Development of a Laser Induced Breakdown Spectrometer for detection of toxic elements in cosmetic products. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF final_thesis_Report.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذا العمل البحثي طورنا مقياس طيفي للتكسير باليزر حساس للغاية للكشف عن العناصر السامة في منتجات التجميل المتاحة تجاريًا. وكثيرا ما تستخدم هذه المنتجات من قبل العديد في جميع أنحاء العالم، وبالتالي هناك طلب متزايد لتحديد مستويات تركيز العناصر السامة الموجودة فيها لأنها تسبب أمراض خطيرة ومعظمها مسرطن للغاية وتهدد الحياة. تم تطبيق طريقة طيف التكسير بالليزر على مستحضرات التجميل مثل معجون الأسنان، وصبغة الشعر الاصطناعية، وأقلام تكحيل العين، وعينات بودرة التلك. وقد تم شراء هذه العينات من السوق المحلية في المملكة العربية السعودية. ويستند أسلوب طيف التكسير بالليزر على تحليل طيف البلازما الناتجة من تفاعل نبضات ليزر عالية الطاقة مع العينة. من أجل تحسين حساسية المطياف، تم دراسة مدى اعتماد قوة خطوط طيف التكسير بالليزر وعوامل البلازما مثل درجة الحرارة وكثافة الإلكترونات على تأخير فتح البوابة، وفترة فتحها، وكمية الليزر، والطول الموجي للمصدر المثير للبلازما في الظروف المحيطة. خلال بعدة أطوال موجية 266 نانومتر، و 532 نانومتر، و 1064 نانومتر يعمل Nd: YAG هذا البحث استخدمنا ليزر من نوع رسم .ICDD كمصادر مثيرة، بالإضافة إلى راسم طيف يحتوى كاميرا من نوع (Q-switch) Q- في وضعية تسمى تبديل بولتزمان استخدِم لتقدير حرارة البلازما واستخدِم اتساع ستارك لخطوط الطيف لتقدير كثافة الإلكترونات. اتضح أن حرارة tP البلازما وكثافة الإلكترونات يتغيران مع الوقت ويتناسبان طرديا مع -2 P . على الجانب الآخر درجة حرارة البلازما وكثافة الإلكترونات زادتا مع زيادة كمية الليزر، ولكن استقرتا عند كميات عالية. تجدر الإشارة إلى أن الطول الموجي 266 نانومتر يعطي أعلى قيم، بينما الطول الموجي 1064 نانومتر يعطي أدنى قيم. لذا الطول الموجي 266 نانومتر للمصدر المثير لليزر اختير لتطوير مقياس طيفي للتكسير باليزر لكشف وقياس الفلوريد، والرصاص، والكروم الموجودين في معجون Nd: YAG الأسنان، وصبغة الشعر الاصطناعية، وأقلام كحل العين، وعينات بودرة التلك المتاحين تجاريًا. تم ضبط عوامل التجربة مثل مما ،(optically thin) " تأخيرات البوابة وكميات الليزر لإيجاد توازن ديناميكي حراري موضعي لبلازما "رقيقة ضوئيًا للكشف عن الفلورايد في عينات .Mcwhirter رفع الحد الأدني لقدرة كشف المطياف. اختيار العوامل يتفق مع معيار معجون الأسنان استخدم الخط الانتقالي الذري القوي للفلور عند 731.102 نانومتر كمؤشر. كان لنظام طيف التكسير بالليزر 1750 جزء في المليون مع حد أدنى للكشف 156 - القدرة على الكشف عن مستويات تركيز الفلورايد في حدود 1300 جزء في المليون. في صبغة الشعر الاصطناعية تم الكشف عن الكروم باستخدام الانتقال الذري القوي للكروم عند الطول الموجي 427.5 نانومتر كمؤشر، وكان المطياف الذي له حد أدنى للكشف 1.2 جزء في المليون قادر على الكشف عن 11 جزء في المليون. وتمت مقارنة هذه النتائج من نظام طيف التكسير بالليزر لدينا مع - مستويات تركيز الكروم في حدود 5 XXIII النتائج التي تم الحصول عليها في اتفاق ممتاز مع .ICP- MS تلك التي تم الحصول عليها باستخدام طريقة كشف قياسية مثل ت م الكشف عن الرصاص في أقلام التكحيل باستخدام الإنتقال الذري عند الطول الموجي 405.7 نانومتر، .ICP- MS وكُشف الكروم في أقلام التكحيل باستخدام الإنتقال الذري عند الطول الموجي 425.4 نانومتر. نظام طيف التكسير بالليزر 29 ، وله حد أدنى للكشف عن الرصاص - 17 جزء من مليون والكروم في حدود 23 - كشف عن الرصاص في حدود 15 يساوي 1.96 جزء في المليون وحد أدنى للكشف عن الكروم يساوي 1.72 جزء في المليون. مستويات تركيز الفلورايد والرصاص والكروم المكتشفة باستخدام نظام طيف التكسير بالليزر لدينا تجاوزت الحدود المسموح بها التي وضعتها وكالة البيئة ومنظمات رقابية أخرى، وبالتالي الاستعمال المتكرر لهذه المستحضرات التجميلية قد يشكل خطر على صحة الإنسان. مطياف طيف التكسير بالليزر المطور خلال هذا العمل البحثي يمكن استخدامه لتحليل العديد من العينات الأخرى مثل الأدوية، والبوليمرات، والحديد، والمخرجات البركانية، والعينات الجيولوجية لتقدير كمية المعادن فيها.

English Abstract

In this research work we developed a highly sensitive analytical Laser Induced Breakdown Spectrometer to detect toxic elements in commercially available cosmetic products. These products are frequently used by many all over the world, therefore there is an increasing demand to determine concentration levels of toxic elements present in them because they cause dangerous diseases and most of them are highly carcinogenic and life threatening. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) was applied for spectroscopic analysis of cosmetic products such as tooth paste, synthetic hair dye, kohl eyeliners and talcum powder samples. These samples were purchased from the local market within the kingdom of Saudi Arabia. The LIBS method is based on spectroscopic analysis of plasma resulting from the interaction of a high power pulsed laser radiations with a sample medium. In order to improve the sensitivity of the spectrometer, the dependence of the LIBS signal intensity and plasma parameters such as temperature (T) and electron density (ne) on gate/time delay, laser fluence and wavelength of the excitation source for plasma generated under ambient conditions were studied. During this work Nd: YAG lasers having 266nm, 532 nm and 1064 nm wavelengths operating in Q-switch mode were used as the excitation sources in combination with a spectrograph having a gated ICCD camera. Boltzmann plots and stark broadening for the recorded spectral lines were used to XX estimate the plasma temperature and electron density respectively. Temporal evolution of the plasma temperature and electron density showed a t-2 dependence. On the other hand plasma temperature and electron density increased with increase in laser fluence but leveled off at higher fluencies. It is worth noting that in both cases 266 nm and 1064 nm excitation wavelengths consistently had the highest and lowest values respectively. Therefore a 266 nm wavelength Nd: YAG laser excitation source was selected to develop a highly sensitive Laser Induced Breakdown spectrometer to detect and quantify the fluoride (F), lead (Pb) and chromium (Cr) content in commercially available toothpaste, synthetic hair dye, kohl eyeliners and talcum powder samples. The experimental parameters such as gate/ delays and laser fluencies were optimized to achieve an optically thin and in local thermodynamic equilibrium plasma (L.T.E) which improved the limit of detection of our spectrometer. The choice of the parameters was validated using the Mcwhirter criterion. For fluoride detection in the toothpaste samples, a strong atomic transition line of fluorine at 731.102 nm was used as the marker line. The LIBS system was able to detect fluoride concentration levels in the range of 1300 – 1750 ppm with a detection limit of 156ppm.In the synthetic hair dye, chromium was detected using a strong atomic transition of chromium (Cr) at a wavelength 427.5 nm as the spectral marker line and the spectrometer with a detection limit of 1.2 ppm was able to detect chromium concentration levels in the range of 5-11 ppm. These results achieved with our LIBS system were compared with those obtained using a standard detection method such as ICP-MS. The results obtained are in excellent agreement with ICP-MS. Lead (Pb) and Chromium (Cr) in kohl were detected using atomic transitions at wavelengths of 405.7 nm and 425.4 nm respectively as the spectral marker lines. The system was calibrated for these toxic metals and it was able to detect Lead and Chromium in the range of 5-14 ppm and 4-9 ppm with detection limits of 1ppm and 2 ppm XXI respectively. The LIBS results were compared with those obtained using ICP-MS and were in good agreement yielding a relative accuracy in the range 0.05-0.3 which is acceptable. Lead (Pb) and Chromium (Cr) levels in talcum powder samples were detected and quantified using strong transitions at wavelengths of 405.7 nm and 425.4 nm respectively. The LIBS system detected lead and chromium in the range of 15-17 ppm and 23-29 ppm with limits of detection of 1.96 ppm and 1.72 ppm respectively. The concentration levels of fluoride, lead and chromium detected using our LIBS system exceeded the permissible limits set by the Environmental agency and other regulatory organization and hence frequent use of such cosmetic products can be hazardous to human health. The LIBS spectrometer developed through this research work can be applied for analysis of many other samples like pharmaceutical, polymers, iron, volcanic eruption and geological samples for mineral quantification.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Gondal, M. A.
Committee Members:	Al-Adel, F.F. and Mekki, A.
Depositing User:	MAGANDA WA YASIN (g201003960)
Date Deposited:	29 Dec 2013 16:45
Last Modified:	01 Nov 2019 15:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139010