Espectroscopia de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente

Espectrômetro de emissão atômica ICP.

A espectroscopia de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente ( ICP-AES ), também conhecida como espectroscopia de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES), é uma técnica analítica usada para a detecção de elementos químicos. É um tipo de espectroscopia de emissão que usa o plasma acoplado indutivamente para produzir átomos e íons excitados que emitem radiação eletromagnética em comprimentos de onda característicos de um determinado elemento. O plasma é uma fonte de alta temperatura de gás ionizado (geralmente argônio). O plasma é sustentado e mantido por acoplamento indutivo de bobinas elétricas em frequências de megahertz. A temperatura da fonte está na faixa de 6.000 a 10.000 K. A intensidade das emissões de vários comprimentos de onda de luz são proporcionais às concentrações dos elementos dentro da amostra.

Mecanismo

ICP Plasma "tocha".

O ICP-AES é composto de duas partes: o ICP e o espectrômetro óptico . A tocha ICP consiste em 3 tubos concêntricos de vidro de quartzo . [1] A saída ou bobina de "trabalho" do gerador de radiofrequência (RF) envolve parte desta tocha de quartzo. O gás argônio é normalmente usado para criar o plasma .

Os ICPs têm dois modos de operação, chamados de modo capacitivo (E) com baixa densidade de plasma e modo indutivo (H) com alta densidade de plasma, e a transição do modo de aquecimento E para H ocorre com entradas externas. [2] A tocha é operada no modo H.

Quando a tocha é ligada, um campo eletromagnético intenso é criado dentro da bobina pelo sinal de radiofrequência de alta potência que flui na bobina. Este sinal de RF é criado pelo gerador de RF que é, efetivamente, um transmissor de rádio de alta potência que aciona a "bobina de trabalho" da mesma forma que um transmissor de rádio típico aciona uma antena transmissora. Instrumentos típicos operam em 27 ou 40 MHz. [3] O gás argônio que flui através da tocha é inflamado com uma unidade Tesla que cria um breve arco de descarga através do fluxo de argônio para iniciar o processo de ionização. Uma vez que o plasma é "incendiado", a unidade Tesla é desligada.

O gás argônio é ionizado no intenso campo eletromagnético e flui em um padrão rotacionalmente simétrico em direção ao campo magnético da bobina de RF. Um plasma estável e de alta temperatura de cerca de 7000 K é então gerado como resultado das colisões inelásticas criadas entre os átomos neutros de argônio e as partículas carregadas. [4]

Uma bomba peristáltica entrega uma amostra aquosa ou orgânica em um nebulizador analítico onde é transformada em névoa e introduzida diretamente dentro da chama de plasma. A amostra imediatamente colide com os elétrons e íons carregados no plasma e é ela mesma quebrada em íons carregados . As várias moléculas se decompõem em seus respectivos átomos, que então perdem elétrons e se recombinam repetidamente no plasma, emitindo radiação nos comprimentos de onda característicos dos elementos envolvidos.

Em alguns projetos, um gás de cisalhamento, normalmente nitrogênio ou ar comprimido seco, é usado para "cortar" o plasma em um ponto específico. Uma ou duas lentes de transferência são então usadas para focalizar a luz emitida em uma grade de difração onde ela é separada em seus comprimentos de onda componentes no espectrômetro óptico. Em outros projetos, o plasma incide diretamente sobre uma interface óptica que consiste em um orifício do qual emerge um fluxo constante de argônio, desviando o plasma e fornecendo resfriamento enquanto permite que a luz emitida pelo plasma entre na câmara óptica. Ainda outros projetos usam fibras ópticas para transportar parte da luz para separar as câmaras ópticas.

Dentro da(s) câmara(s) óptica(s), depois que a luz é separada em seus diferentes comprimentos de onda (cores), a intensidade da luz é medida com um tubo ou tubos fotomultiplicadores posicionados fisicamente para "visualizar" o(s) comprimento(s) de onda específico(s) para cada linha de elemento envolvida, ou, em unidades mais modernas, as cores separadas caem sobre uma matriz de fotodetectores semicondutores, como dispositivos de carga acoplada (CCDs). Nas unidades que usam essas matrizes de detectores, as intensidades de todos os comprimentos de onda (dentro da faixa do sistema) podem ser medidas simultaneamente, permitindo que o instrumento analise todos os elementos aos quais a unidade é sensível de uma só vez. Assim, as amostras podem ser analisadas muito rapidamente.

A intensidade de cada linha é então comparada com intensidades previamente medidas de concentrações conhecidas dos elementos, e suas concentrações são então computadas por interpolação ao longo das linhas de calibração (uso de uma curva de calibração ).

Além disso, um software especial geralmente corrige as interferências causadas pela presença de diferentes elementos dentro de uma determinada matriz de amostra.

História

A primeira tentativa publicada de usar emissões de plasma como fonte para análise espectroscópica foi em 1956 por Eugen Bădărău. [5] Em 1964, Stanley Greenfield, trabalhando na Albright & Wilson, foi o primeiro a usar o ICP para análises não experimentais. [5] A primeira máquina comercial foi produzida pela KONTRON em 1975. [5]

Formulários

Exemplos da aplicação do ICP-AES incluem a determinação de metais no vinho, [6] arsênico em alimentos, [7] e oligoelementos ligados a proteínas. [8] Os métodos ICP-AES são usados ​​para testar a contaminação por metais em água potável e águas residuais. [9]

O ICP-AES é amplamente utilizado no processamento de minerais para fornecer os dados de teores de vários fluxos, para a construção de balanços de massa.

Em 2008, a técnica foi usada na Universidade de Liverpool para demonstrar que um amuleto Chi Rho encontrado em Shepton Mallet e anteriormente considerado uma das primeiras evidências do cristianismo na Inglaterra , [10] datado apenas do século XIX. [11] [12] [13]

O ICP-AES é frequentemente usado para análise de oligoelementos no solo, e é por essa razão que é frequentemente usado em perícias forenses para determinar a origem de amostras de solo encontradas em cenas de crime ou em vítimas, etc. Tomando uma amostra de um controle e determinando a composição do metal e tomando a amostra obtida a partir de evidências e determinar que a composição do metal permite uma comparação a ser feita. Embora a evidência do solo possa não ficar sozinha no tribunal, ela certamente fortalece outras evidências.

Também está rapidamente se tornando o método analítico de escolha para a determinação dos níveis de nutrientes em solos agrícolas. Esta informação é então usada para calcular a quantidade de fertilizante necessária para maximizar o rendimento e a qualidade da cultura.

ICP-AES é usado para análise de óleo de motor . A análise do óleo de motor usado revela muito sobre o funcionamento do motor. As peças que se desgastam no motor depositam vestígios no óleo que podem ser detectados com o ICP-AES. A análise ICP-AES pode ajudar a determinar se as peças estão falhando. Além disso, o ICP-AES pode determinar a quantidade de certos aditivos de óleo restantes e, portanto, indicar a vida útil restante do óleo. A análise de óleo é frequentemente usada por gerentes de frota ou entusiastas automotivos que têm interesse em descobrir o máximo possível sobre a operação de seus motores. O ICP-AES também é usado durante a produção de óleos de motor (e outros óleos lubrificantes) para controle de qualidade e conformidade com especificações industriais e de produção.

Veja também

Referências

  1. ^ Hieftje, Gary; e outros (1982). "Projeto e construção de uma tocha de baixo fluxo e baixa potência para espectrometria de plasma indutivamente acoplado". Espectroscopia Aplicada . 36 (6): 627–631. Código Bib : 1982ApSpe..36..627R. doi : 10.1366/0003702824639105. S2CID  97527015 . Acesso em 5 de abril de 2015 .
  2. ^ Hyo-Chang Lee (2018) Revisão de plasmas indutivamente acoplados: Nano-aplicações e física de histerese biestável 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001
  3. ^ Hieftje, Gary; e outros (2006). "Efeito da frequência de operação do plasma nas figuras de mérito de um espectrômetro de massa de tempo de vôo de plasma acoplado indutivamente". Jornal de Espectrometria Atômica Analítica . 21 (2): 160–167. doi : 10.1039/B515719F . Acesso em 5 de abril de 2015 .
  4. ^ Haung, Mao; Hieftje, Gary (1989). "Medição simultânea de temperaturas de elétrons espacialmente resolvidas, densidades de número de elétrons e temperaturas de gás por dispersão de luz laser do ICP". Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia atômica . 44 (8): 739–749. Código Bib : 1989AcSpe..44..739H. doi : 10.1016/0584-8547(89)80072-2. Arquivado do original em 24 de setembro de 2017.
  5. ^ abc Ohls, Knut; Bogdain, Bernhard (2016). "História da análise espectral de emissão atômica de plasma acoplado indutivamente: desde o início até seu acoplamento com espectrometria de massa". Jornal de Espectrometria Atômica Analítica . 31 : 22–31. doi : 10.1039/C5JA90043C.
  6. ^ Aceto M, Abollino O, Bruzzoniti MC, Mentasti E, Sarzanini C, Malandrino M (2002). "Determinação de metais no vinho com espectroscopia atômica (chama-AAS, GF-AAS e ICP-AES); uma revisão". Aditivos Alimentares e Contaminantes . 19 (2): 126–33. doi : 10.1080/02652030110071336. PMID  11820494. S2CID  28850410.
  7. ^ Benramdane L, Bressolle F, Vallon JJ (1999). "Especiação de arsênico em humanos e produtos alimentícios: uma revisão". Jornal da ciência cromatográfica . 37 (9): 330–44. doi : 10.1093/chromsci/37.9.330 . PMID  10497786.
  8. ^ Ma R, McLeod CW, Tomlinson K, Poole RK (2004). "Especiação de oligoelementos ligados a proteínas por eletroforese em gel e espectrometria atômica". Eletroforese . 25 (15): 2469–77. doi : 10.1002/elps.200405999. PMID  15300764. S2CID  11012108.
  9. ^ "Métodos de teste químico aprovados pela Lei da Água Limpa" . Washington, DC: Agência de Proteção Ambiental dos EUA. 2022-12-28. Método nº 200.5, 200.7.
  10. ^ Leach, Peter (1991). Shepton Mallet: Romano-britânicos e primeiros cristãos em Somerset . Birmingham: Unidade de Arqueologia de Campo da Universidade de Birmingham. ISBN 978-0-7044-1129-6.
  11. ^ Savill, Richard (2008-09-18). "Amuleto cristão 'antigo' declarado falso" . Telégrafo Diário . Londres. Arquivado do original em 2008-09-19 . Recuperado 2008-09-18 .
  12. ^ "Novos testes desafiam a idade do amuleto" . BBC Notícias . BBC. 18/09/2008 . Recuperado 2008-09-18 .
  13. ^ de Bruxelles, Simon (2008-09-16). "Cruz cristã de prata romano-britânica pode ser falsa" . Horários On-line . Londres: The Times . Recuperado 2008-09-18 .

links externos

  • Plasma Indutivamente Acoplado/Espectrometria de Emissão Óptica na Enciclopédia de Química Analítica
  • Fonte de excitação de plasma acoplado indutivamente (ICP) [Nome de usuário e senha necessários]