ICP-OES는 유도결합플라즈마 방출분광분석기로, 고온의 플라즈마에 시료를 주입해 원자화 및 여기(excited) 상태로 만든 뒤 방출되는 광(Emission)을 측정하여 원소의 종류와 농도를 분석하는 장비.

주로 다중 원소 동시 분석, 광범위한 농도 범위, 높은 정밀성과 정확성을 위해 사용

원리 

시료 → Nebulizer (분무기) → Aerosol 생성 

Aerosol → Plasma Torch → 9000K~10,000K 고온 플라즈마에서 원자화 및 이온화 

여기된 원자가 기저상태로 돌아가면서 방출하는 광선(Emission line) 측정

방출된 빛 → 광학계 → 회절격자(spectrometer)를 통해 파장별 분리

디텍터(photomultiplier tube, CCD)로 신호 감지 및 정량화 

➡️ 방출광의 세기 ∝ 해당 원소의 농도

장점 

✔️ 동시 다원소 분석 (수십~수백 개 원소 동시 측정 가능) 

✔️ 넓은 직선성 범위 (ppb ~ %) 

✔️ 매우 낮은 검출한계 (ppb 수준) 

✔️ 금속, 반금속, 비금속 원소 모두 분석 가능 

✔️ 빠른 분석 시간 (1 시료당 수분 이내) 

✔️ 매트릭스 효과가 AAS(원자흡광광도계)보다 적음

단점 

❌ 초기 장비비와 유지비가 높음 

❌ 플라즈마 토치/네불라이저 관리 필요 

❌ 가스 소비량(Ar gas)이 많음 

❌ 고형물, 유기물 → 시료 전처리 필요 

❌ Na, K 등 알칼리 금속 → 강한 방출선 간 간섭 주의 필요

주요 구성

Plasma Torch

Ar 플라즈마 생성 → 고온 ionization zone 

Nebulizer

액체 시료 → 에어로졸 형태로 전환 

Spray Chamber

coarse drop 제거, 미세입자 선택 

RF Generator

Radio Frequency (~27MHz or ~40MHz) → plasma energy 공급 

Optical System

Echelle grating + CCD detector / PMT 

Sample Introduction

Pump, tubing system 포함

검출 파장

각 원소마다 고유 방출선 존재 

예

Ca: 317.933nm 

Fe: 259.940nm

Mg: 285.213nm

Pb: 220.353nm

Al: 396.153nm

➡️ 단일 파장 선택 vs 다중 파장 확인 → 스펙트럼 간섭 회피

분석 가능한 원소

Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Sr, Ti, V, Zn 등 

전주기율표 대부분 금속·반금속 원소  

응용 분야

환경 분석

수질, 토양, 폐수 내 중금속, 미량원소 분석 

식품

미네랄, 영양소 함량, 유해 금속 잔류량 검출 

제약

API, excipients 내 trace metal, ICH Q3D 기준 확인 

에너지

원유, 윤활유, 바이오연료 내 trace metal 분석 

반도체

초고순도 시약, wafer 분석 

소재

합금, 금속광물, 촉매 내 원소 분석

분석 방식

Radial View (측면관측): 고농도 시료 적합

Axial View (축방향관측): 저농도 시료 → 감도 ↑ 

Dual View: radial + axial → 다용도 분석 지원

간섭 종류

스펙트럼 간섭

overlapping emission lines

alternative wavelength 선택, 수학적 보정 

물리적 간섭

점도, 표면장력

internal standard 사용, dilution 

화학적 간섭

matrix effect

matrix matching, 표준첨가법

유지관리

✔️ 토치, 네불라이저 → 주기적 세척 

✔️ RF coil 교체 

✔️ 펌프 tubing 교체 

✔️ 광학계 purging (N₂) ✔️ plasma gas purity 관리 (Ar gas ≥ 99.999%)  

규제/표준

EPA 200.7, 6010D: 환경 시료용 ICP-OES method 

ISO 11885: 수질 내 금속 및 metalloids 분석 

ICH Q3D: 의약품 내 금속 불순물 규제 기준 

AOAC 공식법 (식품, 농산물 분석)

가격

장비 가격: 1억 5천만 ~ 4억 원 

연간 유지비: 수백만 ~ 천만 원 (가스, 소모품, 유지관리 포함)

최근 동향

🌟 Dual view, UltraView, Axial Enhanced systems 

🌟 Echelle grating + Solid-state CCD/CMOS detector 

🌟 Green ICP → Ar gas 절감형 시스템 

🌟 스마트 자동화 (auto calibration, auto torch align)  

ICP-OES vs ICP-MS 비교

검출한계

ICP-OES ppb

ICP-MS ppt~ppq 

간섭 영향

ICP-OES 적음

ICP-MS 많음 (mass interference)

가격

ICP-OES 상대 저렴

ICP-MS 상대 고가

다중분석

ICP-OES 우수

ICP-MS 우수

분석 속도

ICP-OES 빠름

ICP-MS 빠름

시료 전처리

액체시료: 희석, 여과 

고체시료: acid digestion (HNO₃, HCl, H₂O₂, HF), microwave digestion

유기용매시료: solvent exchange 필요

측정 방식

Calibration curve method (외부 표준법)

Standard addition method (표준 첨가법)

Internal standard method (내부 표준법)

한계와 주의사항

HF 사용 시 torch, spray chamber 내구성 → special material 필요

organic solvent matrix → plasma instability 주의 

salt matrix → salt buildup → plasma stability 저하

no direct speciation → speciation 필요 시 HPLC-ICP-OES coupling 필요

향후 기술 방향

🔭 Hybrid system (ICP-OES-MS, ICP-OES-TOF) 

🔭 Laser ablation-ICP-OES coupling 

🔭 Portable ICP-OES system (field use)

🔭 AI 기반 automatic data interpretation

🔭 lower Ar gas consumption system

“ICP-OES는 초고온 플라즈마를 이용해 다중 원소를 동시에 신속, 정밀하게 분석할 수 있는 현대 분석화학의 표준 기술로, 환경, 식품, 의약, 소재 등 다양한 분야의 금속 분석에 필수적인 장비이다.”

향후 기술 방향

전기 (Power) 일반 사양

220 V, 50/60 Hz, 단상 (일부 모델은 3상 필요) 

전용 차단기 회로 권장

소비 전력: 약 2~4 kW (플라즈마 발생 + 냉각장치 포함 시 더 커짐)

안전: 접지(Grounding) 필수, 과전압 보호 장치 설치 권장

가스 (Gases) 

Ar (아르곤, Plasma Gas) 

주 가스: 플라즈마 토치 유지용 → 고순도 (99.995% 이상) 필수

소모량: 약 10~20 L/min (장비 + 샘플 상황 따라 변동)

공급 방식: 고압 실린더 or 액화 아르곤 탱크, 또는 Ar Generator

가스 정제기(Purifier) 권장 (H₂O, O₂ 제거)

Optional Gas: 압축 공기(에어): 일부 모델은 네불라이저/펌프용 (Clean, Oil-free) 

N₂: 일부 검출기(예: 분광계 purge, 분광기 광학부) Purge용

냉각수 (Cooling Water) 

순환 냉각기(Chiller) 필요 

플라즈마 토치, RF generator 냉각

유량: 3~5 L/min

수온: 18~22 ℃ 권장

수질: DI Water (순수, 저이온전도도) 필요 

Air-cooled 모델도 있으나, 대형 ICP-OES는 대부분 외부 Chiller 연결 필수

배기 (Exhaust / Ventilation)

필수 항목: 플라즈마 Torch에서 발생하는 고온 가스, 산성증기, 에어로졸 배출

방식: 전용 Duct + Fume Hood or Exhaust Hood 연결 배기풍량: 약 8–10 m³/min (장비 제조사 권장치 확인)

배기 덕트 재질: 내식성 재질(PVC, FRP, SUS316L + 라이닝)

안전: 독성 가스 (Cl₂, HF 등) 발생 가능 → Scrubber 설치 권장

실험실 공간 

바닥 하중: 일반 실험실 기준(500 kg/㎡) 이상 확보

면적: 장비 본체 + 주변 작업 공간 포함 최소 2.5 m × 2.5 m 이상 필요

작업 동선 고려: 시료 전처리 공간, 산/시약 보관실과 분리 권장

온도·습도 

실내 온도: 20~25 ℃ 

상대 습도: 35~60 % (급격한 변화 방지) 

냉난방: 항온항습기 or 전용 HVAC 필수

온도 변동 ±2 ℃ 이내, 습도 변동 ±10 % 이내 유지 필요

환기 및 공조

ICP-OES 사용 시, 산성 시료(HNO₃, HCl 등) 증기 발생 → 국소배기 필수

음압 유지(분석실 전체를 주변보다 낮게) → 화학 증기 확산 방지

실험실 공조와 배기 시스템이 상호 간섭하지 않도록 별도 설계 필요

안전 설비 

비상 샤워 & 세안기: 산/알칼리 취급 대비 

Gas Leak Detector (아르곤 누출 감지기): 실험실 내 설치 권장

소화기: CO₂ 소화기, Class B/C용 비치 

UPS/비상 전원: 전원 순간 차단 방지용

ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry를 생산 판매하는 주요 업체.

Agilent Technologies (애질런트 테크놀로지스, 미국)

주요제품명: Agilent 5900 ICP-OES, Agilent 5800 ICP-OES

강점: 전세계 환경/식품/제약 분석 시장에서 가장 널리 사용됨

특징:

고속 분석, 스마트 모니터링, 안정적인 플라즈마 제어, 소프트웨어 자동화 기능

PerkinElmer (퍼킨엘머, 미국)

제품명: Avio 220 Max, Avio 550 Max ICP-OES

강점: 제약·환경 분석, US EPA/USP 규격 분석에 강세

특징:

소형화 설계, 저 Ar 가스 소비, 빠른 시료 처리 능력

GBC Scientific Equipment (GBC 과학기기) 중견급 제조사

제품명: GBC Integra XL, OptiMass 등

강점: 다원소 동시 분석: 수십 개 원소를 동시에 측정 가능

특징:

상대적으로 경제적인 Ar 소모량

Thermo Fisher Scientific (써모 피셔 사이언티픽, 미국)

제품명: iCAP PRO Series ICP-OES

강점: 연구소 및 산업체에서 품질 관리(QC), 소재 분석 활용도가 높음

특징:

고감도, 낮은 검출한계, 다원소 동시분석 강점