Celda de ablación criogénica con control de la temperatura de la muestra.

Celda de ablación criogénica con control de la temperatura de la muestra (5) que comprende una tapa superior extraíble (2) con una ventana transparente al láser (3) y una base de la celda (4) con un sistema de refrigeración interno (12).

El sistema también comprende un sistema de refrigeración externo (16), un sensor de temperatura (21), unos medios de control de la temperatura (22) y un sistema de ventilación externo (27). La celda 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.

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.

La presente invención se refiere a una celda de ablación con control de la temperatura de la muestra que comprende una tapa superior extr81ble, 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 temperatura 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. Posteriormente, 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 (lCP) donde se produce la atomización e ionización del aerosol, permitiendo posteriormente la detección de los iones generados con un espectrómetro 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 laser hasta la superficie de la muestra) y una celda de ablacion donde se dispone la muestra a analizar, una interfase para el transporte del aerosol generado y, finalmente, un instrumento ICP-MS. Desde los primeros estudios realizados durante la decada de 1980 (Gray AL "Solid sample 5 introduction by laser ablation for inductively coupled plasma source mass spectrometr y " Analyst 110 (1985) 551; Arrowsmith P, Hughes SK "Entrainment and transportoflaser ablatedplumesforsubsequentelementalanalysis"Appl. Spectrosc. 42 (1988) 1231) , el interes por la tecnica LA-ICP-MS ha ido en aumento, de tal modo que actualmente se emplea para el analisis elemental e isotopic° en una gran variedad 10 de materiales solidos (Durrant SF, Ward NI "Recent biological and environmental applicationsoflaser ablation inductivelycoupledplasmamassspectrometr y "J. Anal. At. Spectrom. 20 (2005) 821; Pisonero J, Fernandez B, Gunther D "CriticalRevision ofGD-MS. LA-ICP-MSandSIMSas InorganicMassSpectrometricMethodsfor DirectSolidAnalysis" J. Anal. At. Spectrom. 24 (2009) 1145; Fernandez B, Claverie F, Pecheyran C, Donard OFX "Direct analysis ofsolidsamples byfemtosecondlaser ablation inductively coupled plasma mass spectrometr y " Trends Anal. Chem. 26 (2007) 951) . Entre las principales ventajas de la tecnica LA-ICP-MS se encuentran su facilidad de manejo, su alta sensibilidad (los limites de deteccion estan en el intervalo comprendido entre los mg/kg y ng/kg) y un rango dinamico de hasta doce ordenes de magnitud, lo que pennite la adquisicion simultanea de componentes mayoritarios, minoritarios y traza. Ademas, otra de sus principales caracteristicas es la elevada resolucion espacial, tanto lateral (-5 gm) como en profundidad (del orden comprendido entre 500 nm y 2 gm dependiendo del tipo de laser empleado) , por lo que se considera una tecnica no destructiva a nivel macroscOpico.

Unade las aplicaciones mas importantes de la tecnica LA-ICP-MS en los Altimos afios esta relacionada con los estudios de "imaging". Esta tecnica ofrece la posibilidad de obtener imagenes con una gran resoluciOn lateral directamente de la superficie de la muestra, lo que permite estudiar la distribucion elemental de los diferentes analitos (Becker JS, Zoriy M, Matusch A, Wu B, Salber D, Palm C, Becker

JS "Bioimaging of metals by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometr y (LA-ICP-MS) " Mass Spectrom. Reviews 2 (2010) 156) . Este tipo de estudios resulta de gran interes en todos los campos relacionados con la biomedicina,

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Por otro lado, aunque no resulta imprescindible emplear una celda criogenica para el analisis de otro tipo de muestras solidas (p.ej. estructuras () seas, implantes o muestras geologicas) , se ha observado que las prestaciones obtenidas empleando un control estricto de la temperatura de la muestra a lo largo del analisis son superiores a los analisis hechos sin control de la temperatura (Zoriy MV, Kayser M, Izmer A, Pickhardt C, Becker JS "Determination of uranium isotopic ratios in biological samples usinglaser ablation inductivelycoupledplasmadoublefocusingsectorfield

mass spectrometr y with cooled ablation chamber" Inter. J. Mass Spectrom. 242 (2005) 297) . De esta manera, el campo de aplicacion de las celdas de ablacion que 10 operan a baja temperatura es muy amplio y no esta imicamente restringido a muestras de tejidos biomedicos.

Actualmente existen varios tipos de celdas de ablacion que permiten trabajar a baja temperatura, por ejemplo las descritas por Zoriy MV, Kayser M, Izmer A, Pickhardt C, Becker JS "Determination of uranium isotopic ratios in biological 15 samplesusinglaser ablation inductivelycoupledplasmadoublefocusingsectorifeld massspectrometlywithcooledablationchamber" hit. J. Mass Spectrom. 242 (2005) 297, Muller W, Shelley JMG, Rasmussen SO "Directchemicalanalysisoffrozen ice cores by UV-laser ablation ICPMS" J. Anal. At. Spectrom. 26 (2011) 2391 y Feldmann J, Kindness A, Ek P "Laserablationofsoft tissueusingacr y ogenically

cooled ablation cell" J. Anal. At. Spectrom. 17 (2002) 813. Sin embargo, en todas ellas, el control de la temperatura de la muestra y la refiigeracion 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 acciOn del haz laser.

En las celdas de ablacion disponibles, el enfriamiento de la muestra tiene lugar

sobre el sopoite en el que se dispone la muestra a analizar y es la temperatura de este sopoite la que es controlada por los sistemas de refrigeracion. El control exacto y continuo de la temperatura de la muestra es un aspecto crucial para asegurar la integridad de la muestra durante el analisis (el cual puede llegar a durar mas de 20 horas cuando se hacen estudios de imaging) , especialmente tratandose de muestras de tejidos preparados en su forma nativa. Ademas, estas celdas de ablacion no permiten monitorizar la temperatura de la muestra y, por lo tanto, esta puede sufrir cambios debido a los importantes efectos termicos que ejerce el haz laser en la muestra durante el analisis. De este modo, los resultados obtenidos de los analisis por LA-ICP-MS carecen de exactitud y precision 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 micrometrica (p.ej. inclusiones en muestras geologicas o distribucion de metales en secciones de tejidos humanos) es la necesidad de llevar a cabo una correcta visualizacion de la muestra. Las celdas de ablacion que permiten trabajar a baja temperatura disponen de una base de la celda opaca por lo que la iluminacion de la muestra se realiza imicamente a traves de la parte superior de la celda, resultando en muchos casos insuficiente para llevar a cabo analisis con una buena resolucion lateral y poder distinguir asi microestructuras.

DESCRIPCIoN DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a una celda de ablacion con control de la temperatura de la muestra, que se puede usar en combinacion con otros dispositivos como por ejemplo, un sistema de ablacion laser acoplado a un sistema de plasma de acoplamiento inductivo con detección por espectrometria de emision optica o de masas.

La celda de ablacion de la presente invenciOn comprende:

Unatapa superior extraible que permite la disposicion de una muestra dentro de la celda de ablacion. La tapa a su vez comprende una ventana transparente al laser por donde penetra el hoz que permite la ablacion de la muestra. La tapa tambien dispone de al menos una abertura para la entrada de gas de arrastre y al menos una abertura...

1. Celda de ablacion que comprende:

una tapa superior extraible (2) que permite la disposicion de una muestra (5)

dentro de la celda de ablacion (1) que a su vez comprende una ventana transparente al laser (3) , una abertura para la entrada de gas (23) de arrastre y una abertura para la salida de gas (24) de arrastre;

una base de la celda (4) que a su vez comprende en su interior un intercambiador de calor intern° (11) , un sistema de refiigeracion intern°

(12) , una placa refrigeradora (13) sobre el sistema de refiigeracion intern° (12) , un portamuestras (14) sobre la placa refrigeradora (13) , tin sistema de conexion (15) del intercambiador de calor in-term (11) y el sistema de refrigeracion extern° (16) y 'ma ventana transparente a la luz (17) ;

tin sistema de refrigeracion extern° (16) que a su vez comprende un intercambiador de calor extemo (25) y unos medios de bombeo (26) de un fluido refrigerante (20) que permiten llevar a cabo la circulacion del fluido refrigerante (20) a traves del intercambiador de calor interno (11) de la base de la celda (4) y del intercambiador de calor extern° (25) ;

un sensor de temperatura (21) de la muestra (5) ;

unsistema de ventflacion extern° (27) que impulsa un fluido de ventflacion sobre la ventana transparente al laser (3) de la tapa superior extraible (2) ;

unos medios de control de temperatura (22) .

2. Sistema segtin la reivindicacion 1 caracterizado por que la tapa superior extraible (2) y la base de la celda (4) son de un material aislante termico.

3.Sistema segun la reivindicacion 1 caracterizado por que la ventana transparente al laser (3) comprende tin cristal de cuarzo.

16. Sistema segim la reivindicacion 11 ó 15 caracterizado por que el material conductor termico es metal o una aleacion de metales.

17. Sistema segim la reivindicacion 1 caracterizado por que el portamuestras (14) es de vidrio.

18. Sistema seglin la reivindicacion 1 caracterizado por que el sistema de conexion

(15) comprende unos racores.

19. Sistema segun la reivindicacion 18 caracterizado por que los racores son de metal o una aleacion de metales.

20. Sistema segun la reivindicacion 1 caracterizado por que la ventana transparente 10 ala luz (17) es un vidrio difusor.

21. Sistema segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el intercambiador de calor extern° (25) comprende elementos Peltier.

22. Sistema segiin la reivindicacion 1 caracterizado por que el fluido refrigerante

(20) es polipropilenglicol.

23. Sistema segim la reivindicaciOn 1 caracterizado por que el fluido refrigerante (20) es aceite de silicona.

24. Sistema segim la reivindicacion 1 caracterizado por que el sensor de temperatura (21) es un termopar.

25. Sistema segan la reivindicacion 1 caracterizado por que el sensor de 20 temperatura (21) es un pirometro.

26. Sistema segun la reivindicacion 1 caracterizado por que ademas comprende unos medios de iluminacion extemos (18) que iluminan la muestra (5) a traves de la ventana transparente a la luz (17) .

27. Sistema segun la reivindicacion 26 caracterizado por que los medios de 25 iluminacion extemos (18) comprenden un diodo emisor de luz

28. Sistema segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el sistema de ventilacion extern° (27) comprende un ventilador accionado por unos medios motores.

29. Sistema segim la reivindicaciOn 1 caracterizado por que el sistema de

ventilacion extern° (27) comprende una camara a presion que contiene el fluido de ventilacion, una conduccion que conduce el fluido de ventilacion sobre la ventana transparente al laser (3) y unos medios valvulares para regular la salida del fluido de ventilacion.

30. Sistema segim la reivindicacion 1 caracterizado por que el sistema de 10 ventilaciOn extern° (27) comprende un compresor que comprime el fluido de ventilacion, una conduccion que conduce el fluido de ventilacion sobre la ventana transparente al laser (3) y unos medios valvulares para regular la salida del fluido de ventilacion.

31. Sistema segim la reivindicacion 1 caracterizado por que los medios de control

detemperatura (22) recogen y tratan sefiales analogicas o digitales capturadas por el sensor de temperatura (21) y envian sefiales de control analogicas o digitales al sistema de refiigeracion intern° (12) .

32. Sistema segim la reivindicacion 31 caracterizado por que los medios de control

de la temperatura (22) ademas envian sefiales de control al sistema de 20 refrigeración extern° (16) .

33. Sistema segun las reivindicaciones 12 6 21 caracterizado por que los medios de control de temperatura (22) recogen y tratan sefiales analogicas o digitales capturadas por el sensor de temperatura (21) y envian sefiales de control analógicas o digitales a los elementos Peltier.

34. Sistema segim la reivindicacion 31, 32 6 33 caracterizado por que el tratamiento de las sefiales analogicas o digitales se realiza mediante bloques funcionales de programa o programas de software.

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FIG. 6

t (min)

•2 4 6 8 10 12 14 16

t (h)

I I • 1 • 1 • 1

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