La torche est composée de trois tubes concentriques. Son but est de permettre la création de plasma en donnant au gaz la vitesse requise, mais aussi de contenir le plasma et d'éviter son expansion.
La torche est composée de trois tubes concentriques. Son rôle est de permettre la création du plasma en donnant au gaz la vitesse requise, mais aussi de le contenir et d'éviter son expansion. Ces trois tubes sont appelés tube externe, tube interne et injecteur. Le gaz circulant entre les tubes externe et interne est appelé gaz plasmagène, et celui circulant entre le tube interne et l'injecteur est appelé gaz auxiliaire.
L'échantillon est introduit dans le plasma par l'injecteur. Le gaz plasmagène est utilisé pour créer le plasma et son débit dépend de la nature de l'échantillon (teneur en solides dissous, volatilité de l'échantillon). Les valeurs typiques sont comprises entre 12 et 18 l/min. Le gaz auxiliaire est utilisé uniquement pour les concentrations élevées en solides dissous et en solvants volatils. Il contribue à prolonger la durée de vie du tube interne et à éviter la diffusion des solvants volatils avant qu'ils n'atteignent le centre du plasma.
Les débits typiques sont compris entre 0 et 0,8 L/min. Les tubes de torche sont généralement en verre, mais des tubes en céramique peuvent être utilisés pour augmenter la durée de vie avec des composés organiques ou pour l'analyse de faibles concentrations de Ca et B avec des matrices HF.
L'injecteur est le tube central de la torche. L'échantillon passe par l'injecteur pour être introduit dans le plasma. L'injecteur peut être en verre ou en céramique pour être compatible acide HF. HORIBA utilise un injecteur de 3 mm de diamètre en céramique. Il s'agit du plus grand diamètre utilisé sur le marché. La vitesse d'introduction de l'échantillon dans l'injecteur est contrôlée par la somme des débits de gaz du nébuliseur et du gaz de gainage, ainsi que par le diamètre de l'injecteur.
Le débit de nébulisation typique pour les échantillons aqueux est de 0,8 L/min. Pour les solvants organiques volatils, il peut être réduit à 0,5 ou 0,3 L/min selon la volatilité de l'échantillon. Le temps de séjour de l'échantillon dans le plasma, et donc l'efficacité du transfert d'énergie, sont directement liés à cette vitesse.
Le diamètre intérieur de l'injecteur a un effet important sur le temps de séjour de l'échantillon dans le plasma. Ce temps augmente avec le diamètre de l'injecteur, et lorsque ce temps augmente, les limites de détection s'améliorent et la robustesse de l'ICP-OES est accrue. Des articles scientifiques ont également récemment démontré que l'utilisation d'un injecteur de 3 mm de diamètre intérieur réduit considérablement les effets de matrice et qu'une puissance RF réduite suffit à garantir la robustesse par rapport aux instruments dotés d'un injecteur de plus petit diamètre.
Pour générer le champ électrique, on utilise un générateur RF et une bobine d'induction. Les fréquences autorisées pour les générateurs sont de 27,12 MHz et 40,68 MHz. Les générateurs peuvent utiliser la technologie des tubes de puissance ou celle des transistors. Un générateur RF à tube de puissance nécessite une maintenance accrue, car le tube doit être remplacé régulièrement. Un générateur RF à transistors est plus fiable et nécessite moins de maintenance.
La génération du champ électrique entraînant une augmentation de la température de la bobine et du générateur, un refroidissement est nécessaire. Ce refroidissement peut être assuré par air ou par eau. Les systèmes de refroidissement par eau sont plus fiables, car la température et le débit de refroidissement sont parfaitement gérés.
Le diamètre intérieur de l'injecteur a un effet important sur le temps de séjour de l'échantillon dans le plasma. Ce temps augmente avec le diamètre de l'injecteur, et lorsque ce temps augmente, les limites de détection s'améliorent et la robustesse de l'ICP-OES est accrue. Des articles scientifiques ont également récemment démontré que l'utilisation d'un injecteur de 3 mm de diamètre intérieur réduit considérablement les effets de matrice et qu'une puissance RF réduite suffit à garantir la robustesse par rapport aux instruments dotés d'un injecteur de plus petit diamètre.
Schéma du plasma et identification de ses différentes zones.
L'énergie du plasma provient de la bobine d'induction. Son énergie maximale se situe à l'extérieur du plasma et se propage à l'intérieur. Cette zone de faible viscosité, située au centre du plasma, est appelée « canal central ». Une faible viscosité facilite l'introduction et le confinement de l'échantillon.
Plusieurs zones sont identifiées dans le canal central : la zone de préchauffage où se produit la désolvatation de l'échantillon (cette zone est entourée par la zone d'induction), la zone de rayonnement initial où les atomes et les ions sont excités, la zone analytique normale où les photons sont émis, et la zone de recombinaison où les basses températures sont observées et la recombinaison entre les atomes est observée.
Les fréquences du générateur RF disponibles pour l'ICP-OES sont de 27,12 et 40,68 MHz. L'utilisation de 40,68 MHz est privilégiée car elle crée un canal central plus large dans le plasma, facilitant ainsi l'introduction de l'échantillon. Ainsi, l'utilisation d'un diamètre intérieur plus large pour l'injecteur est possible, ce qui améliore les performances.
Observation radiale des photons dans le plasma : visualisation radiale avec torche verticale.
Il existe deux façons d'observer les photons émis dans le plasma. La première consiste à observer le plasma radialement. Dans ce cas, la torche est généralement verticale et l'optique est orientée latéralement vers le plasma. Une observation axiale est également possible. Cette méthode a été conçue pour améliorer la sensibilité des instruments ICP-OES.
Le plasma est observé axialement et la torche est généralement horizontale. Ces modes d'observation nécessitent une interface spécifique entre la torche et l'optique afin d'éviter tout dommage dû à la température élevée du plasma.
La visualisation axiale a été conçue pour améliorer la sensibilité des instruments ICP-OES. Le plasma est observé axialement et la torche est généralement horizontale.
Le mode de visualisation axiale présentant de nombreuses limitations pour les matrices difficiles (voir Chapitre Performances), certains systèmes utilisant à la fois le mode de visualisation axiale et radiale ont été développés ; pour de tels systèmes utilisant une torche horizontale, cela n'a pas résolu tous les problèmes.
D'autres moyens d'améliorer la sensibilité tout en conservant la facilité d'utilisation de la visualisation radiale ont été explorés et HORIBA a introduit la visualisation totale du plasma, qui permet de mesurer toute la zone analytique normale où tous les atomes et les ions émettent leurs photons. Le développement de ce mode de visualisation unique n'a été possible que grâce à la haute qualité de l'optique et à la taille des composants optiques utilisés.
HORIBA a introduit la vue totale du plasma, qui permet de mesurer l'ensemble de la zone analytique normale où tous les atomes et les ions émettent leurs photons.
