Comprendre le spectromètre d’émission optique OES/AES – Applications, techniques et fonctionnement d’un OES ?

Qu’est-ce qu’un spectromètre ?

Il est crucial de comprendre le terme « spectromètre » dès le début. Un spectromètre est un instrument qui sépare et analyse les différents composants spectraux d’un phénomène physique pour fournir des résultats analytiques significatifs. Le spectre – bien que le plus naturellement associé à la lumière par la plupart – pourrait également être masse, magnétique, électronique, etc., conduisant à une grande variété de types de spectrométrie, tels que laspectrométrie optique, la spectrométrie photoélectronique, la spectrométrie de masse, etc.

Qu’est-ce qu’un spectromètre d’émission optique (OES) ? ou Qu’est-ce qu’un spectromètre d’émission atomique (AES)

La spectrométrie optique se réfère à l’analyse d’un spectre lumineux séparé par des longueurs d’onde. Il peut être de deux types – absorption ou émission. Un spectromètre optique atomique/d’émission (AES / OES) est celui qui analyse un spectre optique (lumineux) émis par un échantillon illuminé. L’excitation pourrait être par un certain nombre de moyens, tels que l’application d’une étincelle, du plasma, d’une flamme, etc. Cela dit, le terme « OES » est maintenant presque omniprésent dans l’utilisation par les gens de latechnique OES arc-étincelle.

Sur quels principes fonctionne le spectromètre d’émission optique à arc/étincelle ?

Arc / Spark OES fonctionne sur deux principes très fondamentaux de la physique :

• Les électrons dans les atomes absorbent l’énergie (se « excitent ») et passent à des états d’énergie plus élevés (également appelés orbites) lorsque de l’énergie est appliquée. Lorsque cette source d’énergie est retirée, les électrons tombent dans l’état fondamental et libèrent l’énergie absorbée sous forme de photons.
• Aucun atome de deux éléments différents ne peut émettre des photons à la même longueur d’onde. Par conséquent, chaque longueur d’onde est unique à un seul élément.

Cela signifie qu’une fois que nous connaissons la longueur d’onde du photon émis, nous savons quel élément l’émet !

Comment fonctionne un OES arc/étincelle ?

Dans un OES d’arc/étincelle, les principes décrits ci-dessus sont exploités pour analyser des échantillons métalliques (en général – mais plus tard) afin d’évaluer exactement quels éléments y sont présents – et dans quelle proportion. La sortie de l’OES est une évaluation détaillée de la composition élémentaire de l’échantillon en pourcentages de poids.

Tout d’abord, il y a un besoin de « déclencher » l’échantillon. L’échantillon est donc d’abord préparé, c’est-à-dire qu’une face de l’échantillon est rendue absolument uniforme, propre, plate et aussi exempte de défauts de surface que possible. Des méthodes appropriées de préparation des échantillons doivent être utilisées à cette fin. L’échantillon préparé est ensuite placé sur le porte-échantillon comme indiqué ci-dessous. Le support d’échantillon a un trou à l’intérieur que l’échantillon doit couvrir. En dessous, il y a une électrode à une distance fixe de la surface exposée de l’échantillon. Toute cette enceinte d’étincelle est remplie d’argon lorsque l’analyse doit être effectuée. Ensuite, un courant élevé est appliqué à l’échantillon.

Les niveaux extrêmement élevés de courant continu créent un plasma dans l’atmosphère purgée d’argon de la chambre à étincelles, et une série rapide d’étincelles de haute énergie est donc créée entre l’électrode et l’échantillon. L’application de ces étincelles provoque la vaporisation d’une partie de l’échantillon. Les atomes vaporisés dans le plasma absorbent l’énergie et leurs électrons passent à des états d’énergie plus élevés avec chaque étincelle. À chaque retrait, les électrons reviennent à l’état fondamental et émettent des photons. Étant donné le grand nombre d’éléments émettant simultanément des photons, une émission composite est générée. Cette lumière composite est faite pour tomber sur un réseau de diffraction.

Le réseau de diffraction sépare chaque longueur d’onde individuelle et crée un spectre à l’intérieur de ce qu’on appelle la « chambre optique ».

Le spectre peut maintenant être clairement analysé ! La base de l’analyse est bien sûr, la simplicité elle-même. Nous connaissons les longueurs d’onde qui caractérisent chaque élément.De plus, plus l’intensité de l’émission à la longueur d’onde d’un élément est forte, plus sa concentration est élevée. Si nous devions avoir une base de données contenant les niveaux de concentration auxquels correspondent différentes valeurs d’intensité pour chaque longueur d’onde qui nous intéresse, nous pourrions simplement comparer l’intensité d’émission avec cette base de données et dire avec conviction quelle est la concentration des éléments individuels.

Comment fonctionnaient les premiers spectromètres

Les premiers instruments (très anciens) devaient fonctionner sans photoémetteurs. Les premiers chercheurs devaient donc s’appuyer sur des méthodes analogiques plus banales ! Ils ont simplement placé une plaque photographique sur laquelle le spectre diffracté tomberait. Cette plaque a ensuite été développée et étudiée pour arriver aux résultats requis.

Le premier pas vers l’automatisation – l’introduction de détecteurs PMT

Dans les années 1930, cependant, il a émergé le tube photomultiplicateur (PMT), un tube à vide qui émet des électrons lorsque la lumière est incidente sur lui. Les spectromètres sont donc rapidement passés à l’utilisation des PMT. Un PMT a donc été placé à l’intérieur de la chambre optique dans une position précise pour chaque longueur d’onde que l’utilisateur souhaitait analyser. Avec cela, il y avait aussi un ordinateur connecté au spectromètre. L’ordinateur a stocké la base de données avec laquelle les sorties des PMT ont été comparées pour arriver à la composition élémentaire requise. Cela a automatisé le processus et non seulement l’a rendu beaucoup plus rapide et pratique, mais aussi beaucoup plus précis et sans erreur.

Cela a très bien fonctionné pendant des décennies – mais, comme toujours, la technologie a évolué. Les PMT avaient clairement une charge d’inconvénients :

La flexibilité était absente – une fois achetée, c’est tout !

• Aucune possibilité de modifier une fois fait
• Même une augmentation d’un seul élément signifiait un nouveau OES !

Le coût et la dureté étaient encore très élevés

• Les détecteurs, cartes, etc. étaient extrêmement chers
• Profilage régulier nécessaire, pompes à vide, etc.

La révolution – la fin des PMTs et l’essor du CCD puis du CMOS :

L’introduction des détecteurs CCD (Charge Coupled Device) et maintenant CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor) a littéralement résolu tous les problèmes posés par les dispositifs PMT et a également offert plusieurs autres avantages aux fabricants et utilisateurs de spectromètres. Juste quelques-uns de ceux-ci sont :

Une flexibilité inégalée

• Chaque longueur d’onde est capturée – elle peut donc être analysée
• Pas de limitation d’espace car les CCD sont petits

Les instruments sont devenus plus petits et moins chers

• Le réseau haute résolution et les CCD entraînent des longueurs focales plus courtes
• Moins de détecteurs signifie moins de cartes et un coût plus bas

Court durée et faibles coûts de fonctionnement !

• Pas besoin de profilage, etc. – car tout cela est automatisé
• Pas de vide et électronique efficace = coûts d’exploitation réduits

Les spectromètres ont donc rapidement évolué vers l’utilisation de ces appareils et aujourd’hui, le OES moderne comprend exclusivement des optiques avec ces appareils.

Alors quels sont les types de OES disponibles aujourd’hui ?

Bien que la conception moderne des OES se concentre exclusivement sur les détecteurs CMOS / CCD, il reste certains modèles d’instruments hérités sur le marché qui comportent encore des détecteurs PMT. Tout comme lorsque le passage aux DSLR a commencé, tous les SLR analogiques n’ont pas été immédiatement retirés, de même, bien que la chute des parts de marché des PMT OES ait été précipitée, il reste encore une poignée de modèles avec cette technologie sur le marché. Pour la plupart, les OES d’aujourd’hui peuvent donc être classés en trois types comme indiqué ci-dessous. Tout cela dit, les PMT OES sont maintenant pratiquement obsolètes et forment une très petite fraction du marché global.

À quoi ressemblent les résultats ?

Les résultats d’un OES sont complètement quantitatifs et apparaissent sous forme de pourcentages de poids.

Un résultat analytique typique apparaîtrait comme ci-dessous :