Torche à plasma (chimie) - Définition

Préparation des échantillons

Dissolution acide (aussi appelée minéralisation par voie humide)

La voie la plus fréquemment employée a été celle de la dissolution, en général dans un acide, afin d'analyser la solution. Celle-ci est injectée dans le plasma sous la forme d'un fin aérosol, généré par un dispositif pneumatique (nébuliseur), ultrasonique ou physico-chimique (électrospray).

Les particules les plus fines sont ensuite sélectionnées par des méthodes de ségrégation physiques (centrifugation, impact sur un obstacle, sédimentation) dans une chambre de nébulisation. Récemment, certains nébuliseurs dits « à injection directe » ont été développés, permettant la formation de l'aérosol directement au sein du plasma, avec l'avantage d'économiser la partie de l'échantillon autrement perdue dans la chambre de nébulisation et augmentant ainsi le rendement de l'aérosol généré allant au plasma.

Ablation laser

Depuis quelques années, l'ablation laser permet l'échantillonnage direct de solides, avec une bonne résolution spatiale.

Principe

• On focalise en surface de l'échantillon un faisceau laser pulsé de longueur d'onde ultra-violette à infrarouge. Au point d'impact (quelques dizaine de µm à quelques µm de diamètre), la lumière cohérente désagrège la matière et la sublime en un aérosol très fin de nanoparticules.
• La physique de l'interaction lumière-matière à ce stade est encore mal comprise. Selon les études empiriques disponibles, la composition de l'aérosol est d'autant plus éloignée de celle de l'échantillon que la longueur d'onde utilisée est haute, et que la durée de l'impulsion est plus longue. Dans le premier cas, il se forme une zone de fusion qui fractionne les éléments selon leur volatilité, et dans le second cas, il se forme un plasma de couplage qui absorbe l'énergie incidente, résultant en une baisse d'efficacité de l'ablation (voir Ablation laser indirecte).
• Les lasers de plus faibles longueurs d'onde sont des lasers à source excimère à 193 ou 157 nm (pas de phénomène de fusion). Certains génèrent des impulsions de l'ordre de la femtoseconde (10^-15s), empêchant l'allumage du plasma de couplage par manque de temps. Les énergies délivrées par les lasers sont de l'ordre du millijoule, mais la concentration du faisceau sur un point microscopique permet d'atteindre les densités d'énergie nécessaires à l'ablation (plusieurs mégajoules par cm³).

L'aérosol formé est entraîné du point d'ablation au plasma d'analyse par un flux constant de gaz plasmagène.

• L'énergie de l'impulsion est intégrée dans l'échantillon en quelques nano- pico- ou femtosecondes. Elle est brutalement transformée en chaleur. Il en résulte une « micrexplosion » sous la surface avec éjection de vapeurs, petites goutelettes et fragments solides.

Si toute la matière de l'échantillon était éjectée sous forme de vapeur, l'analyseur ICP donnerait des résultats exacts, mais les grandes gouttelettes et les fragments solides (souvent des éléments réfractaires) sont perdus en cours de transport, ou ne sont pas entièrement évaporés et ionisés dans l'ICP. Il en résulte des analyses incomplètes, en raison d'un fractionnement insuffisant.
L'ablation laser « indirecte » (ou LINA-Spark Atomizer^TM) résout ce problème de fractionnement : l'impulsion laser infrarouge (1 064 nm) est utilisée pour créer un plasma d'argon à la surface de l'échantillon. Presque toute l'énergie de l'impulsion (typiquement 250 mJ) est absorbée dans ce plasma pendant la durée de l'impulsion (typiquement 8 ns). Pendant sa durée de vie (quelques microsecondes), le plasma évapore du matériau de la surface de l'échantillon. Ces vapeurs se recondensent immédiatement et forment des « clusters » de très petite dimension (5–10 nm). Ces clusters sont amenés par le gaz porteur dans l'ICP, où ils sont facilement évaporés et ionisés. Après une dizaine d'impulsions, la surface de l'échantillon est bien nettoyée et préparée pour une analyse ICP exacte puisque la composition de cet aérosol correspond exactement à la composition de l'échantillon.

• L'ablation indirecte se fait par le plasma, et non par le faisceau du laser. L'échantillonnage ayant une dimension d'environ 0,8 mm de diamètre, on perd la bonne résolution spatiale X-Y.

Pour améliorer l'exactitude de l'analyse, l'instrument permet de balayer l'échantillon sur une surface de 4 mm de diamètre.