Spectromtrie dabsorption atomique (SAA) SPECTROPHOTOMTRIE DMISSION ATOMIQUE

Inductive Coupled Plasma(ICP)Facult de mdecine de ConstantineLaboratoire de Toxicologie CHUCCours de 2e anne KOULOUGHLI Khaoula23 Septembre 2014

PlanIntroductionSpectromtrie dmission atomiqueDfinitionPrincipeAppareillageInterfrences ApplicationsAvantagesInconvnientsCouplage ICP-MSConclusion La spectromtrie atomique tudie les missions ou absorptions de lumire par l'atome libre, c'est dire lorsque celui-ci voit son nergie varie au cours d'un passage d'un de ses lectrons d'une orbite lectronique une autre

Introduction

Introduction

Lanalyse par mission atomique constitue une mthode trs gnrale de dosage des lments qui repose sur ltude optique des radiations mises par les atomes passs dans un tat excit, gnralement ionis.

Des sources thermiques comme les flammes, les fours et les dcharges lectriques sont utiliss pour dissocier les molcules de lchantillon en atomes libres (sources datomisation). Dfinition Plus rcemment, dautres types de dcharges lectriques dnomms plasma ont t utiliss comme sources datomisation : le plasma coupl inductif(ICP).

Lnergie susceptible dtre fournis par ces plasmas est considrablement plus importante que celle dune flamme.

En effet la T atteinte correspond des valeurs de 5000 6000c

Dfinition Plasma :un gaz ionis lectriquement neutre, produit dans des tubes dcharge.

Les plasmas conservent certaines proprits des gaz (compressibilit, pression proportionnelle la T absolue, ...), par contre, les proprits lectromagntiques sont diffrentes du fait de la prsence de- en mouvement.

Les plasmas ont t utiliss depuis les annes 1970 en spectromtrie d'mission atomique, en remplacement des flammes classiques.

Le rle du plasma, dans l'analyse par mission optique, est:-Casser les liaisons molculaires ; -Produire des ions et atomes libres ; -Exciter ces particules. Notion de plasmaLAr est le gaz le plus appropri car il prsente les proprits suivantes :

- Inerte : pas apte ragir chimiquement avec les chantillons ; - Optiquement transparent ; - Facilit dionisation Ar Ar++e- . - Disponible grande puret et a faible cot. - Possde une conductivit thermique modrment basse, ce quiretient la chaleur au cur du plasma.

Largon a un potentiel dionisation trs lev de 15.76 eV. De ce fait tous les lments possdant un potentiel dionisation plus faible seront ioniss dans le plasma. Pour gnrer un plasma et lentretenir, il faut apporter une nergie importante.

Lhlium et lazote sont aussi utiliss comme gaz plasmaNotion de plasmaLe plasma est gnr par le couplage inductif d'lectrons libres avec des oscillations rapides du champ lectromagntique la frquence de 27 Mhz dans l'argon.

Les sources de plasma couples par induction (ICP) peuvent tre associes :

Spectromtre d'mission atomique (spectromtrie de rayonnements visibles)=ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry) ou encore OES(Optical Emission)car les raiesanalyses sont souvent des raies ioniques et pas seulement atomiques.

Spectromtre de masse=ICP-MS (Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometry)Mthodes de spectromtrie bases sur les plasmascoupls par induction (Inductively Coupled Plasma : ICP)Dans les 2 cas le processus d'excitation est le mme, une flamme de plasma d'argon dont les rgions internes sont des T > 10 000 K

Ces instruments sont bass sur proprits ionisantes d'un plasma dAr qui permet :

ICP-AES : mesure des missions ioniques/atomiques des lments prsents /Ech

ICP-MS : sparation avec SM des ions correspondants aux lments prsents dans chantillon, avec un grand pouvoir de rsolution. Mthodes de spectromtrie bases sur les plasmascoupls par induction (Inductively Coupled Plasma : ICP)En mission, on excite thermiquement les atomes, dans la flamme ou le plasma afin qu'ils rmettent leur spectre de raies.

En tudiant les spectres dtects, on peut donc voir quels lments constituent l'chantillon ( condition d'avoir une T suffisamment leve pour exciter tous les atomes), et valuer leur quantit grce l'intensit des raies.

ICP-AES :Les chantillons analyser sont introduits dans le plasma et sont transforms en vapeur atomique ou ventuellement ionique.

PrincipeLes atomes/ions ainsi crs sont instables, ils reviennent ensuite, en une ou plusieurs tapes, sa configuration d'nergie fondamentale dans la queue de la flamme en mettant les rayonnements lumineux dont la fr est spcifique de l'lment et de la transition considrs correspondant aux rarrangements du cortge lectronique.

C'est cette mission caractristique qui est mesure par un spectromtre optique pour l'ICP-AES. Quant l'ICP-MS les ions eux-mmes sont extraits du plasma vers un SM qui les spare selon leur masse, permettant ainsi leur identification.

Principe

Appareillage

*Source de nbulisation / atomisation / excitation de l'ch

*Dispositif dispersif (monochromateur et/ ou polychromateur) pour analyser le rayonnement mis/l'ch

*Ensemble lectronique / informatique pour la gestion des spectromtres et l'exploitation des donnes

1-Nbuliseur

chantillon nbulist fin et homogne (arosol qui est introduit dans la zone de stimulation du plasma). Dessiccation (viter perte inutile dnergie). Seuls quelques % de l'ch pomp arrivent au plasma, le reste tant perdu dans la chambre de nbulisation. Nbuliseur pneumatique Nbuliseur Ultrason

Appareillage

Nbuliseur pneumatique:

Un jet de gaz anims dune grande vitesse arrache de la surface liquide des vsicules qui sont rduites en fines gouttelettes dans la phase gaz qui les transporte.

Efficacit en f(x) de la viscosit du liquide.

Rendement faible ( 5 %).

Appareillage

Nbuliseur Ultrason:

La solution nbuliser est soumise des vibrations ultrasoniques de fr comprise entre 800 et 3500 Hertz.

Il permet de donner des gouttelettes de diamtre homogne.

Rendement=> amlior= 100%.

Sensibilit de mesure par rapport au nbuliseur pneumatique mais le prix lev limite son utilisation.

Appareillage

2-Torche

Un ensemble de tubes concentriques, en quartz, o circulent flux dAr (gaz plasmagne) + Nbulisat (arosol)

La vitesse de larosol doit tre suffisante pour percer le plasma sans tre trop leve car le temps de sjour des particules exciter serait faible. Appareillage

2-Torche

Le couplage est atteint par la gnration dun champ magntique en faisant passer un courant lectrique haute fr (5 et 100 MHz) travers une bobine dinduction Un flux dAr tangentiel (tube externe) va permettre disoler, de refroidir la rgion proche des bobines et de donner la forme au plasma.

Cet inducteur gnre un champ magntique oscillant rapidement, orient dans le plan vertical de la bobine induisant lionisation du flux continu dAr. Appareillage

2-Torche

Les ions rsultants+leurs e- associs interagissent ensuite avec le champ magntique fluctuant----- gnre suffisamment dE pour ioniser+datomes dAr par stimulation de collision.

Les e- gnrs dans le champ magntique sont acclrs perpendiculairement la torche.

A grande vitesse, les cations et les e-, entreront en collision avec les atomes dAr pour produire une ionisation supplmentaire, ce qui engendre une sensible de la T du plasma. Appareillage

Appareillage 2-Torche

Le plasma est donc un milieu trs haute T qui sert ici:

- atomiser le nbulist ioniser partiellement et exciter les atomes par chocs avec lAr (Ar ou Ar+) ou des e-:

Les hautes T permettent de dtruire compltement les liaisons molculaires, et de s'affranchir des interfrences chimiquesobserves dans les sources moins chaudes (flammes)atomisation plus efficace: pas despces rfractairesAr+M Ar + M+*+e-Ar++M Ar + M+*e-+M M+*+2e-

Lexcitation a lieu certaine T seulement. Or le plasma prsente un certain profil de T. Il y a donc diffrentes zonescorrespondants aux diffrents processus. Il y a une zone spcifique pour lanalyse de lmission: la zone dobservation analytique optimale

3-Systme dispersif

Le passage de l'ch dans le coeur du plasma excite principalement les lectrons des couches externes.

Les rayonnements issus des rarrangements, des transitions entre couches externes, sont typiquement compris entre lUV (170 nm) et la limite du visible (780 nm). La partie mise dans le domaine UV-Visible est analyse par le dispositif optique.

Diffrents montages exprimentaux existent, faisant appel des montages optiques+/- complexes de fentes, miroirs, rseaux . Les monochromateurs, polychromateurs (mesurer l'intensit lumineuse simultanment sur plusieurs longueurs d'onde caractristiques des lments analyser) , ou mme mixtes, cherchent optimiser les prcisions exprimentales.

Appareillage

3-Systme dispersif

La quantification des abondances en lments par ICP-AES est base sur la capacit sparer un spectre d'mission complexe selon les diffrentes longueurs d'onde qui le composent.

Ceci doit se faire avec une sensibilit et une rsolution suffisantes pour mesurer prcisment l'intensit lumineuse de chaque longueur d'onde caractristique de chaque lment

Tous les lments seraient excits simultanment et par consquent le spectre sera trs riche en raies

Appareillage

4-Photomultiplicateur

Transforme lnergie lumineuse provenant de la radiation monochromatique en nergie lectrique.

5-Enregistreur

Donne des profils de spectre. Appareillage

Suite son introduction en 1983, lutilisation dun plasma couplage inductif comme source dions pour un spectromtre de masse (ICP-MS) a fini par connatre un succs presque aussi important. En consquence, ces performances conduisent un nombre limit dinterfrences chimiques et spectrales, ce qui induit un degr lev de spcificit lmentaire.

De plus, en ICP-MS, lefficacit de lionisation des lments entrane des performances exceptionnelles en termes de limites de dtection, susceptibles dtre seulement concurrences par lactivation neutronique ou, pour certains lments, par la SAA lectrothermique.

ICP-MS un caractre unique parmi lensemble des techniques de spectromtrie atomique.

Couplage ICP-MS

Couplage ICP-MSICPAvantages

Mesure de traces : Concentration de lordre du p.p.m.

Mesure des ultratraces : Concentration de lordre du p.p.b.

Mesure des rapports isotopiques.

Couplage ICP-MSLes applications sont surtout quantitative et restent rserves au dosage des mtaux alcalins et alcalino-terreux. C'est dire les mtaux les plus faciles exciter:

Dosage des non mtaux et mtallodes:

Matrices :Liquides et tissus biologiquesTerre, boues, sdimentsEau, gazRejets industriels

Applications

En mono-lmentaire : 1- Pb: Dosage du plomb en milieu professionnel + Surveillance de la population gnrale (sur sang total). 2- Hg : Suivi de lexposition au mercure par le dosage du mercure urinaire est galement facilement ralisable par ICP SM sous certaines conditions.3- Cr : Surveillance de lexposition au Crome hexavalent, est propose par le dosage du Crome urinaire total, ou le Cr dans le sang par ICP MS quipe dune cellule de collision en mode Hlium. 4- As : le suivi de lexposition professionnelle a lAs, il est indispensable de sparer larsenic dorigine alimentaire comme larsenobetaine des autres formes toxiques de larsenic. Une nouvelle mthode de spciation est dcrite en CLHP/ICP-MS sur une colonne ionique.

En multi-lmentaire : Profil mtallique chez les individus. Dosage des mtaux dans les eaux, les sols, etc.

ApplicationsPrparation des chantillons : Plasma : Dilution au dixime, dans une solution aqueuse compose d'acide nitrique 0,144 M et de triton 0,01 % (v/v). Les chantillons de sang, pralablement congels -20 C puis dcongels, sont dilus au dixime dans une solution aqueuse compose d'acide nitrique 0,144 M et de triton 0,1 % (v/v). Une fois l'hmolyse acheve, les mlanges sont centrifugs 4000 tours/min. Urine : prpares par dilution au 1 : 10 et au 1 : 5 dans l'acide nitrique 0,216 M et de triton 0,01 %v/v en fonction de l'lment doser.Prlvement sur tube en verre contenant lhparinate de Na. Rcemment, une socit a dvelopp un matriau de prlvement en polythylne trphtalate (PET) contenant EDTA di-K pour lments traces.Des normes sont dfinies pour chaque type de contenant utilis. Applications1-Dosage direct: La dtermination de C se fait en extrapolant a partir dune courbe dtalonnage. 2- Mthode de ltalon interne:Ajouter chaque chantillon une quantit identique et connue dun lment autre que celui doser (le lithium dans le dosage de potassium et de sodium, le rhodium pour le Pb dans le sang total). Mesurer le rapport des intensits de la raie analyse et de la raie talon. Se reporter une courbe dtalonnage pour la dtermination de la concentration de la solution analyser. Cette mthode permet dliminer les erreurs dues aux interfrences. ApplicationsLes interfrences Il faut cependant rester prudent en terme dinterprtation des rsultats lors de lanalyse de matrices biologiques. De nombreuses interfrences commencent aujourdhui a tre bien connues des chercheurs et des toxicologues analystes lors du dosage par ICP-MS dans ce type de prlvements.

1. Interfrences chimiques: Contrairement aux autres techniques: SAA en mode flamme/ four graphite , lICP ne prsente pas ou trs peu dinterfrences chimiques (liaisons chimiques rompues au-del de 6000 C augmentation de la limite de dtection de composs rfractaires).

2. Interfrences dues lionisation: Le plasma gnrant un important nombre de- les interfrences dues lionisation sont la plupart du temps inexistantes. Cependant dans le cas de solution concentres (NaCl, KCl), elles deviennent significatives, un tampon dionisation peut alors tre ncessaire, il est possible dutiliser aussi la mthode des ajouts doss.

Les interfrences 3. Interfrences spectrales: Les atomes tant pour la plupart s/f dions, le spectre dmission comprends de nombreux pics correspondants aux diffrents niveaux dnergie des cations (il y a en gnral plusieurs degrs doxydation possibles pour chaque ions). Il est donc frquent dobserver des interfrences spectrales. * Les ions poly atomiques ICP SM: Dont lexistence dpend directement de la prsence en quantit importante dargon et des autres lment prsents dans les matrices biologiques (O, H, N, P, S, Cl).

4. Interfrences physiques: Elles sont dues en gnral une diffrence de nbulisation due la matrice: nbulisation non homogne (viscosit, tension superficielle) Ex: laugmentation de la viscosit de la solution se traduit par une diminution de lmission due une mauvaise vaporisation.

Les interfrences Autre interfrence (ICP SM) :

Les interfrences les plus tudies sont les interfrences isobariques, lies a la prsence dun isotope dun lment diffrent de lanalyte, mais de rapport m/z quasi-identique.

La rsolution de ces interfrences isobariques peut se faire, par le choix dun autre isotope non interfr ou par lutilisation dquations de correction.

Limite de dtection: trs faible situe en gnral entre celle de SAA avec flamme et au four Linarit: la courbe dtalonnage pour le plasma ICP est linaire sur un grand domaine de concentration (plus dun facteur de 1000) ce qui nest pas disponible en SAA et dmission de flamme classique

Rapidit: plus rapide que la SAA surtout si lappareil est conu pour faire des dosages simultans ex: dosage dune 20aine dlments dans un mlange sans sparation pralable, ainsi des spectres relatifs des douzaines dlments peuvent tre enregistrs en mmes temps, ce qui est important lorsque lch est de faible quantit Avantages

1. Certains lments peuvent tre analyss avec une plus grande sensibilit et moins d'interfrences. 2. L'mission atomique permet d'effectuer des analyses qualitatives, ce qui n'est pas le cas en absorption.

En effet, c'est l'ch lui-mme qui est la source de lumire dans une spectroscopie d'mission. Cela signifie que plusieurs lments peuvent tre analyss simultanment, ce qui reprsente un gain de temps apprciable, et donc un gain d'argent, mme si un spectromtre d'analyse multi-lments en mission cote beaucoup plus cher qu'un spectromtre dAA. 3. 70 lments analysables.4. Sensibilit au niveau du g/L (ppb). 5. Possibilit de faire lanalyse malgr une teneur leve en sel dissout (40g/L).

Avantages6. Les sources plasma permettent galement la dtermination de non mtaux comme le chlore, le brome, liode et le souffre chose qui nest pas fournit par la SAA.

7. En plus, elle prsente sur la SAA un avantage le fait quelle ne ncessite pas lemploi dune source de radiation monochromatique, diffrente pour chaque lment.

8. Cot modr du gaz plasmagne.

9. Absence de ractivit du milieu initial, du fait de lutilisation dun gaz rare monoatomique, ce qui limite fortement la formation despces molculaires, potentiellement interfrentes dans le plasma et donc dans le spectre issu du gaz initial.

10. T leve du plasma (de lordre de 6 000 8 000 K) qui, lie un temps de sjour des atomes de lordre de quelques ms , permet une bonne ionisation des analytes et excitation des e-, ainsi que la destruction quasi complte des molcules de lch.

Avantages1. La ncessit dun systme plus compliqu au niveau du nbuliseur (puisque, il faut scher le nbulist form) entrane un certain dfaut de reproductibilit et une prcision frquemment infrieure celle de SAA avec four. Cest surtout dans le cas du dosage des faibles traces dlments.

2. Interfrences

Dune faon gnrale les interfrences sont beaucoup - importantes que celles observes avec la SAA et sont plus marques en solutions concentres.

3. Son prix: que ce soit le prix l'achat ou le prix de l'analyse en elle mme (grande quantit de gaz utilis chaque analyse - environ 6 litres/min d'argon). InconvnientsComparaison : SAA/ICPSAA flammeSAA fourICPFacilit demploiFacilePeu facile Assez facile

Limite de dtectionmg /lg/l 10-100 g/l

Temps danalyseRapide Lent Trs rapide InterfrencesBien connueMarques+++

Spectrales

Avantages essentielsAutomatisationdtectionde traces

analysesimultane

Comparaison : SAA/ICP-MS/ICP-OES

Conclusion Le succs de lICP repose sur sa capacit analyser un grand nombre dchantillons en une courte priode de temps avec de trs bonnes limites de dtection pour la plupart des lments.

La spectromtrie dmission en plasma induit couple a la spectromtrie de masse (ICP-MS) est une technique danalyse multi lmentaire qui sadapte parfaitement au dosage des mtaux dans le cadre de surveillances dexpositions en milieu professionnel.

Cette technique est sensible, spcifique, rapide et ses performances expliquent sa prsence aux cotes de mthodes plus classiques utilisant la spectromtrie dabsorption atomique.Bibliographie : 1- Laurence LABAT*, Christine DHORNE, Florian KLINZIG, Betty DEHON,Michel LHERMITTE. ICP-MS et toxicologie professionnelle. Ann Toxicol Anal, vol. XIX, n 1, 2007. p23-29.

2- Jean-Pierre GOULLE et al. Validation d'une technique de dosage multi lmentaire des mtaux par ICP-MSdans les milieux biologiques. Ann Toxicol Anal, vol. XV, n 4, 2003. p271-280.

3- Jean-Pierre Goull et al. Dosage multilmentaire dans le plasma et le sang total par ICP-MS : influence du matriel de prlvement. Ann Toxicol Anal. 2008; 20(2): 97-102. Merci !