueda llevar a cabo un control muy riguroso de la dinámica de la ablación a lo largo del análisis, mediante el reajuste rápido de la temperatura de la muestra empleando el sistema de refrigeración interno.
La configuración que se emplea para llevar a cabo la refrigeración de la muestra dispuesta en la celda de ablación combina un sistema de refrigeración interno con un intercambiador de calor interno y un sistema de refrigeración externo. En una realización preferida, tanto el sistema de refrigeración externo como el sistema de· refrigeración interno comprenden elementos Peltier lo que permite llevar a cabo 1Ul ajuste de la temperatura de manera controlada, rápida y precisa. Los medios de control de temperatura recogen y tratan señales analógicas o digitales capturadas por el sensor 5 de temperatura y envían señales de control analógicas o digitales al sistema de refrigeración interno. Los medios de control de temperatura hacen que, por W1a parte, se pueda monitorizar la temperatura de la muestra y. por otra, controlarla para que esté dentro del rango de trabajo óptimo en todo momento. Mediante una materialización de la invención con elementos Peltier, la respuesta rápida del sistema de refrigeración 10 interno puede asegurar una variación térmica en la muestra de tan solo ± O, 2°C a lo largo de 17 horas de análisis con el láser. Preferidamente, el sistema de refrigeración interno está formado por ocho elementos Peltier dispuestos de manera anular en la base de la celda, lo que pennite refrigerar internamente toda la muestra de manera muy homogénea y pennitir además el paso de luz para una mejor visualización de la lS misma.
En una realización preferida de la invención, la tapa superior extraIble tiene una abertura para la salida de gas con una fonna de embudo recolector lo que pennite una extracción rápida y eficaz del aerosol generado a partir de la ablación de la muestra. De esta manera se asegura que en la celda de ablación haya un flujo laminar
que repercute positivamente en la resolución lateral de los análisis, lo que resulta crucial en estudios de imaging al haber una menor mezcla de la información proveruente de diferentes partes de la muestra La ventana transparente a la luz pennite mejorar la visualización de la muestra dentro de la celda de ablación sobre todo si se emplean medios auxiliares, como por 2S ejemplo un monitor de video asociado al sistema de ablación láser, para optinüzar la localización de la zona de impacto y ablación. De esta fonna, no solo es posible iluminar la muestra por la parte superior, a través de la ventana transparente al láser, sino que también es posible retro iluminar la misma por la parte inferior, en el caso de que la ventana se disponga en el fondo de la base de la celda. Este aspecto es de 30 crucial importancia a la hora de analizar muestras con estructuras o defectos a escala micrométrica donde es necesaria una buena visualización de la superficie de la
5 muestra. Para que la luz llegue de manera adecuada a la muestra por la parte inferior, además de la ventana transparente a la luz, en una realización preferida el sistema de refrigeración interno tiene fonna de serpentín y el intercambiador de calor interno se dispone anulannente de tal foooa que penniten pasar un haz de luz por el centro de la base de la celda.
10 La celda de ablación se complementa con un sistema de ventilación externo que impulsa un fluido de ventilación sobre la ventana transparente al láser evitando de este modo problemas de condensación y asegurando asi la ablación de la muestra siempre en las mismas condiciones (para las mismas condiciones de contorno como la misma energía del haz láser) , y por lo tanto la calidad y la repetibilidad de los experimentos.
La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se diseñen, produzcan o utilicen celdas de ablación, como por ejemplo el de la maquinaria y equipo mecánico, geología, biología, medicina, arqueología o quimica.
15
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
20 2S 30 La Fíg. 1 muestra una vista detallada de una sección de la celda de ablación (1) donde se pueden observar los diferentes componentes y sistemas de la base de la celda (4) Y de la tapa superior extratble (2) . La tapa superior extralble (2) tiene en el centro de la misma una ventana transparente al láser (3) . En la base de la celda (4) se puede observar un intercambiador de calor interno (11) en fonna de serpentín, un sistema de refrigeración interno (12) materializado en unos elementos Peltier. una placa refrigemdom (13) sobre el sistema de refrigeración interno (12) , un portamuestras (14) sobre la placa refrigeradom (13) , un sistema de conexión (15) en fonna de mcores del intercambiador de calor interno (11) y el sistema de refrigeración externo (16) . el cual no se representa en esta figura, y una ventana transparente a la luz (17) que en la figura no se muestra al estar dispuesta en la cara oculta inferior de la base de la celda (4) . , L. muestra (5) a analizar se coloca en la base de la celda (4) sobre un portamuestras (14) dispuesto sobre la placa refrigemdom (13) . Tanto el portamuestras (14) como la ventana transparente a la luz (17) penniten llevar a cabo una correcta
15
visualización de la muestra (5) al poder iluminar la misma desde varias direcciones, a través de la ventana transparente a11áser (3) y a través de la ventana transparente a la luz (17) . De esta forma, unos medios de ilwninación externos (18) que se pueden materializar mediante unos LED y que tampoco aparecen representados, emiten una radiación lumínica que se puede introducir por la ventana transparente a la luz (17) , mejorando la visualización de la muestra (5) . En cuanto a la refrigeración de la muestra, la placa refrigeradora (13) , de un material que es buen conductor ténnico, está colocada sobre el sistema de refrigeración interno (12) que comprende 8 elementos Peltier. En la figura también se muestra una placa aislante (19) de un material aislante ténnico que separa ténnicamente la cara fría y la cara caliente de los elementos Peltier. Por otro lado, la celda de ablación (1) dispone de un sensor de temperatura (21) , que en la figura se representa mediante un tennopar dispuesto directamente sobre la muestra (5) , el cual pennite JJevar a cabo el control exacto y continuo de la temperatura de la misma La Fig. 2 muestra una vista descompuesta de los diferentes componentes de la base de una celda (4) similar a la mostrada en la Fig. 1, dispuestos sobre tUl eje vertical imaginario. Como se puede observar, el sistema de refrigeración interno (12) representado mediante ocho Peltiers puede estar en contacto directo con la placa refrigeradora (13) donde se coloca el portamuestras (14) con la muestra (5) . Por lo tanto, la refrigeración de la muestra (5) puede realizarse de manera directa y sin pérdidas. Por otra parte~ esta figura muestra claramente la disposición de la placa aislante (19) , separando la cara fría y la cara caliente del sistema de refrigeración interno (12) , materializado en varios Peltiers, intercalándose con ellos. AdemAs, se muestra en la parte inferior de la base de la celda (4) , la ventana transparente a la luz
(17) que pennite llevar a cabo una correcta visualización de la muestra (5) al poder iJwninarse la misma por la parte inferior utilizando tUlOS medios de ilwninación externos (18) .
La Fig. 3 muestra una vista de la tapa superior ex!raíble (2) de la celda de ablación (1) . En ella se puede observar la ventana transparente al láser (3) , la abertura para la entrada de gas (23) Y la abertura para la salida de gas (24) . Como se puede ver, la abertura para la salida de gas (24) es tUl orificio único que en la parte interior de la tapa tiene fonna de embudo recolector, lo que pennite que el gas de arrastre que transporta un aerosol que comprende material arrancado a partir de la muestra (5)
pueda ser extraldo de la celda de ablación (1) de una fonna rápida y eficaz. De este modo se puede mejorar la resolución lateral de los análisis, lo que resulta crucial en estudios de imaging.
La Fig. 4 muestra una vista cenital general de la celda de ablación (1) y del sistema de refrigeración externo (16) , demarcado por un rectángulo foOllado por una línea punteada. El sistema de refrigeración externo (16) comprende un intercambiador de calor externo (25) y unos medios de bombeo (26) . Estos medios de bombeo (26) penniten llevar a cabo la circulación del fluido refrigerante (20) a través de unos conductos aislantes entre el intercambiador de calor interno (11) , dispuesto en la base de la celda (4) , y el intercambiador de calor externo (25) . En la figura se muestran unas flechas que seftalan la dirección de circulación del fluido refrigerante (20) , el cual circula por el interior de unos conductos aislantes que se conectan con la base de la celda (4) mediante un sistema de conexión (15) . De esta manera el fluido refrigerante (20) es enfriado por el intercambiador de calor externo (25) después de que éste haya extraldo el calor del sistema de refrigeración interno (12) , asegurando así que la temperatura de la muestra (5) pennanece siempre constante.
La Fig. 5 muestra una vista de la celda de ablación (1) dispuesta en un sistema de ablación láser. La celda de ablación (1) comprende una tapa superior extnuble (2) con una ventana transparente al láser (3) y una base de la celda (4) donde se coloca la muestra (5) a analizar. La base de la celda (4) puede estar montada sobre un soporte metálico, no representado en la figura, que se puede mover en las tres dimensiones (x, y, z) empleando unos medios motores. De esta manera se puede posicionar con precisión la celda de ablación (1) , y por lo tanto la muestra (5) , dentro del sistema de ablación láser, de fonna controlada. El control del movimiento de la celda de ablación (l) se puede realizar con un software implementado en un ordenador del sistema láser (6) . La zona de interés en la muestra (5) se defme con exactitud empleando un monitor
de vídeo (7) , que también puede estar controlado con un software implementado en el
ordenador del sistema láser (6) . El láser (8) es enfocado mediante unas lentes de enfoque (9) sobre la superficie de la muestra (5) . Tras el impacto del láser (8) se forma un aerosol con partículas procedentes de la muestra (5) que es transportado mediante un flujo de gas de arrastre (10) , contenido en un tanque, a través de unas conexiones flexibles. La celda de ablación (1) dispone de un sistema de ventilación externo (27)
que impulsa Wl fluido de ventilación sobre la ventana transparente al láser (3) .
evitando de este modo problemas de condensación. La celda de ablación (1) se puede usar en combinación con otros dispositivos como, por ejemplo, un sistema de plasma de acoplamiento inductivo con detección por espectrometría de emisión óptica o de masas, donde se introduce el aerosol generado a partir de la muestra (5) y se detecta la presencia de los diferentes elementos de interés La Fig. 6 muestra dos diagramas con la evolución de la temperatura de la muestra (5) en la celda de ablación (1) durante Wl ciclo de enfriamiento hasta alcanzar la temperatura de -20"C. En ambos diagramas (a y b) el eje de ordenadas muestra el
tiempo de análisis y el eje de abscisas muestra la temperatura de la muestra (5) medida con el sensor de temperatura (21) . El diagrama a) muestra la evolución de la temperatura de la muestra (5) durante los primeros 40 mio de análisis y el diagrama b)
la evolución de la temperatura durante 17 h. Como se puede observar en el diagrama a) , la temperatura de la superficie de la muestra (5) baja en menos de 20 minutos a
-20°C. Además, cabe destacar que la temperatura se mantiene estable, con una desviación de solamente ± O, 2°C, a lo largo de 17 horas de análisis con el láser (8) . De este modo, se puede asegurar la integridad de la muestra (5) así como que las condiciones de trabajo se mantienen constantes a 10 largo de todo el análisis.
La Fig. 7 muestra los perfiles de ablación obtenidos por LA-ICP-MS para los isótopos IO'Ag+ y 2°'Pb+ en el análisis de Wl vidrio (SRM N1ST 612) empleando la celda de ablación (l) de la invención en condiciones criogénicas y trabajando a temperatura ambiente (-20 y +20°C, respectivamente) . En ambos perfiles el eje de ordenadas muestra el tiempo de análisis y el eje de abscisas la intensidad medida para cada elemento en el ICP-MS. Como se puede observar en el perfil a) , la señal de 107Ag+ se estabiliza con una desviación estándar temporal relativa (TRSD) menor del 12% trabajando a temperatura ambiente y en condiciones criogénicas. Además, se puede indicar que la precisión (RSD para tres medidas independientes) en la medida de las relaciones isotópicas de 109Ag+¡I07Ag+ está por debajo de 1, 7% con una desviación del 1, 3% de la relación isotópica natural. Para el caso del 208Pb+ (perfil b) , la señal se estabiliza con un TRSD del 8% siendo la precisión en la medida de la relación isotópica 208Pb+P06¡>b+ por debajo de 1% (con una desviación del 2, 5% de la relación isotópica natural) . Cabe destacar que la celda de ablación (1) pennite obtener
resultados comparables empleando ambas temperaturas de trabajo, en témúnos de precisión de las señales, exactitud en la medida de relaciones isotópicas y sensibilidad.
La Fig. 8 muestra una representación de los tiempos de evacuación de la celda de ablación (1) para los elementos S9CO+. 101 Ag+. 1318a+. 232Th+ Y238lt en el análisis del
vidrio SRM NlST 612 a dos temperaturas diferentes, +20· C y -20· C. El eje de ordenadas muestra los isótopos de cada elemento medidos en el ICP-MS y el eje de abscisaS el tiempo de evacuación. Las barras de error de la figura indican la desviación estándar obtenida para 10 análisis independientes. El tiempo de evacuación se define como el tiempo que necesita la señal de cada uno de los isótopos para disDÚnUir desde su máximo valor al 10% de la sefial máxima Este factor pennite estudiar la rapidez con la que el aerosol generado en la celda de ablación (l) a partir
de la muestra (5) abandona la celda de ablación (1) y es transportado, por ejemplo, a un equipo ICP-MS para su posterior análisis. Cuanto menor sea el tiempo de evacuación, mejor será la resolución lateral al haber una menor mezcla de la infonnación proveniente de diferentes partes de la muestra (5) . Como se puede observar en la figura, para todos los elementos se obtienen menores tiempos de evacuación trabajando a -20°C. Además, la reproducibilidad es también mejor a baja temperatura.. indicando las óptimas prestaciones analíticas de la celda de ablación (1) en condiciones criogénicas.
La Fig. 9 muestra las imágenes obtenidas a +20°C y -20°C para la distribución espacial de varios elementos traza e~e+, 63eu+, 64Zn+ y1271} en un material biológico sintético empleando la celda de ablación (1) conectada a un equipo ICP-MS. Las .condiciones experimentales de análisis son: 50 !lm diámetro del láser (8) , 20 Hz de frecuencia de repetición, 5, 6 mJ de energia y 32, 5 !lmls velocidad de desplazamiento de la muestra (5) . Como se puede ver en las imágenes, en todos los casos se puede observar una distribución homogénea de 56Fe+, 63Cu+, 64Zn+ y 127¡+ en la muestra a ambas temperaturas de trabajo: para cada elemento en estudio las imágenes de la izquierda corresponden a los análisis a -20°C y las de la derecha a +20°C.
Comparando las intensidades obtenidas para los diferentes elementos se observa un aumento significativo en la señal de 127r para los análisis realizados a _20°C. Además, cabe destacar que se obtiene una mejor resolución lateral trabajando a -20°C para . todos los elementos (especialmente para el 64Znl lo que indica una mejor conservación de la muestra durante el tiempo de análisis.
EXPLICACIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE
Para una mejor comprensión de la presente invención, se expone el siguiente ejemplo de realización preferente, descrito en detalle, que debe entenderse sin carácter limitativo del alcance de la invención.
EJEMPLO 1
La celda de ablación (l) fue integrada en WI sistema de ablación láser acoplado a un equipo ICP-MS para llevar a cabo estudios de imaging. La celda de ablación (1) estaba formada por dos partes: una tapa superior extraIble (2) de un compuesto de poliamida con Wla ventana transparente al láser (3) y una base de la celda (4) , también de un compuesto de poliamida por ser éste un compuesto con baja conductividad térmica La tapa superior extraíble (2) se unía a la base de la celda (4) mediante una rosca. La ventana transparente al láser (3) se hizo de cuarzo con un recubrimiento . exterior que permitía la trasmisión de una longitud de onda electromagnética de 213 nrn. La base de la celda (4) se montó sobre un soporte metálico que se puede mover en las tres dimensiones (x. Y. z) empleando un sistema auxiliar motorizado. De esta manera se consiguió posicionar con precisión la celda de ablación (1) . y por lo tanto la muestra (5) , dentro del sistema de ablación láser. El control del movimiento de la celda de ablación (1) se realizó con un software implementado en el ordenador del sistema láser (6) . La zona de interés en la muestra (5) se pudo definir con exactitud empleando un monitor de vídeo (7) . controlado también con un software . implementado en el ordenador del sistema láser (6) . El láser (8) se enfocó mediante Wl8S lentes de enfoque (9) sobre la superficie de la muestra (5) . Tras el impacto del ., láser (8) se fo~ó WI aerosol con particuJas procedentes de la muestra (5) , el cual se r ' 't ••• .•
,
pudo transportar mediante un flujo de gas de arrastre (10) , constituido por helio inerte, a través de unas conexiones flexibles hasta el sistema ICP-MS. Para llevar a cabo el análisis, el láser (8) se disparo siempre en un mismo punto aunque fue posible variar la posición de la muestra (5) en las dimensiones x e y empleando el sistema auxiliar motorizado. Ésta es la estrategia de análisis habitualmente seleccionada para hacer estudios de imaging y obtener una buena resolución lateral. Las condiciones experimentales de análisis fueron: 150 ~m diámetro del haz láser (8) , 10 Hz frecuencia de repetición. 3, 5 m] de energía y 20 ~mJs velocidad de desplazamiento de la muestra (5) .
La tapa superior extralble (2) tenia una abertura para la entrada de gas (23) y una abertura para la salida de gas (24) . La abertura para la salida de gas (24) era un orificio único que en la parte interior de la tapa tenía fonna de embudo recolector, lo que pennitió que el gas de arrastre que transportaba el aerosol que comprendía material arrancado a partir de la muestra (5) pudiera ser extraído de la celda de ablación (1) de una forma rápida y eficaz. Como se muestra en la Fig. 8, empleando un vidrio SRM NIST 612 como muestra (5) se obtuvieron tiempos de evacuación menores de 4 segundos para todos los analitos investigados (59CO+, 107Ag+, 1378a+, 23111+ Y238U+) . trabajando en condiciones de baja temperatura. De este modo se pudo mejorar la resolución lateral de los análisis empleando baja temperatura y una abertura para la salida de gas (24) con forma de embudo recolector, lo que resulta crucial en estudios de imaging.
En la base de la celda (4) se dispuso un intercambiador de calor interno (11) de aluminio en forma de serpentín, un sistema de refrigeración interno (12) materializado con 8 elementos PeItier distribuidos homogéneamente de forma anular, una placa refrigeradora (13) de cobre dispuesta sobre el sistema de refrigeración interno (12) , un portamuestras (14) de vidrio sobre la placa remgeradora (13) , un sistema de conexión (15) en fonna de racores entre el intercambiador de calor interno (11) Y el sistema de refrigeración externo (16) , y una ventaoa traosparente a la luz (17) dispuesta en la parte inferior de la base de la celda (4) . Además. entre el sistema de refrigeración interno (12) y la placa refrigeradora (13) se dispuso una placa aislante (19) de un compuesto de poliamida que tiene la función de aislar las dos caras de los 8 elementos Peltier con el fin de que no existiese convección entre ambas en las zonas de borde, incrementando de esta manera la eficiencia del conjunto. De esta manera, el sistema de refrigeración interno (12) permitió alcanzar temperaturas en la muestra (5) de hasta
-20·C, lo que aseguraba la integridad de la muestra (5) durante el análisis. Además,
para el buen funcionamiento del sistema de refrigeración interno (l2) se empleó \ID serpentfn de aluminio como intercambiador de calor interno (11) . Un fluido refrigerante (20) , formado por polipropilenglicol, circulaba a través del
intercamhiador de calor interno (I 1) proporcionando un foco frio a los 8 elementos Peltier para un funcionamiento más eficaz de los mismos. El sistema de conexión (15) de racores metálicos permitió la circulación del fluido refrigerante (20) entre el
intercambiador de calor interno (11) y el sistema de refrigeración externo (16) .
El sistema de refrigeración externo (16) comprendía un intercambiador de calor externo (25) materializado en un elemento Peltier y unos medios de bombeo (26) materializados mediante una oomba hidráulica de impulsión radial controlada electrónicamente. Estos medios de bombeo (26) permitieron llevar • cabo l.
circulación del fluido refrigerante (20) a través de unos conductos aislantes entre el
intercambiador de calor interno (11) Y el intercambiador de calor externo (25) . El fluido refrigerante (20) circulaba a través del intercambiador de calor interno (11)
proporcionando un foco frío a los 8 elementos Peltier y para enfriar de nuevo este fluido refrigerante (20) se hacia llegar el mismo al intercambiador de calor externo (25) .
Se empleó como sensor de temperatura (21) un tennopar en contacto directo con la superficie de la muestra (5) para controlar y poder ajustar así la temperatura de análisis. Los medios de control de la temperatura (22) estaban constituidos por un software que recogía y trataba sei'iales digitales capturadas por el sensor de temperatura (21) y enviaba señales de control digitales tanto a los Peltier del sistema de refrigeración interno (12) como al Peltier y la bomba del sistema de refrigeración externo (16) . Empleando este sistema de refrigeración controlado en la celda de ablación (l) se pudo llevar a cabo un enfriamiento rápido de la muestra (5) . Como se recoge en la Fig. 6, la temperatura de la superficie de la muestra (5) bajó en menos de
minutos a _20°C. Además, esta temperatura se mantuvo establ~ con una desviación de ± O, 2°C, a lo largo de 17 horas de análisis con el láser (8) .
Para un correcto funcionamiento de la celda de ablación (1) , se empleó un sistema de ventilación externo (27) que impulsaba un fluido de ventilación sobre la ventana transparente al láser (3) . El sistema de ventilación externo (27) consistió en un ventilador accionado por un motor eléctrico. Este sistema de ventilación externo (27) pennitió mantener Wlas condiciones óptimas de trabajo eliminando los fenómenos de condensación sobre la ventana transparente al láser al trabajar a baja temperatura.
