ICP-OES 시료 전처리

유도 결합 플라즈마 발광 분석법(ICP-OES)을 통해 수성 및 유기 액체와 고체 시료를 포함하여 다양한 시료 유형을 분석할 수 있습니다. 이러한 시료는 원소 분석을 위해 ICP 및 기기에서 전체적으로 처리할 수 있는 상태로 주입되어야 합니다. 가장 일반적인 시료 형태는 액체입니다. 일정한 유속을 보장하기 위해 연동 펌프를 사용하여 액체 시료를 도입합니다. 일반적으로 고속 기체 흐름(일반적으로 아르곤)이 작은 액체 방울을 에어로졸로 산란시키기 위해 사용됩니다. 이어서 에어로졸이 스프레이 챔버로 유입되어 더 큰 액체 방울이 제거됩니다. 따라서, 미세한 에어로졸만 플라즈마로 유입될 수 있습니다. 고체 시료는 일반적으로 레이저 또는 스파크 애블레이션(spark ablation) 시스템을 사용하여 작은 입자로 절제된 후 직접 플라즈마로 전송됩니다.
ICP-OES 분석 시료는 환경, 금속 가공, 지질학, 석유화학, 제약, 재료, 식품 안전 및 기타 분야를 비롯한 다양한 애플리케이션을 커버합니다.

시료 속 용존 고형물(예: 폐수 또는 해수, 금속 가공 분해물)의 양이 특정 수준(>3%) 이상으로 증가할 경우 시료를 희석하거나 고형물 내성이 높은 특정 시료 도입용 구성 요소를 분석에 사용해야 합니다. 일반적인 높은 고형물 시료 도입 시스템은 염의 결정화로 인한 막힘을 방지하기 위해 평행 경로 분무기와 넓은 보어(bore) 토치 센터 튜브로 구성되어 있습니다. 또한 배플형(baffled) 스프레이 챔버가 플라즈마 상의 매트릭스 부하(플라즈마로 운반되는 시료의 양)를 감소시키기 위해 사용됩니다. 더 높은 비율의 용존 고형물(>15%)이 포함된 시료를 분석할 때는 센터 튜브가 완전히 막히는 것을 방지하기 위해 시스(sheath) 가스를 사용해야 합니다. 또한 석영은 유리화가 발생하는 경향이 있어 ICP 토치의 마모가 빨라지기 때문에 석영 토치가 아닌 세라믹을 사용하는 것이 좋습니다.

이러한 문제가 발생하는 원인은 여러 가지가 있습니다. 이들 분석물의 주요 방출 라인은 종종 스펙트럼의 복잡한 영역에 놓이며 원소의 높은 여기 에너지로 인해 감도가 좋지 않습니다. 또한 이러한 원소에 대한 몇 가지 주요 파장은 스펙트럼의 UV 끝 부분에 있기 때문에 흡수로 인한 전송 손실이 더 큽니다.

수소화물 생성 시료 도입 시스템을 사용하여 독성 원소를 포함한 시료의 분석을 향상시킬 수 있습니다. 이는 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)과 같은 환원제와 반응할 때 휘발성 가스 수소화물을 형성할 수 있는 이러한 원소들의 화학적 특성 때문입니다. 이러한 기체 수소화물은 액체 시료에서 분리되어 플라즈마 내로 도입될 수 있습니다. 용매를 제거하면 분석물이 농축되고 플라즈마 부하가 감소하며 간섭 화학종이 제거되어 배경 신호가 감소하고 감도가 증가합니다.

고체 시료는 플라즈마에 직접 도입될 수 없으므로 부가적 기술(예: 전열 기화, 레이저 애블레이션 등)을 사용하여 플라즈마로 전달하거나 용액으로 변환해야 합니다. 고체 용해에 사용되는 주요 기법은 산 분해 및 융합(fusion)입니다.

시료 전처리에 융합을 사용하면 시료가 완전히 용해되지만 고형분 함량이 높아 플럭스 작용제로 인한 오염 위험이 높아집니다. 결과적으로 시료 희석이 필요하며 이는 검출 한계를 감소시킵니다. 

산 분해는 주로 고온의 산 또는 고온 산의 혼합물에 용해시키는 작업이 필요합니다. 산의 가열은 핫플레이트에서 수행하거나, 가압 용기를 사용하는 마이크로파 분해 시스템을 통해 보다 높은 온도를 생성할 수 있습니다. 

토양(또는 식물 물질 등의 기타 시료 유형)에 고농도의 이산화규소가 포함된 경우 불화수소산(HF)이 분해 프로토콜에 추가됩니다. HF는 고부식성 및 독성이 있을 뿐만 아니라 시료 전처리 및 ICP-OES로의 도입 과정에 사용되는 유리 제품을 용해합니다. 이러한 경우 HF에 비활성인 특수 시료 도입 시스템을 사용해야 합니다.

다량의 유기 물질(예: 식품)이 포함된 시료의 경우, 과산화수소는 시료 코어 온도를 높여 분해 프로세스를 가속화하므로 분해 중에 첨가됩니다. 플라스틱 물질을 분해하기 위해 황산과 같은 강력한 산화제가 적용되지만 그 결과 생성되는 많은 황산염은 불용성입니다.

대부분의 경우 유기 시료 분석은 간단한 과정이 아닙니다. 이러한 시료의 물리적 특성으로 인해 플라즈마의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 플라즈마의 전체적인 성능에 영향을 미치는 파라미터에는 유기 시료의 휘발성과 점도가 포함됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배플형 스프레이 챔버와 효율이 낮은 분무기(예: V-홈 분무기)를 사용하는 특수 시료 도입 시스템이 사용됩니다. 플라즈마의 부하를 줄이기 위해 작은 보어(bore)의 토치 센터 튜브가 사용됩니다. 일반적인 유기 ICP-OES 애플리케이션에는 마모 금속 및 첨가제에 대한 오일 및 그리스 분석, 정제소의 석유 화학 물질 조성, 페인트 및 잉크의 순도 측정 등이 포함됩니다.

유기 용매를 포함한 플라즈마는 탄소 및 탄소 종(C, C₂, CN)의 방출로 인해 녹색으로 나타납니다. 또한 플라즈마의 가장자리는 수성 플라즈마의 가장자리와 비교하여 더 명확하게 정의됩니다. 이 녹색 빛은 다른 분석물에서 방출되는 신호, 특히 가시 영역(400–800 nm)에서 빛을 방출하는 알카리 원소의 신호를 방해할 수 있습니다.

탄소 방출을 줄이기 위해 압축 공기를 플라즈마의 아르곤 가스에 추가하여 탄소 종을 일산화탄소 및 이산화탄소 등의 산화물로 변환할 수 있습니다. 불행히도 플라즈마 가스에 압축 공기를 추가하는 것은 강력한 탄소 산화물 스펙트럼이 나타나며 240 nm 이하 파장의 미량 분석을 방해하게 됨을 의미합니다. 따라서 이는 유기 매트릭스의 간섭을 방지하기 위한 범용 솔루션이 아닙니다.

휘발성 시료는 분무될 때 매우 밀도가 높은 에어로졸을 생성하는 경향이 있습니다. 이 밀도가 높은 에어로졸은 플라즈마의 안정성에 위협적인 요인이며 심지어 플라즈마를 소멸시킬 수도 있습니다. 플라즈마에 매우 휘발성이 강한 시료(예: 가솔린)을 도입하려면 별도의 대책을 마련해야 합니다. 한 가지 옵션은 휘발성이 낮은 용매로 시료를 희석하는 것입니다. 그러나 이 방법을 사용하면 분석법의 검출 능력도 감소됩니다. 또 다른 방법은 냉각된 스프레이 챔버의 도움으로 시료를 냉각시켜 휘발성을 줄이는 것입니다. 이를 통해 더 적은 양의 시료가 플라즈마로 전송됩니다. 또한 저유량 분무기를 사용하면 플라즈마에 도달하는 에어로졸의 부하를 줄여 플라즈마 안정성을 높일 수 있습니다.

점성이 높은 시료(예: 식물성 오일, 윤활유)는 분석하기 전에 희석해야 합니다. 또는 점성을 줄이기 위해 시료 도입 전 및 도입 중에 가열할 수도 있습니다. 시료 도입 성분의 가열은 휘발성 시료의 냉각에 사용되는 것과 동일한 장치에서 수행될 수 있습니다. 점성 유기 시료의 희석은 일반적으로 1:10의 희석 계수를 가진 유기 용매(자일렌, 등유, 화이트 스피릿 등)를 사용하여 수행됩니다. 용매가 시료의 휘발성을 높이므로 위에 언급된 특정 시료 도입 성분을 사용해야 합니다.