Diagnostyka plazmy a techniki wprowadzania. Adrianna Jackowska

Transkrypt

1 Diagnostyka plazmy a techniki wprowadzania próbek Adrianna Jackowska

2 Zalety mikrofalowo indukowanej plazmy Niski koszt eksploatacji; Możliwo liwość wytwarzania plazmy MIP w różnych r gazach i ich mieszaninach (Ar, He, N 2, O 2 ) Możliwo liwość wprowadzania próbek ciekłych, stałych, gazowych; Niższe wartości granic wykrywalności dla niemetali w He-MIP w porównaniu z Ar-ICP Możliwo liwość łatwego zastosowania MIP jako źródła a wzbudzenia, jonizacji pierwiastków w czy atomizera (kompatybilność z wieloma technikami wprowadzania próbek)

3

4 Tolerancja plazmy MIP na obciąż ążenie rozpuszczalnikiem Gęstość elektronów *10 15 [cm -3 ] plazma mieszana plazma Ar plazma He Przepływ próbki [mg min -1 ]

5 Plazma MIP Plazma ICP [1] Przepływ gazu 0,6 L min L min -1 Przepływ próbki 0,02 do 0,25 ml min -1 0,25-1,8 ml -1 Przepływ masowy aerozolu mg min mg min -1 (przepływ gazu nośnego 0,8 L min -1 ) mg min -1 (przepływ gazu nośnego 1,0 L min -1 ) [1] M. Grotti, C. Lagomarsino, J. M. Mermet, J. Anal. At. Spectrom., ,

6 Analiza ilościowa i jakościowa Diagnostyka spektroskopowa Zn, As, Sb, P, Pb, Cu, Se, Bi Cd, Sn, As, Fe, Cu Intensywność Mn, Mg, Pb, Sn, Fe Długość fali [nm] Długość fali [nm]

7 Diagnostyka MIP wytwarzanej w czystym gazie Zastosowanie parametrów do planowania warunków eksperymentalnych do oznaczania konkretnych pierwiastków Parametr fizyczny Plazma argonowa Plazma helowa Gęstość elektronów 1,0*10 15 ±4,1*0 13 cm -3 6,9*10 14 ±3,0*10 13 cm -3 Temperatura elektronów 4000±220 K 12000±1800 K Temperatura wzbudzenia Ar lub He 4570±310 K 3870±200 K Temperatura rotacyjna cząstek OH 1300±100 K 3000±150 K

8 Układy do wprowadzania próbek Aerozol ciało stałe/gaz Wodny aerozol Lotne wodorki +wodór

9 Diagnostyka MIP dla techniki PN Parametr fizyczny Plazma argonowa Plazma helowa Gęstość elektronów 2,4*10 15 cm -3 9,0*10 14 cm -3 Temperatura wzbudzenia Ar lub He 5460 K 3110 K Temperatura rotacyjna cząstek OH 2580 K 1990 K Temperatura wzbudzenia Fe 5650 K 7150 K Temperatura jonizacji Mg 6850 K 6450 K

10 Rozkład intensywności emisji pierwiastków w w plazmie mikrofalowej przy wprowadzaniu wodnego aerozolu Intensywność [j.u.] Plazma argonowa CaI Mn Zn Pb Fe Granice wykrywalności pierwiastków w plazmie Ar [ng ml -1 ] 20-1,5-1,2-0,9-0,6-0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Odległość od osi palnika [mm] Pierwiastek rdzeń Strefa okołoplazmowa Ca 422, Mn 403, Pb 405, Zn 213, Plazma helowa Fe Intensywność [j.u.] Pb Zn Ca Mn Granice wykrywalności pierwiastków w plazmie He [ng ml -1 ] Pierwiastek Ca 422,7 Mn 403,1 rdzeń Strefa okołoplazmowa ,5-1,2-0,9-0,6-0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Odległość od osi palnika [mm] Pb 405,8 Zn 213,

11 Geometria wyładowania MIP w argonie i helu przy wprowadzaniu wodnego aerozolu 2,8E Gęstość elektronów [ cm -3 ] 2,3E ,9E ,4E ,6E+14 5,1E Gęstość elektronów Temperatura elektronów 6,0E ,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Odległość od osi palnika [ mm ] Temperatura elektronów [ K] 1,2E Gęstość elektronów [cm -3 ] 1,0E ,0E ,0E ,0E ,0E Gęstość elektronów Temperatura w zbudzenia He 0,0E ,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Odległość od osi palnika [mm] Temperatura wzbudzenia He [K]

12 Wpływ dodatku He na warunki wzbudzenia w plazmie mieszanej przy wprowadzaniu wodnego aerozolu 3.5E+15 Gęstość elektronów [cm -3 ] 3.0E E E E E E E Dodatek He do plazmy mieszanej Ar/He [%] Temperatura [K] Temperatura wzbudzenia Ar Temperatura elektronów Temperatura rotacyjna (OH) 1.K. Jankowski, A. Jackowska, Spectroscopic diagnostics for evaluation of the analytical potential of argon+helium microwave induced plasma with solution nebulization J. Anal. At. Spectrom., 22 (2007) Dodatek He do plazmy mieszanej Ar/He [%]

13 Wpływ dodatku helu na warunki wzbudzenia pierwiastków w w plazmie argonowej przy wprowadzaniu wodnego aerozolu 2.9E+15 Gęstość elektronów [cm -3 ] 2.4E E E E E+14 plazma He plazma Ar-He plazma Ar Wzrost temperatury rotacyjnej cząstek OH Wzrost temperatury wzbudzenia Ar Granice wykrywalności dla linii jonowych [ng ml -1 ] Pierwiastek Ar+20% He Ar Sr 407, Temperatury Tion(Mg) Ba 455, Mn 257, Zn 202, plazma Ar-He plazma Ar Trot(OH) Texc(Ar ) Cd 226, Fe 238,

14 Charakterystyka Obszar techniki wyładowania CPI Iniektor Ar Adapter Komora próbki Ar Moc mikrofalowa W Średnica wew. palnika Q Intensywność [ a.u. ] Masa próbki Ag 328,0 nm RSD 1,1 % 3,5 5,0 mm Typ gazu Gaz Pb nośny 405,8 nm RSD 2,5 % ml min -1 Cu 324,7 nm RSD 2,8 % Gaz plazmowy ml min -1 Ag 265,9 nm RSD 4,5 % Przepływ masowy próbki 0,8 20 mg/min Czas [ min ] 0,5-1,0 g Granice wykrywalności Pierwiastek Tlenek glinu CPI-MIP/ ng g -1 Cu 54 Fe 97 USN-MIP/ ng ml SRW Warta CPI-MIP/ ng g Intensywność [a.u.] wielkość ziaren < 63 μm wielkość ziaren μm Mg Zn Czas [ s ] Mn K. Jankowski, A. Jackowska, Continuous powder introduction as a solid sampling technique for microwave induced plasma optical emission spectrometry, Trends in Applied Spectroscopy (2007)

15 Zastosowania CPI-MIP MIP-OES Bezpośrednia analiza materiałów środowiskowych oraz ceramicznych - oznaczanie fluoru w glebie i węglachw K. Jankowski, A. Jackowska,, M. Mrugalska,, Direct spectrometric determination of total fluorine in geological materials by continuous powder introduction into helium microwave induced plasma, J. Anal. At. Spectrom., 22 (2007) oznaczanie metali w Al 2 O 3 K. Jankowski, A. Jackowska,, P. Łukasiak,, M. Mrugalska,, A. Trzaskowska,, Direct atomic spectrometric analysis of aluminium oxide by continuous powder introduction into microwave induced plasma, J. Anal. At. Spectrom., 20 (2005) 981 Oznaczanie śladowych zawartości pierwiastków w po wstępnym zagęszczeniu na sorbencie oznaczanie metali szlachetnych w rudach K. Jankowski, A. Jackowska,, P. Łukasiak Determination of precious metals in geological samples by continuous nuous powder introduction microwave induced plasma atomic emission spectrometry after preconcentration on activated carbon, Anal. Chim. Acta.,, 540 (2005) 197 oznaczanie śladowych ilości metali cięż ężkich w wodzie rzecznej K. Jankowski, Y. Jun, K. Kasiura,, A. Jackowska,, A. Sieradzka, Multielement determination of heavy metals in water samples by CPI-MIP MIP-AES after preconcentration on activated carbon, Spectrochim. Acta Part B 60 (2005) 369 oznaczanie fluorków w w wodach mineralnych

16 Diagnostyka MIP dla techniki CPI Plazma argonowa Plazma helowa Parametr fizyczny Materiały na bazie SiO 2 węgiel Materiały na bazie SiO 2 węgiel Przepływ próbki [mg min -1 ] 1,6-6,6 7, Gęstość elektronów [cm -3 ] 1,2* ,8* ,9* ,4*10 14 Temperatura wzbudzenia Ar lub He [K] Temperatura rotacyjna cząstek OH [K] Temperatura jonizacji Mg [K]

17 Modyfikacja składu próbki i jej zastosowanie w bezpośredniej analizie materiałów proszkowych metodą CPI-Ar Ar-MIP-OES Osłabienie linii emisyjnych matrycy na skutek schłodzenia plazmy co pozwala na poprawę czułości oznaczeń linii atomowej Zn 213,8 nm. Obniżenie poziomu tła Intensywność TiO 2 +15% SiO 2 TiO 2 Zn 213,8 nm Nb 2 O 5 Długość fali [nm] Intensywność Nb 2 O 5 +20% SiO 2 Zn 213,8 nm Długość fali [nm]

18 Diagnostyka MIP dla techniki HG Parametr fizyczny Plazma argonowa Plazma helowa Gęstość elektronów 2,3*10 15 cm -3 6,9*10 14 cm -3 Temperatura wzbudzenia Ar lub He 5560 K 3090 K Temperatura rotacyjna cząstek OH 3300 K 2750 K Temperatura wzbudzenia Ge K K Temperatura wzbudzenia As 7050 K 8870 K Temperatura wzbudzenia Sb 9600 K 7980 K

19 Wpływ wodoru na warunki wzbudzenia w plazmie MIP dla techniki HG 4,9E+15 G ęstość elektronów [cm -3 ] 4,1E+15 3,3E+15 2,5E+15 1,7E+15 9,0E+14 plazma Ar plazma He Udział gazowych produktów reakcji w argonie i helu jest taki sam 1,0E+14 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Stężenie NaBH 4 [%] Plazma Ar Plazma He Texc(He) Trot Temperatura [K] Texc (Ar) T rot Temperatura [K] ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Stężenie NaBH 4 [%] ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Stężenie NaBH 4 [%]

20 Granice wykrywalności pierwiastków dla metody HG-MIP [ng ml -1 ] Pierwiastek TE 101 (ta praca) ETV-MIP Surfatron/ płuczka H 2 SO 4 He Ar He Ar He Sb (5,83 ev) ,46 0,27 As (6,8 ev) ,3 2,2 Ge (4,85 ev)

21 PODSUMOWANIE Wykazano zasadnicze różnice r w parametrach spektroskopowych w warunkach wzbudzenia pierwiastków w w plazmie argonowej oraz helowej dla różnych r technik wprowadzania próbek Zastosowano parametry fizyczne plazmy do wyjaśnienia rozkład adów w intensywności emisji pierwiastków w w plazmie MIP Parametry fizyczne plazmy wykorzystano równier wnież do oceny skuteczności ci działania ania dodatków Porównanie parametrów w fizycznych plazmy pozwoliło o na przeanalizowanie zagadnienia tolerancji plazmy MIP na obciąż ążenie próbk bką

22 Podziękowania Chciałabym serdecznie podziękować Dr. hab. inż. Krzysztofowi Jankowskiemu Prof. dr hab. Krzysztofowi Kasiurze