táblázat. A lángspektrometriával meghatározható elemek

6.1.2.1.2. Induktíve csatolt plazma (ICP) spektrometria

Az induktíve csatolt plazmát az 1970-es évek elejétől alkalmazzák sugárforrásként analitikai célokra. Ebben az időben már a fotoelektromos detektálás volt a legelterjedtebb módszer, ezért a készülékeket illetően kizárólag spektrométerekről beszélhetünk. Az első időben a nagyfrekvenciás oszcillátor, a teljesítményerősítő még kizárólag elektroncsöves felépítésű volt, mára már a félvezetős felépítés uralkodóvá vált. Az alkalmazható frekvencia 27 MHz, 40 MHz lehet. Az analitikai alkalmazhatóság szempontjából rendkívül fontos a generátor, illetve a nagyfrekvenciás erősítő által biztosított teljesítmény rövid és hosszú-távú stabilitása. A plazma fenntartásához

155

szükséges teljesítmény értéke a torch geometriájától függően 600 – 1600 W. Nagyon fontos hogy ezt a nagy teljesítményt a lehető legnagyobb hatásfokkal tudjuk bejuttatni a plazmába. Ezt az energiaátadás (csatolás a nagyfrekvenciás technikában) folyamatos monitorozásával és optimálásával érik el. Az optimálás a működő plazma változó impedanciájának a teljesítményerősítő kimenő impedanciájához történő illesztésén alapszik. Ezt vagy a generátor frekvenciájának folyamatos, kb. 1 – 2 %-nyi változtatásával, vagy a csatoló kondenzátorok kapacitásának változtatásával valósítják meg.

A készülékek egyik meghatározó eleme a plazmaégő, vagy torch, ez tulajdonképpen 3 egymásba-tolt kvarc csőnek tekinthető. A legbelsőben a plazmát fenntartó gázzal (ma már kizárólag argont alkalmaznak erre a célra) elporlasztott aeroszol halad, a középső csőben haladó argon-áram képezi a plazma fő tömegét, és a külső csőben az előző kettőnél jóval nagyobb mennyiségben áramlik az argon, ennek szerepe a plazma szélének hűtése, hiszen a plazma hőmérséklete jóval magasabb a kvarc olvadáspontjánál. A plazmaégőt körbeveszi a nagyfrekvenciás erősítő kimeneti tekercse. Az energiaátadás ennek mágneses terében történik. A tekercset gyakran vízzel hűtik, ezért ilyenkor üreges kialakítású. A hőmérséklet legmagasabb a plazma középső részén, itt akár 10 000 K is lehet, míg a szélek felé haladva csökken.

A plazma „begyújtása” úgy történik, hogy egy nagyfeszültségű szikrakisülést hozunk létre a plazmaégőben, folyamatos argonáramlás mellett. A szikrában folyó áram felhevíti a környező argon molekulákat, megnő az ionizáció, a szabad elektronok száma, így a vezetőképesség, ez maga után vonja a kisülés áramának növekedését. A növekvő áram még több iont és elektront hoz létre, tovább növelve a vezetőképességet. Ahogy növekszik a töltéssel rendelkező részecskék száma, megindul a rekombináció is. A folyamatok eredőjeként állandósul a töltött részecskék koncentrációja, a plazma hőmérséklete. Természetesen ez egy törékeny dinamikus egyensúly, pl. ha nagy mennyiségben juttatunk be a plazmába alacsony ionizációs energiájú elemet, ez jelentősen lehűti a plazmát, akár olyan mértékben is hogy megszűnik, azaz kialszik a torch. A már égő plazmában a nagyfrekvenciás térből energiát felvett elektronok gerjesztik a beporlasztott oldat áramló atomjait.

Nagyon fontos a plazmaégő és a spektrométer egymáshoz képest történő elhelyezése, az ún.

plazmafigyelés. Radiális és axiális plazmafigyelést különböztetünk meg.

Radiális plazmafigyelés esetén a spektrométer belépőrése a plazmaégőhöz képest oldalirányban helyezkedik el. Ekkor a plazma magasabb hőmérsékletű középső részéből a rés irányába mozgó fotonok a plazma egyre hidegebb részein haladnak át, ahol jelentős önabszorpció léphet fel, a mérendő elem(ek) az ebben a tartományban tartózkodó atomjai elnyelik a forró övezetből érkező sugárzás egy részét, ez rosszabb kimutatási képességet, és a nagyobb koncentrációban jelenlévő elemek esetében nemlineáris, a koncentráció-tengely irányába hajló kalibrációs görbét eredményez.

156

Az ún. axiális plazmafigyelésnél a rés a plazmával szemben helyezkedik el, azaz a legforróbb tartományból kilépő sugárzás lényegesen kisebb önabszorpció mellett jut be a spektrométer optikai egységébe. Ez az előző elrendezéshez képest jobb érzékenységet, azaz kb. 5 – 10-szer alacsonyabb kimutatási határokat eredményez. Mivel a plazma legforróbb része nagyon közel van a belépő réshez, gondoskodni kell arról, hogy a nagy hőmérséklet ne károsítsa a berendezést. Erre több megoldás is létezik. Az egyik szerint a plazma és a belépőrés tengelyére merőleges irányból argont fújnak be, ennek hűtő hatása védi meg a berendezést. Ez a megoldás könnyen felismerhető, mert a befújt gáz hatására a plazma hegye felfelé elhajlik. Ez a módszer megnöveli az elemzés gáz-felhasználását, ami jelentős többlet-költséghez vezethet. Egy másik megoldásban vízzel hűtik a belépő rés környékét, az ún. kónuszt. Ily módon zárt, jó hatásfokú hűtőkör alakítható ki, mely nem jár jelentős többletköltséggel.

A két plazmafigyelési módot összehasonlítva megállapítható, hogy a radiális elrendezés rosszabb kimutatási képességgel jár, de jobb a só-tűrése, azaz töményebb, nagyobb összes-sótartalmú oldatok elemzésére alkalmas. Az axiális plazmafigyeléssel jobb kimutatási határok érhetők el, azonban a só-tűrő képessége gyengébb.

Léteznek olyan spektrométer konstrukciók is melyek mindkét elrendezést kialakítják, és az analitikai feladattól függően választhatunk melyik elrendezést használjuk.

Az elemezendő minták bevitelére leggyakrabban különféle porlasztási módszereket alkalmazunk. A leggyakrabban az ún. közvetett, pneumatikus porlasztást alkalmazzák, általában a Meinhard típusú, ún. koncentrikus porlasztót és valamilyen egyszerű felépítésű ködkamrát, lásd 6.13.ábra. Ez amint az a 6.12.ábrán is látható egy belső kapillárisból és egy ezt körülvevő üvegcsőből áll. A kapilláris egyik vége egy vékony műanyagcsővel meghosszabbítva az elemezendő oldatba merül, a külső csőben áramlik az argon porlasztó-gáz. A külső cső a kapilláris másik vége után leszűkül, ezért itt jelentősen megnövekszik a gáz áramlási sebessége, és szívóhatása miatt a kapilláris végén folyadékcseppek szakadnak le. A leszakadó folyadékcseppekből a túl nagy méretűek a ködkamrában kiülepednek és a folyadékzáras túlfolyón elhagyják a rendszert. A koncentrikus porlasztón kívül más rendszerű pneumatikus porlasztókat is kifejlesztette. Ilyen pl. az ún. „V-vájatú” vagy Babington porlasztó, az „üveg-fritt”, illetve a keresztáramlásos porlasztó. A pneumatikus porlasztók hatásfoka nagyon alacsony, tipikusan 1 – 2

%, előnyük hogy egyszerű, könnyen kezelhető, viszonylag olcsó eszközök. Az ultrahangos porlasztók működésének alapját a piezoelektromosság jelensége képezi. Egy piezoelektromos kristály meghatározott kristálylapjára a méreteinek megfelelő nagyfrekvenciás áramot kapcsolva, az megfelelő mechanikai mozgást, rezgést végez. A rezgő kristályra folyadékcseppet ejtve, az a rezgési energia hatására apró folyadékcseppekre esik szét, melyeket a porlasztógázzal összekeverve viszonylag homogén eloszlású oldatködöt kapunk.

157