[기기분석개론]유도결합플라스마 발광광도법 - Inductively Coupled Plasma 4부






유도결합 플라즈마 장치 - 3

4. ICP 발광광도 분석장치 구조

그림 1과 같이 시료주입부, 고주파전원부, 광원부, 분광부, 연산처리부 및 기록부로 구성되어 있으며, 분광부는 검출 및 측정방법에 따라 연속주사형 단원소측정장치(Sequential type, monochromator)와 다원소동시측정장치(Simultaneous type, polychromator)로 구분된다.


그림 1 ICP 발광광도 분석장치 구조


1) 시료주입부(그림2)

분무기(Nebulizer) 및 챔버로 이루어져 있으며 시료용액을 흡입하여 에어로졸 상태로 플라스마에 도입시키는 부분이다. 감도 및 정확도를 높게하기 위하여 가능한한 적은 에어로졸을 많이 안정하게 생성시킬 수 있어야 한다.


그림 2 시료주입부


2) 고주파 전원부

현재 널리 사용하고 있는 고주파전원은 수정발전식의 27.13 ㎒로 1～3 ㎾의 출력이다. 수용액 시료의 경우 보통 1～1.5 ㎾가 사용되지만 유기용매의 경우에는 2 ㎾정도에서 사용된다.


3) 광원부

광원은 유도결합플라스마 그 자체로서 그림 3과 같이 3 중으로 된 석영제 방전관( 토치, torch )의 중간을 흐르는 알곤가스를 테슬라코일에서 일부전리시킴과 동시에 방전관 상단에 감겨져 있는 유도코일에 고주파 전류를 흐르게 하면 방전관 내부에 루우프 형태의 자기장을 형성하게 되며 이 자기장의 주위에는 와전류가 흐르게 된다. 이 와전류에 의하여 전리된 알곤가스의 전자나 이온은 가속을 받게되어 알곤분자와 충돌을 반복하게 되며 계속하여 새로운 전자와 이온을 생성하므로서 안정된 도너츠 형태의 플라스마를 형성한다. 시료중의 원자는 이 도너츠형의 플라스마 중심부에 도입되어 6,000～8,000 °K의 고온에서 가열 여기되고 발광하게 된다.


그림 3 광원부


4) 분광부 및 측광부

플라스마광원으로 부터 발광하는 스펙트럼선을 선택적으로 분리하기 위해서는 분해능이 우수한 회절격자가 많이 사용된다. 회절격자는 평면상에 같은 간격으로 300～4,000 lines/㎜ 정도의 평행선이 그어져 있는 것으로서 이것은 정수배에 상당하는 각의 방향에만 회절선의 상이 나타난다. 분광기의 성능은 촛점거리, 회절격자의 크기와 간격수, 슬릿의 폭 등에 따라 좌우되며 최종적으로는 분해능으로 결정된다.


5) 연산처리부

광전증배관(photomultiplier)에 들어간 광은 전류로 변화되어 광의 강도에 비례하는 전류가 콘덴서에 저장되며, 콘덴서에 축적된 전하량은 컴퓨터 콘덴서의 전하량과 비례관계에 있기 때문에 농도를 측정할 수 있다. 또 컴퓨터는 이러한 농도계산 및 데이터처리 뿐만 아니라 파장자동설정(mononchromator의 경우) 및 슬릿의 위치설정 등의 기능도 할 수 있으며 이상적인 바탕선 보정도 가능하다.


6) ICP 발광분석 장치의 설치 조건

① 직사일광이 들어오지 않는 곳

② 부식성 가스의 노출이 없는 곳

③ 실온 15～27℃, 상대습도 70 ％ 이하를 일정하게 유지할 수 있는 곳

④ 강력한 자장, 전기장 등을 발생하는 장치가 주위에 없을 것

⑤ 진동이 없는 곳

⑥ 발광부로 부터의 고주파가 타기기에 영향을 미치지 않는 곳


5. 장치의 조작법

1) 플라스마가스의 준비

알곤가스 : 액체 알곤 또는 압축알곤가스로 순도 99.99 ％( V/V％ ) 이상의 것


2) 설정조건

① 고주파출력 : 수용액 시료의 경우 0.8～1.4 ㎾, 유기용매 시료의 경우 1.5 ～2.5 ㎾로 설정

② 가스의 유량 : 플라스마 토치 및 시료주입부의 형식에 따라 다르니 일반적으로 냉각가스는 10～18 L/min, 보조가스는 0～2 L/min, 운반가스는 0.5～2 L/min의 범위에서 설정한다. 특히 운반가스의 경우는 위 범위내에서 분석대상원소의 최대 S/B 비를 얻는 유량을 설정하고 유황, 인과 같은 진공자외부 영역에서 발광선측정은 진공분광기 또는 가스퍼지(purge) 분광기를 사용하여 플라스마와 분광기 사이의 광축을 알곤 또는 질소가스로 완전히 치환한다.

③ Sequential type 분광기의 경우에는 파장주사(Scanning) 범위 및 주사속도를 기기특성에 알맞게 설정

④ 플라스마 발광부 관측높이 : 유도코일 상단으로 부터 15～18 ㎜의 범위에 측정하는 것이 보통이나 알칼리원소의 경우는 20～25 ㎜의 범위에서 측정한다.

⑤ 분석선(파장)의 설정 : 일반적으로 가장 감도가 높은 파장을 설정한다.


3) 조작순서

① 주전원 스위치(switch)를 넣고 유도코일의 냉각수가 흐르는가를 확인한 다음 기기를 안정화 시킨다.

② 여기원(RF Power)의 전원스위치(switch)를 넣고 알곤가스를 주입하면서 테슬라코일에 방전시켜 플라스마를 점등한다.

③ 점등후 약 1 분간 플라스마를 안정화시킨다.

④ 수은램프의 발광선을 이용하여 분광기의 파장을 교정하고 분석 파장을 정확히 설정한다.

⑤ 적당한 농도로 조제된 표준액(또는 혼합표준액)을 플라스마에 도입하여 각 원소의 스펙트럼선 강도를 측정하고 설정파장의 적부를 확인한다.


6. 시료의 분석

1) 정성분석

① 시료용액을 플라스마에 도입하여 스펙트럼선 강도를 측정한다.

② 각 원소 특유의 스펙트럼선(파장과 발광강도비)을 검색하여 그 존재유무를 확인한다.


2) 정량분석

① 표준액의 조제

가) 단일표준액의 조제(1 ㎎/㎖) : 각 목적원소별 표준시약을 사용하여 조제하거나 시판되는 표준용액을 사용한다.

나) 혼합표준액의 조제 : 단일표준액을 사용하여 기기의 특성 및 측정목적에 따라 적당한 종류 및 농도로 혼합조제하여 사용한다. 필요시에는 산 및 염류를 첨가하여 조제할 수도 있다.


② 시료측정 : 시료 및 혼합표준액을 플라스마에 도입하여 각각의 스펙트럼선 강도를 측정하고 다음과 같이 정량한다.

가) 검량선법 : 농도가 다른 3 종류 이상의 혼합 표준액을 사용하여 각 원소의 농도를 데이터처리장치에 입력시키고 각 혼합 표준액을 플라스마에 도입하여 각 원소의 스펙트럼선 강도를 측정하고 각 원소의 농도와 발광강도와의 관계선을 작성한다. 이 검량선을 이용하여 시료중의 원소농도를 산출한다.

나) 내표준법 : 시료 및 농도가 다른 3 종류 이상의 혼합표준액에 내표준 원소로서 Yttrium(Y) 또는 Cobalt(Co)를 10 ㎎/L 되게 첨가하고 분석대상원소의 발광강도 / 내표준원소의 발광강도의 비를 측정하여 각 원소의 농도와의 관계선을 작성하고 시료중의 원소농도를 산출한다.

다) 표준첨가법 : 시료를 10 ㎖씩 4 개의 시험관에 넣고 3 개의 시험관에는 혼합표준용액을 시료중 분석대상원소량의 약 0.5, 1, 1.5배가 되도록 첨가하고 각각의 스펙트럼선 강도를 측정한다. 4 개의 측정점으로 부터 얻어진 직선을 외삽하여 각 분석대상원소의 농도를 산출한다.



3) 검량선의 교정

기기의 운전시간의 경시변화, 시료분석의 누적에 의한 영향 등에 따라 여기원부, 광원부, 분광부 등의 상태가 변화하여 검량선의 특성이 변화하므로 일정시간 또는 일정시료수를 측정할 때마다 표준시료(또는 표준액)를 사용하여 스펙트럼선 강도를 측정하고 검량선을 교정하지 않으면 안된다.


4) 바탕선의 보정

근접한 스펙트럼의 중복 또는 시료조성에 의한 바탕선의 차이로 인하여 각 원소에 따라 정량에 간섭을 받게 되므로 기기 특성에 맞는 바탕선 보정방법에 따라 측정값에 대한 정확한 보정을 해야 한다.








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