Spectrometrie cu plasmă cuplată inductiv este o metodă fizică de analiză chimică pentru determinarea aproape toate elementele simultan (analiza durează câteva minute, fără pregătire).
Metoda constă în ionizarea eșantionului prin injectarea acestuia într-o plasmă de argon sau, uneori, de heliu , adică atomii materialului de analizat sunt transformați în ioni printr-un fel de flacără extrem de caldă: până la 8000 K , dar în general în jur de 6000 K pentru aplicații geochimice. Cu toate acestea, unele dispozitive sunt echipate cu așa-numita opțiune „plasmă rece”, care se încălzește până la câteva sute de K la fel, permițând analiza moleculelor organice care altfel ar fi distruse.
Proba intră în general în plasmă sub formă condensată ( lichidă sau solidă ) și, prin urmare, trebuie să sufere următoarele schimbări de stare : topire (pentru solide), vaporizare , ionizare . Introducerea are loc în centrul plasmei, paralel cu fluxul de gaz plasmatic.
Proba trebuie introdusă în plasmă într-o formă fin împărțită , deoarece puterile utilizate (în general mai puțin de 2000 W de putere incidentă) nu fac posibilă tratarea particulelor de dimensiuni mai mari de un micrometru în timpul de ședere în plasmă. ; dacă vrem să analizăm un solid, trebuie mai întâi să-l transformăm într-o suspensie de particule fine, purtate de un curent de plasmă gazoasă.
Spectrometrie de masă are un principiu echivalent.
Cea mai frecvent utilizată cale a fost aceea de dizolvare , în general într-un acid , pentru a analiza soluția . Acesta este injectat în plasmă sub forma unui aerosol fin , generat de un dispozitiv pneumatic ( nebulizator ), ultrasonic sau fizico-chimic ( electrospray ).
Cele mai fine particule sunt apoi selectate prin metode de segregare fizică ( centrifugare , impact asupra unui obstacol, sedimentare ) într-o cameră de nebulizare . Recent, au fost dezvoltate anumite așa-numite nebulizatoare cu „injecție directă”, permițând formarea aerosolului direct în plasmă, cu avantajul de a salva partea eșantionului altfel pierdută în camera de nebulizare și, astfel, de a crește randamentul aerosoli care merg la plasmă.
În ultimii ani, ablația cu laser a permis prelevarea directă a solidelor cu o rezoluție spațială bună.
Principiu
Aerosolul format este transportat de la punctul de ablație la plasma de analiză printr-un flux constant de gaz plasmatic.
Dacă tot materialul eșantionului ar fi evacuat sub formă de vapori, analizorul ICP ar da rezultate exacte, dar picăturile mari și fragmentele solide (adesea elemente refractare) se pierd în tranzit sau nu sunt evaporate și ionizate în totalitate în ICP. Acest lucru are ca rezultat analize incomplete, din cauza fracționării insuficiente. Ablație „indirectă“ laser (sau LINA-Spark Atomizer ) rezolvă această problemă prin fracționare: puls laser infrarosu ( 1064 nm ) este utilizat pentru a crea o plasma de argon pe suprafața probei. Aproape toată energia pulsului (de obicei 250 mJ ) este absorbită în această plasmă pe durata pulsului (de obicei 8 ns ). În timpul duratei sale de viață (câteva microsecunde), plasma se evaporă din materialul de pe suprafața probei. Acești vapori se condensează imediat și formează „ clustere ” foarte mici ( 5 - 10 nm ). Aceste clustere sunt aduse de gazul purtător în ICP, unde sunt ușor evaporate și ionizate. După aproximativ zece impulsuri, suprafața probei este bine curățată și pregătită pentru o analiză ICP exactă, deoarece compoziția acestui aerosol corespunde exact compoziției probei.
Pentru a îmbunătăți acuratețea analizei, instrumentul permite măturarea probei pe o suprafață de 4 mm în diametru.
Oricare ar fi preparatul, atomii sunt apoi injectați în analizor și apoi detectați. Cele două tehnici principale utilizate sunt spectrometria de emisie atomică și spectrometria de masă .
Pentru spectrometria de emisie atomică , vorbim de ICP-optic , ICP-AES ( ICP atomic emission spectrometry ) sau ICP-OES ( ICP optic emission spectrometry ).
În acest caz, folosim faptul că electronii atomilor excitați (ionizați), atunci când se întorc la starea de bază, emit un foton a cărui energie (deci lungimea de undă , vezi constanta lui Planck ) este caracteristică elementului. Lumina emisă de plasmă este în acest caz analizată de unul sau mai mulți monocromatori , de o rețea de policromatori sau chiar de o combinație a celor două.
Lumina emisă de elementul dorit este apoi detectată și măsurată și intensitatea acesteia comparată cu cea emisă de același articol într-un eșantion de concentrație cunoscută ( standard , engleză standard ), analizat în aceleași condiții (vezi Calibrare )
Sensibilitatea intrinsecă a metodei și prezența foarte multor linii adiacente, uneori puțin sau nu separate de mono- și policromatori, înseamnă că această tehnică este aplicată în esență pentru obținerea rapidă și precisă a compozițiilor în elemente majore (concentrații mai mari de procent din greutate) de probe de minerale.
Pentru spectrometria de masă , vorbim de ICP-MS ( spectrometrie de masă ICP ). Această tehnică folosește faptul că ionii pot fi separați unul de celălalt prin aplicații ale câmpurilor electromagnetice, în funcție de masa lor atomică , sarcina electrică și viteza lor .
Presupunând că ionii generați de plasma argonului sunt, în general, ionizați o singură dată și sunt supuși adoptării fie a unui dispozitiv de analiză care nu este foarte sensibil la variația inițială a vitezei, fie a filtrării ionilor în funcție de această viteză înainte de analiză, este posibilă separarea ionilor de plasmă numai în funcție de masa lor atomică. Deși mai multe elemente chimice pot avea aceeași masă (se vorbește atunci de izobar ), fiecare element are o compoziție izotopică, adică o distribuție a atomilor săi între mai mulți izotopi, unică. Această caracteristică face posibilă depășirea interferenței izobarice (adică suprapunerea pe aceeași masă măsurată a semnalelor a două elemente care împart un izobar) și certificarea faptului că semnalul măsurat corespunde elementului căutat.
Dispozitivele utilizate în mod obișnuit folosesc două tehnologii de analiză diferite: sectorul magnetic și cvadrupolul . Cu toate acestea, de la mijlocul anilor 1990 și cu evoluția vitezei electronice de achiziție, spectrometre de masă timp de zbor , TOF-ICP-MS (ICP -MS timp de zbor ).
Testul ICP-MS utilizat în mod obișnuit pentru majoritatea elementelor de concentrații de masă de aproximativ 1 mcg · s -1 , este de ordinul părților per miliard în greutate (în engleză ppb , abrevierea pe acțiune miliard ). Cele mai recente generații de instrumente, cu diferite dispozitive pentru creșterea sensibilității și reducerea interferențelor izobară legate de gaz de plasmă, sunt capabili să lucreze în mod obișnuit la concentrații de ordinul unei părți pe biliard în masă (în limba engleză PPQ , parte per cvadrilioane la scară scurt) în matrici simple, cum ar fi elemente în soluție diluată.
În acest caz, principala sursă de eroare este pregătirea, trebuie să lucrați într- o cameră curată pentru a spera să măsurați urmele la astfel de niveluri.
Cele trei avantaje principale ale lanternei cu plasmă sunt:
Principalele dezavantaje:
Producătorii și laboratoarele pot prefera: