Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой

Принципы атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES)

Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES, Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) является одним из наиболее чувствительных и универсальных методов качественного и количественного анализа элементов в различных матрицах. Основным принципом метода является возбуждение атомов и ионов анализируемого образца в высокотемпературной плазме с последующим измерением интенсивности испускания характерных спектральных линий.

Физическая основа метода

Индуктивно связанная плазма представляет собой высокотемпературную (6000–10000 К) ионизированную среду, образуемую индуктивным нагревом газа (обычно аргона) переменным магнитным полем высокочастотного генератора (27–40 МГц). В процессе образования плазмы происходит термическое возбуждение атомов, ионов и молекул присутствующих элементов. Энергия, необходимая для возбуждения атомов, значительно превышает энергию, доступную в традиционных пламенных источниках, что позволяет наблюдать спектральные линии для большинства металлов и некоторых неметаллов с высокой чувствительностью и точностью.

Процесс введения и атомизации образца

Образец для анализа обычно подготавливается в жидкой форме. Растворы аэрозолизируются с помощью небулайзера, образуя мелкодисперсный аэрозоль, который вводится в высокотемпературную зону плазмы. В плазме происходит полная десольвация, атомизация и ионизация компонентов, после чего атомы и ионы находятся в возбужденном состоянии. Этот процесс обеспечивает образование интенсивных спектральных линий, характерных для каждого элемента.

Спектральная регистрация и измерение

Испускание атомов и ионов фиксируется спектрометром, который может быть оснащен либо монохроматором с фотоприемником (PMT, фотодиодная матрица), либо высокоразрешающей дифракционной решёткой с CCD-матрицей. Основные параметры, влияющие на точность измерений:

  • длина волны линии анализа,
  • энергия возбуждения,
  • структура спектральной линии (избегание наложения соседних линий),
  • условия плазмы (температура, плотность электронов).

Интенсивность линии пропорциональна концентрации элемента в образце, что позволяет выполнять количественный анализ. Для калибровки используют стандартные растворы, сопоставимые по матрице с анализируемыми пробами.

Чувствительность и область применения

ICP-AES обеспечивает чувствительность на уровне 10⁻⁶–10⁻⁹ г/мл для большинства металлов. Метод применим к широкому диапазону элементов, включая щелочные, щелочноземельные, переходные металлы, редкоземельные элементы и некоторые неметаллы (фосфор, сера). Высокая температурная плазма обеспечивает практически полное разрушение матрицы, что снижает влияние химических интерференций.

Интерференции и методы их коррекции

Основные типы интерференций:

  • Спектральные – наложение линий от других элементов или молекулярных фрагментов; корректируется выбором альтернативной линии анализа или математической деконволюцией сигнала.
  • Матрицы – изменение интенсивности линий вследствие различной вязкости, поверхностного натяжения или состава матрицы; устраняется использованием внутреннего стандарта или разбавлением образца.
  • Ионные – влияние ионов плазмы на возбуждение ионов анализируемого элемента; компенсируется корректирующими коэффициентами.

Многоэлементный анализ и автоматизация

ICP-AES позволяет одновременно определять десятки элементов благодаря широкому диапазону спектрального излучения и высокой чувствительности. Современные приборы оснащены автоматическими системами пробоотбора, программным управлением, позволяющим выполнять многоточечный анализ с минимальным вмешательством оператора.

Преимущества метода

  • высокая точность и воспроизводимость;
  • широкий динамический диапазон концентраций (от частей на миллиард до процентов);
  • способность к многоэлементному анализу;
  • минимальное влияние матричных эффектов благодаря высокой температуре плазмы;
  • возможность анализа трудноразлагаемых матриц (почвы, металлы, биологические образцы).

Ограничения

  • высокая стоимость оборудования и эксплуатационных расходных материалов (аргон, высокочастотный генератор);
  • необходимость тщательной подготовки проб для матриц с высоким содержанием органических веществ;
  • наличие спектральных интерференций для некоторых элементов, требующих дополнительных методов коррекции.

ICP-AES является основным инструментом аналитической химии для комплексного и точного определения химических элементов в природных, промышленных и биологических объектах, сочетая возможности высокой чувствительности, селективности и широкого динамического диапазона.

Оглавление