ICP-OES: la spettroscopia di emissione al plasma

L’ICP-OES (spettroscopia di emissione ottica a plasma accoppiato induttivamente) ribalta la logica dell’assorbimento: invece di misurare la luce assorbita, eccita gli atomi in un plasma caldissimo e misura la luce che emettono. Poiche’ ogni elemento emette le proprie righe, lo strumento puo’ determinare decine di elementi contemporaneamente in un solo passaggio.

Vediamo che cos’e’ il plasma ad argon, perche’ l’analisi e’ multielemento simultanea, come nascono le righe di emissione e perche’ l’intervallo lineare e’ cosi’ ampio.

Il plasma ad argon

Il cuore dell’ICP e’ un plasma: un gas di argon parzialmente ionizzato, mantenuto da un campo a radiofrequenza in una torcia di quarzo. Una bobina di induzione accoppia energia agli elettroni dell’argon, che collidono e ionizzano altri atomi sostenendo la scarica. Il plasma raggiunge temperature elevatissime, dell’ordine di 6000-10000 K, ben oltre qualsiasi fiamma. Il campione, nebulizzato in aerosol, viene iniettato al centro del plasma, dove viene essiccato, atomizzato e i suoi atomi vengono eccitati e in parte ionizzati.

Perche’ l’emissione e non l’assorbimento

La temperatura altissima del plasma popola in modo significativo gli stati eccitati degli atomi e degli ioni. Quando questi ricadono allo stato fondamentale, riemettono fotoni di energia ben definita: e’ l’emissione. Misurando l’intensita’ della luce emessa a ciascuna lunghezza d’onda caratteristica si risale alla concentrazione degli elementi. Non serve una lampada per ogni elemento, come in AAS: e’ il plasma stesso che fa da sorgente, eccitando tutti gli elementi presenti.

ΔE = hν = h cλ  ·  ogni elemento ha le proprie righe

Multielemento simultaneo

Qui sta il grande vantaggio dell’ICP-OES. Poiche’ nel plasma vengono eccitati tutti gli elementi presenti, e ciascuno emette le proprie righe a lunghezze d’onda diverse, uno spettrometro a piu’ canali (o con rivelatore a stato solido, come un CCD a echelle) puo’ misurare molti elementi nello stesso istante, da un unico aspiramento del campione. Dove la FAAS richiederebbe di cambiare lampada e ripetere la misura per ogni metallo, l’ICP-OES fornisce un’analisi completa di 20-30 o piu’ elementi in pochi minuti.

Le righe di emissione

Ogni elemento ha un insieme di righe di emissione caratteristiche, corrispondenti alle transizioni tra i suoi livelli energetici. Lo strumento dispone di un sistema ottico ad alta risoluzione (spesso un reticolo echelle abbinato a un prisma) che separa le righe e di un rivelatore che ne misura l’intensita’. Per ogni elemento si sceglie una o piu’ righe libere da sovrapposizioni con altri elementi della matrice; la scelta della riga e’ una decisione analitica importante per evitare interferenze spettrali, trattate nell’articolo dedicato.

L’ampio intervallo lineare

Una virtu’ pratica dell’ICP-OES e’ l’intervallo dinamico lineare molto esteso, tipicamente quattro-sei ordini di grandezza. La stessa taratura puo’ coprire dalle tracce alle concentrazioni elevate, riducendo il numero di diluizioni necessarie. Cio’ lo rende comodo quando in uno stesso campione coesistono elementi maggioritari ed elementi in traccia: spesso si misurano tutti nello stesso run, scegliendo per ciascuno la riga di emissione piu’ adatta al suo livello di concentrazione.

Perche’ conta nella pratica

Per un laboratorio che deve determinare molti metalli su molti campioni, l’ICP-OES e’ una svolta di produttivita’: un’unica aspirazione fornisce un profilo completo, con interferenze chimiche ridotte e un ampio intervallo di concentrazioni. Capire che il segnale e’ emissione del plasma, saper scegliere le righe libere da interferenze e sfruttare l’intervallo lineare per misurare insieme maggioritari e tracce sono competenze quotidiane in chi gestisce questo strumento. Quando servono limiti di rivelabilita’ ancora piu’ bassi o l’informazione isotopica, si passa all’ICP-MS.

Domande frequenti

Che cos’e’ l’ICP-OES?

E’ una tecnica di spettroscopia di emissione atomica in cui il campione viene introdotto in un plasma ad argon caldissimo (6000-10000 K) che eccita gli atomi; misurando la luce emessa alle lunghezze d’onda caratteristiche di ciascun elemento si risale alle concentrazioni. Il suo punto di forza e’ l’analisi multielemento simultanea di decine di elementi in un solo passaggio.

Che cos’e’ il plasma ad argon?

E’ un gas di argon parzialmente ionizzato, sostenuto da un campo a radiofrequenza tramite una bobina di induzione, che raggiunge temperature dell’ordine di 6000-10000 K. Funge da atomizzatore e da sorgente di eccitazione: atomizza il campione ed eccita efficacemente tutti gli elementi presenti, che poi emettono le loro righe caratteristiche.

Perche’ l’ICP-OES puo’ misurare piu’ elementi insieme?

Perche’ il plasma eccita contemporaneamente tutti gli elementi presenti e ciascuno emette le proprie righe a lunghezze d’onda diverse. Uno spettrometro multicanale o con rivelatore a stato solido le separa e le misura simultaneamente, fornendo un profilo completo di molti elementi da un’unica aspirazione del campione, in pochi minuti.

Perche’ l’intervallo lineare dell’ICP-OES e’ cosi’ ampio?

Perche’ l’emissione del plasma resta proporzionale alla concentrazione su un campo molto esteso, tipicamente quattro-sei ordini di grandezza. Questo consente di misurare con la stessa taratura sia gli elementi in traccia sia quelli maggioritari, riducendo le diluizioni. Per ciascun elemento si sceglie la riga di emissione piu’ adatta al suo livello di concentrazione.

In cosa l’ICP-OES e’ migliore della fiamma?

E’ multielemento simultaneo invece che monoelemento, ha un intervallo lineare molto piu’ ampio e, grazie alla temperatura altissima e all’ambiente inerte, soffre meno le interferenze chimiche tipiche della fiamma. Resta soggetto alle interferenze spettrali, che si gestiscono scegliendo righe libere da sovrapposizioni. E’ molto piu’ produttivo quando si devono misurare molti metalli su molti campioni.