Индуктивно-связанная плазменная атомно-эмиссионная спектроскопия: принцип и устройство

Введение

Аналитическая научная техника

Индуктивно-связанная плазменная атомно-эмиссионная спектроскопия (ICP AES), также известная как индуктивно-связанная плазменная оптико-эмиссионная спектроскопия (ICP OES), – это аналитический метод, используемый для определения химических элементов. Это разновидность эмиссионной спектроскопии, в которой индуктивно-связанная плазма используется для создания возбужденных атомов и ионов, излучающих электромагнитное излучение на длинах волн, характерных для конкретного элемента. Плазма является высокотемпературным источником ионизированного газа-носителя (часто аргона). Поддержание плазмы осуществляется посредством индуктивной связи от электрических катушек на мегагерцовых частотах. Температура источника находится в диапазоне от 6000 до 10 000 К. Интенсивность излучения на различных длинах волн света пропорциональна концентрациям элементов в пробе.

Механизм

ICP AES состоит из двух частей: ICP и оптического спектрометра. Факел ICP состоит из 3 концентрических кварцевых стеклянных трубок. Выходная или "рабочая" катушка радиочастотного (РЧ) генератора окружает часть этого кварцевого факела. Обычно для создания плазмы используется газ аргон. ICP имеет два режима работы: емкостный (E) режим с низкой плотностью плазмы и индуктивный (H) режим с высокой плотностью плазмы. Переход от E к H режиму нагрева происходит при внешнем воздействии. Факел работает в H режиме. При включении факела в катушке создается интенсивное электромагнитное поле благодаря высокомощному радиочастотному сигналу, протекающему в катушке. Этот РЧ сигнал создается РЧ генератором, который, по сути, является высокомощным радиопередатчиком, управляющим "рабочей катушкой" так же, как обычный радиопередатчик управляет передающей антенной. Типичные приборы работают на частоте 27 или 40 МГц. Газ аргон, проходящий через факел, воспламеняется с помощью устройства Тесла, которое создает кратковременную дугу разряда в потоке аргона для инициирования процесса ионизации. После "зажигания" плазмы блок Тесла отключается. Газ аргон ионизируется в интенсивном электромагнитном поле и течет по определенной ротационно-симметричной траектории к магнитному полю РЧ катушки. В результате неэластичных столкновений между нейтральными атомами аргона и заряженными частицами генерируется стабильная высокотемпературная плазма около 7000 К. Перистальтический насос подает водный или органический образец в аналитический небулайзер, где он превращается в аэрозоль и вводится непосредственно в плазму. Образец немедленно сталкивается с электронами и заряженными ионами в плазме и сам распадается на заряженные ионы. Различные молекулы распадаются на соответствующие атомы, которые затем теряют электроны и многократно рекомбинируются в плазме, излучая радиацию на характерных длинах волн соответствующих элементов. В некоторых конструкциях для "разреза" плазмы в определенном месте используется сдвигающий газ, обычно азот или сухой сжатый воздух. Затем одна или две фокусирующие линзы используются для фокусировки излучаемого света на дифракционную решетку, где он разделяется на составляющие длины волн в оптическом спектрометре. В других конструкциях плазма непосредственно воздействует на оптический интерфейс, состоящий из отверстия, из которого постоянно выходит поток аргона, отклоняя плазму и обеспечивая охлаждение, при этом позволяя излучаемому плазмой свету проникать в оптическую камеру. В других конструкциях используются оптические волокна для передачи части света в отдельные оптические камеры. В оптической камере, после разделения света на различные длины волн (цвета), интенсивность света измеряется с помощью фотоумножителя или нескольких фотоумножителей, физически расположенных для "наблюдения" за конкретной длиной волны для каждой линии элемента, или, в более современных приборах, разделенные цвета попадают на матрицу полупроводниковых фотодетекторов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС). В приборах, использующих эти детекторы, интенсивность всех длин волн (в пределах диапазона системы) может измеряться одновременно, что позволяет прибору анализировать все элементы, к которым он чувствителен, одновременно. Таким образом, образцы могут быть проанализированы очень быстро. Интенсивность каждой линии затем сравнивается с ранее измеренными интенсивностями известных концентраций элементов, а их концентрации вычисляются путем интерполяции по калибровочным кривым (с использованием калибровочной кривой). Кроме того, специальное программное обеспечение обычно корректирует помехи, вызванные присутствием различных элементов в данной матрице образца.

The ICP AES is composed of two parts: the ICP and the optical spectrometer. The ICP torch consists of 3 concentric quartz glass tubes. The output or "work" coil of the radio frequency (RF) generator surrounds part of this quartz torch. Argon gas is typically used to create the plasma. The ICPs have two operation modes, called capacitive (E) mode with low plasma density and inductive (H) mode with high plasma density, and E to H heating mode transition occurs with external inputs. The torch is operated in the H mode. When the torch is turned on, an intense electromagnetic field is created within the coil by the high power radio frequency signal flowing in the coil. This RF signal is created by the RF generator which is, effectively, a high power radio transmitter driving the "work coil" the same way a typical radio transmitter drives a transmitting antenna. Typical instruments run at either 27 or 40 MHz. The argon gas flowing through the torch is ignited with a Tesla unit that creates a brief discharge arc through the argon flow to initiate the ionization process. Once the plasma is "ignited", the Tesla unit is turned off. The argon gas is ionized in the intense electromagnetic field and flows in a particular rotationally symmetrical pattern towards the magnetic field of the RF coil. A stable, high temperature plasma of about 7000 K is then generated as the result of the inelastic collisions created between the neutral argon atoms and the charged particles. A peristaltic pump delivers an aqueous or organic sample into an analytical nebulizer where it is changed into mist and introduced directly inside the plasma flame. The sample immediately collides with the electrons and charged ions in the plasma and is itself broken down into charged ions. The various molecules break up into their respective atoms which then lose electrons and recombine repeatedly in the plasma, giving off radiation at the characteristic wavelengths of the elements involved. In some designs, a shear gas, typically nitrogen or dry compressed air is used to 'cut' the plasma at a specific spot. One or two transfer lenses are then used to focus the emitted light on a diffraction grating where it is separated into its component wavelengths in the optical spectrometer. In other designs, the plasma impinges directly upon an optical interface which consists of an orifice from which a constant flow of argon emerges, deflecting the plasma and providing cooling while allowing the emitted light from the plasma to enter the optical chamber. Still other designs use optical fibers to convey some of the light to separate optical chambers. Within the optical chamber(s), after the light is separated into its different wavelengths (colours), the light intensity is measured with a photomultiplier tube or tubes physically positioned to "view" the specific wavelength(s) for each element line involved, or, in more modern units, the separated colors fall upon an array of semiconductor photodetectors such as charge coupled devices (CCDs). In units using these detector arrays, the intensities of all wavelengths (within the system's range) can be measured simultaneously, allowing the instrument to analyze for every element to which the unit is sensitive all at once. Thus, samples can be analyzed very quickly. The intensity of each line is then compared to previously measured intensities of known concentrations of the elements, and their concentrations are then computed by interpolation along the calibration lines (use of a calibration curve). In addition, special software generally corrects for interferences caused by the presence of different elements within a given sample matrix.

История

Первая опубликованная попытка использовать плазменные излучения как источник для спектроскопического анализа была предпринята в 1956 году Эудженом Бэдэрэу.

Приложения

Примеры применения ICP AES включают определение металлов в вине, мышьяка в пищевых продуктах и микроэлементов, связанных с белками. Методы ICP AES используются для анализа на наличие загрязнений металлами в питьевой воде и сточных водах. ICP AES широко применяется в минеральной обработке для получения данных о содержании различных фракций, необходимых для построения материальных балансов. В 2008 году этот метод был использован в Ливерпульском университете, чтобы установить, что амулет Чи-Ро, найденный в Шептоне Малле и ранее считавшийся одним из самых ранних свидетельств христианства в Англии, датируется лишь XIX веком. ICP AES часто используется для анализа микроэлементного состава почвы, и именно поэтому его часто применяют в криминалистике для установления происхождения образцов почвы, обнаруженных на месте преступления или на пострадавших. Сравнение проводится путем анализа одной контрольной пробы и определения ее металлического состава, а также пробы, полученной с места происшествия, и определения ее металлического состава. Хотя почвенные доказательства сами по себе могут быть недостаточными в суде, они, безусловно, усиливают другие доказательства. ICP AES также все чаще становится методом выбора для определения содержания питательных веществ в сельскохозяйственных почвах. Эта информация используется для расчета необходимого количества удобрений для максимизации урожайности и качества сельскохозяйственных культур. ICP AES применяется для анализа моторных масел. Анализ отработанного моторного масла позволяет получить ценную информацию о работе двигателя. Изношенные детали двигателя оставляют следы в масле, которые можно обнаружить с помощью ICP AES. Анализ ICP AES помогает определить, неисправны ли детали. Кроме того, ICP AES позволяет определить остаточное количество определенных присадок в масле, что указывает на оставшийся срок его службы. Анализ масла часто используется руководителями автопарков или автолюбителями, стремящимися получить максимально полную информацию о работе двигателя. ICP AES также используется в процессе производства моторных (и других смазочных) масел для контроля качества и соответствия производственным и отраслевым стандартам.

Examples of the application of ICP AES include the determination of metals in wine, arsenic in food, and trace elements bound to proteins. ICP AES methods are used to test for metals contamination in drinking water and wastewater. ICP AES is widely used in minerals processing to provide the data on grades of various streams, for the construction of mass balances. In 2008, the technique was used at Liverpool University to demonstrate that a Chi Rho amulet found in Shepton Mallet and previously believed to be among the earliest evidence of Christianity in England, only dated to the nineteenth century. ICP AES is often used for analysis of trace elements in soil, and it is for that reason it is often used in forensics to ascertain the origin of soil samples found at crime scenes or on victims etc. Taking one sample from a control and determining the metal composition and taking the sample obtained from evidence and determine that metal composition allows a comparison to be made. While soil evidence may not stand alone in court it certainly strengthens other evidence. It is also fast becoming the analytical method of choice for the determination of nutrient levels in agricultural soils. This information is then used to calculate the amount of fertiliser required to maximise crop yield and quality. ICP AES is used for motor oil analysis. Analyzing used motor oil reveals a great deal about how the engine is operating. Parts that wear in the engine will deposit traces in the oil which can be detected with ICP AES. ICP AES analysis can help to determine whether parts are failing. In addition, ICP AES can determine what amount of certain oil additives remain and therefore indicate how much service life the oil has remaining. Oil analysis is often used by fleet manager or automotive enthusiasts who have an interest in finding out as much about their engine's operation as possible. ICP AES is also used during the production of motor oils (and other lubricating oils) for quality control and compliance with production and industry specifications.