DETERMINACIÓN DE TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE

DETERMINACIÓN DE TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE EXPLOSIVOS
ÓPTIMAS PARA EL DEPARTAMENTO DE ANTIOQUIA
Yady Andrés Pino Jaramillo
Trabajo de Grado
Asesor
Alejandro Molina Ochoa
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Escuela de Procesos y Energía
Medellín
2009
Dedicatoria
A toda mi familia por el apoyo incondicional que siempre me han brindado y a
todas las personas que aportaron para llevar a cabo este TDG.
1
Agradecimientos
Al Profesor Alejandro Molina Ochoa de la Universidad Nacional sede Medellín ,
Ingeniero Daniel Díaz de la Universidad Nacional sede Medellín, Javier
Mauricio Betancur Muñoz Investigador de Desminado de EAFIT, Luis Vidal
Cortes Martinez de la Sijin Medellín Ponal, Sargento Segundo Tomas Castillo
Guaiteros Jefe de CINAME, Carlos Preciado Departamento de Detección de
Explosivos del DAS y Lilibet Arismendy Florez Dirección de Derechos
Humanos y Derecho Internacional Humanitario – Secretaria de Gobierno de
Antioquia.
2
Tabla de Contenido
Pag
1. Introducción …………………………………………………………………..8
2. Marco Teórico………………………………………………………………...9
2.1
Discriminación de Explosivos…………………………………………...9
2.2
Labores Humanitarias de Desminado…………………………………14
2.3
Otras actividades relacionadas con minas antipersonal en
Colombia………………………………………………………………….15
3. Técnicas de Detección de Explosivos y Artefactos Explosivos
Improvisad (AEIs)…………………………………………………………….15
3.1
Detector de Metales……………………………………………………...15
3.2
Radar de penetración terrestre (GPR)…………………………………17
3.3
Tomografía de Impedancia Eléctrica…………………………………..17
3.4
Retrodispersion de Rayos X…………………………………………….18
3.5
Métodos Infrarrojos………………………………………………………19
3.6
Sistemas Acústicos-Sísmicos…………………………………………..20
3.7
Animales utilizados para la detección de minas………………………21
3.8
Espectroscopia de Movilidad Iónica (IMS)…………………………….23
3.9
Espectroscopia de Masas……………………………………………….27
3.10
Espectroscopia de Emisión de Plasma Producido por Láser (LIBS).32
3.11
FIDO, Alteración de la Fluorescencia Emitida por Membranas
Poliméricas………………………………………………………………..37
4. Técnicas Utilizadas en Antioquia…………………………………………...38
3
5. Recomendaciones para Equipos de Detección de acuerdo al Territorio
Antioqueño……………………………………………………………………39
5.1
Características del territorio Antioqueño………………………………39
5.2
Recomendaciones de Equipos…………………………………………40
6. Conclusiones………………………………………………………………….44
7. Bibliografía…………………………………………………………………….45
4
Listas Especiales (Figuras y Tablas)
Pag
Figura 1. Clasificación de explosivos………………………………………………9
Tabla 1.Propiedades de los Explosivos de Alto Orden………………………….13
Figura 2. Ilustración del funcionamiento del detector de metales……………...16
Figura 3. Prototipo de un Tomógrafo de Impedancia Eléctrica………………...18
Figura 4. Representación gráfica de Retrodispersión de Rayos X…………….19
Figura 5. Línea continua: amplitud de vibración superficial del suelo
sobre una mina. Línea discontinua: amplitud de vibración de suelo…………..21
Figura 6. Radiación Alfa, Beta y Gama…………………………………………...23
Figura 7. Esquema de Operación de Espectroscopia de Movilidad Iónica…...24
Figura 7. Espectro del IMS, Signos en Voltios Vs Tiempo de Recorrido……..26
Figura 8 Espectros individuales de IMS, a diferentes tiempos de
concentración de la muestra, 10s, 1min, 5min, 30min, para TNT……………..26
Figura 9. Representación del sistema Impacto Electrónico (IE)
para ionización de muestras……………………………………………………….28
Figura 10. Representación de la ionización Electrospray………………………29
Figura 11. Representación de un sistema de sector magnético……………….30
Figura 12. Representación grafica de la técnica LIBS…………………………..33
Figura 13. Evolución del Plasma Luminoso en la Técnica LIBS……………….34
Figura 14. Representación grafica de la formación del plasma luminoso…….35
5
Lista de Anexos y Apendices
Apéndice A
Estudio de La técnica Radar de penetración terrestre (GPR), realizado en
Colombia.
Apéndice B
Estudio de la técnica Espectroscopia de Movilidad Ionica (IMS) para la
detección de NG, TNT, RDX, PETN y TETRYL.
Cambios en el proceso de operación para disminuir falsos positivos.
Apéndice C
Características del ión molecular (Espectrometría de Masas)
Apéndice D
Deducción de la ecuación que determina el tiempo de vuelo
(Espectrometría de Masas)
Apéndice E
Deducción de la relación entre masa, carga y los campos aplicados a una
partícula cargada a partir de la segunda ley de Newton y la ley de Lorentz.
(Espectrometría de Masas)
Apéndice F
Explicación en detalle del proceso de fluorescencia, fundamental para la
técnica FIDO (nombre comercial de la alteración de fluorescencia emitida por
resinas poliméricas)
6
Resumen
En este trabajo se muestra la situación actual en que se encuentra Colombia
con respecto al fenómeno de las minas antipersonales y artefactos explosivos
improvisados (AEIs). Se desarrolla un marco teórico en el cual se muestran
algunas propiedades de los explosivos que pueden ser utilizados en la
fabricación de AEIs y se describen las labores de desminado humanitario en el
departamento de Antioquia. Se presenta el estado del arte en técnicas de
detección de explosivos teniendo en cuenta sus principios de funcionamiento
tanto físicos como químicos. Se realiza una corta descripción de las principales
técnicas de detección de explosivos que actualmente se utilizan en el
departamento de Antioquia. Con base en la información presentada, se
recomienda utilizar en Antioquia para la detección de explosivos en campo
abierto y con fines de desminado humanitario las siguientes tres tecnologías: (1)
uso de perros entrenados; (2) la espectroscopia de movilidad iónica (IMS) y (3)
FIDO (nombre comercial de la alteración de fluorescencia emitida por resinas
poliméricas). Se recomienda también el uso de combinaciones IMS/GPR (radar
de penetración terrestre) y FIDO/GPR para lograr no solo la detección de los
explosivos, sino también la ubicación de los AEIs de tal forma que se facilite su
desactivación
Abstract
This study shows the current situation of Colombia regarding antipersonnel
mines and Improvised Explosive Devices (IEDs). The study describes the most
common explosives used in Colombia in the fabrication of IEDs as well as
demining humanitarian activities carried out in Antioquia. A description of the
state of the art in explosive-detection technologies is presented with emphasis
in the physical and chemical principia involved. The analysis includes a short
description of the current explosive-detection technologies used in Antioquia.
The information presented is used to recommend the use the following three
different technologies for the detection of IEDs in Antioquia: (1) Trained dogs, (2)
Ion Mobility Spectrometry (IMS) and (3) FIDO (commercial name for the use of
Amplified Fluorescence polymer in explosives detection). An additional
recommendation consists on the use of hybrid systems such as combinations
IMS/Ground Penetrating Radar (GPR) and FIDO/GPR that allow both explosive
detection and localization of an underground IED.
7
1 Introducción
Según el Observatorio de Minas Antipersona (MAP) Colombia es el país del
mundo que más víctimas por minas antipersonales y artefactos explosivos
improvisados (AEIs) suma cada año. Desde 1990 hasta marzo del 2009 se han
registrado 7451 incidentes con minas antipersona y AEIs, de los cuales 1692
incidentes han cobrado la vida de las víctimas y 5759 han sufrido graves
heridas [1]. Hasta febrero de 2008 se registraron 1544 victimas, y el
departamento con el mayor porcentaje de participación de víctimas por minas
antipersonales y AEIs es Antioquia (23%) seguido del Meta con un 10% [2]. En
un eventual cese de hostilidades en Colombia, el desminado humanitario sería
la herramienta para recuperar zonas donde se han plantado minas
antipersonales y AEIs. Para mejorar la eficiencia del proceso de desminado
humanitario se debe contar con la infraestructura adecuada para la detección
de estos artefactos explosivos. Existen numerosas tecnologías para la
detección de AEIs. Muchas de esas no son aún conocidas o utilizadas en
Colombia. La naturaleza cambiante del tipo de AEIs plantados en Colombia
hace que la infraestructura necesaria para su detección se deba elegir con
base en las particularidades del conflicto colombiano.
Limpiar lo más rápido posible un campo minado para movilizar efectivos
militares es la finalidad del desminado militar, el cual, no garantiza que el
terreno queda completamente libre de minas. A menudo en el desminado
militar simplemente se abre una brecha en el campo minado con el único fin de
que las tropas puedan avanzar. En un desminado humanitario, por el contrario,
se debe asegurar que el campo minado quede libre de minas y que dicho
campo continúe con su uso normal por parte de la población civil. Esto hace
que el desminado humanitario sea más difícil, tedioso, costoso y peligroso. El
desminado humanitario involucra: limpieza y remoción de minas, señalización,
documentación posterior al desminado, contacto directo con la comunidad
afectada y traspaso de las tierras desminadas a la población civil [3].
En la actualidad el desminado humanitario se practica utilizando detectores de
metales y perros entrenados. Con los detectores de metales se ha presentado
un considerable inconveniente debido a los objetos metálicos que han sido
abandonados y que, con el transcurrir del tiempo, se han enterrado en la tierra.
Como también se cuenta con suelos ricos en hierro, se presentan numerosos
falsos-positivos que se reflejan en elevados costos y tiempos de desminado.
Por otra parte, si se tiene en cuenta que los AEIs actuales no poseen nada de
material metálico se puede considerar que en la actualidad esta técnica es
obsoleta para el territorio colombiano. Por el contrario la técnica de detección
con perros ha mostrado un mejor rendimiento para el desminado humanitario
debido a que los perros poseen un sentido del olfato bastante desarrollado y
pueden ser entrenados para percibir ínfimas cantidades de sustancias
explosivas. Esta técnica requiere de largos y repetidos períodos de
entrenamiento del perro.
8
En un reciente trabajo MacDonald y Lockwood [4] mostraron la magnitud del
problema de las minas antipersona a nivel mundial. Estos autores describieron
las múltiples técnicas de detección de minas antipersona, considerando sus
ventajas y desventajas como también su potencial para acelerar el desminado
humanitario. Luego, con base en esta información, recomendaron las técnicas
claves para fortalecer su estudio e investigación.
Se han realizado estudios sobre la temática de la detección de explosivos a
nivel mundial, con el fin de acelerar el desminado humanitario, ya que a la
velocidad actual de la limpieza de campos minados se tardaría unos 450 a 500
años en terminar, solo si no se siguen plantando más. Por ejemplo, Lopera y
Milisavljevic estudiaron la aplicación de la técnica Ground Penetration Radar
(GPR) en Colombia [5]. Los autores evaluaron el desempeño de este método
en penetrar la tierra y desarrollaron modelos para predecir los efectos que
tienen las propiedades electromagnéticas de determinado suelo para la
identificación del objetivo enterrado mediante esta técnica. Los autores
concluyen que el GPR puede contribuir a la detección de minas y AEIs y
consideran que el sistema sería ideal para complementar alguna otra técnica,
como por ejemplo el detector de metales.
Otras técnicas que se han revisado para la detección de minas antipersonales
incluyen el “Análisis por Radiación Neutrónica” [6], la Espectroscopia de
Emisión de Plasma Producida por Láser (LIBS) [7], el uso de Semiconducting
Organic Polymer (SOP) en una técnica comercialmente conocida como FIDO.
En la literatura revisada no se encontró un estudio que describa las técnicas
utilizadas para la detección de explosivos a nivel mundial y que, con un previo
análisis, recomiende las técnicas apropiadas para su utilización en el
departamento de Antioquia. El objetivo de este trabajo es recomendar las
mejores técnicas de detección de artefactos explosivos, para la utilización en el
departamento de Antioquia, con fines de desminado humanitario.
2 Marco Teórico
Esta sección realiza una corta presentación de los principales explosivos
utilizados en la fabricación de minas antipersona así como de sus principales
propiedades. Se presenta además el estatus de las labores de desminado
humanitario en Colombia así como
2.1 Discriminación de Explosivos
Los explosivos son compuestos químicos o mezclas que al reaccionar liberan
grandes cantidades de gas y calor, produciendo de esta forma una onda
expansiva de alta presión. Los explosivos son sustancias sintéticas, es decir,
no se producen naturalmente.
9
Los explosivos se clasifican de bajo orden y de alto orden (ver Figura 1) de
acuerdo a su velocidad de detonación. Explosivos de bajo orden presentan
velocidades de detonación menores de 2000 m/s (llamada deflagración). Los
explosivos de alto orden tienen velocidades de detonación entre 2000 y 9100
m/s. Los explosivos que tienen una alta sensibilidad al calor, fricción o golpe
son utilizados como iniciadores (explosivo primario) de la detonación de los
explosivos poco sensibles (explosivo secundario), los cuales se utilizan como
carga explosiva.
Explosivos
Bajo Orden
Pólvoras
Alto Orden
Propelentes
Primarios
Secundarios
Figura 1. Clasificación de explosivos
A continuación se presenta una breve descripción de los compuestos
explosivos más usados [32]:
Explosivos de Alto Orden
RDX:
La abreviación RDX proviene del inglés Royal Demolition Explosive también
conocida como ciclonita, hexógeno o T4. Su nombre químico es ciclo-1,3,5trimetilen-2,4,6-trinitramina o Trimetilentrinitramina. En estado puro el RDX es
un polvo blanco, inodoro e insípido, es muy estable, se quema en vez de
explotar, solo explota mediante un detonador (dispositivo iniciador muy
sensibles), es un explosivo secundario. La Tabla 2 describe la fórmula empírica,
el peso molecular, la densidad, la velocidad de detonación, la estructura
química aproximada del explosivo, y la presión de vapor a 20°C para
explosivos de alto orden. Para lograr la detección de un explosivo es
importante conocer su composición (fórmula química, peso molecular, y
estructura química), la presión de vapor y densidad. La velocidad de
detonación se presenta como indicativo de la magnitud del explosivo.
TNT:
Trinitrotolueno o 2,4,6-Trinitrometilbenceno, también conocido como trotilo,
trilita o trinitrotoluol, es un sólido de color amarillo pálido sin olor. Es un
10
compuesto bastante estable que requiere de detonador para su explosión. Se
considera un explosivo secundario y es insoluble en el agua y disuelve en
benceno y acetona.
DNT:
2,4-Dinitrotolueno ó 2,6-Dinitrotolueno es un sólido de color amarillo anaranjado.
Es un compuesto estable que requiere de detonador para lograr su explosión.
Es un explosivo secundario que diluye en acetona.
ANFO:
Proviene del ingles Amonium Nitrate Fuel Oil. Es la combinación de nitrato de
amonio con un combustible derivado del petróleo. Es un explosivo potente
producido de materia prima de fácil acceso (fertilizantes, solventes y
combustibles orgánicos).. Es de color amarillo a rojizo dependiendo del
porcentaje de sus componentes. Es un explosivo secundario, y de poca
resistencia a la humedad. El principal componente del ANFO es el nitrato de
amonio (AN), una sal inorgánica fuertemente oxidante, incolora. El ANFO es
estable y requiere de un detonador para explotar, es un explosivo secundario.
NG:
Nitroglicerina es un éster orgánico, líquido a temperatura ambiente, aceitoso y
ligeramente amarillo. Es una sustancia muy inestable por lo que se dificulta su
manipulación. La nitroglicerina es insoluble en agua y es soluble en la mayoría
de los solventes orgánicos. Es un explosivo primario.
EGDN:
Etilen Glicol Dinitrato, también conocido como nitroglicol o nitrato de glicol. Es
un líquido aceitoso de color amarillento. Es moderadamente soluble en agua y
fácilmente soluble en solventes orgánicos. Posee propiedades similares a la
nitroglicerina. Es un explosivo secundario.
HMX:
Del ingles High Melting eXplosive, ciclotetrametilen tetranitramina, también
conocido como octógeno. Es un sólido incoloro, muy estable y poco soluble en
agua. Es soluble en acetona y es un explosivo secundario.
PETN:
Pentaeritritol trinitrato o también conocido como pentrita, nitropentaeritrita,
nitropenta. Es bastante sensible a la fricción y a los golpes. Usualmente se
utiliza como detonador mezclado con otras sustancias. Es soluble en acetona y
metil acetato. Es un explosivo primario.
TETRYL:
2,4,6-trinitro-fenilmetilnitramina o tetranitrometilanilina, también conocido como
tetralita y tetrilo. Es un polvo de color amarillo pálido a temperatura ambiente.
Es soluble en benzol y acetona.
11
Fulminato de Mercurio:
Es un sólido de color gris pardo brillante, insoluble en agua, bastante sensible a
la llama, percusión y la fricción. Es un explosivo primario.
Azida de Plomo:
Es un sólido incoloro. Es un explosivo extraordinariamente sensible. Es
insoluble en el agua y también detona bajo el agua. Es un explosivo primario.
Explosivo de Bajo Orden
Pólvora Negra:
Contiene nitrato de potasio, azufre y carbón vegetal. Su velocidad de
deflagración es de unos 400 m/s. Es bastante sensible al golpe y a la fricción.
La presencia de humedad altera sus características explosivas.
Nitrocelulosa:
Llamada también algodón de pólvora. Es inodoro, insípido e insoluble en agua.
Es soluble en disolventes orgánicos (éter, alcohol). Es un sólido parecido al
algodón. Es bastante resistente a los impactos.
12
Tabla 1.Propiedades de los Explosivos de Alto Orden.
Compuesto
Explosivo
Fórmula
Empírica
Peso
Molecular
(g/mol)
Densidad
(g/cm 3)
a 20ºC
HMX
C4H8N8O8
296.2
1.903 *
Velocidad
de
Detonación
(m/s)
9100
Estructura
del
Explosivo
Presión de
Vapor
(Pa) a 20ºC
N O2
4.39 x 10-12
N
NO 2
N
N O2
N
N
NO2
RDX
C3H6N6O6
222.1
1.82
NO2
8750
N
5.45 x 10-7
NO2
N
N
NO2
PETN
C5H8N4O12
316.1
1.76
NO2
8400
5.05 x 10-8
O
NO2
O
NO2
O
O
NO 2
NG
C3H5N3O9
227.1
1.59
1.46 x 10-4
NO2
7600
NO2
O
O
O
NO2
TETRYL
C7H5N5O8
287.1
1.73
5.7 x 10-7 *
NO2
7570
N
NO2
NO2
NO2
EGDN
C2H4N2O6
152.1
1.48
NO2
7300
5
O
O
NO 2
TNT
C7H5N3O6
227.1
1.654
6900
NO2
1.46 x 10-4
NO2
NO 2
DNT
C7H6N2O4
182.1
1.53
------------
1.4 *
NO2
NO2
Fulminato
de
Mercurio
HgC2N2O2
Azida de
Plomo
PbN6
ANFO
------------
284.6
4.42
4850
-
O
N
N
+
O
-
-----------
N
-----------
+
C
C
Hg
291.3
4.8
4800
N
N
Pb
N
N
-----------
0.85 – 1.37
3200 - 4200
-------------
N
-----------
*Densidad a 15ºC, *Presión de Vapor a 35ºC, *Presión de Vapor a 25ºC
13
2.2 Labores Humanitarias de Desminado.
El Estado colombiano cuenta con cuatro equipos de desminado humanitario,
dedicados exclusivamente al desarrollo de operaciones de esta naturaleza a
nivel nacional. Dos de estos equipos se ocupan de la limpieza de campos
contaminados que hacían parte del sistema de protección de 34 bases militares
registradas en el Sistema de Información (IMSMA) y reportadas a los estados
parte de la convención. Los dos equipos restantes realizan operaciones de
Desminado Humanitario de campos contaminados por los Grupos Armados al
Margen de la Ley y que afectan a comunidades ubicadas en algunos de los
municipios más afectados del país.
Durante 2008, los dos equipos destinados al Desminado de campos de
protección de infraestructura militar, culminaron con éxito las operaciones
emprendidas en las bases de: El Alguacil, La Argelia, El Hobo, la Base Militar
de Oriente y el Batallón de Ingenieros Nº 18 “General Rafael Navas Pardo”.
Con estas operaciones, se concluyó la limpieza de 12 de los 34 campos
minados existentes, destruyendo un total de 1.291 minas antipersonal y
barriendo un perímetro de 72.026 metros cuadrados. En la actualidad, estos
dos equipos avanzan en operaciones de Desminado Humanitario en las bases
militares de Campanario (Quindío) y Toledo (Norte de Santander). En estas
operaciones, se han destruido 131 minas antipersonal y se ha barrido un total
de 8.420 metros cuadrados. Se tiene previsto que los 22 campos contaminados
restantes serán destruidos antes del 1 de marzo de 2011; fecha límite impuesta
por la Convención para cumplir con las obligaciones establecidas en el artículo
5.
Los dos quipos de Desminado Humanitario restantes, adelantan operaciones
de despeje de campos minados sembrados por los Grupos Armados al Margen
de la Ley en diferentes zonas del país. Entre los meses de mayo y diciembre
de 2007, el primero de estos grupos concluyó con éxito la limpieza de dos
zonas contaminadas con Municiones sin Explotar, que afectaba a una
comunidad indígena en el municipio de San José del Guaviare. En estas
operaciones, se logró la destrucción de 257 municiones sin explotar y 11 minas
antipersonal en un total de área barrida de 27.208 metros cuadrados. En enero
de 2008, este equipo desarrolló operaciones de Desminado Humanitario en el
municipio de San Francisco (Antioquia), en donde 127 familias fueron
desplazadas por los estragos generados por la siembra indiscriminada de
minas antipersonal. El segundo equipo, desarrolló labores de Desminado
Humanitario en el corregimiento de Bajo Grande (Sur de Bolívar) en noviembre
de 2007. Estas operaciones permitieron la destrucción de 86 minas
antipersonal encontradas en un área de 126.274 metros cuadrados despejados
[37].
14
2.3 Otras actividades relacionadas con minas antipersonal en
Colombia
El gobierno colombiano se ha preocupado por asignar recursos y programas
específicos para tener una rehabilitación física, psicológica y social a las
víctimas de las minas antipersona (MAP) y artefactos explosivos improvisados
(AEIs), a través de entidades como: FOSYGA, FISALUD, Red de solidaridad
social, Fondo de solidaridad pensional, Instituto de bienestar familiar y el SENA.
Esta asignación de recursos y programas por parte del gobierno está dirigida a
las víctimas que sufren lesiones de por vida como pérdida de miembros y
órganos que conllevan a una disminución o pérdida de capacidad productiva.
Adicionalmente a esto el gobierno colombiano ha querido incorporar a estas
personas en programas pedagógicos que consisten en brindar la información
necesaria para acceder a los servicios de subsidio y ayuda humanitaria [8].
Los estándares internacionales aseguran que sembrar una mina antipersona
puede costar 1 dólar, mientras que encontrarla y retirarla vale más de mil
dólares. Para el gobierno, lo más práctico para atacar el fenómeno, es
enseñarle a la población civil cómo no caer en una mina antipersona o AEIs.
3 Técnicas de Detección de Explosivos y Artefactos
Explosivos Improvisados (AEIs)
Esta sección describe las principales técnicas de detección de explosivos que
se utilizan en el mundo.
3.1 Detector de Metales
Los detectores de metales funcionan mediante un principio denominado
Inducción Electromagnética (EMI), fenómeno que consiste en generar campos
eléctricos mediante campos magnéticos. Se hace fluir corriente por medio de
una batería en una bobina que genera un campo magnético primario a sus
alrededores en forma de pulsos que varía entre 1000 y 50000 veces por
segundo; este campo magnético induce una corriente eléctrica en los metales
enterrados. El metal produce un campo magnético secundario mucho más débil
que depende de las propiedades electromagnéticas del metal enterrado
(conductividad, resistividad, magnetismo). Una segunda bobina receptora
identifica los cambios de tensión producidos por el débil campo magnético
secundario y posteriormente estos cambios son transformados a señales
acústicas.
15
Bobina
Bobina receptora
Campo magnético
Primario
Campo magnético
secundario
Metal
Figura 2. Ilustración del funcionamiento del detector de metales
Existen detectores de metales que funcionan con una bobina, la cual realiza las
funciones de propagación del campo magnético primario y receptora del campo
magnético secundario. La mecánica es similar a la anterior: primero se propaga
el campo magnético primario y se cierra el paso de la corriente para que no
continúe la propagación de dicho campo, luego se percibe el campo magnético
secundario si es positivo, este proceso se realiza en repetidas ocasiones por
cada segundo.
El tamaño, forma y la orientación del objeto metálico con respecto a la bobina
influyen en su detección. Por ejemplo: un gramo de aluminio en forma de placa
paralela a la bobina es mucho mas fácil de detectar que un gramo de aluminio
en forma de pin y perpendicular a la bobina.
La profundidad a la cual percibe objetos un detector de metales está
determinada por el diámetro que tiene la bobina, pero este diámetro es
inversamente proporcional a la intensidad de la corriente y del campo
magnético primario. Entre más intenso sea el campo magnético más fácil se
detecta un objeto metálico pequeño, entonces para bobinas de diámetro
grande se dificulta la detección de objetos metálicos pequeños. Los detectores
de metales utilizados para la detección de minas tienen bobinas con diámetros
hasta los 20 cm [9].
Los detectores de metales pueden sufrir interferencias por señales
electromagnéticas del entorno como los causados por cables de alta tensión de
líneas eléctricas, transmisores de radio, motores eléctricos y hasta la misma
presencia de otro detector de metales. Algunos detectores de metales están
equipados con filtros para mitigar posibles interferencias.
Esta técnica presenta como desventaja los numerosos falsos positivos debido a
la presencia de objetos metálicos abandonados en las proximidades de la
superficie de la tierra, suelos ricos en minerales que se componen de diversos
metales y suelos salinos como las zonas costeras, ya que la sal es buena
conductora de la electricidad y puede generar un campo magnético secundario
en suelos bastante húmedos [5].
16
3.2 Radar de penetración terrestre (GPR)
Ground Penetration Radar (GPR) es una técnica que utiliza la radiación
electromagnética (combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes)
en la banda de microondas del espectro radioeléctrico (10 a 1000 MHz)
mediante una o varias antenas a las cuales se les suministra corriente alterna
(magnitud y dirección varían cíclicamente) para emitir ondas de radio que
penetran en la tierra. Las mismas antenas detectan las ondas reflejadas que
dependen de las constantes dieléctricas de los objetos bajo tierra. Luego estas
señales se transforman en una imagen que muestra un panorama de todo el
subsuelo. Mediante esta imagen se pueden identificar anomalías u objetos
extraños en el terreno.
Es una técnica muy utilizada como complemento del detector de metales, ya
que puede identificar objetos no metálicos bajo tierra, aumentando así las
probabilidades de detección de minas.
Las imágenes que proporciona el GPR tienen una escala vertical que indica el
tiempo que tarda la onda electromagnética en viajar por el subsuelo y regresar
a la antena. Esta escala de tiempo se convierte en una escala de profundidad
si se conoce la velocidad de propagación de la onda electromagnética. A
menudo se entierra un objeto a una profundidad conocida para calcular la
velocidad de propagación. El GPR detecta objetos a profundidades hasta de
1.5 m [10].
A pesar de ser una técnica madura, ya que se ha utilizado con fines
arqueológicos, como los detectores de metal presenta inconvenientes para la
detección de minas, debido a los numerosos objetos como rocas que pueden
tener una similar forma a la de una mina. Es una técnica poco utilizable en
suelos húmedos, ya que el agua atenúa las ondas reflejadas.
3.3 Tomografía de Impedancia Eléctrica
Es una técnica que proporciona una imagen de la distribución de la
conductividad eléctrica del suelo mediante un conjunto de electrodos
estimulados eléctricamente (1 mA a una frecuencia de 1kHz) [11] que se ponen
sobre la superficie del suelo conductor y miden los potenciales eléctricos
(campos eléctricos) en diferentes puntos del mismo. La conductividad eléctrica
es el cociente entre la densidad de corriente de conducción y el campo
eléctrico. Un objeto enterrado en las proximidades de la superficie causa una
discontinuidad o anomalía en la distribución de la conductividad eléctrica del
suelo. La distribución permite distinguir tamaño, forma y profundidad (hasta de
20 cm) [11] a la cual se encuentra el objeto. En la Figura 3. se muestra un
prototipo de un Tomógrafo de Impedancia Eléctrica que consiste de un arreglo
de 64 electrodos (8 filas y 8 columnas) conectados a una fuente que les
17
proporciona bajos estímulos eléctricos y a una computadora que muestra la
distribución de la conductividad eléctrica del suelo.
Figura 3. Prototipo de un Tomógrafo de
(Fuente:”Alternatives for Landmine Detection”) [4]
Impedancia
Eléctrica
La unidad de procesamiento de datos cuenta con un algoritmo que identifica los
tamaños y posiciones más probables de una mina y cumple la función de filtro
para los datos procesados.
El tomógrafo de impedancia eléctrica es una tecnología de bajo costo que solo
funciona para suelos que tengan un medio que facilite un buen contacto
eléctrico como el agua, suelos húmedos como las playas y suelos pantanosos.
Es una tecnología sensible al ruido electrónico. El contacto directo de los
electrodos con el suelo es una gran desventaja por la posibilidad de accionar
una mina. Esta técnica ha sido de gran importancia para estudios médicos y en
la actualidad se ha venido estudiando para la detección de minas.
3.4 Retrodispersión de rayos X
Esta técnica consiste en la emisión de rayos X que penetran la superficie de la
tierra; una gran parte se dispersan (dispersión de fotones) al colisionar con un
objeto. El grado de dispersión es función de la intensidad de los rayos, la
atenuación antes y después de la dispersión de los rayos, el ángulo de
incidencia de los rayos y algunas propiedades físicas del objeto como la
densidad. La dispersión de los rayos emerge por encima del suelo y luego se
intercepta por un detector, el cual transmite los datos a un software que
proporciona una imagen del objeto (similar a un negativo fotográfico). Tiene un
alcance hasta de 10 cm [12] de profundidad. Se estima que el tiempo necesario
para reproducir una imagen es de 1 min por m2.
18
Fuente de Rayos X
Detector
Dispersión de
rayos X
Rayo x Incidente
Mina
Suelo
Figura 4. Representación gráfica de Retrodispersión de Rayos X. [38]
La retrodispersión de rayos X es una técnica no utilizable en suelos húmedos,
ya que la atenuación del agua antes y después de la dispersión es
considerable y distorsiona la imagen obtenida. Es una técnica muy utilizada en
lugares públicos como aeropuertos y centros comerciales, ya que en estos
lugares se dispone de una mayor energía para producir una elevada intensidad
de los rayos X.
3.5 Métodos Infrarrojos
Esta técnica cuenta con sensores que responden a las radiaciones
electromagnéticas del rango de longitud de onda del espectro infrarrojo y
proporciona una distribución térmica o distribución de la dispersión de la luz
solar emitida por la tierra luego de absorber gran parte de los rayos solares. La
distribución térmica se altera por la presencia de objetos en el subsuelo o
superficie de la tierra. Las minas antipersona emiten radiación térmica más
intensa (más calientes) que la superficie de la tierra cuando sus cubiertas son
metálicas (buen conductor térmico), y viceversa cuando sus cubiertas son
plásticas (aislantes térmicos). El éxito de los métodos infrarrojos depende de
las condiciones del clima (velocidad y humedad del viento), condiciones y
composición del terreno (vegetación, humedad del terreno, contenido de
minerales), posición y profundidad en que se encuentre la mina.
La medición de radiación infrarroja se puede aplicar a distancia y puede
abarcar grandes áreas; sin embargo ha presentado un bajo rendimiento en la
19
detección de minas antipersona debido a las numerosas condiciones
ambientales que se deben cumplir para llevar a cabo una detección eficaz.
3.6 Sistemas Acústicos-Sísmicos
Estos sistemas consisten en la emisión de ondas sonoras a baja frecuencia
(menos de 1000Hz) [13] que penetran en los poros de la tierra. Las ondas
sonoras chocan con los objetos bajo tierra provocando pequeñas vibraciones
acústicas debido a la absorción de una parte de la energía de las ondas. Estas
pequeñas vibraciones acústicas se van desarrollando y se hacen más fuertes
debido al efecto de resonancia. Estas técnicas toman ventaje del hecho que la
mina es un contenedor y por lo tanto las vibraciones de un contenedor son
identificables. Estas vibraciones se transfieren al terreno que se encuentra
encima de la mina, y son detectadas por sensores sísmicos como el vibrómetro
de Láser doppler (LDV) y el geópono [14].
El LDV mide la intensidad de la vibración de puntos específicos mediante la
interferencia que tienen los rayos láser cuando chocan con ondas de diferente
frecuencia. Esta interferencia causa un desfase en la frecuencia del rayo láser,
que se denomina efecto doppler y es proporcional a la magnitud de las
vibraciones del objeto en estudio.
El geófono es un sensor que proporciona información sobre el movimiento del
suelo. Consiste en una bobina suspendida por resortes en presencia de un
campo magnético (imanes fijos) dentro de un recipiente que se encuentra sobre
la tierra. Cuando una vibración vertical mueve el recipiente, este movimiento
del recipiente con respecto a la bobina suspendida por resortes genera una
tensión eléctrica proporcional a la velocidad de movimiento del recipiente con
respecto a la bobina.
La presencia de una mina aumenta la vibración en el terreno que la cubre. La
Figura 5 representa un barrido de frecuencia vs. amplitud de vibración del suelo
sobre la superficie de una mina (línea continua). La línea discontinua
representa la vibración del suelo sin presencia de mina.
20
Amplitud m/s x 10-5
con mina
sin mina
Frecuencia (Hz)
Figura 5. Línea continua: amplitud de vibración superficial del suelo sobre una
mina. Línea discontinua: amplitud de vibración de suelo [4]
La Figura 5 muestra que a partir de determinada frecuencia (230 Hz
aproximadamente) la amplitud de vibración del suelo sobre la mina y del suelo
sin mina se traslapan impidiendo una posible identificación, esto debido a las
características que pueden presentar diferentes tipos de suelo que impiden el
desarrollo del efecto resonante. Esto indica que en determinado rango de
frecuencias (70 a 230 Hz) se puede obtener resonancia y es posible identificar
la mina por una diferencia de amplitud de la vibración del suelo. Esta técnica no
detecta minas a grandes profundidades, ya que la respuesta resonante se
atenúa significativamente con la profundidad. Las minas enterradas a más de
30 cm son difíciles de detectar [15].
Esta técnica no se ve afectada por la humedad o por el estado del tiempo.
La velocidad de exploración de esta técnica esta en el rango de 10 a 80 cm2/s.
[15] La presencia de vegetación interfiere en el funcionamiento correcto de esta
técnica con los sensores láser doppler ya que los rayos láser deben golpear el
terreno donde se encuentra enterrada la mina.
3.7 Animales utilizados para detección de minas antipersona
Cuando se entierra una mina o un AEI, se liberan vapores del explosivo al
ambiente. Aproximadamente el 95% de las emanaciones son absorbidas por la
tierra y un 5% se liberan a la atmosfera [16]. En esta técnica se emplean
algunos animales que actúan como sensores de sustancias químicas, por tanto,
buscan determinar la presencia o no de dichas sustancias más que anomalías
del terreno examinado.
21
Los perros, que poseen un excelente sentido del olfato, se entrenan para
olfatear los vapores de determinados explosivos. El entrenador u operador
debe interpretar las señales proporcionadas por el sensor (perro), por lo tanto
debe existir una buena comunicación entre los dos. Las características óptimas
de un perro entrenado para la detección de explosivos son: hocico en el suelo,
olfateo repetitivo, obediencia y resistencia. Los perros deben ser entrenados
periódicamente para cumplir con una buena formación en la detección de
explosivos.
No se sabe con exactitud el límite de detección mínimo de los perros ya que
varía de acuerdo al entrenamiento y formación que ha tenido el perro. También
depende de su entrenador o manejador y del clima (un día asoleado y con poco
viento disminuye el límite de detección mínimo). De acuerdo a estas variables
sus límites de detección pueden llegar al orden de 10-16 g/mililitro, equivalente
a 773 ppt (densidad del aire 1,293 mg/ml) [16].
Si el entrenamiento de estos animales se ha hecho con concentraciones de
explosivos más elevadas, una baja concentración de explosivo en campo
abierto no puede ser detectada. Cuando hay mucho viento, se presentan falsas
alarmas por los vapores de explosivos emanados desde el terreno que son
transportados en el ambiente por corrientes de aire, despistando por completo
al perro, sin encontrar la fuente de la emanación.
Las ratas también se emplean para la detección de minas o AEIs. Estudios en
el continente africano muestran que estos animales pueden ser competencia
para los perros detectores de explosivos. Las ratas poseen varias ventajas con
respecto a los perros. Algunas son: menor peso que el de un perro, por lo tanto
menor probabilidad de activar una mina; son más pequeñas que los perros,
facilitando su transporte a la zona minada; la manutención de una rata es
mucho mas económica que la de un perro. Se debe considerar que la
detección de explosivos por parte de estos animales todavía se encuentra en
investigación.
En la actualidad las abejas se encuentran en investigación como detectoras de
explosivos. Su entrenamiento, similar al de los perros, se realiza a toda una
colmena y consiste en exponerla a vapores de explosivos. Una abeja, al
percibir vapores de explosivos, se comunica con la colmena y todas acuden al
lugar indicado; solo basta con observar el sitio donde reposa la colmena
indicando la presencia de sustancias explosivas. Según pruebas de laboratorio
tienen límites de detección de hasta 20 ppb [15]. Poseen la gran ventaja de que
las minas enterradas tienen una probabilidad de casi cero de activación por
causa de estos animales. Las abejas han mostrado buen desempeño en
campos abiertos y calurosos. Por el contrario no tienen buen rendimiento en
terrenos con vegetación densa y climas demasiado fríos (menos de 4ºC).
22
3.8 Espectroscopia de Movilidad Ionica (IMS)
Un gas portador (inerte, por lo general aire del ambiente), lleva la muestra al
IMS en forma de vapor o como partículas suspendidas, las cuales se dirigen
hacia una región donde se encuentra un material radioactivo (por lo general
63Ni, vida media = 100 años), el 63Ni, mediante su desintegración emite
determinada cantidad de rayos beta (electrones de alta energía) como se
muestra en la Figura 6, mediante los cuales se produce la ionización de cada
molécula del compuesto objetivo.
La interacción de las radiaciones con la materia depende de la velocidad con la
que la radiación cede su energía a su paso por la materia. La velocidad de
intercambio de energía en el desplazamiento lineal de las radiaciones se
denomina “Transferencia Lineal de Energía” LET (Lineal Energy Transfer).
La radiación con una LET alta presenta baja penetrabilidad y una intensa
excitación molecular y posterior ionización, Aquellas radiaciones con LET bajo
tienen una penetrabilidad mayor y una intensidad de excitación molecular
menor y posteriormente una baja ionización. Las radiaciones Beta tienen una
LET alta, pero la ionización no solo depende de la Transferencia Lineal de
Energía, también depende de la energía de la radiación y de su intensidad
Núcleos
de Helio
Núcleo
Electrón
Ondas
Electromagnéticas
Figura 6. Radiación Alfa, Beta y Gama
El compuesto ionizado llega a un obturador (dispositivo que controla el tiempo
de paso de la sustancia ionizada) y se somete a un campo electroestático con
polaridad igual al ión de interés (siempre es negativo para explosivos). De esta
forma el ión de interés se repele por dicho campo, permitiendo así levitar con
una dirección definida y tener un determinado tiempo de desplazamiento hasta
llegar a la placa detectora, como se muestra en la Figura 7. El detector más
común es la Copa de Faraday, el cual se basa en el siguiente principio, si sobre
una superficie (dínodo) incide una partícula cargada el resultado es un flujo de
electrones secundarios y por lo tanto se crea una corriente. El dínodo, material
emisor de partículas secundarias, está compuesto de especies como BeO,
23
GaP o CsSb. La cantidad de electrones secundarios liberados por el choque de
la partícula cargada depende de la energía cinética de los electrones incidentes.
Si este efecto ocurre simultáneamente en repetidas ocasiones, se le
denominara “Efecto fotomultiplicador” y permite cuantificar la intensidad del
compuesto en el espectro del IMS. El pico del espectro será mas alto entre más
concentrada este la sustancia, es decir entre mayor intensidad tenga la
corriente.
Región con campo eléctrico
Placa detectora
Faraday
Región de
Ionización
Figura 7. Esquema de Operación de Espectroscopia de Movilidad Iónica
El desplazamiento del ión hasta la placa detectora se debe realizar a presión
atmosférica y en contra de un flujo de gas (drift gas) controlado que
generalmente es helio, cuya función es la de amortiguar la corriente que
contiene la muestra ionizada. El tiempo necesario para el desplazamiento
depende de la carga, peso y tamaño (estructura molecular) del ión que se
analiza. Entre más liviano y pequeño sea, más rápido llegará a la placa
detectora. La velocidad específica a la que se mueve un ión es como una
huella digital.
La velocidad del ión es proporcional a la magnitud del campo electrostático y la
constante de proporcionalidad (K) se denomina constante de movilidad de los
iones (cm2*V-1*s-1). La ecuación que define el proceso es:
Vd  K  E (1)
donde:
Vd: Velocidad del ión (cm/s)
K: Constante de proporcionalidad (cm2 V-1 s-1)
E: Campo eléctrico (V/cm)
K se puede calcular de acuerdo a propiedades fundamentales mediante:
K 
3 e 2 
16 N   k 
1
2 1   
1
Teff 2  D
24
 Teff
(2)
donde:
e: Carga de iones
N: Densidad de las moléculas neutras (gas en contracorriente)
 : Masa reducida por colisiones de iones neutros
 = (mM) / (m+M)
m: Masa del ión
M: Masa de las moléculas neutras
 : Factor de corrección (adimensional). Si m es menor que M, entonces  es
igual a 0.02.
k: Constante de Boltzmann
Teff: Temperatura efectiva de los iones, normalmente es igual a la
temperatura del gas portador (K)
 D : Sección transversal de la colisión que depende de la temperatura efectiva
(cm2)
A mayor densidad del gas en contracorriente, y a mayor temperatura del gas
portador, se ocasionaran mayores colisiones entre las moléculas de estos dos
gases, provocando así una menor velocidad de los iones en estudio y un mayor
tiempo de recorrido para que estos sean detectados por la placa de Faraday.
Por el contrario entre mayor sea la carga del ión en estudio mayor la constante
de movilidad, que a su vez provocara un aumento de velocidad de recorrido y
una disminución del tiempo de recorrido. Todo esto se puede apreciar de la
ecuación (2).
Características
La mayoría de estos equipos son pequeños y portátiles, por lo menos para ser
trasladados en la maleta de un carro. Tienen un tiempo de respuesta de unos
pocos segundos (8 – 10s) y precios que oscilan entre los 30.000 – 50.000
dólares. El costo de mantenimiento también se considera moderado. Es una
tecnología fácil de operar. Tiene la capacidad de detectar variedad de
explosivos claves como NH4NO3, NG, DNT, TNT y RDX. El material de
ionización es un material radioactivo. Sujeto a regulación especial de manejo y
almacenamiento. La región de desplazamiento del ión debe estar a presión
atmosférica, por lo tanto, si con algún desplazamiento del equipo o por algún
cambio climático varía la presión atmosférica, se deberá realizar una
calibración del mismo. Como es un sistema que se puede saturar fácilmente,
se debe entonces, controlar la cantidad de muestra inyectada. Para algunos
casos los picos no presentan buena resolución en el espectro. Este
inconveniente se puede solucionar con una columna de cromatografía de
gases.
25
Pico del
Ion
Reactante
(RIP) Cl-
Voltaje
(volts)
RDX+Cl-
TNT-
RDX+
+NO2-
Tiempo de recorrido (ms)
Figura 8. Espectro del IMS, Signos en Voltios Vs Tiempo de Recorrido [17]
En ocasiones se le adiciona a la muestra un gas que ayude en el proceso de
ionización, comúnmente el cloruro de metileno o algún otro gas que forme
fácilmente iones cloruro. Los picos de los iones de este gas son generalmente
los más altos del espectro del IMS. Y se conocen como Peak Ion Reactant
(RIP). Este pico sirve de referencia para cuantificar la concentración de
compuestos en el espectro.
Tiempo drifrt (mseg)
Tiempo drifrt (mseg)
Tiempo drifrt (mseg)
Tiempo drifrt (mseg)
Figura 9 Espectros individuales de IMS, a diferentes tiempos de concentración
de la muestra, 10s, 1min, 5min, 30min, para TNT [18]
Las Figuras 8. y 9. muestran espectros típicos de IMS donde se grafica la
intensidad de corriente en unidades arbitrarias contra el tiempo de recorrido. El
tiempo de recorrido del TNT no es el mismo para las dos figuras. Esto debido a
26
que fueron realizadas en diferentes equipos de IMS. El tiempo de recorrido
depende de la distancia a recorrer por el ión y del campo electrostático al cual
se encuentra sometido y por lo tanto no tiene por que ser igual para todos los
equipos.
De la Figura 9. se observa que al aumentar el tiempo de exposición de la
muestra en un preconcentrador el pico correspondiente a TNT aumenta. Cabe
destacar que dicha concentración no tiene nada que ver con el tiempo de
recorrido de los iones. Este tiempo de recorrido es solo función de su estructura,
peso, tamaño, carga, campo electrostático al cual se somete, como se
mencionó anteriormente.
En el apéndice B. se encuentra un Estudio de la técnica Espectroscopia de
Movilidad Ionica (IMS) para la detección de NG, TNT, RDX, PETN y TETRYL,
como también Cambios en el proceso de operación para disminuir falsos
positivos.
3.9 Espectrometría de Masas
Sistema de Ionización
En el espectrómetro de masas la muestra ingresa en fase vapor mediante un
sistema de vacío. Luego se ioniza en una cámara llamada “Fuente de Iones”.
Existen varias técnicas de ionización de muestra, que se adecuan a los
distintos estados en que se encuentre la sustancia, y se describan a
continuación:
Impacto electrónico (EI): Se produce dentro de una cámara al vacío. Es la
técnica más utilizada para muestras gaseosas. Se puede adecuar también para
algunas muestras líquidas, las cuales por medio de una unidad térmica se
desorben de algún material obteniéndose así vapor. En esta técnica las
moléculas de la muestra en estado vapor colisionan con electrones de alta
energía (acelerados al aplicar un potencial) producidos por un filamento
incandescente hecho de tungsteno o de renio, materiales que se encuentran a
elevadas temperaturas. La corriente típica del filamento es 1x10-4 Amp. La
Figura 10 muestra un esquema del proceso.
27
Filamento
Moleculas M
Ion M+
Colector
Figura 10. Representación del sistema Impacto Electrónico (IE) para ionización
de muestras.
El impacto electrónico hace que la muestra M pierda un electrón generando así
un ión radical o ión molecular M+. Se garantiza una fragmentación del ión
molecular mediante una corriente de 70 eV. Por lo general el umbral energético
para que una corriente genere iones comienza a los 12 eV. En la siguiente
reacción se muestra el proceso.
eV
M 70


 M   e
En el apéndice C. se enumeran características del ión molecular.
Electrospray (ESI): Se utiliza para muestras líquidas y se puede practicar a
presión atmosférica. La ionización y vaporización de la muestra ocurren
simultáneamente. Consiste en la adición de la muestra diluida (10-4 – 10-5 molar)
en solución ácida o básica (para el caso de explosivos es básica) mediante una
aguja o capilar. La solución debe tener conductividad eléctrica. Se aplica una
diferencia de potencial (3 – 8 kV) en la punta de la aguja o capilar. El líquido
comienza a salir aumentando su carga y generando una corriente en la forma
de “Cono de Taylor” de la muestra diluida, de acuerdo al principio de que una
forma cilíndrica retiene más carga que una forma esférica. En la punta del cono
el líquido soporta una gran cantidad de carga llegando a un punto crítico donde
no puede soportar más carga eléctrica y la solución entonces se dispersa en
pequeñas gotas (menos de 10 micrómetros de diámetro) altamente cargadas.
El solvente en la superficie de la gota comienza a evaporarse reduciendo cada
vez más de tamaño las gotas, las cuales entre se repelen ya que poseen la
misma carga eléctrica. Si la gota no encuentra una superficie donde disipar su
carga, llega a un estado crítico, se superan las fuerzas de cohesión superficial
y explota violentamente, generando así la ionización de la molécula. En la
Figura 11 se muestra una representación de la ionización mediante
electrospray.
28
Solvente
Soluto
Ionización Electrospray
+
- +
+ +
-
Figura 11. Representación de la ionización Electrospray.
Ionización Química (CI):
Se produce por reacciones sobre las moléculas en estudio con iones de un
reactivo gaseoso generados por medio de ionización de impacto electrónico
(EI). Los agentes gaseosos más utilizados son Metano, Isobutano, y Amoníaco.
Ionización de Campo (FI):
El emisor del campo consiste en un alambre de tungsteno de 10 – 12
micrómetros de diámetro, el cual por un procedimiento especial
(descomposición térmica al vacío) crea miles de micro-agujas en su superficie.
Un voltaje de 10 – 15 kV se aplica a este emisor, creando así una polarización
y finalmente ionización a las moléculas más cercanas a las puntas de las
micro-agujas, donde el campo eléctrico alcanza una gran fuerza.
Ionización MALDI (Matriz-Assisted Láser Desorption/Ionization):
Los analitos se disuelven en una solución de un compuesto (denominado
matriz) que absorbe rayos UV. La matriz se va secando llegando a su
cristalización y los analitos quedan dentro de la matriz cristalizada. Luego
pulsos de láser de luz UV (3-5 ns, 337 nm, 107 W/cm2) se utilizan para generar
pequeñas cantidades de plasma de la matriz, incluyendo los iones del analito.
Se obtiene entonces una desorción del analito ionizado. La matriz se ubica
dentro del espectrómetro.
29
Sistema de separación de iones
Una vez se hayan obtenido los iones se continúa con su separación utilizando
uno de los siguientes sistemas:
Sistema de sector magnético (Magnetic Sector MS):
Es el más utilizado. En este tipo de análisis se dirigen los iones a una cámara
de alto vacío (10-3 – 10-5 Torr), donde son acelerados por un potencial a una
gran velocidad. Los iones pasan a través de un campo magnético que actúa en
dirección perpendicular a la dirección de los iones, provocando así una
velocidad constante. Dicho campo se encarga de clasificar los diferentes iones
de acuerdo a su relación masa-carga (m/z) por un fenómeno llamado deflexión
(desviación de la dirección de una corriente). La magnitud de la desviación
depende de la relación m/z. En la Figura 12 se observa el proceso
anteriormente descrito.
Figura 12. Representación de un sistema de sector magnético.
Un sector magnético es capaz de separar iones de acuerdo a su relación
masa/carga, pero su resolución se ve limitada ya que no todos los iones que
30
llegan de la fuente de iones tienen la misma energía ni la misma velocidad. Por
lo tanto, para obtener una mejor resolución se añade un sector eléctrico que
enfoca los iones de acuerdo a su energía cinética, aplicando una fuerza
perpendicular a la dirección del movimiento de los iones. Este sistema se
denomina “Sistema de sector magnético y sector eléctrico” o “Sistema de doble
enfoque.”
La deducción de la relación entre masa, carga y los campos aplicados a una
partícula cargada puede obtenerse a través de la segunda ley de Newton y la
ley de Lorentz que se muestra en el apéndice E Se llega a la ecuación 4. de
trabajo aplicable al espectrómetro de masa.
m eB2 r 2

z
2V
(4)
De la ecuación 4. se observa que la relación m/z, es directamente proporcional
al campo magnético (B) y al radio (r) de curvatura al cual se encuentra
sometido un ión, y es inversamente proporcional al voltaje (V) aplicado para
lograr una diferencia de potencial y poder obtener una aceleración del ión que
se va a separar.
Sistema de cuádrupolo (quadrupole):
En este sistema los iones se aceleran para llegar al cuádrupolo o comúnmente
llamado filtro cuádrupolo. Este analizador está compuesto de 4 barras
organizadas paralelamente, en las cuales cada par (de igual polaridad) se
encuentra conectado eléctricamente a una combinación de voltaje de
radiofrecuencia (rf) y corriente directa (dc). Mediante este arreglo simétrico se
producen campos hiperbólicos. Se busca que la corriente directa permanezca
constante, mientras se varía la radiofrecuencia. Para cada radiofrecuencia,
determinados iones con una relaciones m/z especifica podrán atravesar el filtro
cuádruplo, y el resto de los iones colisiona con las barras impidiendo su paso a
la placa detectora.
Sistema de tiempo de vuelo (Time-of-flight TOF):
Se mide el tiempo que tarda un ión en viajar desde la fuente de iones hasta el
detector. Todos los iones son acelerados recibiendo la misma energía cinética,
pero como tienen diferentes valores de m/e, se van separando en diferentes
grupos de acuerdo a su velocidad. En el apéndice D. se muestra la deducción
de la ecuación que determina el tiempo de vuelo
1
t
L
1
2Ve2
 m 2
 
z
(5)
31
De la ecuación 5 se observa que el tiempo de vuelo (t) es directamente
proporcional a la raíz cuadrada de la relación masa-carga y a la longitud de
recorrido e inversamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada y a
la carga del electrón. Los iones con más baja relación masa-carga llegaran más
rápido que los iones con más alta relación masa-carga.
Detector:
Al detector llegan todos los iones, tanto el M+ (Ión molecular) como todos sus
fragmentos. Este registra todos los iones según su relación m/z y los cuantifica
según su abundancia relativa. La intensidad de la señal recibida por el detector
es proporcional al número de iones que chocan contra él. El detector mas
común es la Copa de Faraday el cual se describió anteriormente.
La espectroscopía de masas tiene una gran capacidad de identificación
unívoca de casi cualquier compuesto. Puede realizar análisis cualitativos y
cuantitativos. Es bastante buena para la identificación de compuestos puros, a
diferencia de las mezclas, que dan lugar a espectros muy complejos. Este
inconveniente se puede solucionar con una columna cromatográfica. Es una
técnica que está en capacidad de analizar moléculas que van de 1 – 100000
uma. Los equipos se consideran costosos, sobrepasando los 70.000 dólares en
el laboratorio y los 135.000 dólares si el equipo es portátil. El tiempo de
respuesta es de unos pocos segundos (10 s) para equipos portátiles. Puede
analizar muestras como vapor hasta con concentraciones de 1 ppb en el aire.
Es una tecnología fácil de operar.
3.10 Espectroscopia de Emisión de Plasma Producidos por
Láser
La espectroscopia de emisión de plasmas producidos por láser (Laser Induced
Breakdown Spectroscopy - LIBS) es una técnica de análisis elemental de
materiales en estado sólido, líquido o gaseoso. Usa pulsos láser de alta
energía y corta duración (entre 5 – 20 ns) que se enfocan sobre una muestra
mediante lentes ópticos. La intensidad de la radiación aumenta
instantáneamente la temperatura [19] y ocurre una vaporización e ionización de
una pequeña cantidad de la muestra. Se genera un plasma luminoso rico en
electrones, iones, fragmentos moleculares y átomos (su evolución y los
cambios en su contenido se producen en 1 µs) [20]. La densidad electrónica
usual en este fenómeno es del orden de 1015 – 1019 electrones por centímetro
cúbico. Las emisiones de radiaciones iónicas y atómicas se liberan al ambiente
alcanzando velocidades mayores que la del sonido (105 m/s) [21]. Las
emisiones se enfocan con una lente y se dirigen a sistemas de dispersión de
luz. La luz dispersada en diferentes longitudes de onda se captura por
32
detectores que producen el espectro característico de la muestra. Los
espectros muestran la longitud de onda (rangos entre 200 y 980 nm) [22] de las
emisiones versus la intensidad de la emisión atómica. La intensidad de las
líneas de emisión en los espectros es proporcional a la concentración del
elemento en la muestra. En la Figura 13 se muestra un sistema LIBS típico.
Figura13. Representación grafica de la técnica LIBS
La Figura 14 representa la evolución de las emisiones del plasma durante un
experimento LIBS. Se ilustra la incidencia del pulso láser en los primeros 10 ns
alcanzando un pico de intensidad sobre la muestra. De 1 a 2 ns después de la
incidencia del pulso láser, inicia la absorción de fotones por parte de la muestra
formando el plasma luminoso, hasta obtenerse un pico de máxima intensidad.
Luego el plasma libera su energía y comienza a enfriarse (8 – 9 ns)
produciendo una emisión fotónica continua donde participan iones y partículas
neutras (átomos) hasta 10 µs.
Para capturar la emisión de LIBS se define un tiempo, típicamente entre 2 y 10
µs, llamado tiempo de retardo (tr) el cual representa el tiempo que ha
transcurrido desde que comienza el pulso láser hasta que se abre el detector
para capturar las emisiones fotónicas producidas por la relajación del plasma
luminoso. El tiempo de integración (ti) representa el tiempo transcurrido
(normalmente entre 1.25 – 10 µs) con el detector abierto para detectar las
emisiones fotónicas.
33
Proceso Continuo de Emisión
Iones
Intensidad (ua)
Partículas Neutras
Moléculas
Pulso
Láser
Emisión Continua
Tr
Ti
Tiempo µs
Figura 14. Evolución del Plasma Luminoso en la Técnica LIBS.
En la Figura 15 se muestra la representación grafica de la formación, paso a
paso, del plasma luminoso. (A) presenta la incidencia del rayo láser en la
muestra, en (B) comienza la absorción de fotones, (C) ilustra la formación del
plasma luminoso debido a la alta temperatura que va adquiriendo la región de
incidencia del láser, en (D) se sigue desarrollando el plasma luminoso y va
aumentando la temperatura de la región de incidencia, en (E) comienzan
levemente las emisiones fotónicas del plasma luminoso que está llegando a su
punto máximo de excitación, en (F) se producen las emisiones fotónicas de una
forma explosiva (chispa), en (G) terminan las emisiones fotónicas debido a la
relajación del plasma luminoso dejando un pequeño cráter en la muestra.
34
Figura 15. Representación grafica de la formación del plasma luminoso.
Componentes
A continuación se describe algunas características de los componentes típicos
en un sistema LIBS
Láser
El láser mas utilizado es el Nd: YAG (Neodymium: Yttrium Aluminium Garnet)
que tiene las siguientes características: longitud de onda 1064 nm, pulsos de
duración de 6 a 15 ns, frecuencia de hasta 50 Hz y hasta 1 J de energía por
pulso [22]. Cumple con la mínima energía emitida (30 mJ) [23] por pulso para
producir plasma. El láser Nd: YAG se produce en gran variedad de tamaños
que van desde uso en laboratorio hasta portátiles para uso en campo.
Espectrómetros
El espectrómetro échelle es muy utilizado en los sistemas de LIBS, abarca
longitudes de onda de 200 a 1000 nm [19] con una alta resolución. Emplea una
rejilla en forma escalonada (escalones con anchos similares a los anchos de
longitud de onda de los rayos a difractar) en donde directamente inciden los
rayos y son difractados produciendo una dispersión que pasa por un prisma y
lo discrimina en diferentes longitudes de onda hacia el detector.
35
En el espectrómetro Czerny-turner los rayos inciden en un primer espejo
cóncavo y son dirigidos hacia una rejilla que se encarga de difractarlos en
diferentes longitudes de onda hacia un segundo espejo cóncavo cuya función
es hacer converger las longitudes de onda similares hacia el detector.
Detectores
Son los encargados de recibir toda la luz en diferentes longitudes de onda y
transforman los fotones en impulsos eléctricos, luego estos impulsos eléctricos
se transforman en información digital.
Fotodiodo:
Dispositivo altamente sensible a los fotones, cuya incidencia provoca una
determinada emisión de electrones.
Fotomultiplicador:
Dispositivo en el cual se consigue en repetidas ocasiones el mismo efecto del
fotodiodo, con el fin de amplificar la señal.
CCD (Charged Coupled Device):
Es el detector más apropiado para el sistema LIBS, consiste en un arreglo de
numerosos elementos fotosensibles (fotodiodos) en la ranura de salida del
espectrómetro, de esta forma se abarca mas detección de emisiones radiantes
obteniéndose un mayor rango de longitudes de onda en el espectro.
ICCD:
Similar al CCD, presenta la posibilidad de realizar observaciones en función del
tiempo.
Sistemas de enfoque y transporte de señales
Espejos:
Sirven para reflejar y direccionar el rayo láser y las radiaciones emitidas hacia
la muestra y hacia el detector respectivamente.
Lentes:
Se utilizan para enfocar y concentrar los rayos láser y las radiaciones emitidas
con el fin de obtener una mayor intensidad en los lugares que se requiera (la
muestra y el detector)
Fibras ópticas:
Consiste en un arreglo de filamentos de vidrio cilíndricos por los cuales viajan
los fotones emitidos del plasma luminoso de una forma muy direccional. Los
fotones rebotan dentro de los filamentos en ángulos demasiado abiertos
permitiendo un viaje supremamente rápido hacia el detector.
36
LIBS es una técnica útil para determinar la composición elemental de sólidos,
líquidos y gases. Detecta el contenido explosivo y también puede detectar el
tipo de cubierta que tiene la mina si no está enterrada. En ocasiones la muestra
se analiza en presencia de un gas inerte con el fin de evitar interferencia con el
nitrógeno del aire del ambiente. Es una técnica fácilmente portable que no
necesita preparación de la muestra y se obtienen resultados en tiempo real.
En esta técnica los pulsos láser inciden en pequeñas áreas de la muestra que
varían de 1 a 100 µm de diámetro. Se puede aplicar con pequeñas cantidades
de material ya que solo destruye entre 0.1 y 1 mg de la muestra. El sistema
LIBS es costoso y presenta la posibilidad de daños oculares debido a la alta
energía de los pulsos láser.
3.11 FIDO, Alteración de la Fluorescencia Emitida por
Membranas Poliméricas
FIDO es la marca comercial de un dispositivo para detectar explosivos que se
basa en la florescencia de polímeros. En FIDO se excita mediante pulsos de
luz infrarroja membranas poliméricas para emitir determinada fluorescencia.
Estas membranas disminuyen la intensidad de emisión fluorescente al tener
contacto con los vapores de un explosivo específico, por lo tanto se les
denomina amortiguadores. Una sola molécula de explosivo puede ser
suficiente para producir un cambio en la intensidad de radiación emitida. Un
pequeño dispositivo foto-multiplicador detecta la reducción de emisión de luz
fluorescente convirtiéndola en señales eléctricas para indicar al operador la
presencia de explosivos. Los límites de detección de este método se reducen a
partes por billón, detecta compuestos claves como TNT, DNT; igualmente por
su alta sensibilidad es un método que suele sufrir serios efectos de
interferencias por condiciones del clima. Los límites de detección son tres
órdenes de magnitud superiores a los que tienen la mayoría de técnicas
similares. En los últimos años la aplicación de FIDO se ha extendido a RDX y
mezclas de RDX con TNT y explosivos que contienen compuestos
nitrogenados. FIDO se puede regenerar fácilmente. Una vez la molécula ha
sido detectada, se puede remover fácilmente mediante la inyección de aire,
permitiendo de nuevo su utilización.
El desarrollo de la tecnología que dio lugar a FIDO comenzó a finales de los
años 90 en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) como un proyecto
financiado por Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) para
diseñar un dispositivo que pudiera emular el sendito del olfato del perro. FIDO
es actualmente comercializado por la empresa Normadics, Inc.
En el apéndice F. se encuentra una explicación en detalle del proceso de
fluorescencia, fundamental para esta técnica.
37
4 Técnicas Utilizadas en Antioquia.
En Antioquia, el ANFO y el R1 (una mezcla de nitrato de amonio con otras
sustancias explosivas) se encuentran presentes en el 80% de los explosivos
utilizados por los grupos al margen de la ley. Los detonadores más utilizados
son RDX con aluminio o PENT.
Es complicado el control de la venta de los explosivos en el territorio
antioqueño, ya que es una zona bastante activa en cuanto al sector minero, en
donde los explosivos constituyen una materia prima en la explotación de la
mina. En operaciones militares, la desactivación de minas antipersonales en
campo abierto está prohibida, debido a la cantidad de bajas que ha sufrido el
ejército en los últimos años por efectuar esa maniobra. La práctica
recomendada es detonar la mina que se encuentre en campo abierto. El
ejército nacional no cuenta con un laboratorio propio en el cual se puedan
realizar análisis de sustancias explosivas. Para esto deben recurrir a otras
entidades como la fiscalía.
De acuerdo a la información suministrada por las entidades competentes en el
área de detección de explosivos en el departamento de Antioquia (Cijín, DAS y
Ejercito), básicamente se cuentan con dos técnicas de detección de explosivos:
detectores de metales y perros.
Detector de metales
Esta técnica tiene una aplicación limitada en Colombia, ya que las minas
antipersonales fabricadas por los grupos al margen de la ley poseen pocos
objetos metálicos. Sin embargo, esta técnica aun se utiliza ya que muchas de
las minas antipersonas y AEIs plantados desde hace algún tiempo considerable
siguen sin ser detectadas, y lo más probable es que se haya utilizado metralla
en su fabricación. Como se indicó anteriormente, es una técnica que ha
presentado numerosos falsos positivos y que, por lo tanto, retarda las labores
de desminado humanitario.
Perros
El método mas apropiado con el cual se cuenta en la actualidad son los perros
que pueden trabajar en jornadas continuas de hasta 6 horas. Los más
utilizados son el labrador, pastor alemán y el terrier, los cuales son entrenados
para detectar principalmente ANFO, ACPM, Nitrato de Amonio y R1.
Laboratorio de Análisis de Explosivos
En Antioquia existen 2 laboratorios, LABICI (Laboratorio de Investigación
Científica) en Medellín y Pereira que hacen parte de la Fiscalía, en los cuales
38
se analiza y se determina qué tipo de explosivo contiene la muestra.
Actualmente se encuentra en construcción un laboratorio para el análisis,
caracterización y destrucción de artefactos explosivos en el Batallón de
Ingenieros Pedro Nel Gómez. Fuera de estas dos entidades, la detección de
explosivos detectados en Antioquia se realiza en instalaciones en Bogotá.
5 Recomendaciones para Equipos de Detección de
minas antipersona de acuerdo con las
características del Territorio Antioqueño.
5.1 Características del territorio Antioqueño
Las particularidades del territorio antioqueño y la recursividad e ingenio de los
responsables de plantar estos artefactos explosivos son precisamente las
razones por las cuales la detección de los AEIs y minas antipersona en
Antioquia se percibe tan complicada. Son numerosos los factores que se deben
evaluar para decidir si una técnica es apropiada o no apropiada para su
utilización en el territorio Antioqueño. A continuación se mencionan las
características típicas con las que se debe enfrentar y las que deberían superar
las técnicas a recomendar.

Vegetación demasiado densa

Territorio irregular; la topografía montañosa de Antioquia proporciona un
territorio bastante irregular en las que se puede encontrar significativas
pendientes.

Forma y tamaño de la mina antipersona y los AEIs; estos suelen ser muy
variados ya que los AEI se pueden fabricar con cualquier recipiente.

Clima muy variable; en general se presenta alta humedad.

Tipos de explosivos que se puedan identificar, para el caso antioqueño,
lo usual es la fabricación de minas y AEIs con el nitrato de amonio y
combustibles (ANFO).

Localización: no existe una localización típica con la cual se pueda inferir
si se trata de un AEI o no. Los AEIs se pueden ubicar en cualquier parte
del terreno.
39
5.2 Recomendaciones de Equipos
No existe una técnica que cumpla con todos los requerimientos necesarios
para una apropiada detección de explosivos para el caso colombiano ni para
cualquier otro país. Todas las técnicas poseen puntos fuertes y de igual forma
puntos débiles, pero si surgen algunas técnicas o combinación entre ellas
(sistemas híbridos) que tienen mejores características para la detección de
AEIs y Minas Antipersona, y son precisamente esas técnicas las que se
recomiendan en este trabajo.
Una técnica para la detección de AEIs en el campo debe:
1. Tener un buen rendimiento (detección en tiempo real, in situ)
2. Ser portátil, fácil de operar y requerir la mínima cantidad de personal para su
funcionamiento
3. Eliminar exposición riesgosa que pueda afectar la vida del personal que la
opera
4. Disminuir interferencias por condiciones climáticas y topográficas
5. Permitir operación por tiempos prolongados
6. Identificar la sustancia explosiva o que por lo menos se identifique si es
explosivo o no.
Muchas de las técnicas que se han descrito cumplen con algunas de las
condiciones descritas en el párrafo anterior. Lo ideal sería juntar las ventajas de
cada una de ellas y elaborar una técnica lo más completa posible, que pueda
aplicarse o pueda amoldarse para cualquier terreno y situación climática. Esta
técnica aún no existe y su construcción demanda más investigación a nivel
mundial y alto capital de inversión.
A continuación se revisan las diferentes técnicas de detección de AEIs y minas
antipersona descritas en este trabajo y se evalúa su desempeño de acuerdo a
los requerimientos del territorio Antioqueño y se recomiendan las mejores
técnicas y/o técnicas hibridas.
Los detectores de metales son una tecnología de uso limitado para el caso
colombiano ya que los AEIs plantados en el conflicto armado colombiano a
menudo no poseen componentes como cubiertas y mecanismos de detonación
metálicas. Los detectores de metales también presentan numerosos falsos
positivos, producidos por objetos metálicos abandonados en el terreno y suelos
ricos en minerales. Esta tecnología se limita a detectar el metal y no el
explosivo como tal; es una tecnología que se creó para la identificación de
tesoros escondidos y tesoros arqueológicos y que posteriormente se utilizó en
la detección de minas antipersona y AEIs que tienen metralla. De acuerdo a los
requerimientos del territorio Antioqueño, por su vegetación densa esta técnica
falla, ya que su modo de utilización debe ser a ras del suelo que se está
examinando. Adicionalmente, el clima variable que se presenta en el territorio
antioqueño con considerable humedad presenta un inconveniente para la
utilización de esta técnica ya que los suelos húmedos son buenos conductores
40
de la electricidad y pueden generar pequeños campos magnéticos que
proporcionarían un falso positivo.
En la identificación de tipos de explosivos, esta técnica falla ya que su
funcionamiento se basa en la detección de metales por el principio de
Inducción Electromagnética, lo cual no tiene nada que ver con la identificación
de la sustancia. Esta técnica aporta a la detección de minas antipersona y AEIs
que se consideran antiguos y que todavía se encuentran enterrados sin ser
detectados y tengan componentes metálicos.
El GPR, es una técnica que obtiene resultados en tiempo real, no expone al
peligro el personal que la opera, es portátil, presenta inconvenientes con
terrenos húmedos, ya que el agua atenúa las ondas reflejadas proveniente de
los materiales que se encuentran bajo tierra, por lo tanto es sensible al clima.
La vegetación densa y los terrenos irregulares no son un impedimento para su
operatividad. No detecta la sustancia explosiva, solo proporciona información
de la forma de los objetos que se encuentran bajo tierra. Por lo tanto se presta
para numerosos falsos positivos debido a la forma y tamaño tan variado que
pueden tener los AEIs y minas antipersona. Esta técnica puede ser de gran
ayuda si se utiliza alternamente con otra, es decir un sistema hibrido, por esta
razón no se descarta la técnica GPR para su uso en el departamento de
Antioquia.
La Tomografía de Impedancia Eléctrica es una técnica que detecta anomalías
en la distribución de la conductividad eléctrica del suelo, por lo tanto no detecta
la sustancia explosiva, es poco eficiente debido a las pequeñas áreas que se
analizan por unidad de tiempo. El área a analizar es función de la cantidad de
electrodos que tenga el equipo. Se debe presentar un equilibrio entre cantidad
de electrodos y peso del equipo, ya que a mayor cantidad de electrodos mayor
es el peso del equipo y a mayor peso del equipo, mayor es el riesgo de activar
una Mina Antipersona o un AEI, porque los electrodos deben tener contacto
directo con el terreno que se está analizando. Presenta inconvenientes con los
terrenos irregulares, vegetación densa, localización de los artefactos explosivos.
Es una técnica que se debe aplicar en terrenos húmedos, ya que los electrodos
que componen esta técnica deben estar en contacto con un medio conductor.
La técnica no se ve afectada por la forma y tamaño de los artefactos explosivos.
Los resultados de esta técnica se presentan a través de una computadora, lo
que implica que se debe tener un buen suministro de energía. Por los
argumentos anteriormente expuestos se considera que esta técnica no es
recomendada para campo abierto en el territorio antioqueño.
La retrodispersion de Rayos X utiliza dichos rayos para obtener imágenes de
los objetos bajo tierra, razón por la cual se presentan numerosos falsos
positivos debido a la variedad de formas que puede tener un artefacto
explosivo, Presenta inconvenientes con los suelos húmedos, ya que estos
atenúan los rayos reflejados por el objeto bajo tierra, por lo tanto es una técnica
que no proporciona información de la posible sustancia explosiva. La técnica
funciona muy bien en aeropuertos y centros comerciales donde el equipo
cuenta con buen suministro de energía, aunque algunos equipos son portátiles,
41
estos merman considerablemente la resolución de sus imágenes por falta de
energía. La técnica no presenta problemas con terrenos irregulares,
localización de explosivos, densidad vegetación. Los resultados de las
imágenes en equipos portátiles tardan unos cuantos minutos, por lo tanto no se
obtiene respuestas en tiempo real. Esta técnica se considera que no es
conveniente para operar en campo abierto.
En los Métodos Infrarrojos, cuyo principio es identificación de alguna
irregularidad en la distribución térmica que presenta el terreno examinado, se
pueden identificar la forma y tamaño de objetos bajo tierra, aunque una de sus
grandes ventajas es la de abarcar un considerable terreno en poco tiempo, se
deben cumplir determinadas condiciones ambientales (día soleado, terrenos
con poca humedad) para llevar a cabo su utilización, también se presentan
falsos positivos debido a la sombra que pueden proporcionar la densa
vegetación al terreno examinado por lo que también se ve afectada por la
localización de los artefactos explosivos. Esta técnica no se ve afectada por
terrenos irregulares, ni por la forma y tamaño de los objetos bajo tierra,
proporciona respuesta en tiempo real. De acuerdo a su principio de
funcionamiento no detecta la sustancia explosiva como tal. Esta técnica no es
recomendable para el territorio antioqueño.
Los Sistemas Acústicos. Su principio de funcionamiento se basa en la
propagación de ondas acústicas que golpean los objetos bajo tierra causando
vibraciones muy particulares, estas vibraciones toman fuerza por el fenómeno
de resonancia y se propagan a la superficie terrestre y posteriormente son
detectadas por sensores sísmicos que constan de rayos láser que deben
golpear la superficie del terreno por lo tanto esta técnica se ve afectada por la
densa vegetación. El clima y los territorios irregulares no representan ningún
inconveniente para esta técnica. Con esta técnica no se obtiene información de
la forma del objeto, como tampoco de la posible sustancia explosiva. Esta
técnica no se recomienda para operar en el territorio antioqueño.
Los animales, en especial los perros, son una gran herramienta para le
detección de Minas Antipersona y AEIs, ya que poseen un gran sentido del
olfato para identificar las sustancias para las cuales se les entrenan a unas
concentraciones en el aire bastante bajas de hasta ppt. Su gran ventaja es que
identifican la sustancia explosiva como tal. Una desventaja de los animales es
que, como seres vivos, tienen días en los que están mejor anímicamente y días
en los que no están tan bien anímicamente. Su desempeño también depende
de las condiciones climáticas y requieren de repetidos entrenamientos para
mantener su capacidad de detección de explosivos. Los perros no se ven
afectados por las irregularidades del terreno, vegetación densa, localización.
No detectan la forma ni el tamaño de la mina, lo cual no representa ningún
problema para su principio de detección. El uso de perros sigue siendo la mejor
opción Se para la detección de AEIs en el territorio antioqueño.
Los roedores y las abejas muestran resultados prometedores en la detección
de minas pero aun se encuentran en etapa de investigación, por lo tanto no
recomienda su uso para la detección de artefactos explosivos en Antioquia.
42
La IMS (Espectroscopia de Movilidad Ionica) detecta explosivos claves como
ANFO, NG, DNT, TNT y RDX, permitiendo la detección de concentraciones de
explosivos de hasta ppm en el aire y presenta resultados en tiempo real. Su
principal desventaja es el carácter radiactivo del material utilizado para la
ionización. Es una técnica que permite miniaturización y por lo tanto puede ser
portátil. Los territorios irregulares y la localización no representan ningún
inconveniente para esta técnica. Los climas fríos y la densa vegetación afectan
esta técnica con una disminución de su sensibilidad, pero no es determinante
como para descartarla. Esta técnica no detecta forma y tamaño de objetos,
pero eso es irrelevante de acuerdo a su principio de funcionamiento. IMS es
una técnica recomendada para la detección de AEIs y minas antipersona en el
departamento de Antioquia.
La MS (Espectroscopia de Masas) muy útil para muestras gaseosas y detecta
concentraciones de explosivos que van hasta 1 ppb en el aire. Tiene una
excelente detección para compuestos puros, las mezclas proporcionan
espectros muy complejos, este problema se soluciona comúnmente con una
columna de cromatografía de gases. De acuerdo a su principio de
funcionamiento se requiere como mínimo una cámara de alto vacío que
demanda bastante energía. Estos ya son inconvenientes bastante
considerables para esta técnica. Esta técnica no presenta problemas por la
irregularidad del terreno y la localización. Es portátil, le afecta el clima frío y la
densa vegetación. Genera respuesta en tiempo real. Esta técnica no se
recomendable para su utilización a campo abierto en el territorio antioqueño
FIDO (alteración de la fluorescencia emitida por membranas poliméricas) son
membranas poliméricas las cuales pueden detectar concentraciones de
explosivos en el aire hasta del orden de ppb. Esta técnica no la afecta las
irregularidades del terreno y localización. La densa vegetación y el clima
interfieren en su sensibilidad, pero no lo suficiente como para descartarla. Esta
técnica proporciona resultados en tiempo real, es portátil, no detecta forma ni
tamaño y tampoco es necesario, ya que se encarga de la detección de
sustancias explosivas. Es una técnica muy selectiva para compuestos
explosivos como TNT y DNT. FIDO se puede recomendar para la detección de
artefactos explosivos a campo abierto en el territorio antioqueño.
LIBS es una técnica que permite la detección de hasta ppm de concentración
en el aire, es portátil, no presenta complicación con la irregularidad del terreno
y localización. La densa vegetación y el clima frío afectan en funcionamiento de
esta técnica. Investigaciones ya realizadas de esta técnica para la detección de
nitrato de amonio en suelos han mostrado límites de detección muy altos (del
orden de 0.1%) generado buenos resultados, por lo tanto, no se recomienda
esta técnica para campo abierto en el territorio antioqueño.
Los perros (que ya existentes en Antioquia), la IMS y FIDO son las tres
técnicas que se recomiendan para su desempeño, desarrollo y operatividad a
campo abierto en el departamento de Antioquia. Si bien estas técnicas las
43
afecta la densa vegetación y el clima, pueden tolerar o soportar dichas
dificultades y lo que se considera más importante, estas tecnologías identifican
la sustancia explosiva. Se considera importante proponer un sistema híbrido,
es decir la combinación de dos o más técnicas que sean complementarias
entre sí, con el fin de tener un mayor potencial de detección, la propuesta debe
tener como mínimo una técnica de identificación de explosivos de las dos que
ya se han recomendado y otra técnica de identificación de imágenes de objetos.
La técnica más apropiada con un menor número de inconvenientes de este tipo
es el GPR. Por lo tanto las técnicas hibridas a recomendar son: IMS-GPR y
FIDO-GPR.
6 Conclusiones.
Colombia no cuenta con la tecnología apropiada para enfrentar el problema de
minas antipersona y artefactos explosivos improvisados. Una revisión del
estado del arte en la detección de explosivos permite recomendar el uso de
perros entrenados, la espectroscopia de movilidad iónica (IMS), y la alteración
de fluorescencia emitida por resinas poliméricas, conocida con el nombre
comercial de FIDO, como las herramientas a utilizar en Antioquia para la
detección de AEIs. Técnicas híbridas, como IMS-GPR y FIDO-GPR tendrían
también una alta aplicabilidad en el territorio antioqueño pues permitirían no
solo la detección de los explosivos, sino la ubicación de las AEIs,
especialmente si estos se encuentran bajo el suelo.
44
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47
APENDICE A
Estudio de La técnica Radar de penetración terrestre (GPR),
realizado en Colombia.
El funcionamiento del GPR se determina por las propiedades y las características
electromagnéticas (EM) de la tierra. En este trabajo, se predicen los efectos de
tales propiedades en la tierra con minas antipersona. Existen modelos para
calcular las propiedades electromagnéticas EM de la tierra, uno de estos modelos
es (FDTD) tiempo-dominio de la finito-diferencia, el modelo tiene en cuenta las
características de las minas antipersona para calcular la reflexión de las ondas
emitidas por el GPR en el área del terreno en que se encuentran enterradas. El
estudio es aplicado a dos tipos de tierras y son enterrados varios dispositivos
explosivos improvisados y minas antipersona, considerados como los objetivos.
Se predicen las identificaciones de tales objetivos enterrados en las tierras
seleccionadas, mientras que se varían las condiciones de cada tierra.
Las tierras son ferruginosas, seleccionadas de los terrenos más afectadas de
Colombia, en la cadena montañosa de los andes: Santander y Antioquia. Las
tierras son clasificadas como: marga de cieno y arena arcillosa, su volumen
orgánico es menos que 1% y presentan un color rojizo debido a la presencia de
óxidos mixtos y partículas férricas finas, los porcentajes son 8.8 y 5.2%
respectivamente para ambos tipos de tierra.
Estas tierras se utilizaron para detectar minas antipersona de bajo contenido
metálico (menos de 8 gr de metal por mina), teniendo en cuenta la propiedad de
susceptibilidad magnética (X), susceptibilidad magnética a una baja frecuencia
(XLF), susceptibilidad magnética a alta frecuencia (XHF) y susceptibilidad magnética
a una frecuencia dependiente (XDF), con una densidad del suelo ρs y determinados
porcentajes de arena, cieno y arcilla, como también un determinado porcentaje
residual de agua y saturado de agua (Θr y Θs respectivamente). En la tabla 1 se
muestran estas propiedades.
Tabla1. Propiedades disponibles de los suelos ferruginosos.
Las minas que se utilizaron para el estudio son (M14) de fabricación
estadounidense, (NR-409) de fabricación Belga y (MN-MAPA-1, MN-MAPA-2)
fabricadas en Colombia por INDUMIL. En la tabla 2 se muestran algunas
características de estas minas antipersona. Normalmente, están compuestas de
material como polietileno (PE), polipropileno (PP) y poliestireno (PS), caucho o
baquelita, y sus principales componentes explosivos son una mezcla de algunos
muy conocidos como TNT, TETRYL, PETN, RDX y AAP (Polvo de aluminio
atomizado). Su constante dieléctrica (εtg) es calculada realizando un promedio de
la constante dieléctrica del material que compone la mina y la constante
dieléctrica de su carga explosiva principal, los valores son tomado de Von Hippel
(1995). Se ubican las minas a una distancia (d) desde la cima o parte superior de
la mina hasta la superficie de la tierra entre un rango de 0-15 cm.
Tabla2. Características de las minas terrestres.
En la tabla 3 se muestran algunas características de los Artefactos Explosivos
Improvisados AEIs, el tamaño y forma de los AEIs pueda variar de un pedazo
pequeño de PVC (10 x 14 cm2) a un cilindro de gas grande (25 x 40 cm2).
Adicionalmente, algunos Artefactos Explosivos Improvisados AEIs se fabrican con
fibra del textil y por consiguiente, su forma es irregular (H=altura, D=diámetro,
L=longitud y W=ancho). Normalmente se usan diferentes tipos de explosivos en la
fabricación de AEIs. El más popular, y poderoso, está conocido como ANFO
(nitrato del amonio y aceite de combustible), aunque BENCLO (benzoato de sodio
y clorato de potasio) también es muy utilizado. Además del explosivo, algunos
dispositivos están llenos con alquitrán (el subproducto de petróleo) o una mezcla
de alquitrán y metralla.
Tabla 3. Resumen de Algunas Características de los AEIs.
Las propiedades electromagnéticas que se estudian son: permitividad relativa
dieléctrica (ξ), la conductibilidad efectiva (σeff) y la permeabilidad magnética (µ).
El cálculo de estas propiedades se fundamenta en una combinación de modelos
tratados en diferentes trabajos, entre los cuales se encuentran:
Reynolds, J., 1998. An Introduction to Applied and Environmental Geophysics.
John Wiley and Sons, New York.
Dobson, M., Ulaby, F., Hallikainen, M., El-Rayes, M., 1985. Microwave dielectric
behavior of wet soil — Part II: dielectric mixing models. IEEE Transactions on
Geoscience and Remote Sensing 23, 35–46.
Peplinski, N., Ulaby, F., Dobson, M., 1995. Dielectric properties of soils in the 0.3–
1.3 GHz range. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 33, 803–
807.
Los fenómenos electromagnéticos se describen mediante las ecuaciones de
Maxwell, son ecuaciones diferenciales parciales de primer orden, las cuales
relacionan las cantidades de campo electromagnético y su dependencia con la
fuente que los provoca y por consiguiente se pretende simular la respuesta del
GPR con uno o varios objetivos enterrados en la tierra. Las ecuaciones de
Maxwell se resuelven mediante el programa GprMax con el metodo Dominio del
Tiempo en Finito-Diferencia FDTD. Un ejemplo del dominio numérico con esta
herramienta se muestra en Fig. 1.
Se utiliza un dispositivo monostatico UWB GPR, con el fin de evitar una
transferencia entre el transmisor y las antenas receptoras. La antena receptora se
localiza por encima de la superficie a una altura máxima de 20 cm. Este valor es
un optimo muy práctico que permite una cierta movilidad de la antena
configurando así la resolución para la profundidad o penetración deseada. Se
utilizan rangos de frecuencia entre 0.8 – 2.8 GHz
El análisis de los resultados permite determinar la influencia de las propiedades
de electromagnéticas de la tierra. Se considera que el sistema GPR es bastante
adecuado para complementar el sistema de detector de metales. La metodología
presentada puede aplicarse a otros tipos de tierra y objetivos.
Bibliografía
Olga Lopera, Nada Milisavljevic. “Predictio of the effects of soil and target
properties on the antipersonnel landmine detection performance of groundpenetrating radar: A Colombian case study. Journal of Applied Geophysics 63
(2007) 13 - 23
APENDICE B (IMS)
Estudio de la técnica Espectroscopia de Movilidad Ionica (IMS)
para la detección de NG, TNT, RDX, PETN y TETRYL.
Cambios en el proceso de operación para disminuir falsos
positivos.
1. Koyunco et al. (s) [1] estudiaron mediante la técnica IMS la detección de NG,
TNT, RDX, PETN y TETRYL. Las condiciones de operación se muestran en la
Tabla 1.
Tabal 1. Condiciones de Operación
Parámetro
Valor
Temperatura de la corriente drift
105ºC
Temperatura de desorsión
224ºC
Temperatura de entrada
239ºC
Flujo drift gas
55 ml / min
Flujo de la muestra
318 ml / min
Ciclo de tiempo de medición
20ms
Tiempo de análisis
6s
En los sistemas donde se cuenta con aire seco, las especies iónicas de dicho
aire son predominantes. Es decir, aparte de ionizarse la muestra explosiva,
también se ioniza el aire en N2+, O2+, O2-. Estos iones se conocen como iones
reactantes y van a reaccionar con los iones provenientes de la muestra
explosiva, creando así diversos iones que contienen un mismo explosivo. Por
ejemplo para este estudio se obtuvieron 4 picos diferentes de RDX que
corresponden a 4 iones diferentes que contienen RDX.
Igualmente si el aire ambiente posee determinada humedad, las moléculas de
agua forman diversos iones como: O2(H2O)-, O(H2O)-, y en algunas ocasiones
NO2-.
La Tabla 2 muestra los valores de Ko y el tiempo de recorrido para los distintos
iones explosivos.
Tabla 2. Constantes de movilidad y tiempos de recorrido de explosivos
Ion del Explosivo Constante de proporcionalidad Tiempo
de
Ko (cm2V-1s-1)
Recorrido (ms)
NG/TNT
1.4535
10.679
TNT
1.4510
10.697
RDX-C
1.3895
11.171
RDX-N
1.3140
11.814
RDX-F
1.2075
12.857
RDX-D
0.9486
16.370
PETN-C
PETN-N
PETN-F
TETRYL1
TETRYL2
1.1505
1.1030
1.0334
1.3773
1.9670
13.495
14.076
15.025
11.270
16.058
El estudio se divide en tres fases. En la primera fase se dispone de muestras
estándar de explosivos y de su mezcla con acetona. Los explosivos analizados
son: TNT, RDX, PETN y TETRYL. Por ejemplo el espectro de TNT, se muestra
en la Figura 1. Se observa que el pico mas pronunciado se encuentra entre 10
y 11 ms, mas concretamente para TNT y NG/TNT. Se observa también un
pequeño pico entre 6 y 8 ms para un compuesto no identificado.
Altura del Pico (ua)
Figura 1. Espectro de TNT en mezcla con acetona
Tiempo de recorrido (ms) Drift Time (ms)
En la Figura 2 se muestra un espectro de todos los explosivos en mezcla con
acetona. Se observan picos entre 10 y 11 ms que pertenece al TNT, en 12 ms
que pertenece al RDX, en 13.5 y 14 ms que pertenece al PETN y otro en 16.2
ms que pertenece al TETRYL.
Altura del Pico (ua)
Figura 2. Espectro de los explosivos en mezcla con acetona
Tiempo de recorrido (ms)
Drift T
En la segunda fase se toma un fragmento de una explosión para determinar
cuales son los explosivos con mayor proporción para producir dicha explosión.
A la muestra sólida se le adiciona acetona en un frasco de 1 Lt y se agita bien,
luego se comienza a calentar esta solución entre 40 y 50ºC, para obtener así
los vapores, se abstiene de calentarse un poco mas para evitar
la
descomposición de los explosivos.
Los resultados del espectro se muestran en la figura 3. Se observan picos de
TNT, RDX, TETRYL y NG.
Figura 3. Espectro de solución con restos de una explosión
Altura del Pico (ua)
Tiempo de recorrido (ms)
Se determina que el explosivo se compone de TNT y RDX. Aunque se
muestren picos de otros explosivos, es probable que estos actúen como
detonantes y no pertenezcan propiamente a la carga explosiva.
En la tercera fase consta de la muestra tomada de las manos de una persona
que manipula explosivos. Los resultados del espectro se muestran en la figura
4. Se observan picos de TNT, RDX y TETRYL
Altura del Pico (ua)
Figura 4. Espectro de una muestra manual
Tiempo de recorrido (ms)
Se determina que el explosivo manipulado contiene TNT y TETRYL. Es
probable que el pico perteneciente al RDX sea referente al detonante, y no a la
carga explosiva propiamente.
2. Abu et al. (s) [2] estudiaron la utilización de diferentes gas drift, con el fin de
disminuir falsos positivos.
En la Figura 5. Se observa un esquema de la sección transversal del IMS
Itemiser equipado con una unidad de desorsión térmica. Este fue el equipo que
se utilizó en el estudio.
Figura 5. Sección esquemática del IMS Itemiser con unidad de desorsión
acoplada
Suministro
Dopant
Filtro
F
Tubo de
Secado
Gas
Drift
Escape
Salida del gas
Sistema
que
Procesa los
Signos
Amplificador
Espectro
Bo
Entrada
de gas
Muestra
con Aire
Electrodo
Entrada de Rejilla
Desorbedor
Colector
Difusora
Termico
Membrana SemiMaterial
permeable
Radiactivo 63Ni
La polarizabilidad del drift gas interviene en la separación de los iones
estudiados en el IMS. Entendiéndose por polarizabilidad como la tendencia
relativa de la nube electrónica a distorsionar su forma normal por la presencia
de un campo eléctrico externo.
El estudio empleo 4 gases de drif los cuales son: Aire, Nitrógeno, Dióxido de
carbono, Oxido Nitroso. En la Tabla 3. Se muestran todos los gases con sus
respectivos pesos moleculares y polarizabilidad.
Tabla 3. Pesos moleculares y polarizabilidades de los diferentes drift gas
Corriente de Gas
MW (g/mol) Polarizabilidad ( 10-24 cm3)
Nitrógeno
28
1.74
Aire
28.8
1.71
Dióxido de Carbono 44
2.91
Oxido Nitroso
44
3.03
Las condiciones a las cuales se realizó la investigación se presentan en la
Tabla 4.
Tabla 4. Condiciones de operación
Longitud del tubo
(viaje de la muestra ionizada))
Longitud de la región de la reacción
(ionización)
Voltaje del tubo
Pulso de abrir y cerrar
Campo Eléctrico a través del tubo
Temperatura de corriente en el tubo
Presión de la corriente en el tubo
Temperatura de unidad de desorsión
Muestra de ionización
Flujo de drift gas
Tiempo de muestreado
Tiempo de análisis
Modo de detección
3.9cm
6mm
980V
0.2ms intervalos cada 20ms
251 V/cm
205 mas o menos 5ºC
698 – 703 Torr
220ºC
63
Ni
0.9L/min.
5s
2s
Modo negativo ion dopant (CH2-Cl2)
Los explosivos estudiados fueron TNT, RDX, PETN, TNB, DNB y DNT
Las muestras se diluyeron con metanol, se prepararon, de tal forma que en un
microlito de muestra contenía 50 NG de explosivo. La solución de cada
explosivo se le adicionó a una unidad de filtro el cual se deja secar a
temperatura ambiente, y se evaporó el metanol a dicha temperatura. La
muestra explosiva quedó sobre la superficie del filtro.
Las muestras fueron introducidas en el espectrómetro por volatilización
utilizando una unidad de desorción térmica que se acopló a la parte delantera
de dicho equipo.
En la Tabla 5. Se muestran los datos de Ko para los diferentes drift gas
obtenidos por el IMS
Tabla 5.Constantes de movilidad para los diferentes explosivos en cada
drift gas
Compuesto MW
Ko (aire) [lit Ko] Ko N2
[lit KoCO2
KoN2O
Cl1,3-DNB
2,3-DNT
2,4-DNT
2,6-DNT
1,3,5-TNB
RDX
TNT
PETN
(g/mol)
(cm2V-1s-1)
35.5
168
182
182
182
213
222
227
316
3.05[3.06]
1.71
1.66
1.68[1.67]
1.67[1.65]
169
1.47[1.44]
1.54[1.53]
2.53[2.51]
Ko](cm
1 1
2
V-
s)
3.02[3.01]
1.71
1.63
1.67[1.61]
1.66[1.61]
1.70
1.47[1.49]
1.54
2.53[2.51]
(cm2V-1s1)
(cm2V-1s1)
1.34
0.98
0.97
1.00
1.00
1.01
0.94
0.96
1.33
1.37
1.02
1.00
1.02
1.02
1.03
0.95
0.96
1.33
En la figura 6. Se muestra el espectro del IMS de 1,3,5-TNB y 2,4 DNT con los
diferentes drift gas estudiados.
Intensidad del ion / 103 (ua)
Figura 6. Espectro del IMS, para 2,4-DNT y 1,3,5-TNB a diferentes drift gas
Oxido de Nritógeno
Dióxido de Carbono
Nitrógeno
Aire
Tiempo Drift (ms)
Deacuerdo al espectro reportado por el IMS observa que al aumentar la
polarizabilidad del gas también aumenta el tiempo de recorrido de la muestra
explosiva, es decir disminuye su movilidad. El ion reactivo es el Cl-, producido
por la adición de dicloruro de metileno. Los tiempos de recorrido fueron 3.05,
3.08, 6.92 y 6.77 ms, en el aire, nitrógeno, dióxido de carbono y oxido nitroso
respectivamente.
Los iones de 1,3,5-TNB realizaron el recorrido a 5.49, 5.45, 9.22 y 9.03 ms en
el aire, Nitrógeno, Dióxido de carbono y Óxido nitroso respectivamente.
Los iones de 2,4-DNT realizaron el recorrido a 5.54, 5.56, 9.32 y 9.11 ms. en el
Aire, Nitrógeno, Dióxido de carbono y Oxido nitroso respectivamente
Se notó una proporcionalidad lineal en cuanto al aumento de constante de
movilidad (Ko) Vs la polarizabilidad del drift gas. En la Tabla 6. se muestran los
datos de la regresión lineal para cada especie explosiva.
Tabla 6. Regresiones lineales de Constante de movilidad (Ko) Vs
polarizabilidad, para diferentes explosivos
Movilidad Reducida
Compuesto
Cl1,3-DNB
2,3-DNT
2,4-DNT
2,6-DNT
1,3,5-TNB
RDX
TNT
PETN
MW(g/Mol)
35.5
168
182
182
182
213
222
227
316
Pendiente(-)
1.36(+-)0.03
0.57(+-)0.02
0.53(+-)0.01
0.53(+-)0.01
0.53(+-)0.01
0.54(+-)0.03
0.42(+-)0.01
0.46(+-)0.01
0.96(+-)0.02
Intercepto
5.33(+-)0.4
2.68(+-)0.3
2.55(+-)0.21
2.59(+-)0.22
2.58(+-)0.24
2.63(+-)0.41
2.19(+-)0.21
2.31(+-)0.32
4.18(+-)0.41
R2
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
0.99
1.00
0.99
Entonces la mecánica seria la siguiente: el equipo se encuentra trabajando con
determinado drift gas y se reporta la presencia de un explosivo, para confirmar
este positivo, se cambia a otro drift gas y si el equipo reporta de nuevo la
presencia del explosivo deacuerdo a la relación lineal establecida, entonces se
ha confirmado el positivo, de lo contrario se confirma un falso positivo. Sí es
posible detectar un falso positivo, solamente cambiando la corriente drift gas, y
que para un determinado equipo de IMS es posible acoplar un tanque con un
determinado drift gas, diferente al que utiliza dicho equipo.
Bibliografía
[1] Hülya Koyuncu, Ertan Seven, Ayla C Alimli, “Examination of Some Organic
Explosives by Ion Mobility Spectrometry (IMS), Turk J Chem 29 (2005), 255264
[2] Abu B Kanu, Herbert H Hill Jr, “Identity confirmation of drugs ans explosives
in ion mobility spectrometry using a secondary drift gas”
Talanta 73 (2007) 692-699
APENDICE C
Características del ión molecular (Espectrometría de Masas)
El ion molecular M+ generalmente no es el más abundante ya que es el que
más se fragmenta. Por lo general se utiliza un pico base en el espectro de
masas que corresponde al ion más abundante (100% de abundancia relativa)
Los espectros se registran como Abundancia Relativa Vs. Relación m/z.
El ion molecular debe cumplir los siguientes parámetros.
•
•
•
•
•
•
Debe ser el ion con mayor masa de los que aparece en el espectro.
Debe contener todos los elementos presentes en sus fragmentos.
Debe corresponder al ion con el potencial de ionización más bajo.
Las diferencias de masa entre dicho ion molecular y los fragmentos que
aparecen en el espectro deben ser químicamente lógicas
Su abundancia relativa depende en gran medida de la naturaleza
química del producto. Así existe una serie que relaciona, de una manera
cualitativa y aproximada, la intensidad de dicho ion con el grupo principal
presente en la molécula. De mayor a menor sería: Compuestos
aromáticos > olefinas conjugadas (alquenos) > compuestos alicíclicos o
cíclicos >sulfuros > hidrocarburos lineales > mercaptanos (compuestos
de carbono hidrogeno y azufre) > cetonas > aminas > esteres > éteres >
ácidos carboxílicos > hidrocarburos ramificados > alcoholes.
Cuando se obtiene un espectro de masa de alta resolución es posible
distinguir entre fórmulas de igual masa, debido a que los elementos
tienen un peso atómico que permite distinguir entre ellos. En la tabla 1.
se muestran algunas diferencias de masas de combinaciones atómicas
para el pico de masa 43.
Tabla1. Combinaciones atómicas para el pico 43
Combinación Masa exacta
atómica
CHNO
43.0058
C2H3O
43.0184
CH3N2
43.0269
C2H5N
43.0421
C3H7
43.0547
APENDICE D
Deducción de la ecuación que determina el tiempo de vuelo
(Espectrometría de Masas)
Sistema de tiempo de vuelo (Time-of-flight TOF)
Se mide el tiempo que tarda un ion en viajar desde la fuente de iones hasta el
detector. Todos los iones son acelerados recibiendo la misma energía cinética,
pero como tienen diferentes valores de m/e, se van separando en diferentes
grupos de acuerdo a su velocidad. Los iones son acelerados por un potencial
de acuerdo a la ecuación:
mv 2
ezV =
2
(1)
donde:
e: Energía del ion.
V: Potencial (Voltios).
v: Velocidad.
despejando la velocidad:
⎛ 2ezV ⎞
v=⎜
⎟
m
⎝
⎠
1
2
(2)
Luego v = L / t donde:
L: Longitud del vuelo.
t: Tiempo del vuelo.
Entonces tenemos que:
L ⎛ 2ezV ⎞
=⎜
⎟
t ⎝ m ⎠
Despejando t:
1
2
(3)
t=
L
⎛m⎞
⎟
1 ⎜
z
(2Ve)2 ⎝ ⎠
1
2
(4)
APENDICE E
Deducción de la relación entre masa, carga y los campos aplicados a
una partícula cargada a partir de la segunda ley de Newton y la ley de
Lorentz.(Espectrometría de Masas)
Relación entre masa, carga y los campos aplicados a una partícula cargada a
través de la segunda ley de Newton y la ley de Loretz
Segunda ley de Newton: F = ma
Ley de Lorentz: F = e(E+vB)
donde:
F: Fuerza aplicada al ion.
m: Masa del ion.
a: Aceleración.
e: Carga iónica.
E: Campo eléctrico.
vB: Producto de la velocidad del ion y el campo magnético aplicado.
De la segunda ley de Newton se observa que la fuerza aplicada causa una
aceleración que es dependiente de la masa del ion y la ley de Lorentez indica
que la fuerza aplicada depende también de la carga del ion. Por lo tanto los
espectrómetros de masa separan los iones de acuerdo a su relación
masa/carga (m/z) y no solo a partir de la masa únicamente.
La dependencia de la relación m/z sobre los campos eléctrico y magnético se
deduce a partir de que a todos los iones formados en la fuente de iones se les
aplica un potencial de aceleración y se obtiene una energía cinética (T) de
acuerdo a:
mv 2
T = ezV =
2
(2)
V: Voltaje
Despejando velocidad tenemos:
v=
2ezV
m
(3)
De la ley de lorentz se obtiene que, el campo magnético aplicado a una fuerza
evB debe ser igual a la fuerza centrípeta mv2/r
mv 2
ezvB =
r
(4)
Despejando velocidad, tenemos:
v=
ezBr
m
(5)
Igualando la ecuación 3 y 5, se llega a la ecuación de trabajo aplicable al
espectrómetro de masas.
m eB 2 r 2
=
z
2V
(6)
De la ecuación 6. se observa que la relación m/z, es directamente proporcional
al campo magnético y al radio de curvatura al cual se encuentra sometido un
ion, y es inversamente proporcional al voltaje aplicado para lograr una
diferencia de potencial y poder obtener una aceleración del ion que se va a
separar.
APENDICE F
Explicación en detalle del proceso de fluorescencia, fundamental para
la técnica FIDO (nombre comercial de la alteración de fluorescencia
emitida por resinas poliméricas)
La fluorescencia consiste en la excitación de una molécula mediante la
absorción de fotones, estos “paquetes de energía” provocan que un electrón se
desplace a un nivel mayor de energía, la molécula excitada comienza a
colisionar con otras moléculas, provocando que el electrón regrese al original
nivel de energía en el cual se encontraba, emitiendo fotones de luz que había
absorbido. Esta emisión es propia de cada compuesto. Es así entonces como
se obtiene la fluorescencia, la cual presenta una vida corta (< 10-5 s), en la
mayoría de los casos la fluorescencia presenta una mayor longitud de onda
que la radiación utilizada para su excitación.
La fluorescencia tiene lugar en cualquier estado de la materia, gaseoso, líquido
o sólido. El tipo más sencillo de fluorescencia es el que presentan los vapores
atómicos diluidos.
Los electrones que contribuyen a la absorción de fotones en una molécula
orgánica son:
•
•
Los que participan directamente en la formación de enlaces entre
átomos, y que por lo tanto se asocian con más de un átomo.
Los que no son enlazantes o que no participan en ningún enlace que
están en gran parte localizados alrededor de átomos como: oxigeno,
halógenos, azufre, nitrógeno.
Las zonas no localizadas entre los átomos que están ocupadas por los
electrones enlazantes se llaman orbitales moleculares y pueden considerarse
como el solapamiento de los orbitales atómicos.
Cuando se combinan dos orbitales atómicos se origina un orbital molecular
enlazante de baja energía, y un orbital molecular antienlazante de alta energía,
los electrones de la molécula en estado fundamental ocupan el primero.
Los orbitales moleculares que forman enlaces sencillos, en las moléculas
orgánicas, se llaman orbitales sigma ( σ ), y sus electrones correspondientes se
denominan electrones sigma ( σ ), la distribución de la densidad de carga de un
orbital sigma es rotacionalmente simétrica al eje de enlace.
El doble enlace en una molécula orgánica contiene 2 tipos de orbitales
moleculares: un orbital sigma ( σ ), que corresponde a un par de electrones
enlazantes y a un orbital molecular pi ( π ) asociados con el otro par de
electrones, los orbitales pi se forman por el solapamiento de orbitales p
atómicos. Su distribución de carga se caracteriza por un plano nodal (que pasa
por el núcleo) a lo largo del eje de enlace sigma y una densidad de carga
máxima en la parte superior e inferior del plano.
Los orbitales moleculares antienlazantes (antisimétrico) sigma ( σ ) y pi ( π ), se
les denomina σ * y π *, los cuales se ocupan por la excitación de la molécula,
debido a alguna fuente externa.
Además de los electrones σ y π , muchas moléculas orgánicas contienen
electrones no enlazantes. Estos electrones que no participan en ningún enlace
se les designa con el símbolo n. En la Figura 1. se muestran un ejemplo de los
3 tipos de electrones.
Figura 1. Los tres tipos de electrones
La transición electrónica entre los diferentes niveles de energía se puede
producir por la absorción de radiación. En la Figura 2. se muestra las 4 posibles
transiciones entre los niveles de energía: σ → σ *, n → σ *, n → π *, y π → π *
Figura 2. Niveles de energía electrónicos de los orbitales moleculares
En la Figura 2. se aprecia que los electrones n poseen una energía que se
encuentra entre los electrones enlazantes y antienlazantes. Un electrón de un
orbital σ enlazante de una molécula se excita al orbital σ * correspondiente,
mediante la absorción de radiación, entonces se dice que la molécula se
encuentra en un estado excitado σ , σ *. Comparando con otras posibles
transiciones, la energía requerida para que tenga lugar la transición σ → σ * es
bastante grande, como se observa en la Figura 2. La cual corresponde a una
frecuencia radiante de la región ultravioleta en el vacío.
Los compuestos saturados que contienen pares de electrones no compartidos
(electrones no enlazantes) son capaces de sufrir transiciones n → σ *. Se
puede producir por la radiación de la región comprendida entre 150 y 250 nm.
Las absortividades molares asociadas a este tipo de transición son de
magnitud baja e intermedia y normalmente se encuentran entre 100 y 3000 L
cm-1 mol-1
En la tabla 1. se muestran los datos de absorción de algunas transiciones
n → σ * características.
Tabla 1. Ejemplos de absorción debido a transiciones n → σ *
Las transiciones n → π *, y π → π * requieren la presencia de grupos
funcionales no saturados que aporten los electrones π , a esos grupos
absorbentes no saturados se les denomina cromóforos (sustancias que tienen
muchos electrones con energías de excitación relativamente bajas y es
responsable de la fluorescencia).
La energía requerida para estos procesos produce picos de absorción dentro
de una región espectral de 200 a 700nm.
Las absortividades molares para los picos asociadas con la excitación n , π *
son generalmente bajas, y normalmente se encuentran entre 10 y 100
L
-1
-1
cm mol , y los valores para la transición π , π * normalmente se encuentran
entre 1000 y 10000 L cm-1 mol-1.
El solvente en que se encuentre el grupo funcional no saturado afecta la
longitud de onda de los picos. Entonces los picos asociados con transiciones
n → π * generalmente se desplazan a longitudes de onda mas corta cuando
aumenta la polaridad del disolvente. Se observa un comportamiento opuesto a
los picos asociados con transiciones π → π *.
En la Tabla 2. se muestran los cromóforos orgánicos comunes y la localización
aproximada de sus máximos de absorción.
Tabla 2. Características de absorción de algunos cromoforos comunes.
Algunos aniones inorgánicos presentan picos de absorción ultravioleta que son
consecuencia de las transiciones n → π *. Como ejemplo se puede citar los
iones nitrato (313 nm), carbonato (217 nm), nitrito (360 y 280 nm), tritio
carbonato (500 nm).
El principio de exclusión de pauli establece que en un átomo no pueden haber
2 electrones con los mismos cuatro números cuanticos iguales. Esta restricción
requiere que no haya más de 2 electrones en un orbital, y que además, los 2
deben tener los estados del espín opuestos. Cuando esto ocurre se dice que
los espín están apareados.
Un estado electrónico molecular en el cual todos los espín de los electrones
están apareados, se llama estado singulete fundamental (molécula
diamagnética), y el estado electrónico fundamental en el cual algunos espín de
los electrones están desapareados, se llama estado doblete (molécula
paramagnética).
Cuando uno de los electrones de una molécula en estado singulete
fundamental es excitado a un nivel de energía superior, se forma un estado
singulete excitado o triplete excitado. En la Figura 3. se muestran los tres
estados, singulete fundamental, singulete excitado y triplete excitado.
Figura 3. Estado fundamental y excitados de un electrón
En el estado singulete excitado, el espín del electrón promocionado “continua
apareado” con el electrón del estado fundamental. En el estado triplete el espín
de los electrones se han desapareado. El estado triplete excitado tiene una
menor energía que el correspondiente estado singulete excitado. Un estado
triplete excitado tiene una baja probabilidad de ocurrencia y puede durar
alrededor de 10-4 a varios segundos, el estado singulete excitado tiene una
mayor probabilidad de ocurrencia y puede durar alrededor de 10-8 a 10-5s
La fluorescencia y la fosforescencia se parecen en que la excitación se
consigue mediante la absorción de fotones. Con frecuencia se refieren a estos
dos términos con un nombre general, la fotoluminiscencia.
La fluorescencia se determina por el estado singulete excitado, y la
fosforescencia se determina por el estado triplete excitado, por lo tanto la única
diferencia, es que la transición electrónica de la fluorescencia no conlleva un
cambio en el espin del electrón, y la fosforescencia si. En la Figura 4. se
muestra un diagrama de un sistema fluorescente y fosforescente.
Figura 4. Diagrama de energía para un sistema fotoluminiscente
La línea horizontal gruesa en la parte inferior de la Figura 4. representa la
energía en el estado fundamental de la molécula, que a su vez tiene varios
niveles de energía vibracionales. Es un estado singulete y se le denomina So.
Las tres líneas gruesas superiores, representan 3 diferentes niveles de energía
en los estados excitados, singulete 1 denominado S1, mediante la longitud de
onda λ 1, singulete 2 denominado S2, mediante la longitud de onda λ 2 y
triplete 1 denominado T1. Igualmente cada uno tiene varios niveles de energía
vibracionales.
La Figura4. muestra que el estado triplete excitado, tiene una menor energía
que el estado sigulete correspondiente. Como tampoco se muestra la
excitación directa de un estado triplete, debido a que este estado tiene poca
probabilidad de ocurrencia.
La relajación vibracional se puede obtener por varios métodos, como la
fluorescencia, fosforescencia, conversión interna y externa. El camino mas
propicio hacia el estado fundamental, es aquel que minimiza el tiempo de vida
media del estado excitado.
Empíricamente se observa que la fluorescencia se encuentra con mas
frecuencia en los compuestos con transición π → π *, y las mas intensas y
útiles, son las que presentan los compuestos con grupos funcionales
aromáticos con este tipo de transición. También se observa que entre mas
rígida sea la estructura de la molécula mas favorable es la fluorescencia.
Los aumentos de temperatura de una molécula desfavorecen la fluorescencia
de la misma, ya que entre mas colisiones tenga la molécula menor
fluorescencia se observa, debido a que este es el mecanismo por el cual la
molécula lleva al electrón excitado a su orbital original emitiendo fotones de luz.
La fluorescencia de una molécula se reduce en presencia con disolventes que
contienen átomos pesados o de solutos que tienen átomos pesados en su
estructura. La presencia de oxigeno disuelto también suele reducir la intensidad
de la fluorescencia, este echo se le añade a la posible oxidación de las
especies fluorescentes.
La potencia de de la emisión fluorescente F es directamente proporcional a la
potencia radiante del haz de excitación absorbido por el sistema. La Ecuación 1.
muestra la proporcionalidad.
F = K ´(PO − P)
(1)
PO = Potencia del haz que incide incide sobre la disolución.
P = Potencia después de atravesar una longitud b del medio.
K ´ = Constante de proporcionalidad que depende de la eficacia cuántica del
Proceso de fluorescencia.
Con el fin de relacionar F con la concentración c de la especie fluorescente, se
escribe la ley de Beer en la Ecuación 2.
P
= 10 −εbc
PO
(2)
ε : Absortividad molar de la molécula fluorescente.
Se le denomina al termino
la Ecuación 1. tenemos:
εbc Absorbancia. Sustituyendo la Ecuación 2. en
F = K´PO (1 − 10 −εbc )
(3)
El paréntesis de la Ecuación 3. se puede desarrollar como una serie de
Maclaurin, como se muestra en la Ecuación 4.
(2.303εbc)2 (2.303εbc)3
+
...)
F = K´PO (2.303εbc −
2!
3!
(4)
Si 2.303εbc ≤ 0.05 se desprecian todos los términos del paréntesis a
excepción del primero. La Ecuación 5. muestra este hecho.
F = 2.3K´εbcPO
(5)
La Ecuación 5. aplica para sistemas con bajas concentraciones, con un
comportamiento lineal, pero cuando c es tan elevada que la absorbancia es
mayor que aproximadamente 0.05 los términos de mayor orden de la ecuación
4. adquieren importancia y se pierde la linealidad.
La amortiguación de la fluorescencia consiste en la disminución de la velocidad
de reacción del proceso fluorescente, y que podemos representar de la
siguiente forma:
La absorción de fotones produce la excitación de la molécula.
Absorción:
M + hv → M *
Velocidad =
d [M *]
= Ka[M ]
dt
La disipación de la energía absorbida (fotones) por la molécula puede ocurrir
de distintas formas.
1. El proceso de emisión de los mismos fotones absorbidos, produciendo la
fluorescencia.
Emisión:
M * → M + hv
Velocidad = −
d [M *]
= Ke[M *]
dt
2. El proceso de desactivación, en el cual la energía absorbida se disipa en
forma de calor.
Desactivación:
M * → M + Calor
Velocidad = −
d [M *]
= Ke[M *]
dt
3. El proceso de amortiguación, donde la energía absorbida es transferida a
otra molécula denominada amortiguador (Quencher, Q), la cual pasa a un
estado excitado (Q*)
Amortiguación:
M * +Q → + M + Q *
Velocidad = −
d [M *]
= Kq[M *][Q ]
dt
Al llegar a un estado de equilibrio la velocidad de aparición de M y la velocidad
de desaparición de M* se igualan, es decir:
Ka[M ] = Ke[M *] + Kd [M *] + Kq[M *][Q]
Esto me indica que al tener el polímero fluorescente en presencia de un
amortiguador, el equilibrio se presenta mas rápido, produciendo así una
disminución (alteración) en la fluorescencia.
En la Figura 5. se muestran 3 tipos de espectros fotoluminiscentes del
fenantreno.
Figura 5. Espectros del fenantreno, E (Excitación), F (Fluorescencia) y P
(Fosforescencia)
Los espectros de excitación se obtienen midiendo la intensidad luminiscente a
una longitud de onda fija mientras se varía la longitud de onda de excitación.
Los espectros de fluorescencia y fosforescencia suponen la excitación a una
longitud de onda fija, mientras se registra la intensidad de emisión como
función de la longitud de onda.
La longitud de onda emitida por la fosforescencia es más larga que la emitida
por la fluorescencia, debido a que el estado triplete excitado tiene menor
energía que el estado singulete excitado.
Bibliografía
Principios de análisis Instrumental, “Espectrometría de luminiscencia molecular”,
capitulo 15.
Principios de análisis Instrumental, “Aplicaciones de la espectrometría de
absorción molecular ultravioleta/visible”, capitulo 14.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/frankHertz/frankHertz.htm
http://www.maloka.org/f2000/TOC__Full.html
http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/orbitales-atomicos
http://www.fi.uba.ar/materias/6305/download/Espectrofotometria.pdf
http://bioweb.uv.es/bioquimica/Documentos/MetBioqcaI/Tema%202A.pdf