ICP-OES
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
ICP-OES neboli emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem je stopová analytická metoda sloužící ke stanovení obsahu stopových i významných koncentrací jednotlivých prvků v analyzovaném vzorku. Tato technika umožňuje analyzovat téměř všechny prvky periodické tabulky, které je možno převést do roztoku citlivostí od jednotek ppb po stovky ppm. V posledních přibližně 30 letech se stala masově používanou analytickou technikou a ve světě pracují v současné době tisíce těchto spektrometrů.
Obsah |
[editovat] Princip metody
Roztok analytického vzorku je zmlžen a vzniklá mlha je proudem argonu vedena do hořáku, ve kterém je za pomoci střídavého vysokofrekvenčního magnetického pole udržováno argonové plazma o teplotě 6 000 – 10 000 K.
Za takových podmínek se rozpouštědlo okamžitě odpaří a zanikají chemické vazby v molekulách přítomných sloučenin. Energie v plazmatu je dostatečná k tomu, aby došlo k excitaci elektronů přítomných atomů do vyšších energetických hladin. Protože excitovaný stav atomu je nestabilní, vrací se vybuzené elektrony zpět na své původní energetické hladiny a přitom emitují světlo o přesně definované vlnové délce, určené energetickým rozdílem obou hladin.
kde ∆E je energetický rozdíl hladin elektronu v atomu, h je Planckova konstanta (6.626 x 10-34 J.s), ν je frekvence světelného vlnění, c je rychlost světla ve vakuu a λ je vlnová délka světla.
Emitované světlo je poté vedeno na velmi výkonný monochromátor, který rozdělí zachycené světelné záření podle jeho vlnových délek a fotony tohoto rozděleného světla dopadají na citlivý detektor, který převede intenzitu dopadajícího záření na elektrický signál. Intenzita signálu, odpovídají charakteristické vlnové délce světla vznikajícího přechodem energetických stavů analyzovaného prvku pak odpovídá množství prvku, přítomného v analyzovaném roztoku.
[editovat] Technický popis zařízení
[editovat] Transport vzorku do plazmatu
Prakticky všechny vzorky měřené technikou ICP-OES je třeba před analýzou převést do roztoku. Jeho transport do plazmatu probíhá obvykle pomocí peristaltické pumpy (někdy se také označuje jako peristaltické čerpadlo). Jeho pomocí se vzorek dostává do zmlžovače, který z původně kapalného vzorku vyrobí jemný aerosol a tato „mlha“ kapiček roztoku a je proudem argonu unášena do plazmového hořáku. Přitom se obvykle používá dvou - nebo i třícestné čerpadlo, které v prvním kanále transportuje roztok vzorku, v druhém kanále roztok interního standardu a třetí může být použit například pro in-line ředění příliš koncentrovaných vzorků.
Nejčastěji jsou používány pneumatické kapilární zmlžovače, které jsou konstrukčně nejvíce propracovány. V těchto zmlžovačích se slabý proud roztoku vstřikuje tenkou tryskou do proudu argonu a v systému několika koncentrických trubic vzniká poměrně velmi dobře definovaný a homogenní aerosol vzorku. Jeho hlavní nevýhodou je možnost zanesení trysky malými nerozpuštěnými částečkami ve vzorku nebo vykrystalovanými solemi při analýze příliš koncentrovaných roztoků. Pro takové roztoky je proto lépe využít pneumatického Babbingtonova zmlžovače, který dovoluje pracovat i se silně zasolenými roztoky nebo suspenzemi pevných částic, nevytváří však tak jemný a dobře definovaný aerosol.
Speciálním případem je generování plynných hydridů a jejich dávkování do plazmatu. Tento postup vede k mimořádné citlivosti analýz, má však řadu omezení - je použitelný pouze v omezené skupině prvků jako arsen, selen, antimon, cín nebo bismut a současně nesmí analyzovaný roztok obsahovat významné koncentrace těžkých kovů.
[editovat] Odečtení emisních spekter
Při vstupu analyzovaných prvků do plazmatu dochází k vybuzení jejich emisních čar, jak bylo pospáno v úvodu článku. Aby bylo možné využít těchto emisních čar pro analytické účely, je třeba odvést vznikající záření do součásti, která je schopna jej rozdělit podle jeho vlnových délek – tzv. monochromátor a dále určit intenzitu vyzařování při určené vlnové délce, což zprostředkovává detektor.
Protože energetické podmínky v používaném plazmatu se významně liší v různých prostorových částech výboje, je velmi důležité správné umístění pozorovacího místa, z nějž se spektrum zaznamenává. V běžném plazmatickém hořáku se teploty generovaného plazmatu liší až o několik tisíc °C mezi prostorem těsně za hlavicí hořáku (kde plazma vzniká) a jeho ukončení, tedy na vzdálenost přibližně pouhých dvou centimetrů. Díky tomu je pochopitelně výrazně odlišná intenzita vybuzeného záření v různých místech plazmatického kužele, protože ta je dána především energií, předávanou atomům plazmatem, tedy vlastně teplotou plazmatu.
Současné přístroje se proto podle typu pozorování vzniklého typu v zásadě dělí na axiální a radiální:
- Radiální spektrometry odebírají měřené emisní záření z bodů kolmých k ose plazmatického hořáku. Jsou historicky starší a proto i více probádané. Všechny přístroje tohoto typu mají možnost automaticky měnit polohu plazmatického hořáku vzhledem k místu odebrání spektra a posunovat tak hořák nahoru a dolů ale doprava nebo doleva. V ovládacím software obvykle existuje utilita, která umožňuje automatické hledání optimální polohy hořáku pro analýzu vybraného prvku – postupnými změnami polohy hořáku automaticky nabídne takovou polohu, kdy je odezva pro měřený prvek maximální a signál spektrálního pozadí nejmenší.
- Axiální spektrometry jsou konstrukčně složitější a komerčně jsou nabízeny teprve od 90. let minulého století. V těchto přístrojích je spektrum snímáno v ose hoření plazmatu a vstup do monochromátor je tak v ose s plazmatickým hořákem. Pro praktické použití je nutné nějakým způsobem odstranit „špičku“ plazmatického kužele, která brání pohledu do nitra plazmatu. Obvykle se to děje „odříznutím“ špičky proudem inertního plynu (dusík. argon) proudícího kolmo k ose plazmatu. Výhodou axiálního plazmatu je zvýšení citlivostí analýz přibližně o jeden řád oproti radiálnímu pohledu. Naopak nevýhodou je zvýšená citlivost vůči všem interferenčním jevům. Z těchto důvodů je tento typ přístroje obvykle používán pro analýzy vzorků s nízkým obsahem solí (např. vody nebo rozklady biologických matric), naopak radiální pohled je doporučován pro vzorky geologických materiálů, metalurgické analýzy a další podobné typy.
- Duální spektrometry jsou kombinací obou výše zmíněných typů a nabízejí kombinaci obou pohledů do plazmatu. Jejich handicapem je poměrně vysoká cena přístroje oproti klasickému uspořádání a současně i nutnost jistého kompromisu mezi oběma pohledy. Většina těchto přístrojů proto nedosahuje citlivosti ryze axiálních instrumentů a současně je poněkud náchylnější k interferenčním jevům, než komerčně nabízené radiální přístroje.
[editovat] Spektrální rozklad emitovaného záření
Vzhledem k tomu, že existuje několik tisíc emisních spektrálních čar různých prvků nebo molekul, je základní podmínkou pro získání kvalitních analytických dat dokonalé odečtení intenzity právě hledané emisní čáry měřeného prvky tak, aby současně nebyla měřena emise i jiného prvku a nedocházelo tak ke vzniku falešných kladných signálů. Proto lze říci, že srdcem každého emisního spektrometru je monochromátor, tedy optický člen, který je schopen rozdělit dopadající zařízení podle jeho vlnových délek. Na dokonalosti této separace jednotlivých spektrálních oblastí (čar) závisí schopnost přístroje měřit i velmi malá množství určeného prvku ve velkém nadbytku prvků jiných (selektivita měření).
Nejstarším disperzním prvkem pro rozklad světla je disperzní hranol, jehož účinnost je však pro požadavky metody ICP-OES příliš nízká.
Pro účely emisní spektrometrie poměrně dobře vyhovuje rozlišení optických mřížkových disperzních členů. Přitom se obvykle používá rozlišení až ve vyšším spektrálním řádu (20 – 50), kde lze dosáhnout odlišení jednotlivých spektrálních čar o 0,005 nm.
V současné době je pravděpodobně nejvíce používaným disperzním členem ICP spektrometrů tzv. Echelleho uspořádání, které kombinuje optický hranol jako vstupní člen a za něj se umísťuje optická mřížka, která primárně rozložené světlo ještě dále jemně disperguje.
[editovat] Obvykle využívané spektrální čáry
Následující tabulka uvádí hodnoty vlnových délek spektrálních čar, které se v metodě ICP-OES používají k analýze obsahu prvků v roztocích:
| Měřený prvek | Vlnová délka (nm) | Měřený prvek | Vlnová délka (nm) |
|---|---|---|---|
| Ag | 328,068 | As | 188,979 |
| Al | 167,079 | Al | 396,152 |
| Au | 267,595 | B | 249,678 |
| Ba | 493,409 | Be | 313,107 |
| Bi | 223,061 | Ca | 422,673 |
| Cd | 228,802 | Ce | 413,380 |
| Co | 238,892 | Cr | 267,716 |
| Cu | 324,754 | Fe | 259,940 |
| K | 769,896 | La | 379,478 |
| Li | 670,784 | Mg | 279,553 |
| Mn | 257,610 | Mo | 202,030 |
| Na | 588,995 | N i | 231,604 |
| P | 177,495 | Pb | 220,353 |
| Pd | 340,458 | Pt | 265,945 |
| Rh | 343,487 | S | 180,731 |
| Sb | 217,581 | Se | 196,026 |
| Si | 251,611 | Se | 196,026 |
| Sn | 189,926 | Sr | 421,552 |
| Ti | 336,121 | Tl | 351,924 |
| V | 292,402 | W | 207,911 |
| Zn | 213,856 | Zr | 343,823 |
[editovat] Detektory
Konečnou fází celé spektrální analýzy je kvantitativní vyhodnocení naměřených údajů umožňující výpočet obsahu sledovaného prvku v měřeném vzorku. Základním členem pro toto vyhodnocení je detektor, jehož úkolem je změřit intenzitu dopadajícího záření o příslušné vlnové délce – toto záření na něj pošle výše zmíněný disperzní člen, obvykle Eschelle monochromátor.
Detektor je proto na svém povrchu pokryt speciální polovodičovou fotocitlivou vrstvou, která je schopna převést intenzitu dopadajícího světla na velmi slabý elektrický proud. Po jeho zesílení se přesně určí intenzita vzniklého elektrického proudu a ta je pak výchozím údajem pro určení obsahu měřeného prvky v analyzovaném roztoku.
Starší přístroje obvykle pracovaly tak, že se monochromátor postupně natáčel tak, aby na detektor vysílal předem zvolenou vlnovou délku záření, která odpovídala spektrální čáře měřeného prvku. Postupně tak podle předem zvoleného počítačového programu proměřil všechny prvky, které měly být analyzovány. Tento postup byl poměrně pomalý, protože pro získání kvalitního signálu je třeba každou spektrální čáru proměřovat minimálně několik sekund a běžná analýza, zahrnující například 10 prvků tak trvala přibližně 5 - 10 minut.
Podstatné zkrácení doby analýzy, i když za cenu značného zvýšení ceny zařízení, přineslo použití tzv. polychomátorů , které fungovaly na principu klasických kvantometrů, běžně používaných v hutním průmyslu. Disperzní člen zde zůstával v nehybné pozici a na místa, kam bylo vysíláno světlo o požadované vlnové délce byly umístěny detektory. Celá analýzy tak proběhla za podstatně kratší dobu, protože se současně měřily všechny prvky naráz. Problémem byla nutnost instalace poměrně drahých detekčních členů pro každý měřený prvek a dále také fakt, že přístroj byl schopen měřit vždy jen předem vybranou a nainstalovanou sérii prvků. Proto takové přístroje nacházejí uplatnění především v kontrole sériové výroby, kde je nutno kontrolovat stále stejné parametry.
V posledních přibližně 10 letech se objevily přístroje, které namísto jednotlivých nákladných detektorů mají instalováno tzv. diodové pole, tedy soustavu až několika milionů pixelů, z nichž každý je schopen měřit intenzitu emise světla v určitém vlnovém rozsahu. Kvalitní přístroje dnes přitom disponují detektory, které jsou schopny pokrýt škálu vlnových délek od 160 do 900 nm s rozlišením 0,002 – 0,005 nm. Měření pak probíhá opět současně na všech zvolených vlnových délkách a snímání signálu se omezuje na vybrané pixely spíše z důvodu rychlosti zpracování získaných dat. Detektory tohoto typu je třeba při měření chladit na poměrně nízké teploty, obvykle postačí teploty asi -35 °C, kde se používá Peltierova efektu. Některé citlivější přístroje vyžadují chlazení až pod -100 °C a tam je jako chladicí médium využíván kapalný dusík.
[editovat] Omezující faktory
Přestože technika ICP-OES poskytuje vynikající detekční limity pro velké množství analyzovaných prvků, existují i zde jistá omezení, která limitují použití této metody. Tato omezení jsou dána především komplikovaností emisních spekter prvků v analyzovaném vzorku tak samotného argonového plazmatu.
[editovat] Spektrální interference
Nejběžnějším rušivým jevem je koincidence čar, která je způsobena překryvem spektrálních čar, ležících natolik blízko sebe, že je použitý detektor nedokáže vzájemně odseparovat. Míra rušivého vlivu je pak dána především vzájemným poměrem intenzit obou překrývajících se čar a pochopitelně i poměrem koncentrací měřeného a interferujícího prvku.
Typickým rušivým prvkem je železo, které se vyznačuje mimořádně vysokým počtem spektrálních linií a současně je velmi často přítomno ve většině analyzovaných matric (geologické vzorky, výluhy půd atp.). Železo tak ruší například stanovení hliníku na čáře 167,081 nm, arzenu při 193,696 nm, kadmia na 226,502 nm, kobaltu 238,892 nm, chromu 205,552 nm, manganu 257,610 nm, selenu 196,026 nm, cínu 235,848 nm nebo vanadu při 289,332 nm.
Podobným typem je koincidence molekulových pásů vznikajících emisí nedokonale disociovaných sloučenin v plazmatu. Tyto spektrální pásy se vyznačují značně větší šířkou než klasické atomové emisní čáry. V běžných analyzovaných matricích se na interferencích podílejí pásy molekul: N2+, NO+, CN- nebo OH-.
Jiným typem spektrální interference je tzv. reverze spektrálních čar. Tento jev nastává při zvyšování koncentrace měřeného prvku nad jistou hranici, kdy je záření excitovaných atomů z centrální horké části plazmatu pohlcováno atomy stejného prvku v chladnější části na okrajových částech plazmatické zóny. Výsledkem je silně zakřivení kalibrační křivky nad jistou koncentraci analyzovaného prvku.
[editovat] Nespektrální interference
Do kategorie nespektrálních interferencí patří jevy, které negativně ovlivňují analytickou informaci díky různým chemickým vlastnostem analyzovaného roztoku nebo jeho fyzikálními vlastnostmi analyzovaného roztoku.
Nejobvyklejší chemické vlivy jsou tvorba nerozpustných solí a jejich sorpce na stěnách analytických nádob nebo v přívodních hadičkách, vedoucích vzorek do plazmatu. Přitom vzhledem k poměrně nízkým obsahům běžně analyzovaných látek nemusí analytik tento jev vůbec zaznamenat a může se tak dopustit hrubé chyby v interpretaci získaných dat. Typickým příkladem může být například analýza obsahu stříbra v přítomnosti chloridových iontů nebo barya v roztocích obsahujících sírany. Pro eliminaci uvedených chyb je nutná důkladná znalost celého analyzovaného systému a pochopitelně i podrobná znalost chemického chování jednotlivých prvků.
K fyzikálním vlivům lze přiřadit především rozdílnou viskozitu analyzovaného roztoku a roztoku pro kalibraci přístroje. Viskozita může být často ovlivněna především vyššími obsahy solí nebo kyselin ve vzorcích a její eliminace spočívá jednak v naředění analyzovaného roztoku (pokud je to možné) a dále v použití vnitřního standardu, který se přidává do kalibračních roztoků i analyzovaného vzorku a z měření jeho odezvy lze pak usoudit na případnou interferenci.
Posledním typem nespektrálních interferencí jsou ionizační jevy. Dochází k nim především při analýzách roztoků s vyššími obsahy prvků s nízkým ionizačním potenciálem jako jsou alkalické kovy nebo kovy alkalických zemin. U těchto prvků postačuje energie normálně používaného argonového plazmatu k tvorbě nabitých iontů Me+ nebo Me2+. Tvorba těchto částic v plazmatu má však za následek odčerpávání volných elektronů, které by jinak vstupovaly do reakcí s volnými atomy ostatních prvků. To má za následek snížení analytického signálu prvků s vyššími ionizačními potenciály (což je případ drtivé většiny reálných vzorků při analýzách životního prostředí). Možností, jak analyzovat takovéto vzorky s potlačením matrix efektu je analýza s použitím již zmiňovaného vnitřního standardu. Obsah vnitřního standardu je ve všech (kalibračních i neznámých) roztocích stejný, přičemž je měřen na dvou vlnových délkách. První z nich odpovídá emisní atomové čáře (deexcitace), druhá pak iontové čáře (deionizace). Je nezbytné aby analytická metoda byla vystavěna tak, že atomová čára analytu bude korigována na atomovou čáru vnitřního standardu, resp. iontová na iontovou, neboť jak již z principu metody vyplývá, spektrum bohaté na iontové čáry bude úměrně tomu chudčí na čáry atomové a naopak. Další výhodou metody interního standardu je to, že operátorovi dává v reálném čase informace o stabilitě plasmy, případném ucpání tubingu (přívodu vzorku) a koriguje rozdíly viskozity roztoků
[editovat] Využití ICP-OES
Technika ICP-OES patří v současnosti mezi velmi obvyklé techniky v prvkové analýze. Její výhodou je poměrně značná citlivost a rychlost analýzy, handicapem je poměrně značné ovlivnění signálu matricí vzorku (i když s její pomocí lze analyzovat i vzorky se značným obsahem rozpuštěných látek) i vyšší náklady na provoz díky značné spotřebě argonu.
- Biologické matrice – vzorky různých živočišných a rostlinných tkání, tělní tekutiny jako krev, lymfa nebo moč se technikou ICP-OES zpravidla analyzují na obsahy biogenních prvků jako je sodík, draslík, hořčík, vápník, železo nebo zinek. Obsahy dalších kovových prvků v těchto materiálech jsou obvykle příliš nízké, aby je bylo možno snadno analyzovat z běžně používaných rozkladů vzorků (obvykle tlakový rozklad směsí [[kyselina dusičná[kyseliny dusičné]] a peroxidu vodku. Uvedené analýzy se pak řeší technikou ICP-MS (pokud je dispozici) nebo se kovy ze vzorku zkoncentrují např. odpařením nebo extrakcí do vhodné organické fáze.
- Geologické matrice jsou pro tuto techniku velmi vhodné. Vzhledem k značnému obsahu obvykle analyzovaných složek se technika ICP-OES úspěšně používá prakticky pro celou škálu analyzovatelných prvků. Výjimkou jsou případy, kdy je požadována velmi vysoká přesnost stanovení – například zjišťování obsahu železa v jeho rudě nebo zlato v zlatonosné hornině z důvodu určení co možná nejpřesnější hodnoty ložiska nebo i dodávky velkého množství suroviny. V těchto případech se dává přednost přesnějším „klasickým“ technikám jako je titrace nebo častěji gravimetrie. Opačným případem je analýzy skutečně stopových množství prvků jako např. lanthanoidů nebo uranu, kdy je často nasazována metoda ICP-MS.
- Kontrola životního prostředí – zde nachází technika ICP-OES uplatnění především v monitorování velkých skládek odpadu nebo hodnocení odpadu jako takového. Může se přitom jednat o posouzení metody pro zpracování určitého typu odpadu (např. elektronického šrotu) nebo pouze pro posouzení stupně jeho toxicity před uložením na skládku.
- Průmyslové aplikace - techniky IPC-OES jsou velmi pestré a její nasazení v průmyslu je dnes v řadě oborů prakticky samozřejmostí.
- Sklářský průmysl – sklo a suroviny pro jeho výrobu jsou ideálním materiálem pro tuto metodu. Analyzuje se jak složení základních složek (sklářského kmene) jako je Na, K, Mg, Ca, Si, B nebo Al, tak prvky, přidávané do skloviny pro úpravu vlastností výrobku. Mezi ty je dnes možno zařadit téměř všechny zbývající prvky, protože sortiment druhů vyráběného skla je tak obrovský, že je nelze ve zkratce popsat. Stejně tak se metodou ICP-OES často stkáme v poměrně příbuzném oboru – průmyslu keramickém, kde platí prakticky totéž jako pro výrobu skla.
- Metalurgický průmysl – při výrobě kovů a jejich slitin je technika ICP-OES široce využívána jak při kontrole vstupních surovin, tak při hodnocení složení finálních výrobků. Typickým příkladem je výroba takových slitin jako mosaz, různé bronzy, pálky, dural a mnoho dalších. Při výrobě surového železa a oceli jsou však využívány v daleko věší míře mnohem dražší, ale několikanásobně rychlejší i přesnější kvantometry.
- Bylo by možné vyjmenovat ještě řadu průmyslových odvětví, kde se technika ICP-OES v jistých aplikacích uplatňuje – výroba stavebních hmot a cementu, výroba některých chemikálií, potravinářství, farmacie nebo i kontrola průmyslových kompostů.
