Analytické aspekty využití plazmové tužky

Mgr. Magda Dvořáková, Ph.D.

Doctoral thesis

Analytical aspects of plasma pencil utilization

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá analytickými charakteristikami plazmové tužky při analýze vodných roztoků vzorků. Plazmová tužka je zde kapacitně vázaný výboj (13, 56 MHz) v argonu, proudícím za atmosférického tlaku tenkou křemennou trubicí. Původně byla navržena pro povrchové úpravy, později byla testována v analytické spektrochemii jako alternativní excitační zdroj. Excitovat lze vcelku dobře prvky 1. a 2. skupiny a některé přechodné kovy. Pozorovatelné jsou rezonanční a další silné atomové čáry, u 2. skupiny i některé iontové čáry. Stěžejní část práce se věnuje možným nespektrálním interferentům, jako jsou snadno ionizovatelné prvky (EIE), dusičnany, sírany, chloridy, a jejich vlivu na intenzitu signálu analytů. Byly jimi zejména měď a zinek, které zastupují přechodné kovy a poměrně dobře se excitují. Prvky 1. a 2. skupiny jsou zde zároveň analyty i interferenty. Nižší excitační teploty kolem 4000 K a neizotermní plazma jsou zjevně hlavní původci matričních jevů. Vliv EIE se projevuje například snížením signálu mědi a zinku v přítomnosti sodíku nebo draslíku. Pokles signálu mědi byl pozorován také v přítomnosti dusičnanu sodného, který však neměl tak velký depresivní efekt jako chlorid sodný. Naopak přítomnost dusičnanu sodného v matrici vzorku zinku měla mírný podpůrný efekt. Nejsilnější depresivní efekt na intenzitu signálu mědi, zinku, sodíku a vápníku byl pozorován již při několika mg na litr síranu sodného. Naopak přítomnost kyseliny dusičné vede ke snížení depresivního účinku chloridu sodného a ke stabilizaci signálu analytu v přítomnosti síranu sodného. Teploty v plazmatu a hustota elektronů se však vlivem interferentů významně nemění. Ke stanovení koncentrace sodíku, hořčíku, draslíku a vápníku plazmovou tužkou ve vzorcích vody byly použity metody přídavku standardu a kalibrační křivky. Jako srovnávací metoda byla vybrána ICP-OES v certifikované laboratoři. Metoda přídavku standardu nemusí k eliminaci matričních vlivů dostačovat, naopak velký přídavek matričního interferentu může matriční jevy kompenzovat za cenu snížení citlivosti.

Abstract:

Presented dissertation thesis deals with analytical characteristics of plasma pencils in the analysis of liquid water samples. The plasma pencil is a capacitively coupled discharge (13, 56 MHz) in argon, flowing in a thin quartz tube at atmospheric pressure. Originally designed for surface treatments, it was previously tested in analytical spectrochemistry as an alternative excitation source. It is possible to excite elements of the 1st and 2nd groups quite well and some transition metals. Resonant and other strong atomic lines are observable and some ionic lines in the second group as well. The main part of the work is dedicated to possible non-spectral interferences, such as easily ionizable elements (EIE), nitrates, oxides, chlorides and their influence on intensity of analyte signals. Those were mainly copper and zinc, which represent transition metals and which can be relatively easily excited. Elements of the 1st and 2nd groups are both analytes and interferents. Lower excitation temperature around 4000 K and non-isothermal plasma are obviously the main causes of matrix effects. The influence of EIE is manifested by the possible decrease of the copper and zinc signals in the presence of sodium or potassium. A decrease in the copper signal was also observed in the presence of sodium nitrate, which, however, did not have such significant depressive effect as sodium chloride. In contrast, the presence of sodium nitrate in the matrix of zinc sample had a slightly supportive effect. The most depressive effect on the signal intensity of copper, zinc, sodium and calcium was already observed at an addition of few milligrams of sodium sulfate. The presence of nitric acid reduces the depressive effect of sodium chloride and stabilizes the analyte signal in the presence of sodium sulfate. Plasma temperatures and electron densities do not change significantly due to interferents. A standard addition method and a calibration method were used to determine the concentration of sodium, magnesium, potassium and calcium by plasma pencil in water samples. ICP-OES in a certified laboratory was chosen as a reference method. The standard addition method may not be sufficient to eliminate matrix effects; on the contrary, a large addition of matrix interferent may compensate for matrix effects at the cost of reduced sensitivity.

Keywords

plazma, plazmová tužka, matriční efekty, nespektrální interference, snadno ionizovatelné prvky, kapacitně vázané plazma, metoda přídavku standardu, analýza vod, vliv aniontů, diagnostika plazmatu, plasma, plasma pencil, matrix effects, non-spectral interference, easily ionizable elements, capacitively coupled plasma, standard addition method, water analysis, influence of anions, plasma diagnostics

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2021
• Supervisor: Mgr. Aleš Hrdlička, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Pavel Veis, CSc., RNDr. Zdeněk Weiss, CSc., RNDr. Jan Kratzer, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry