A espectrometria de plasma acoplado indutivamente é um método físico de análise química para a determinação de quase todos os elementos simultaneamente (a análise leva alguns minutos, sem preparação).
O método consiste em ionizar a amostra injetando-a em um plasma de argônio , ou às vezes de hélio , ou seja, os átomos do material a ser analisado são transformados em íons por uma espécie de chama extremamente quente: até 8000 K , mas geralmente em torno de 6000 K para aplicações geoquímicas. No entanto, alguns dispositivos são equipados com uma opção chamada “plasma frio”, que aquece até várias centenas de K iguais, permitindo a análise de moléculas orgânicas que de outra forma seriam destruídas.
A amostra geralmente entra no plasma na forma condensada ( líquida ou sólida ) e, portanto, deve sofrer as seguintes mudanças de estado : fusão (para sólidos), vaporização , ionização . A introdução ocorre no centro do plasma, paralelamente ao fluxo do gás plasma.
A amostra deve ser introduzida no plasma de forma finamente dividida , pois as potências utilizadas (geralmente menores que 2.000 W de potência incidente) não permitem tratar partículas de tamanho superior a um micrômetro durante seu tempo de residência no plasma; se quisermos analisar um sólido, devemos primeiro transformá-lo em uma suspensão de partículas finas, transportadas por uma corrente de gás de plasma.
A espectrometria de massa tem um princípio equivalente.
A via mais utilizada foi a de dissolução , geralmente em ácido , para análise da solução . Este é injetado no plasma na forma de um aerossol fino , gerado por um dispositivo pneumático ( nebulizador ), ultrassônico ou físico-químico ( eletrospray ).
As partículas mais finas são então selecionadas por métodos de segregação física ( centrifugação , impacto em um obstáculo, sedimentação ) em uma câmara de nebulização . Recentemente, certos nebulizadores chamados de "injeção direta" foram desenvolvidos, permitindo a formação do aerossol diretamente no plasma, com a vantagem de salvar a parte da amostra que de outra forma seria perdida na câmara de nebulização e, assim, aumentar o rendimento do aerossol indo para o plasma.
Nos últimos anos, a ablação a laser permitiu a amostragem direta de sólidos com boa resolução espacial.
Princípio
O aerossol formado é transportado do ponto de ablação para o plasma de análise por um fluxo constante de gás de plasma.
Se todo o material da amostra fosse ejetado como vapor, o ICP Analyzer daria resultados precisos, mas grandes gotas e fragmentos sólidos (geralmente elementos refratários) são perdidos no trânsito ou não evaporados e ionizados inteiramente no ICP. Isso resulta em análises incompletas, devido ao fracionamento insuficiente.
A ablação a laser "indireta" (ou LINA-Spark Atomizer ) resolve este problema de fracionamento: o pulso de laser infravermelho ( 1064 nm ) é usado para criar um plasma de argônio na superfície da amostra. Quase toda a energia do pulso (normalmente 250 mJ ) é absorvida neste plasma durante o pulso (normalmente 8 ns ). Durante sua vida útil (alguns microssegundos), o plasma evapora do material na superfície da amostra. Esses vapores recondensam-se imediatamente e formam “ aglomerados ” muito pequenos ( 5 - 10 nm ). Esses aglomerados são trazidos pelo gás de arraste para o ICP, onde são facilmente evaporados e ionizados. Após cerca de dez pulsos, a superfície da amostra é bem limpa e preparada para uma análise de ICP exata, uma vez que a composição deste aerossol corresponde exatamente à composição da amostra.
Para melhorar a precisão da análise, o instrumento permite que a amostra seja varrida sobre uma área de 4 mm de diâmetro.
Qualquer que seja a preparação, os átomos são então injetados no analisador e então detectados. As duas principais técnicas utilizadas são espectrometria de emissão atômica e espectrometria de massa .
Para espectrometria de emissão atômica , falamos de ICP-óptico , ICP-AES ( ICP atômica emissão espectrometria ) ou ICP-OES ( ICP espectrometria de emissão óptica ).
Nesse caso, utilizamos o fato de que os elétrons dos átomos excitados (ionizados), quando retornam ao estado fundamental, emitem um fóton cuja energia (portanto o comprimento de onda , ver a constante de Planck ) é característica do elemento. A luz emitida pelo plasma é, neste caso, analisada por um ou mais monocromadores , por uma rede de policromadores , ou mesmo uma combinação dos dois.
A luz emitida pelo elemento desejado é então detectada e medida, e sua intensidade comparada com a emitida pelo mesmo item em uma amostra de concentração conhecida ( padrão , padrão inglês), analisada nas mesmas condições (ver Calibração ).
A sensibilidade intrínseca do método e a presença de muitíssimas linhas adjacentes, por vezes pouco ou não separadas pelos mono e policromatores, fazem com que esta técnica seja aplicada essencialmente para a obtenção rápida e precisa das composições em elementos maiores (concentrações superiores a percentagem em peso) de amostras de minerais.
Para espectrometria de massa , falamos de ICP-MS ( espectrometria de massa ICP ). Essa técnica usa o fato de que os íons podem ser separados uns dos outros por aplicações de campos eletromagnéticos, dependendo de sua massa atômica , sua carga elétrica e sua velocidade .
Assumindo que os íons gerados pelo plasma de argônio são geralmente ionizados apenas uma vez e sujeitos à adoção de um dispositivo de análise que não é muito sensível à variação inicial na velocidade, ou para filtrar os íons em função dessa velocidade antes da análise, É possível separar os íons do plasma apenas de acordo com sua massa atômica. Embora vários elementos químicos possam ter a mesma massa (isso é chamado de isobar ), cada elemento tem uma composição isotópica, ou seja, uma distribuição de seus átomos entre vários isótopos, única. Esta característica permite ultrapassar a interferência isobárica (isto é, a sobreposição na mesma massa medida dos sinais de dois elementos que partilham um isobar) e certificar que o sinal medido corresponde ao elemento procurado.
Dispositivos comumente usados usam duas tecnologias de analisador diferentes: o setor magnético e o quadrupolo . Desde meados dos anos 1990, porém, e com a evolução da velocidade de aquisição eletrônica, espectrômetros de massa de tempo de vôo , TOF-ICP-MS ( tempo de vôo ICP -MS ).
O ensaio ICP-MS rotineiramente usado para a maioria dos elementos de concentrações de massa de cerca de 1 mcg · s -1 , é da ordem de partes por bilhão em peso (em inglês ppb , abreviatura por ação bilhão ). As últimas gerações de instrumentos, com vários dispositivos para aumentar a sensibilidade e reduzir a interferência isobárica ligada ao gás plasma, são capazes de trabalhar rotineiramente em concentrações da ordem de parte por bilhar em massa (em inglês ppq , parte por quatrilhão em escala curta) em matrizes simples, como elementos em solução diluída.
Nesse caso, a principal fonte de erro é a preparação, você tem que trabalhar em uma sala limpa para esperar medir os vestígios em tais níveis.
As três principais vantagens da tocha de plasma são:
As principais desvantagens:
Os fabricantes e laboratórios podem preferir: