Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie - Inductively coupled plasma mass spectrometry
 Instrument ICP-MS
| |
| Akronim | ICP-MS |
|---|---|
| Klasyfikacja | Spekrtometria masy |
| Analitycy | formy atomowe i wieloatomowe w plazmie, z wyjątkami; zwykle interpretowane w kierunku stężeń pierwiastków chemicznych w próbce |
| Producenci | Skyray , Agilent , Analytik Jena , Horiba (tylko ICP-OES), PerkinElmer , Shimadzu , Spectro , Thermo , GBC Scientific , Nu Instruments |
| Inne techniki | |
| Związane z | Atomowa spektroskopia emisyjna z plazmą sprzężoną indukcyjnie |
| Pisany z łącznikiem | Chromatografia cieczowa-spektrometria mas z indukcyjnie sprzężoną plazmą (LC-ICP-MS), chromatografia gazowa-spektrometria mas z indukcyjnie sprzężoną plazmą (GC-ICP-MS), spektrometria mas sprzężona indukcyjnie z ablacją laserową (LA-ICP-MS) |
Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie ( ICP-MS ) to rodzaj spektrometrii mas, w której do jonizacji próbki wykorzystuje się plazmę sprzężoną indukcyjnie . Atomizuje próbkę i tworzy jony atomowe i małe jony wieloatomowe , które są następnie wykrywane. Jest znany i używany ze względu na jego zdolność do wykrywania metali i kilku niemetali w próbkach ciekłych w bardzo niskich stężeniach. Potrafi wykrywać różne izotopy tego samego pierwiastka, co czyni go wszechstronnym narzędziem w znakowaniu izotopowym .
W porównaniu do spektroskopii absorpcji atomowej , ICP-MS ma większą szybkość, precyzję i czułość. Jednak w porównaniu z innymi rodzajami spektrometrii mas, takimi jak spektrometria mas z jonizacją termiczną (TIMS) i spektrometrią mas z wyładowaniem jarzeniowym (GD-MS), ICP-MS wprowadza wiele interferujących rodzajów: argon z plazmy, gazy składowe powietrza, które przenikają otworami stożka i zanieczyszczeniami ze szkła i stożków.
składniki
Plazma sprzężona indukcyjnie
Indukcyjnie sprzężoną plazmą jest w osoczu , które jest napięciem ( jonizowany ) poprzez indukcyjne ogrzewania gazu z cewki elektromagnetycznej i zawiera wystarczającego stężenia jonów i elektronów , aby gaz elektrycznie przewodzący . Nie cały gaz musi być zjonizowany, aby miał właściwości plazmy; zaledwie 1% jonizacji tworzy plazmę. Plazmy używane w analizie spektrochemicznej są zasadniczo elektrycznie obojętne, a każdy ładunek dodatni jonu jest zrównoważony przez wolny elektron. W tych plazmach jony dodatnie są prawie wszystkie naładowane pojedynczo, a jonów ujemnych jest niewiele, więc w każdej jednostce objętości plazmy są prawie równe ilości jonów i elektronów.
ICP mają dwa tryby pracy, zwane trybem pojemnościowym (E) z niską gęstością plazmy i trybem indukcyjnym (H) z wysoką gęstością plazmy, a przejście z trybu ogrzewania E na H następuje z wejściami zewnętrznymi. Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie pracuje w trybie H.
To, co sprawia, że spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS) jest unikalna w porównaniu z innymi formami nieorganicznej spektrometrii mas, to jej zdolność do ciągłego próbkowania analitu, bez przerw. Jest to w przeciwieństwie do innych form nieorganicznej spektrometrii mas; Spektrometria mas z wyładowaniem jarzeniowym (GDMS) i spektrometria mas z jonizacją termiczną (TIMS), które wymagają dwuetapowego procesu: Włóż próbkę(i) do komory próżniowej, uszczelnij komorę próżniową, odpompuj próżnię, zasil próbkę, wysyłając w ten sposób jony do analizatora masy. Dzięki ICP-MS próbka do analizy znajduje się pod ciśnieniem atmosferycznym. Poprzez efektywne wykorzystanie pompowania różnicowego; wiele stopni próżniowych oddzielonych różnicowymi aperturami (otworami), jony wytworzone w plazmie argonowej są, za pomocą różnych technik ogniskowania elektrostatycznego, przekazywane przez analizator masy do detektora(ów) i zliczane. Nie tylko umożliwia to analitykowi radykalne zwiększenie przepustowości próbki (ilości próbek w czasie), ale także umożliwiło to, co nazywa się „akwizycją czasową”. Techniki dzielone, takie jak chromatografia cieczowa ICP-MS (LC-ICP-MS); Ablacja laserowa ICP-MS (LA-ICP-MS); Flow Injection ICP-MS (FIA-ICP-MS) itp. skorzystało z wyjątkowej jakości tej technologii, która ma zaledwie 35 lat. Nie można przecenić potęgi analizy czasowej. Stymulowało rozwój nowych i ekscytujących narzędzi do badań tak różnorodnych, jak geochemia i chemia sądowa; biochemia i oceanografia. Ponadto zwiększenie przepustowości próbek z dziesiątek próbek dziennie do setek próbek dziennie zrewolucjonizowało analizę środowiskową, zmniejszając koszty. Zasadniczo wynika to z faktu, że podczas gdy próbka znajduje się pod ciśnieniem otoczenia, analizator i detektor znajdują się pod ciśnieniem 1/10 000 000 tego samego ciśnienia podczas normalnej pracy.
Plazma sprzężona indukcyjnie (ICP) do spektrometrii jest utrzymywana w pochodni, która składa się z trzech koncentrycznych rurek, zwykle wykonanych z kwarcu , chociaż rurka wewnętrzna (wtryskiwacz) może być szafirowa, jeśli stosuje się kwas fluorowodorowy. Koniec tej latarki umieszczony jest wewnątrz cewki indukcyjnej zasilanej prądem o częstotliwości radiowej. Pomiędzy dwie skrajnie zewnętrzne rurki palnika wprowadzany jest przepływ gazu argonowego (zwykle 13 do 18 litrów na minutę) i na krótki czas zostaje zastosowana iskra elektryczna, aby wprowadzić wolne elektrony do strumienia gazu. Elektrony te oddziałują z polem magnetycznym o częstotliwości radiowej cewki indukcyjnej i są przyspieszane najpierw w jednym kierunku, a potem w drugim, ponieważ pole zmienia się z dużą częstotliwością (zwykle 27,12 miliona cykli na sekundę). Przyspieszone elektrony zderzają się z atomami argonu, a czasami zderzenie powoduje rozdzielenie atomu argonu z jednym z jego elektronów. Uwolniony elektron jest z kolei przyspieszany przez szybko zmieniające się pole magnetyczne. Proces trwa do momentu zrównoważenia szybkości uwalniania nowych elektronów w zderzeniach szybkością rekombinacji elektronów z jonami argonu (atomy, które utraciły elektron). W ten sposób powstaje „kula ognia”, która składa się głównie z atomów argonu z niewielką ilością wolnych elektronów i jonów argonu. Temperatura plazmy jest bardzo wysoka, rzędu 10 000 K. Plazma wytwarza również światło ultrafioletowe, więc ze względów bezpieczeństwa nie należy na nie patrzeć bezpośrednio.
ICP można zatrzymać w palniku kwarcowym, ponieważ przepływ gazu między dwiema skrajnymi rurami utrzymuje plazmę z dala od ścian palnika. Drugi przepływ argonu (około 1 litra na minutę) jest zwykle wprowadzany między rurkę środkową a rurkę pośrednią, aby utrzymać plazmę z dala od końca rurki centralnej. Trzeci strumień (znowu zwykle około 1 litra na minutę) gazu jest wprowadzany do środkowej rury palnika. Ten przepływ gazu przechodzi przez środek plazmy, gdzie tworzy kanał, który jest chłodniejszy niż otaczająca plazma, ale wciąż znacznie gorętszy niż płomień chemiczny. Próbki do analizy są wprowadzane do tego centralnego kanału, zwykle w postaci mgły cieczy utworzonej przez przepuszczenie próbki cieczy do nebulizatora.
Aby zmaksymalizować temperaturę plazmy (a tym samym wydajność jonizacji) i stabilność, próbka powinna być wprowadzana przez centralną rurkę z jak najmniejszą ilością cieczy (obciążenie rozpuszczalnikiem) io stałej wielkości kropel. Do próbek ciekłych można użyć nebulizatora, a następnie komory natryskowej do usuwania większych kropelek lub nebulizatora desolwatującego do odparowania większości rozpuszczalnika, zanim dotrze on do palnika. Próbki stałe można również wprowadzać za pomocą ablacji laserowej. Próbka wchodzi do centralnego kanału ICP, odparowuje, cząsteczki rozpadają się, a następnie atomy składowe ulegają jonizacji. W temperaturach panujących w plazmie znaczna część atomów wielu pierwiastków chemicznych ulega jonizacji, a każdy atom traci swój najsłabiej związany elektron, tworząc pojedynczo naładowany jon. Temperaturę plazmy dobiera się tak, aby zmaksymalizować wydajność jonizacji elementów o wysokiej pierwszej energii jonizacji, jednocześnie minimalizując drugą jonizację (podwójne ładowanie) elementów o niskiej drugiej energii jonizacji.
Spekrtometria masy
W celu sprzężenia ze spektrometrią mas jony z plazmy są ekstrahowane przez szereg stożków do spektrometru mas, zwykle kwadrupola . Jony są rozdzielane na podstawie ich stosunku masy do ładunku, a detektor otrzymuje sygnał jonowy proporcjonalny do stężenia.
Stężenie próbki można określić poprzez kalibrację z certyfikowanym materiałem odniesienia, takim jak jedno- lub wieloelementowe wzorce odniesienia. ICP-MS nadaje się również do ilościowych oznaczeń poprzez rozcieńczanie izotopowe , metodę jednopunktową opartą na wzorcu wzbogaconym izotopowo.
Inne analizatory masy sprzężone z systemami ICP to podwójnie ogniskujące systemy sektorowe magnetyczno-elektrostatyczne z pojedynczym i wielokrotnym kolektorem, a także systemy czasu przelotu (zastosowano zarówno akceleratory osiowe, jak i ortogonalne ).
Aplikacje
Jednym z największych zastosowań ICP-MS jest dziedzina medycyny i medycyny sądowej, w szczególności toksykologia. Lekarz może zlecić badanie metali z wielu powodów, takich jak podejrzenie zatrucia metalami ciężkimi, problemy metaboliczne, a nawet problemy hepatologiczne. W zależności od specyficznych parametrów, unikalnych dla planu diagnostycznego każdego pacjenta, próbki pobierane do analizy mogą obejmować zarówno krew pełną, mocz, osocze, surowicę, a nawet koncentraty krwinek czerwonych. Innym podstawowym zastosowaniem tego instrumentu jest ochrona środowiska. Takie zastosowania obejmują badanie wody dla gmin lub osób prywatnych, aż do analizy gleby, wody i innych materiałów do celów przemysłowych. W dziedzinie medycyny sądowej szkło ICP-MS jest popularne do analizy szkła. Pierwiastki śladowe na szkle można wykryć za pomocą LA-ICP-MS. Pierwiastki śladowe ze szkła można wykorzystać do dopasowania próbki znalezionej na miejscu zbrodni do podejrzanego.
W ostatnich latach monitoring przemysłowy i biologiczny ujawnił kolejną ważną potrzebę analizy metali za pomocą ICP-MS. Osoby pracujące w fabrykach, w których narażenie na kontakt z metalami jest prawdopodobne i nieuniknione, takich jak fabryka baterii, są zobowiązane przez swojego pracodawcę do regularnego badania krwi lub moczu pod kątem toksyczności metali. Monitorowanie to stało się obowiązkową praktyką wdrożoną przez OSHA w celu ochrony pracowników przed ich środowiskiem pracy i zapewnienia właściwej rotacji obowiązków pracy (tj. rotacji pracowników z pozycji wysokiego narażenia na stanowisko o niskim narażeniu).
ICP-MS jest również szeroko stosowany w dziedzinie geochemii do datowania radiometrycznego, w którym jest używany do analizy względnej obfitości różnych izotopów, w szczególności uranu i ołowiu. ICP-MS jest bardziej odpowiedni do tego zastosowania niż wcześniej stosowana spektrometria mas z jonizacją termiczną , ponieważ substancje o wysokiej energii jonizacji, takie jak osm i wolfram, można łatwo zjonizować. W przypadku pracy o wysokiej precyzji współczynników zwykle stosuje się wiele przyrządów kolektorowych w celu zmniejszenia szumu efektowego na obliczonych współczynnikach.
W dziedzinie cytometrii przepływowej nowa technika wykorzystuje ICP-MS do zastąpienia tradycyjnych fluorochromów . Pokrótce, zamiast znakowania przeciwciał (lub innych sond biologicznych) fluorochromami, każde przeciwciało jest znakowane odrębną kombinacją lantanowców . Gdy badana próbka jest analizowana za pomocą ICP-MS w specjalistycznym cytometrze przepływowym, każde przeciwciało można zidentyfikować i określić ilościowo na podstawie odrębnego „odcisku” ICP. Teoretycznie można zatem analizować setki różnych sond biologicznych w pojedynczej komórce z szybkością około. 1000 komórek na sekundę. Ponieważ elementy są łatwo rozróżniane w ICP-MS, problem kompensacji w multipleksowej cytometrii przepływowej jest skutecznie eliminowany.
W przemyśle farmaceutycznym ICP-MS służy do wykrywania zanieczyszczeń nieorganicznych w farmaceutykach i ich składnikach. Nowe i obniżone maksymalne dozwolone poziomy ekspozycji na metale ciężkie z suplementów diety, wprowadzone w USP ( Farmakopea Stanów Zjednoczonych ) <232> Zanieczyszczenia pierwiastkami — limity i USP <233> Zanieczyszczenia pierwiastkami — procedury, zwiększą zapotrzebowanie na technologię ICP-MS, gdzie wcześniej wystarczały inne metody analityczne. Spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie z ablacją laserową (LA-ICP-MS) to potężna technika do analizy pierwiastkowej szerokiej gamy materiałów spotykanych w pracach sądowych. (LA-ICP-MS) został już z powodzeniem zastosowany w kryminalistyce, metalach, szkłach, glebach, lakierach samochodowych, kościach i zębach, tuszach drukarskich, pierwiastkach śladowych, odciskach palców i papierze. Wśród nich analiza kryminalistyczna szkła wyróżnia się jako zastosowanie, dla którego ta technika ma duże znaczenie. Uderzenia i rozjechanie się samochodów, włamania, napady, strzelaniny samochodowe i zamachy bombowe, takie jak te sytuacje, mogą powodować odłamki szkła, które mogą być wykorzystane jako dowód powiązania w warunkach przenoszenia szkła. LA-ICP-MS jest uważana za jedną z najlepszych technik do analizy szkła ze względu na krótki czas przygotowania próbki i próbki, mały rozmiar próbki poniżej 250 nanogramów. Ponadto nie ma potrzeby skomplikowanej procedury i obchodzenia się z niebezpiecznymi materiałami używanymi do mineralizacji próbek. Pozwala to na wykrywanie głównych, drobnych i śladowych elementów z dużą precyzją i dokładnością. Istnieje zestaw właściwości, które są używane do pomiaru próbki szkła, takich jak właściwości fizyczne i optyczne, w tym kolor, grubość, gęstość, współczynnik załamania światła (RI), a także, jeśli to konieczne, analiza elementarna może być przeprowadzona w celu zwiększenia wartości asocjacji . Kosmetyki, takie jak szminka, odzyskane z miejsca przestępstwa, mogą dostarczyć cennych informacji kryminalistycznych. Rozmazy szminki pozostawione na niedopałkach papierosów, wyrobach szklanych, odzieży, pościeli; serwetki, papier itp. mogą być cennymi dowodami. Szminka odzyskana z ubrania lub skóry może również wskazywać na fizyczny kontakt między osobami. Analiza kryminalistyczna odzyskanych dowodów z rozmazu szminki może dostarczyć cennych informacji na temat niedawnych działań ofiary lub podejrzanego. Analiza pierwiastków śladowych rozmazów szminki może być wykorzystana do uzupełnienia istniejących wizualnych procedur porównawczych w celu określenia marki i koloru szminki.
Spektroskopia mas z indukcyjnie sprzężoną plazmą pojedynczych cząstek (SP ICP-MS) została zaprojektowana dla zawiesin cząstek w 2000 roku przez Claude'a Degueldre'a. Po raz pierwszy przetestował tę nową metodologię w Instytucie Forel Uniwersytetu Genewskiego i zaprezentował to nowe podejście analityczne na sympozjum „Colloid 2oo2” podczas spotkania EMRS wiosną 2002 r. oraz w postępowaniu w 2003 r. Niniejsze badanie przedstawia teorię SP ICP-MS oraz wyniki badań przeprowadzonych na cząstkach gliny (montmorylonit) oraz innych zawiesinach koloidów. Metoda ta została następnie przetestowana na nanocząsteczkach dwutlenku toru przez Degueldre & Favarger (2004), dwutlenku cyrkonu przez Degueldre i in. (2004) oraz nanocząsteczkach złota, które są wykorzystywane jako substrat w nanofarmacji i opublikowana przez Degueldre i in. (2006). Następnie badania nano- i mikrocząstek dwutlenku uranu dały początek szczegółowej publikacji, sygn. Degueldre i in. (2006). Od 2010 roku zainteresowanie SP ICP-MS eksplodowało.
Wcześniejsze techniki kryminalistyczne stosowane do analizy organicznej szminek przez porównanie składu obejmują chromatografię cienkowarstwową (TLC), chromatografię gazową (GC) i wysokosprawną chromatografię cieczową (HPLC). Metody te dostarczają przydatnych informacji dotyczących identyfikacji szminek. Jednak wszystkie one wymagają długiego czasu przygotowania próbki i niszczą próbkę. Nieniszczące techniki analizy kryminalistycznej rozmazów szminki obejmują obserwację fluorescencji UV w połączeniu z chromatografią gazową typu „purge-and-trap”, mikrospektrofotometrią i skaningową spektroskopią elektronową z dyspersją energii (SEM-EDS) oraz spektroskopią Ramana.
Specjacja metali
Rosnący trend w świecie analizy pierwiastkowej obraca się wokół specjacji , czyli oznaczania stopnia utlenienia niektórych metali, takich jak chrom i arsen . Jedną z podstawowych technik pozwalających to osiągnąć jest oddzielenie związków chemicznych za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) lub frakcjonowania przepływowego w terenie (FFF), a następnie pomiar stężeń za pomocą ICP-MS.
Kwantyfikacja białek i biocząsteczek
Istnieje rosnąca tendencja do wykorzystywania ICP-MS jako narzędzia w analizie specjacyjnej, która zwykle obejmuje separację chromatograficzną typu front end i selektywny detektor pierwiastkowy , taki jak AAS i ICP-MS. Na przykład, ICP-MS można połączyć z chromatografią wykluczania wielkości i ilościową preparatywną natywną ciągłą elektroforezą w żelu poliakrylamidowym ( QPNC-PAGE ) do identyfikacji i ilościowego oznaczania białek zawierających kofaktor metali natywnych w płynach biologicznych. Można również analizować stan fosforylacji białek.
W 2007 roku wprowadzono nowy rodzaj odczynników do znakowania białek, zwany metal-coded affinity tags (MeCAT), do ilościowego znakowania białek metalami, zwłaszcza lantanowcami. Znakowanie MeCAT umożliwia względną i bezwzględną ocenę ilościową wszystkich rodzajów białek lub innych biocząsteczek, takich jak peptydy. MeCAT zawiera specyficzną dla miejsca grupę znakującą biocząsteczkę z co najmniej silną grupą chelatową, która wiąże metale. Białka znakowane MeCAT można dokładnie oznaczyć ilościowo za pomocą ICP-MS aż do małej ilości analitu w atomach, która jest co najmniej 2-3 rzędy wielkości bardziej czuła niż inne metody kwantyfikacji oparte na spektrometrii mas. Wprowadzenie kilku znaczników MeCAT do biomolekuły i dalsza optymalizacja granic wykrywalności LC-ICP-MS w zakresie zeptomolu są w sferze możliwości. Dzięki zastosowaniu różnych lantanowców multipleksowanie MeCAT może być wykorzystane do farmakokinetyki białek i peptydów lub analizy różnicowej ekspresji białek ( proteomika ) np. w płynach biologicznych. Rozbijalna PAGE SDS-PAGE (DPAGE, rozpuszczalna PAGE), dwuwymiarowa elektroforeza żelowa lub chromatografia są stosowane do separacji białek znakowanych MeCAT. Analizę ICP-MS metodą iniekcji przepływowej pasm białkowych lub plamek z żeli DPAGE SDS-PAGE można łatwo przeprowadzić przez rozpuszczenie żelu DPAGE po elektroforezie i wybarwieniu żelu. Białka znakowane MeCAT są identyfikowane i stosunkowo określane ilościowo na poziomie peptydów za pomocą MALDI-MS lub ESI-MS.
Analiza elementarna
ICP-MS pozwala na oznaczenie pierwiastków o masach atomowych w zakresie od 7 do 250 (od Li do U ), a czasem nawet wyższym. Niektóre masy są zabronione, np. 40, ze względu na dużą ilość argonu w próbce. Inne zablokowane obszary mogą obejmować masę 80 (ze względu na dimer argonu) i masę 56 (ze względu na ArO), z których ta ostatnia znacznie utrudnia analizę Fe, chyba że oprzyrządowanie jest wyposażone w komorę reakcyjną. Takie interferencje można zredukować stosując wysokiej rozdzielczości ICP-MS (HR-ICP-MS), który wykorzystuje dwie lub więcej szczelin do zawężenia wiązki i rozróżnienia pobliskich pików. Dzieje się to kosztem wrażliwości. Na przykład odróżnienie żelaza od argonu wymaga zdolności rozdzielczej około 10 000, co może zmniejszyć wrażliwość na żelazo o około 99%.
Pojedynczy kolektor ICP-MS może wykorzystywać mnożnik w trybie zliczania impulsów do wzmacniania bardzo niskich sygnałów, siatkę tłumienia lub mnożnik w trybie analogowym do wykrywania średnich sygnałów oraz kubek/wiadro Faradaya do wykrywania większych sygnałów. Multi-kolektor ICP-MS może mieć więcej niż jeden z tych, zwykle wiader Faradaya, które są znacznie tańsze. Dzięki tej kombinacji możliwy jest dynamiczny zakres 12 rzędów wielkości, od 1 ppq do 100 ppm.
ICP-MS jest metodą z wyboru do oznaczania kadmu w próbkach biologicznych.
W przeciwieństwie do spektroskopii absorpcji atomowej , która może mierzyć tylko jeden pierwiastek na raz, ICP-MS ma możliwość jednoczesnego skanowania wszystkich pierwiastków. Pozwala to na szybkie przetwarzanie próbek. Jednoczesny ICP-MS, który może rejestrować całe spektrum analityczne od litu do uranu w każdej analizie, zdobył srebrną nagrodę w konkursie Pittcon Editors' Awards w 2010 roku . ICP-MS może wykorzystywać wiele trybów skanowania, z których każdy zapewnia inną równowagę między szybkością a precyzją. Używanie samego magnesu do skanowania jest powolne ze względu na histerezę, ale jest precyzyjne. W celu zwiększenia prędkości oprócz magnesu można zastosować płytki elektrostatyczne, co w połączeniu z wieloma kolektorami umożliwia skanowanie każdego pierwiastka od litu 6 do tlenku uranu 256 w czasie krótszym niż ćwierć sekundy. W przypadku niskich limitów wykrywalności, gatunków zakłócających i wysokiej precyzji czas zliczania może znacznie się wydłużyć. Szybkie skanowanie, duży zakres dynamiczny i duży zakres mas idealnie nadają się do pomiaru wielu nieznanych stężeń i proporcji izotopów w próbkach, które zostały poddane minimalnemu przygotowaniu (przewaga nad TIMS), na przykład w wodzie morskiej, moczu i strawionych próbkach całych skał. Nadaje się również dobrze do próbek skał poddanych ablacji laserowej, gdzie szybkość skanowania jest tak szybka, że możliwy jest wykres w czasie rzeczywistym dowolnej liczby izotopów. Pozwala to również na łatwe mapowanie przestrzenne ziaren mineralnych.
Sprzęt komputerowy
W zakresie wejścia i wyjścia , instrument ICP-MS zużywa przygotowany materiał próbki i przekłada go na dane widma masowego. Właściwa procedura analityczna zajmuje trochę czasu; po tym czasie przyrząd można przełączyć do pracy na następnej próbce. Seria takich pomiarów próbek wymaga, aby instrument miał zapaloną plazmę, a jednocześnie szereg parametrów technicznych musi być stabilnych, aby otrzymane wyniki miały wykonalną i precyzyjną interpretację. Utrzymanie plazmy wymaga stałego dostarczania gazu nośnego (zwykle czystego argonu) oraz zwiększonego poboru mocy urządzenia. Gdy te dodatkowe koszty eksploatacji nie zostaną uznane za uzasadnione, plazmę i większość systemów pomocniczych można wyłączyć. W takim trybie czuwania pracują tylko pompy, aby utrzymać odpowiednią próżnię w spektrometrze mas.
Elementy przyrządu ICP-MS są zaprojektowane tak, aby umożliwić powtarzalne i/lub stabilne działanie.
Przykładowe wprowadzenie
Pierwszym krokiem analizy jest wprowadzenie próbki. Udało się to osiągnąć w ICP-MS na różne sposoby.
Najpopularniejszą metodą jest użycie nebulizatorów analitycznych . Nebulizator zamienia ciecze w aerozol, który następnie może zostać zmieciony do plazmy w celu wytworzenia jonów. Nebulizatory działają najlepiej z prostymi próbkami płynnymi (tj. roztworami). Zdarzały się jednak przypadki ich użycia z bardziej złożonymi materiałami, takimi jak gnojowica . Z ICP-MS połączono wiele odmian nebulizatorów, w tym pneumatyczne, z przepływem krzyżowym, Babington, ultradźwiękowe i desolwatujące. Wytworzony aerozol jest często poddawany obróbce, aby ograniczyć go do najmniejszych kropel, zwykle za pomocą dwuprzebiegowej komory natryskowej chłodzonej metodą Peltiera lub cyklonowej komory natryskowej. Korzystanie z autosamplerów sprawia, że jest to łatwiejsze i szybsze, szczególnie w przypadku rutynowej pracy i dużej liczby próbek. Można również użyć nebulizatora desolwatującego (DSN); wykorzystuje to długo podgrzewaną kapilarę, pokrytą membraną z fluoropolimeru, aby usunąć większość rozpuszczalnika i zmniejszyć obciążenie plazmy. Systemy wprowadzania do usuwania matrycy są czasami stosowane do próbek, takich jak woda morska, gdzie gatunki będące przedmiotem zainteresowania są na poziomie śladowym i są otoczone znacznie liczniejszymi zanieczyszczeniami.
Inną metodą jest ablacja laserowa . Choć w przeszłości był mniej powszechny, szybko staje się popularny, został wykorzystany jako środek wprowadzania próbek, dzięki zwiększeniu prędkości skanowania ICP-MS. W tej metodzie pulsujący laser UV skupia się na próbce i tworzy smugę materiału poddanego ablacji, która może zostać zmieciona w plazmie. Pozwala to geochemikom na przestrzenne mapowanie składu izotopów w przekrojach próbek skał, co jest narzędziem, które jest tracone, gdy skała jest trawiona i wprowadzana jako próbka ciekła. Lasery do tego zadania są budowane tak, aby miały wysoce kontrolowaną moc wyjściową i równomierne promieniowe rozkłady mocy, aby wytwarzać kratery o płaskim dnie i wybranej średnicy i głębokości.
Zarówno w przypadku nebulizatorów laserowej ablacji, jak i desolwatacji, do przepływu argonu można również wprowadzić niewielki przepływ azotu. Azot występuje jako dimer, więc ma więcej trybów wibracyjnych i jest bardziej wydajny w odbieraniu energii z cewki RF wokół palnika.
Wykorzystywane są również inne metody wprowadzania próbki. Odparowywanie elektrotermiczne (ETV) i odparowywanie palnikiem (ITV) wykorzystuje gorące powierzchnie (ogólnie grafit lub metal) do odparowywania próbek w celu wprowadzenia. Mogą one wykorzystywać bardzo małe ilości cieczy, ciał stałych lub zawiesin. Znane są również inne metody, takie jak wytwarzanie pary.
Latarka plazmowa
Plazma używana w ICP-MS jest wytwarzana przez częściową jonizację gazu argonowego (Ar → Ar + + e − ). Energia wymagana do tej reakcji jest uzyskiwana poprzez pulsowanie zmiennego prądu elektrycznego w cewce obciążenia, która otacza palnik plazmowy strumieniem argonu.
Po wstrzyknięciu próbki ekstremalna temperatura plazmy powoduje, że próbka rozdziela się na pojedyncze atomy (atomizacja). Następnie plazma jonizuje te atomy (M → M + + e − ), aby mogły zostać wykryte przez spektrometr mas.
Plazma sprzężona indukcyjnie (ICP) do spektrometrii jest podtrzymywana w pochodni, która składa się z trzech koncentrycznych rurek, zwykle wykonanych z kwarcu. Dwa główne projekty to latarki Fassel i Greenfield. Koniec tej latarki umieszczony jest wewnątrz cewki indukcyjnej zasilanej prądem o częstotliwości radiowej. Pomiędzy dwie skrajnie zewnętrzne rurki palnika wprowadza się strumień gazu argonowego (zwykle 14 do 18 litrów na minutę) i na krótki czas stosuje się iskrę elektryczną, aby wprowadzić wolne elektrony do strumienia gazu. Elektrony te oddziałują z polem magnetycznym o częstotliwości radiowej cewki indukcyjnej i są przyspieszane najpierw w jednym kierunku, a następnie w drugim, ponieważ pole zmienia się z wysoką częstotliwością (zwykle 27,12 MHz lub 40 MHz ). Przyspieszone elektrony zderzają się z atomami argonu, a czasami zderzenie powoduje, że atom argonu rozstaje się z jednym z jego elektronów. Uwolniony elektron jest z kolei przyspieszany przez szybko zmieniające się pole magnetyczne. Proces trwa do momentu zrównoważenia szybkości uwalniania nowych elektronów w zderzeniach szybkością rekombinacji elektronów z jonami argonu (atomy, które utraciły elektron). W ten sposób powstaje „kula ognia”, która składa się głównie z atomów argonu z niewielką ilością wolnych elektronów i jonów argonu.
Zaleta argonu
Wytwarzanie plazmy z argonu zamiast z innych gazów ma kilka zalet. Po pierwsze, argon występuje obficie (w atmosferze, w wyniku radioaktywnego rozpadu potasu ), a zatem jest tańszy niż inne gazy szlachetne . Argon ma również wyższy potencjał pierwszej jonizacji niż wszystkie inne pierwiastki z wyjątkiem He , F i Ne . Z powodu tej wysokiej energii jonizacji reakcja (Ar + + e − → Ar) jest bardziej korzystna energetycznie niż reakcja (M + + e − → M). Zapewnia to, że próbka pozostaje zjonizowana (jako M + ), aby spektrometr mas mógł ją wykryć.
Argon można nabyć do użytku z ICP-MS w postaci schłodzonej cieczy lub gazu. Należy jednak pamiętać, że niezależnie od zakupionej formy argonu, powinien on mieć gwarantowaną czystość co najmniej 99,9% argonu. Ważne jest, aby określić, jaki rodzaj argonu będzie najlepiej pasował do konkretnej sytuacji. Ciekły argon jest zazwyczaj tańszy i można go przechowywać w większej ilości w przeciwieństwie do postaci gazowej, która jest droższa i zajmuje więcej miejsca w zbiorniku. Jeśli przyrząd znajduje się w środowisku, w którym jest rzadko używany, wówczas kupowanie argonu w stanie gazowym będzie najbardziej odpowiednie, ponieważ będzie więcej niż wystarczające, aby dopasować się do krótszych czasów pracy, a gaz w butli pozostanie stabilny przez dłuższy czas, podczas gdy ciekły argon będzie tracił środowisko z powodu odpowietrzania zbiornika, gdy jest przechowywany przez dłuższy czas. Jednakże, jeśli ICP-MS ma być używany rutynowo i jest włączony i działa przez osiem lub więcej godzin dziennie przez kilka dni w tygodniu, wówczas najbardziej odpowiednie będzie stosowanie ciekłego argonu. Jeśli wiele urządzeń ICP-MS będzie działać przez długi czas, najprawdopodobniej będzie korzystne dla laboratorium zainstalowanie zbiornika argonu masowego lub mikro, który będzie utrzymywany przez firmę dostarczającą gaz, eliminując w ten sposób potrzebę aby często wymieniać zbiorniki, a także minimalizować utratę argonu, który pozostaje w każdym używanym zbiorniku, a także czas przestoju na wymianę zbiornika.
Hel może być używany zamiast argonu lub zmieszany z argonem do wytwarzania plazmy. Wyższa energia pierwszej jonizacji helu umożliwia większą jonizację, a tym samym wyższą czułość na pierwiastki trudne do jonizacji. Zastosowanie czystego helu pozwala również uniknąć zakłóceń na bazie argonu, takich jak ArO. Jednak wiele zakłóceń można złagodzić przez zastosowanie komórki kolizyjnej , a wyższy koszt helu uniemożliwił jego zastosowanie w komercyjnym ICP-MS.
Przenoszenie jonów do próżni
Gaz nośny jest przesyłany przez kanał centralny do bardzo gorącej plazmy. Próbka jest następnie wystawiona na działanie fal radiowych, które przekształcają gaz w plazmę . Wysoka temperatura plazmy wystarcza, aby bardzo duża część próbki utworzyła jony. Ta frakcja jonizacji może zbliżyć się do 100% dla niektórych pierwiastków (np. sodu), ale jest to zależne od potencjału jonizacyjnego. Część powstałych jonów przechodzi przez otwór ~1 mm (stożek próbnika), a następnie otwór ~0,4 mm (stożek skimmera). Ma to na celu zapewnienie próżni wymaganej przez spektrometr mas .
Próżnia jest wytwarzana i utrzymywana przez szereg pomp. Pierwszy stopień jest zwykle oparty na wstępnej pompie, najczęściej standardowej obrotowej pompie łopatkowej. To usuwa większość gazu i zazwyczaj osiąga ciśnienie około 133 Pa. Późniejsze etapy mają swoją próżnię generowaną przez mocniejsze systemy próżniowe, najczęściej pompy turbomolekularne. Starsze instrumenty mogły wykorzystywać pompy dyfuzyjne oleju do obszarów o wysokiej próżni.
Optyka jonowa
Przed rozdziałem masy wiązka jonów dodatnich musi zostać wyekstrahowana z plazmy i skupiona w analizatorze masy. Ważne jest, aby oddzielić jony od fotonów UV, energetycznych neutralnych i wszelkich cząstek stałych, które mogły zostać przeniesione do instrumentu z ICP. Tradycyjnie instrumenty ICP-MS wykorzystywały w tym celu układy nadawczych soczewek jonowych. Przykłady obejmują soczewkę Einzel, soczewkę Barrel, soczewkę Omega firmy Agilent i Shadow Stop firmy Perkin-Elmer. Innym podejściem jest użycie przewodników jonowych (kwadrupoli, heksapoli lub oktopoli) do wprowadzenia jonów do analizatora masy wzdłuż ścieżki z dala od trajektorii fotonów lub cząstek obojętnych. Jeszcze innym podejściem jest opatentowany przez firmę Varian model ICP-MS ICP-MS pod kątem 90 stopni, który odbija paraboliczną optykę „Ion Mirror”, która, jak się twierdzi, zapewnia wydajniejszy transport jonów do analizatora masy, co skutkuje lepszą czułością i zmniejszonym tłem. Analytik Jena ICP-MS PQMS to najbardziej czuły instrument na rynku.
Sektor ICP-MS będzie zwykle miał cztery sekcje: obszar przyspieszenia ekstrakcji, soczewki sterujące, sektor elektrostatyczny i sektor magnetyczny. Pierwszy obszar pobiera jony z plazmy i przyspiesza je za pomocą wysokiego napięcia. Drugie zastosowania mogą wykorzystywać kombinację równoległych płytek, pierścieni, kwadrupoli, heksapoli i oktopoli do sterowania, kształtowania i skupiania wiązki tak, aby powstałe piki były symetryczne, płaskie i miały wysoką transmisję. Sektor elektrostatyczny może znajdować się przed lub za sektorem magnetycznym w zależności od konkretnego instrumentu i zmniejsza rozrzut energii kinetycznej wywołany przez plazmę. Ten rozrzut jest szczególnie duży w przypadku ICP-MS, ponieważ jest większy niż wyładowanie jarzeniowe i znacznie większy niż TIMS. Geometria instrumentu jest dobrana tak, że instrument połączony punkt ogniskowania sektorów elektrostatycznego i magnetycznego znajduje się na kolektorze, znanym jako podwójne ogniskowanie (lub podwójne ogniskowanie).
Jeśli masa będąca przedmiotem zainteresowania ma niską czułość i znajduje się tuż poniżej znacznie większego piku, ogon o małej masie z tego większego piku może wchodzić w masę będącą przedmiotem zainteresowania. Filtr opóźniający może być użyty do zmniejszenia tego ogona. Znajduje się w pobliżu kolektora i przykłada napięcie równe, ale przeciwne do napięcia przyspieszającego; wszelkie jony, które straciły energię podczas lotu wokół instrumentu, zostaną spowolnione przez filtr.
Ogniwo reakcji kolizyjnej i iCRC
Komórka kolizji/reakcji służy do usuwania zakłócających jonów poprzez reakcje jonowe/neutralne. Komórki kolizyjne/reakcyjne są znane pod kilkoma nazwami. Dynamiczna komórka reakcyjna znajduje się przed kwadrupolem w urządzeniu ICP-MS. Komora posiada kwadrupol i może być wypełniona gazami reakcyjnymi (lub kolizyjnymi) ( amoniak , metan , tlen lub wodór ), jednym rodzajem gazu na raz lub mieszaniną dwóch z nich, która reaguje z wprowadzaną próbką, eliminując część ingerencji.
Zintegrowana komórka reakcji kolizyjnej (iCRC) używana przez Analytik Jena ICP-MS to minikomórka kolizyjna zainstalowana przed optyką parabolicznego zwierciadła jonowego, która usuwa zakłócające jony poprzez wstrzykiwanie gazu kolizyjnego (He) lub gazu reaktywnego (H 2 ) lub ich mieszanina, bezpośrednio do plazmy, gdy przepływa ona przez stożek skimmera i/lub stożek próbnika. Projekt iCRC usuwał zakłócające jony, wykorzystując zjawisko kolizyjnej dyskryminacji energii kinetycznej (KED) i reakcje chemiczne z zakłócającymi jonami, podobnie jak w przypadku tradycyjnie stosowanych większych komórek zderzeniowych.
Rutynowa konserwacja
Podobnie jak w przypadku każdego oprzyrządowania lub sprzętu, istnieje wiele aspektów konserwacji, które muszą być objęte codziennymi, cotygodniowymi i rocznymi procedurami. Częstotliwość konserwacji jest zwykle określana przez objętość próbki i łączny czas pracy, którym poddawany jest przyrząd.
Jedną z pierwszych rzeczy, które należy wykonać przed kalibracją ICP-MS, jest sprawdzenie i optymalizacja czułości. Zapewnia to, że operator jest świadomy wszelkich możliwych problemów z przyrządem, a jeśli tak, może je rozwiązać przed rozpoczęciem kalibracji. Typowymi wskaźnikami czułości są poziomy rodu, stosunki cer/tlenek i ślepe próby z wodą DI.
Jedną z najczęstszych form rutynowej konserwacji jest wymiana rurek na próbkę i odpady w pompie perystaltycznej, ponieważ te rurki mogą się dość szybko zużyć, powodując dziury i zatkania w linii próbki, co skutkuje przekrzywionymi wynikami. Inne części, które będą wymagały regularnego czyszczenia i/lub wymiany, to końcówki próbek, końcówki nebulizatora, stożki próbki, stożki skimmera, rurki iniektorów, latarki i soczewki. Może być również konieczna wymiana oleju w pompie wstępnej interfejsu, a także w próżniowej pompie pomocniczej, w zależności od obciążenia urządzenia.
przygotowanie próbki
W przypadku większości metod klinicznych wykorzystujących ICP-MS istnieje stosunkowo prosty i szybki proces przygotowania próbki. Głównym składnikiem próbki jest wzorzec wewnętrzny, który służy również jako rozcieńczalnik. Ten wzorzec wewnętrzny składa się głównie z wody dejonizowanej z kwasem azotowym lub chlorowodorowym oraz indu i/lub galu. W zależności od rodzaju próbki, zwykle do probówki dodaje się 5 ml wzorca wewnętrznego wraz z 10–500 mikrolitrami próbki. Ta mieszanina jest następnie wirowana przez kilka sekund lub do momentu dobrego wymieszania, a następnie jest ładowana na tacę automatycznego podajnika próbek. W przypadku innych zastosowań, które mogą dotyczyć bardzo lepkich próbek lub próbek zawierających cząstki stałe, przed pipetowaniem i analizą może być konieczne przeprowadzenie procesu znanego jako roztwarzanie próbki. Dodaje to dodatkowy pierwszy krok do powyższego procesu, a zatem wydłuża czas przygotowania próbki.