Inductief gekoppeld plasma (ICP) voor milieuanalyse

Inductief gekoppeld plasma (ICP) voor milieuanalyse

Rob ten Haaft
Cover Image

Om gezond te kunnen leven is het wenselijk om de aard en het gehalte van ongewenste chemische elementen in onze omgeving te kennen. Als een gemeente een stuk grond wil saneren om een nieuwe wijk te ontwikkelen, dan is het goed om te weten of er zware metalen of giftige stoffen als arseen in de grond zijn achtergebleven vanuit de vorige bestemming. Maar ook een beheerder van drinkwaterbronnen, oppervlaktewater of viswater wil graag de kwaliteit van zijn water kennen, om na te gaan of er niet teveel ongewenste bestanddelen inzitten die er alsnog uitgehaald moeten worden. En voor een goede luchtkwaliteit moet het gehalte aan sporenelement in de vaste deeltjes die in de lucht zweven, niet te hoog zijn.

Los daarvan: ook buiten het milieuveld zijn er plaatsen waar het handig is om de aanwezige elementen te kunnen identificeren en kwantificeren. Denk aan het vaststellen van de concentratie aan metaal in smeerolie om na te gaan hoe snel een motor slijt, of de concentratie aan meststoffen in landbouwgrond om te bepalen of het nodig is om nog verder te bemesten. Flowmeters- en regelaars spelen ook hierin een betekenis. Als industriespecialist voor de analytische markt leg ik je graag uit hoe dit zit.

Inductief gekoppeld plasma – atomaire emissiespectrometrie, ICP-AES

Het voorgaande laat al zien dat er veel toepassingen zijn waarbij het goed is om te weten welke en hoeveel chemische elementen aanwezig zijn. Nu is ICP-AES een goede analysetechniek om de aard en concentratie van elementen in vaste stoffen, vloeistoffen of gassen te meten. Deze afkorting staat voor inductief gekoppeld plasma - atomaire emissiespectrometrie. Vanwege de hoge nauwkeurigheid tot in het ppb-bereik (deeltjes per miljard) is ICP-AES vooral geschikt om sporenelementen - dus hele lage concentraties - te analyseren. Deze techniek is sterk in het vaststellen van metalen (zoals kwik) en metalloïden (zoals arseen), en vele tientallen elementen kunnen gelijktijdig geanalyseerd worden. Wat gaat er schuil achter deze techniek - en hoe speelt de nauwkeurige toediening van gassen hierin een rol?

Gecontroleerde toevoer van argongas door flowregelaar

Kort gezegd: ICP-AES als elementanalyse maakt gebruik van een inductief gekoppeld plasma (ICP) om aangeslagen ionen en atomen te genereren van de elementen uit het te meten monster, wiens karakteristieke spectrum wordt gemeten met atomaire emissiespectrometrie (AES) wanneer ze terugvallen naar de grondtoestand. De intensiteit van de lijnen in het spectrum is een directe maat voor de concentratie van de elementen in het monster.

Monsters kunnen alleen in vloeibare vorm het ICP-AES-apparaat in. Nu is dat voor water niet zo’n probleem, maar wel voor bodemmonsters en andere vaste stoffen. Hieruit ontsluit je de chemische elementen door het monster op te lossen in een sterk zuur: koningswater, een mengsel van zoutzuur en salpeterzuur. Een peristaltische pomp zuigt de monstervloeistof uit een voorraadvat en transporteert deze naar de vernevelaar, die de vloeistof omzet in een aerosol oftewel nevel. Om de concentratie van de nevel nauwkeurig te regelen - en eventueel te verdunnen - wordt een stroom van argongas aan de vernevelaar toegevoerd met behulp van een flowregelaar. De nevel gaat vervolgens de reactorkamer in, waar het botst op het plasma dat zich al in deze kamer bevindt.

Als je voldoende energie toevoert aan een gas - door er een hoge elektrische spanning overheen te laten gaan met een spoel - dan kunnen elektronen van sommige gasatomen loslaten. Zo houd je, naast de oorspronkelijke gasdeeltjes, een mengsel van negatieve elektronen en positief geladen ionen over. Dit ‘geïoniseerde gasmengsel’ van geladen deeltjes heet een plasma, en zo’n plasma wordt wel gezien als een vierde toestand waarin een materiaal kan voorkomen, naast vast, vloeibaar en gasvormig. Bij ICP vormt argongas de basis voor het plasma, en dit gas moet nauwkeurig worden toegevoerd met behulp van flowregelaars. Het plasma heeft een zeer hoge temperatuur van zo’n 7000 graden Celsius. Omdat het plasma altijd een correcte samenstelling moet hebben, is een nauwkeurige en continue stroom van argongas van belang. En om de buitenwereld tegen deze hoge temperatuur te beschermen wordt er een koelend (argon)gas langs de buitenkant van de reactor geleid.

Regelen van nevel

Als de nevel met de te meten chemische elementen op het plasma botst, dan worden deze elementen ook omgezet in plasma. De elementen nemen hierbij zoveel energie op dat ze in een aangeslagen toestand komen. Zo’n element voelt zich hier echter niet prettig, en wil het liefst terug naar de grondtoestand op een lager energieniveau. Dat gebeurt ook, en bij deze overgang zendt het element straling uit dat karakteristiek is voor het betreffende element. Deze straling valt op een spectrometer, en de intensiteit van de gemeten straling is recht evenredig met het gehalte van het betreffende element in het monster. Aangezien elk element een (voor hem) karakteristieke reeks van golflengtes heeft van de uitgezonden straling, kun je met deze techniek meerdere elementen gelijktijdig identificeren. En als je voor de betreffende elementen een ijkreeks beschikbaar hebt, of een interne standaard hebt meegestuurd in de vernevelaar eerder in het proces, dan kun je deze hoeveelheden ook kwantificeren.

Spectrometer, ICP-AES of ICP-OES

De spectrometer binnen het AES-gedeelte is een combinatie van spiegels, prisma’s, tralies, chromatoren en detectoren die de uitgezonden straling sturen en uiteindelijk meten. Om te voorkomen dat hier verstoring optreedt - bijvoorbeeld door absorptie van straling door zuurstof-bevattende gassen - wordt het gebied met deze optische voorwerpen voortdurend gespoeld met stikstof. Deze gasstroom hoeft niet heel nauwkeurig te zijn, maar wel heel reproduceerbaar. Om deze reproduceerbaarheid te realiseren is het gebruik van flowregelaars belangrijk. Overigens: je komt als alternatief voor ICP-AES (atomaire emissiespectrometrie) ook wel eens de naam ICP-OES (optische emissiespectrometrie) tegen. Dit zijn verschillende namen voor dezelfde technologie.

ICP-MS

Chromatography samples

ICP-MS is een vergelijkbare techniek voor elementanalyse, met als verschil dat hier de detectie niet optisch plaatsvindt. De geladen deeltjes uit het plasma komen in een massaspectrometer (MS) terecht; hier worden ze gescheiden op basis van hun massa/lading-verhouding, en wordt de relatieve verhouding van elk van deze geladen deeltjes geregistreerd. Waar ICP-AES onder atmosferische druk plaatsvindt, is voor ICP-MS vacuüm nodig. De detectiegrens voor ICP-MS ligt lager dan voor ICP-AES.

Bij milieuanalyses wordt niet alleen gekeken naar de totale hoeveelheid van een element in het monster, maar ook of het element in vrije vorm of als onderdeel van een chemische verbinding voorkomt. Ter illustratie: anorganische arseenverbindingen zijn veel giftiger dan hun organisch gebonden tegenhangers. ICP-AES en ICP-MS kun je gebruiken om onderscheid te maken tussen deze verschijningsvormen van de elementen, ook wel ‘speciatie’ genoemd. Daarvoor is het echter wel nodig dat de verschillende verschijningsvormen voorafgaand aan ICP van elkaar worden gescheiden, bijvoorbeeld met ionenuitwisselingschromatografie (IC). De combinatie IC met ICP kom je dan ook regelmatig tegen.

Massaflowmeters en flowregelaars voor ICP-AES

Digital manifold oplossing

'In den beginne' van de ICP ging de toevoer van gassen handmatig. Toen de automatisering op dit gebied begon, werd ook de regeling van gassen niet gespaard, en deden de massflowmeters hun intrede. Massaflowmeters en flowregelaars worden in ICP-AES apparatuur gebruikt voor levering van inerte gassen. Als je een goede gasregeling hebt, dan is het hele systeem nauwkeuriger en stabieler, waardoor lagere detectiegrenzen mogelijk zijn. En dat komt goed van pas bij de kwaliteits- en milieueisen die steeds strenger worden.

Bronkhorst levert veel flowmeters voor de analytische markt en kan een aantal grote leveranciers van analytische apparatuur tot haar klantenkring rekenen. Hiervoor worden veelal klant specifieke ‘manifold’ oplossingen geleverd. In deze oplossingen worden meerdere functionaliteiten geïntegreerd in een voor de klant op-maat gemaakte body. Een compact instrument met kleine ‘footprint’ wordt steeds belangrijker in laboratoriums waar de ruimte steeds beperkter is.

Lees hier meer over onze klantspecifieke oplossingen!

Lees het applicatieverhaal “Controlled supply of gases in Inductively Coupled Plasma (ICP-AES) for environmental analysis.