Les techniques les plus couramment utilisées pour la détermination de concentrations traces d’éléments dans les échantillons reposent sur la spectrométrie d’émission atomique (AES). Pour dissocier les molécules de l’échantillon en atomes libres, des sources thermiques telles que les flammes, les fours et les décharges électriques sont utilisées.
Plus récemment, d’autres types de décharges électriques, notamment les plasmas, ont été utilisés comme sources d’atomisation et d’excitation en spectrométrie d’émission atomique. Ces techniques comprennent le plasma à couplage inductif (ICP) et le plasma à courant continu (DCP).
Les sources plasma offrent plusieurs avantages par rapport aux méthodes utilisant une flamme ou une atomisation électrothermique. Elles permettent notamment une analyse multiélémentaire et présentent une large plage analytique. Les sources plasma actuelles, telles que le DCP, facilitent considérablement le traitement des échantillons liquides et gazeux. Les spectres de dizaines d’éléments peuvent être enregistrés simultanément, ce qui représente un avantage important lorsque la quantité d’échantillon disponible est très limitée. Les sources plasma permettent également la détermination de non-métaux tels que le chlore, le brome, l’iode et le soufre.
Un plasma à couplage inductif peut être généré en transférant l’énergie d’un générateur radiofréquence vers un gaz approprié, généralement de l’argon ICP. D’autres gaz plasmagènes peuvent également être utilisés, notamment l’hélium et l’azote. Il est essentiel que le gaz plasmagène soit de haute pureté, car les contaminants présents peuvent perturber ou éteindre le plasma dans la torche.
Le couplage est obtenu par la génération d’un champ magnétique résultant du passage d’un courant électrique haute fréquence dans une bobine d’induction refroidie. Cet inducteur génère un champ magnétique oscillant à haute fréquence orienté dans le plan vertical de la bobine. L’ionisation de l’argon circulant est initiée par une étincelle produite par une bobine de Tesla. Les ions générés ainsi que les électrons associés interagissent ensuite avec le champ magnétique fluctuant. Cette interaction fournit suffisamment d’énergie pour ioniser davantage d’atomes d’argon par excitation collisionnelle. Les électrons générés dans le champ magnétique sont accélérés perpendiculairement à la torche. À grande vitesse, les cations et les électrons, formant des courants de Foucault (« eddy currents »), entrent en collision avec les atomes d’argon et provoquent une ionisation supplémentaire, entraînant une augmentation significative de la température. En moins de 2 ms, un état stationnaire caractérisé par une forte densité électronique est établi. Un plasma se forme alors dans la partie supérieure de la torche. La température du plasma est comprise entre 6 000 et 10 000 K. Une longue queue de plasma bien définie émerge au sommet de la torche. Cette torche constitue la source spectroscopique. Elle contient l’ensemble des atomes et ions de l’analyte qui ont été excités par l’énergie thermique du plasma.
Le succès de la technologie ICP repose sur sa capacité à analyser un grand nombre d’échantillons dans un délai réduit tout en offrant d’excellentes limites de détection pour la plupart des éléments.
Les systèmes ICP actuellement disponibles sur le marché sont souvent couplés à différents systèmes de détection, notamment la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la spectrométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP-OES ou ICP-AES).
Un plasma à courant continu (DCP, « Direct Current Plasma ») est généré par une décharge électrique entre deux électrodes. Un gaz de soutien du plasma est nécessaire, généralement de l’argon de qualité ICP. Les échantillons peuvent être déposés sur l’une des électrodes ou, s’ils sont conducteurs, constituer eux-mêmes l’une des électrodes. Les échantillons solides isolants sont placés à proximité de la décharge afin que les atomes de gaz ionisés provoquent la pulvérisation cathodique (« sputtering ») de l’échantillon vers la phase gazeuse, où les atomes de l’analyte sont excités. Ce processus de pulvérisation cathodique est souvent désigné sous le terme d’excitation par décharge luminescente (« glow-discharge excitation »).
La spectrométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP-AES) est une technique de spectrométrie d’émission qui utilise un plasma à couplage inductif pour produire des atomes et des ions excités émettant un rayonnement électromagnétique à des longueurs d’onde caractéristiques d’un élément donné. L’intensité de cette émission est directement liée à la concentration de l’élément dans l’échantillon analysé.
Parmi les applications de l’ICP-AES figurent la détermination de faibles quantités de composés métalliques dans le vin, la mesure de l’arsenic dans les denrées alimentaires, l’analyse des éléments traces dans les sols ainsi que la détermination des éléments traces liés aux protéines. Cette technique est également connue sous le nom de spectrométrie d’émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES). Elle est largement utilisée dans l’industrie minière et le traitement des minerais pour fournir des données sur les teneurs des différents flux de minerai nécessaires à l’établissement des bilans matière.
Cette méthode analytique est également désignée sous les appellations de spectrophotométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (« Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometry ») et spectromètre d’émission atomique à plasma à couplage inductif (« Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometer »).
