Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
J. Knecht

Inductively coupled plasma

Inductively coupled plasma
Synonym(e)
Englischer Begriff
inductively coupled plasma
Definition
Englischsprachige Abkürzung für ein in der Emissionsspektrometrie und der Plasma-Massenspektrometrie verwendetes Verfahren, bei dem ein im Hochfrequenzfeld ionisiertes Gas (meist Argon) als Atomisierungs- und Anregungsmedium für die Probe dient (s. Abbildung).
Aufbau eines ICP-Plasmabrenners:
Physikalisch-chemisches Prinzip
Das Plasma ist ein Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen eines Gases, das sich durch ständige Wechselwirkung untereinander und mit Photonen in verschiedenen Energie- bzw. Anregungszuständen befindet. Der Plasmazustand wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet.
Die Methode des induktiv gekoppelten Plasmas beruht auf der Verwendung eines sehr heißen (ca. 6000–10.000 K) Argonplasmas zur Aufspaltung der chemischen Verbindungen und der Anregung der optischen Emission der zu bestimmenden Elemente.
Die Energieübertragung erfolgt dabei nach der Zündung durch einen Teslafunken durch das in den Kupferspulen anliegende Radiofrequenzfeld. Freie Elektronen werden nun durch das anliegende Feld beschleunigt und heizen durch Kollision mit den Atomrümpfen das Plasma auf. Bedingt durch die hohe Teilchendichte im Plasma erhitzen sich Plasma und Probenaerosol auf 6000–10.000 K.
Am wichtigsten ist vor allem der Bereich mit einer Anregungstemperatur von ca. 6000 K.
Einsatzgebiet
Das induktiv gekoppelte Plasma ist heute wohl eine der wichtigsten Anregungsquellen in der Atomspektrometrie. Man verwendet es für die Anregung von Aerosolen, um die Atome bei der ICP-AES zur Emission zu bringen oder um die Lösungen zu atomisieren bei der ICP-MS (Plasma-Massenspektrometrie).
Untersuchungsmaterial
Mit dem induktiv gekoppelten Plasma kann man Flüssigkeiten und auch Feststoffe in Atome spalten und diese zur Emission anregen. Meist werden Flüssigkeiten untersucht, da man beim Einbringen von kleinen Feststoffpartikeln oft Probleme mit der Reproduzierbarkeit der Analysenergebnisse hat.
Instrumentierung
Ein Hochfrequenzgenerator induziert ein Hochfrequenzfeld (meist 27 oder 40 MHz) in der aus Kupfer bestehenden Induktionsspule. Da diese außen an den konzentrischen Quarzrohren des Plasmabrenners liegen, kann das Plasma nicht durch Elektroden kontaminiert werden.
Als Plasmagas verwendet man normalerweise Argon, manchmal aber auch aus Kostengründen Stickstoff.
Das Argon sendet als einatomiges Gas ein einfaches Emissionsspektrum aus und kann aufgrund der hohen Ionisierungsenergie von 15,76 eV fast alle Elemente ionisieren. Als Edelgas bildet es keine stabilen Verbindungen zwischen Argon und dem Analyten. Allerdings bilden sich im Plasma einige instabile Verbindungen mit Wasserstoff wie ArH und ArH+.
Das eigentliche Plasma wird in der sog. Plasmafackel erzeugt. In das Plasma wird von innen eine Lösung gesprüht. Der Plasmabrenner besteht aus 3 konzentrischen Quarzrohren, wovon das äußere dazu dient, das Plasma aufrecht zu erhalten. Das mittlere dient zum Beschleunigen des Plasmagases und das innere Rohr dient als Injektorrohr für die Probenlösung.
Das emittierte Spektrum kann entweder in Richtung der Achse (axiale Beobachtung) oder rechtwinklig zur Achse (radiale Beobachtung) abgenommen werden. Bei der radialen Beobachtung ist die Nachweisgrenze etwa um den Faktor 5–10 niedriger als bei der axialen. Gute Spektrometer erlauben die Beobachtung in beiden Richtungen.
Die Probenlösung wird durch eine peristaltische Pumpe in die Mitte des Brenners gebracht. Es ist auch möglich, Aufschlämmungen von Feststoffen in Form von Suspensionen in den Plasmabrenner zu bringen. Wenn man Feststoffe direkt analysieren will, kann man die Probe entweder durch Funken (bei elektrisch leitenden Proben) oder durch Verdampfen mit einem Laser in das Plasma bringen.
Spezifität
Beim induktiv gekoppelten Plasma handelt es sich um eine Anregungsmethode. Die Spezifität kommt erst durch die mit dem ICP gekoppelten Bestimmungsmethoden wie beispielsweise der optischen Emissionsspektrometrie (OES) oder der Massenspektrometrie (MS) zustande.
Sensitivität
Die Sensitivität des induktiv gekoppelten Plasmas bezüglich der Atomisierung ist sehr hoch. Die Atomisierungsrate ist beispielsweise bei der Flammenanregung in der Atomemissionsspektrometrie wesentlich kleiner.
Fehlermöglichkeit
Durch die hohe Plasmatemperatur ist die Atomisierungsrate nicht so stark von der chemischen Bindungsart der Atome abhängig wie bei der niedrigeren Temperatur einer heißen Flamme. Deshalb ist auch die Matrixempfindlichkeit des ICP geringer.
Praktikabilität – Automatisierung – Kosten
Wenn Lösungen der zu untersuchenden Substanzen vorliegen, kann man mit einem PC gesteuerten Spektrometer und einem Roboter die Analysen vollmechanisiert durchführen.
Die Kosten sind bei einem induktiv gekoppelten Plasma durch den großen Argonverbrauch recht hoch. Wenn man das Plasma häufig betreibt, kann man die Verbrauchskosten durch den Anschluss an eine Flüssiggasanlage verringern. Im Vergleich zur Flammenemission sind die Kosten (auch ohne Gerätekosten) für ICP-Analysen hoch.
Bewertung – Methodenhierarchie (allg.)
Beim ICP handelt es sich um eine universelle Atomisierungs- und Anregungsmethode für fast alle Flüssigkeiten und, wenn die Partikelgröße gering ist, auch für Feststoffe. Letztere müssen, bevor sie ins Plasma eingebracht werden, erst mithilfe von mechanischer Zerkleinerung in sehr kleine Teilchen übergeführt (bei sog. Slurries = Suspensionen) oder durch einen Laser verdampft werden.
Literatur
Broekaert JAC (2005) Analytical atomic spectrometry with flames and plasmas, 2. Aufl. Wiley-VCH Weinheim
Montaser A, Golightly DW (Hrsg) (1987) Inductively coupled plasmas in analytical atomic spectrometry. VCH Weinheim