14.9 : Spectroscopie d'émission atomique: aperçu

La spectroscopie d'émission atomique (AES) est une technique analytique utilisée pour déterminer la composition élémentaire d'un échantillon en analysant la lumière émise par les atomes excités. Dans l'AES, les atomes d'un échantillon sont excités à des niveaux d'énergie plus élevés par l'énergie thermique provenant de sources à haute température, telles que le plasma, les arcs ou les étincelles. Lorsque ces atomes excités reviennent à des états d'énergie plus faibles, ils émettent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques caractéristiques de chaque élément. Le spectre d'émission atomique résultant, qui se compose de lignes discrètes correspondant à ces longueurs d'onde, permet d'identifier et de quantifier divers éléments dans l'échantillon.

L'instrumentation AES partage des similitudes avec les spectromètres d'absorption atomique, mais avec des adaptations spécifiques pour la détection des émissions. Les sources à haute température, en particulier le plasma à couplage inductif (ICP), sont essentielles dans l'AES car elles atteignent une énergie suffisante pour exciter les atomes à leurs états d'émission. Les autres sources de plasma comprennent le plasma induit par micro-ondes (MIP) et le plasma à courant continu (DCP). La source la plus utilisée, l'ICP, atteint des températures allant jusqu'à 10 000 K, créant un environnement stable pour une excitation et une émission cohérentes. L'ICP-AES, également connue sous le nom d'ICP-OES (spectrométrie d'émission optique), permet une analyse multiélémentaire en positionnant plusieurs détecteurs dans un réseau semi-circulaire autour de la source d'émission pour capturer des lectures simultanées sur une gamme de longueurs d'onde.

L'AES offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes d'absorption atomique traditionnelles, telles que les techniques de flamme et électrothermiques. En raison des sources à haute température qui dissocient les molécules complexes, l'AES est moins sensible aux interférences chimiques, ce qui permet des lectures spectrales plus nettes. La technique permet une analyse multiélémentaire simultanée, améliorant considérablement l'efficacité analytique. De plus, l'AES couvre une plage de concentrations plus large, ce qui la rend adaptée à divers types d'échantillons.

Malgré ces avantages, l'AES présente des limites. Les spectres complexes produits par les sources à haute température augmentent la probabilité d'interférences spectrales, ce qui complique l'analyse quantitative. Pour relever ces défis, les instruments AES nécessitent des systèmes optiques à haute résolution, souvent plus coûteux que ceux utilisés dans la spectrométrie d'absorption atomique. De plus, bien que l'AES soit puissante pour l'analyse multi-éléments, les techniques d'absorption atomique restent précieuses pour l'analyse d'éléments uniques en raison de leur simplicité, de leur rentabilité et de leur précision.

L'AES est largement utilisée dans la surveillance environnementale, la science des matériaux et les laboratoires cliniques pour analyser les métaux, les oligo-éléments et d'autres substances inorganiques. Sa capacité à effectuer une analyse multi-éléments rapide rend l'AES particulièrement utile pour tester les échantillons de sol, d'eau et biologiques. La haute sensibilité et la large gamme élémentaire des instruments AES permettent des mesures précises à la fois à des concentrations traces et significatives, ce qui en fait un outil polyvalent pour l'analyse élémentaire dans divers domaines scientifiques.

En AES, l'analyse quantitative repose sur la mesure de l'intensité de la lumière émise, qui est proportionnelle à la population d'atomes excités. Selon la distribution de Boltzmann, cette population d'états excités dépend de la température de la source d'excitation, les températures plus élevées produisant des émissions plus importantes. Les courbes d'étalonnage, souvent linéaires sur plusieurs ordres de grandeur, sont créées en analysant des normes connues pour corréler les intensités d'émission aux concentrations élémentaires. Les techniques de normalisation sont essentielles pour contrôler les variations d’efficacité d’excitation et d’autres facteurs instrumentaux, permettant une quantification précise des éléments dans divers échantillons.