Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

6. fejezet - Kvantitatív spektroszkópiai módszerek (Galbács Gábor)

6. fejezet - Kvantitatív spektroszkópiai módszerek (Galbács Gábor)

Induktív csatolású plazma atomemissziós spektrometria (ICP-AES)

Működési elv

Az induktív csatolású plazma atomemissziós spektrométer (inductively coupled plasma atomic/optical emission spectrometry, ICP-AES vagy ICP-OES) a 3.1.2.4. fejezetben már ismertetett ICP forrást alkalmazza a minta atomizációjára és termikus gerjesztésére. Az argon ICP plazma kellően nagy energiasűrűségű, robusztus forrás ahhoz, hogy mind gáz, folyadék, vagy finoman elporított szilárd minták kezelésére alkalmas legyen, ezért az évek alatt nagyon sokféle mintabeviteli rendszert kifejlesztettek számára. Ezek közül leggyakoribbak folyadékminták és szuszpenziók esetén a különböző porlasztók (pl. koncentrikus, V-vájatú, ultrahangos, stb.), porított szilárd minták esetén a grafit csőkemence és lézer ablációs eszközök. Gázok közvetlenül az argonba keverve a plazmába vezethetők. A függőlegesen beépített plazmafáklya központi csatornájában felfelé haladó, termikusan gerjesztett mintaalkotóktól származó emissziót leggyakrabban oldalirányban figyelik meg (radiális megfigyelés). Az emittált fényt egy nagyfelbontású mono- vagy polikromátorral analizálják, a detektor a legtöbbször fotoelektron-sokszorozó, vagy újabban CCD. Egyes műszerekben az emittált fényt axiális irányban figyelik meg, azonban ez a megoldás a felmerülő technikai nehézségek miatt (pl. a fotonanalizátort meg kell óvni a felfelé szálló, magas hőmérsékletű gázoktól) nem terjedt el széles körben. A működési hullámhossz-tartomány tipikusan a 180-800 nm, a legkorszerűbb készülékekben 130-800 nm. A kb. 180 nm alatti hullámhossz-tartomány elérése vákuumban vagy argon öblítéses mono-/polikromátorral lehetséges.

Analitikai teljesítőképesség

Az ICP-AES módszer egy kvantitatív elemanalitikai módszer, amely jellegéből adódóan a vizsgált elem mintabeli összes koncentrációjának meghatározására alkalmas. A plazma magas hőmérsékletén minden vegyület nagymértékben atomizálódik, ezért nincs jelentősége a vizsgált elem mintabeli kémiai formájának. A magas plazmahőmérséklet további előnyös hatása az atomok igen hatékony termikus gerjesztése, ami ahhoz vezet, hogy az elemek jelentős része nemcsak gerjesztést, hanem ionizációt is szenved. Ennek megfelelően az ICP plazma emissziós spektrumának csúcsai igen intenzívek, ami alacsony kimutatási határok elérését teszi lehetővé, ugyanakkor a spektrum nemcsak atomvonalakban, hanem ionvonalakban is igen gazdag. Egy összetett mintából akár 800.000 csúcsot tartalmazó spektrum is keletkezhet (érdemes egyébként megjegyezni, hogy a szabványos jelölés szerint az elem vegyjele mögött elhelyezett római számokkal jelezzük, hogy a spektrumvonal milyen ionizációs állapotú elemformától származik; pl. Cu I 324,75 nm, C II 224,70 nm, stb.). Az ICP plazma emissziójában természetesen megjelennek OH sávok (a vizes közegű mintákból) és a plazmagáz (pl. argon) csúcsai is. Mindezen okok miatt nagyfelbontású (1-10 pm) mono- vagy polikromátor alkalmazása elengedhetetlen, de a spektrális zavaró hatások így is gyakoriak. A nagyszámú lehetséges elemzővonal miatt azonban (pl. egy átmenetifémnek akár több ezer atom- és ionvonala is megjelenhet), mindig ki lehet térni ezek elől.

Az ICP plazma a szerves oldószereket nem jól tolerálja, hiszen nem oxidatív a gázkörnyezet, ezért a szokásos kialakítású plazmafáklyákkal általában max. 5% szervesanyag tartalom engedhető meg; ez a feltétel azonban ritkán okoz gondot, mivel a leggyakrabban alkalmazott, pneumatikus porlasztók használatára épülő mintabeviteli rendszerek ritkán képesek 1-2%-nál nagyobb oldottanyagtartalmú oldatokat kezelni.

Az ICP-AES módszer kimutatási határai a ppb tartományba esnek. A periódusos rendszer legtöbb eleme (a vizes mintamátrix, a környező levegő és a plazmagáz elemei kivételével) érzékenyen mérhető, bár a nemfémes (nagy gerjesztési energiájú) elemek csak a többinél magasabb kimutatási határral. A halogén elemek meghatározására, amelyek legérzékenyebb elemző vonalai a vákuum UV tartományba esnek (130 és 160 nm közé) csak speciális kialakítású műszerekkel mérhetők.

Az ICP plazmában uralkodó inert atmoszféra, keskeny (1-3 mm átmérőjű) központi csatorna, magas hőmérséklet, magas elektronkoncentráció miatt ez az atom- illetve sugárforrás közel ideális jellemzőkkel bír. Ennek köszönhetően a kémiai és ionizációs zavaró hatások csekélyek, a lineáris dinamikus tartomány pedig 5-6 koncentráció nagyságrend. A mérési adatok szórása egyes pneumatikus porlasztókkal elérheti a mindössze 0,5% relatív értéket. Az elemzés alkalmas polikromátor beépítése esetén multielemes, egyszerre sok elem mérhető (CCD detektorokkal akár a teljes nagyfelbontású spektrum rögzíthető), így mintafeldolgozási sebesség magas, kb. 1 minta/perc.

Jellegzetes alkalmazási területek

A fentebb felvázolt sok előnyös analitikai jellemző miatt az ICP-AES műszerek lényegében a nyomelemanalitikai laboratóriumok „hátaslovai”. Robusztus, sokoldalú, viszonylag könnyen kezelhető műszerek, és bár vannak más elemanalitikai módszerek, amelyek alacsonyabb kimutatási határokkal rendelkeznek (pl. GFAAS vagy ICP-MS), azonban azok jóval kényesebbek, több zavaró hatással terheltek vagy kisebb mintafeldolgozási sebességűek. Mivel ráadásul az ICP plazma jó terhelhetősége miatt a folyadékminták mellett gáz, sőt speciális mintabeviteli rendszerek segítségével szilárd mintákat is képes kezelni, az alkalmazási kör igen széles. A környezetvédelmi, vízanalitikai mérési feladatok, talajok és kőzetek, élelmiszerek, olajok, biológiai minták, stb. elemzésének többségét ICP-AES műszerekkel hajtják végre.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Hogyan működnek az ICP-AES spektrométerek?

  2. Milyen jellemzői miatt tekinthető közel ideális sugárforrásnak az ICP plazma?

  3. Mi a különbség az axiális és radiális ICP-AES műszerek között?

  4. Mekkora gondot jelentenek a spektrális zavaró hatások az ICP-AES spektrometriában?

  5. Milyen feltételt kell betartani és miért a minták szervesanyag illetve oldószertartalmára nézve ICP-AES spektrometriában?