La espectrometría de plasma acoplado inductivamente es un método físico de análisis químico para la determinación de casi todos los elementos simultáneamente (el análisis toma unos minutos, sin preparación).
El método consiste en ionizante la muestra mediante la inyección en un plasma de argón , o, a veces de helio , que es decir que los átomos del material a analizar se transforma en iones por una especie de extremadamente llama. Caliente: hasta 8000 K , pero generalmente alrededor de 6000 K para aplicaciones geoquímicas. Sin embargo, algunos dispositivos están equipados con la opción denominada "plasma frío", que calienta hasta varios cientos de K de todos modos, lo que permite el análisis de moléculas orgánicas que de otro modo serían destruidas.
La muestra generalmente ingresa al plasma en forma condensada ( líquida o sólida ), por lo que debe sufrir los siguientes cambios de estado : fusión (para sólidos), vaporización , ionización . La introducción tiene lugar en el centro del plasma, paralelamente al flujo de gas de plasma.
La muestra debe introducirse en el plasma en forma finamente dividida , ya que las potencias empleadas (generalmente inferiores a 2000 W de potencia incidente) no permiten tratar partículas de tamaño superior a un micrómetro durante su tiempo de permanencia en el plasma. ; si queremos analizar un sólido, primero debemos transformarlo en una suspensión de partículas finas, transportadas por una corriente de gas de plasma.
La espectrometría de masas tiene un principio equivalente.
La vía más utilizada fue la de disolución , generalmente en un ácido , para analizar la solución . Este se inyecta en el plasma en forma de un aerosol fino , generado por un dispositivo neumático ( nebulizador ), ultrasónico o fisicoquímico ( electropulverización ).
A continuación, las partículas más finas se seleccionan mediante métodos de segregación física ( centrifugación , impacto sobre un obstáculo, sedimentación ) en una cámara de nebulización . Recientemente, se han desarrollado ciertos nebulizadores denominados de "inyección directa", que permiten la formación del aerosol directamente dentro del plasma, con la ventaja de ahorrar la parte de la muestra que de otro modo se perdería en la cámara de nebulización y así aumentar el rendimiento de los generados. aerosol que va al plasma.
En los últimos años, la ablación con láser ha permitido el muestreo directo de sólidos con buena resolución espacial.
Principio
El aerosol formado se transporta desde el punto de ablación al plasma de análisis mediante un flujo constante de gas de plasma.
Si todo el material de la muestra fuera expulsado en forma de vapor, el analizador ICP daría resultados precisos, pero las gotas grandes y los fragmentos sólidos (a menudo elementos refractarios) se pierden en el tránsito o no se evaporan e ionizan por completo en ICP. Esto da lugar a análisis incompletos, debido a un fraccionamiento insuficiente.
La ablación láser "indirecta" (o atomizador LINA-Spark ) resuelve este problema de fraccionamiento: el pulso de láser infrarrojo ( 1064 nm ) se utiliza para crear un plasma de argón en la superficie de la muestra. Casi toda la energía del pulso (típicamente 250 mJ ) se absorbe en este plasma durante la duración del pulso (típicamente 8 ns ). Durante su vida útil (unos pocos microsegundos), el plasma se evapora del material en la superficie de la muestra. Estos vapores se vuelven a condensar inmediatamente y forman " grupos " muy pequeños ( 5 - 10 nm ). Estos grupos son llevados por el gas portador al ICP, donde se evaporan e ionizan fácilmente. Después de diez pulsos, la superficie de la muestra se limpia bien y se prepara para un análisis ICP exacto ya que la composición de este aerosol corresponde exactamente a la composición de la muestra.
Para mejorar la precisión del análisis, el instrumento permite barrer la muestra sobre un área de 4 mm de diámetro.
Cualquiera que sea la preparación, los átomos se inyectan en el analizador y luego se detectan. Las dos técnicas principales utilizadas son la espectrometría de emisión atómica y la espectrometría de masas .
Para la espectrometría de emisión atómica , hablamos de ICP-óptico , ICP-AES ( espectrometría de emisión atómica ICP ) o ICP-OES ( espectrometría de emisión óptica ICP ).
En este caso, utilizamos el hecho de que los electrones de los átomos excitados (ionizados), cuando regresan al estado fundamental, emiten un fotón cuya energía (por lo tanto la longitud de onda , ver constante de Planck ) es característica del elemento. La luz emitida por el plasma es analizada en este caso por uno o más monocromadores , por una red de policromadores , o incluso una combinación de los dos.
Luego se detecta y mide la luz emitida por el elemento deseado, y su intensidad se compara con la emitida por el mismo elemento en una muestra de concentración conocida ( estándar , inglés estándar ), analizada en las mismas condiciones (ver Calibración ).
La sensibilidad intrínseca del método y la presencia de muchísimas líneas adyacentes, a veces poco o no separadas por los mono y policromadores, hacen que esta técnica se aplique fundamentalmente para la obtención rápida y precisa de las composiciones en elementos mayores (concentraciones superiores a porcentaje en peso) de muestras minerales.
Para espectrometría de masas , hablamos de ICP-MS ( espectrometría de masas ICP ). Esta técnica aprovecha el hecho de que los iones pueden separarse entre sí mediante la aplicación de campos electromagnéticos, en función de su masa atómica , su carga eléctrica y su velocidad .
Suponiendo que los iones generados por el plasma de argón generalmente se ionizan solo una vez, y sujetos a adoptar un dispositivo de análisis que no sea muy sensible a la variación inicial en la velocidad, o para filtrar los iones en función de esta velocidad antes del análisis, Es posible separar los iones del plasma solo de acuerdo con su masa atómica. Aunque varios elementos químicos pueden tener la misma masa (a esto se le llama isobara ), cada elemento tiene una composición isotópica, es decir una distribución de sus átomos entre varios isótopos, única. Esta característica permite superar la interferencia isobárica (es decir, la superposición sobre la misma masa medida de las señales de dos elementos que comparten una isobara) y certificar que la señal medida corresponde al elemento buscado.
Los dispositivos de uso común utilizan dos tecnologías de analizador diferentes: el sector magnético y el cuadrupolo . Desde mediados de la década de 1990, sin embargo, y con la evolución de la velocidad de adquisición de la electrónica, espectrómetros de masas de tiempo de vuelo , TOF-ICP-MS (ICP-MS de tiempo de vuelo ).
El ensayo ICP-MS que se utiliza habitualmente para la mayoría de los elementos con concentraciones de masa de aproximadamente 1 mcg · s -1 , es del orden de partes por mil millones en peso (en inglés ppb , abreviatura por mil millones de acciones ). Las últimas generaciones de instrumentos, con varios dispositivos para aumentar la sensibilidad y reducir la interferencia isobárica ligada al gas de plasma, son capaces de trabajar rutinariamente en concentraciones del orden de parte por billar en masa (en inglés ppq , parte por cuatrillón en escala corta) en matrices simples, como elementos en solución diluida.
En este caso, la principal fuente de error es la preparación, hay que trabajar en una sala limpia para esperar medir trazas en esos niveles.
Las tres principales ventajas del soplete de plasma son:
Las principales desventajas:
Los fabricantes y laboratorios pueden preferir: