Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou - Inductively coupled plasma mass spectrometry
 Nástroj ICP-MS
| |
| Akronym | ICP-MS |
|---|---|
| Klasifikace | Hmotnostní spektrometrie |
| Analyty | atomové a polyatomické druhy v plazmě, s výjimkami; obvykle interpretováno směrem ke koncentracím chemických prvků ve vzorku |
| Výrobci | Skyray , Agilent , Analytik Jena , Horiba (pouze ICP-OES), PerkinElmer , Shimadzu , Spectro , Thermo , GBC Scientific , Nu Instruments |
| Jiné techniky | |
| Příbuzný | Atomová emisní spektroskopie s indukčně vázanou plazmou |
| Děleno | Hmotnostní spektrometrie plazmatu s indukční vazbou s kapalinovou chromatografií (LC-ICP-MS), hmotnostní spektrometrie s plynovou chromatografií s indukčně spřaženou vazbou (GC-ICP-MS), hmotnostní spektrometrie s indukční vazbou s laserovou ablací (LA-ICP-MS) |
Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou ( ICP-MS ) je typ hmotnostní spektrometrie, která k indukci vzorku používá plazmu s indukčně vázanou vazbou . Atomizuje vzorek a vytváří atomové a malé polyatomické ionty , které jsou poté detekovány. Je známý a používán pro svou schopnost detekovat kovy a několik nekovů v kapalných vzorcích ve velmi nízkých koncentracích. Dokáže detekovat různé izotopy stejného prvku, což z něj činí univerzální nástroj v izotopovém označování .
Ve srovnání s atomovou absorpční spektroskopií má ICP-MS vyšší rychlost, přesnost a citlivost. Ve srovnání s jinými typy hmotnostní spektrometrie, jako je hmotnostní spektrometrie s tepelnou ionizací (TIMS) a hmotnostní spektrometrie se zářivým výbojem (GD-MS), však ICP-MS zavádí mnoho interferujících druhů: argon z plazmy, složkové plyny vzduchu, které prosakují skrz kuželové otvory a kontaminace ze skla a kuželů.
Komponenty
Indukčně vázaná plazma
S indukčně vázanou plazmou je plazma , která je pod proudem ( ionizované ) pomocí induktivně ohřev plynu s elektromagnetickou cívkou , a obsahuje dostatečné koncentraci iontů a elektronů , aby se plyn elektricky vodivý . Aby měl plyn vlastnosti plazmy, nemusí být ionizován celý plyn; I 1% ionizace vytváří plazmu. Plazmata použitá ve spektrochemické analýze jsou v podstatě elektricky neutrální, přičemž každý kladný náboj na iontu je vyvážen volným elektronem. V těchto plazmatech jsou kladné ionty téměř všechny jednotlivě nabité a existuje jen málo záporných iontů, takže v každé jednotce objemu plazmy je téměř stejné množství iontů a elektronů.
ICP mají dva provozní režimy, nazývané kapacitní (E) režim s nízkou plazmatickou hustotou a indukční (H) režim s vysokou plazmovou hustotou, a přechod z E do H režimu přechodu probíhá s externími vstupy. Indukčně vázaná plazmová hmotnostní spektrometrie je provozována v režimu H.
Díky tomu je indukční plazmatická hmotnostní spektrometrie (ICP-MS) jedinečná pro jiné formy anorganické hmotnostní spektrometrie, je její schopnost kontinuálně a bez přerušení vzorkovat analyt. To je v protikladu k jiným formám anorganické hmotnostní spektrometrie; Hmotnostní spektrometrie se zářivou výbojkou (GDMS) a termální ionizační hmotnostní spektrometrie (TIMS), které vyžadují dvoustupňový proces: Vložte vzorek (vzorky) do vakuové komory, uzavřete vakuovou komoru, odčerpejte vakuum, energizujte vzorek, čímž odešlete ionty do hmotnostního analyzátoru. S ICP-MS vzorek, který má být analyzován, sedí při atmosférickém tlaku. Efektivním využitím diferenciálního čerpání; více vakuových stupňů oddělených diferenciálními otvory (otvory) jsou ionty vytvořené v argonovém plazmatu pomocí různých technik elektrostatického zaostřování přenášeny přes hmotnostní analyzátor do detektorů a počítány. To nejen umožňuje analytikovi radikálně zvýšit propustnost vzorku (množství vzorků v čase), ale také umožnilo provádět to, čemu se říká „časově rozlišené získávání“. Dělené techniky jako Liquid Chromatography ICP-MS (LC-ICP-MS); Laserová ablace ICP-MS (LA-ICP-MS); Flow Injection ICP-MS (FIA-ICP-MS) atd. Těží z jedinečné kvality této technologie, která je sotva 35 let stará. Sílu časově rozlišené analýzy nelze přeceňovat. Stimuloval vývoj nových a vzrušujících nástrojů výzkumu tak rozmanitých, jako je geochemie a forenzní chemie; biochemie a oceánografie. Zvýšení propustnosti vzorků z desítek vzorků denně na stovky vzorků denně přineslo revoluci v environmentální analýze a snížení nákladů. V zásadě je to všechno způsobeno skutečností, že zatímco vzorek sedí na tlak prostředí, analyzátor a detektor mají při normálním provozu stejný tlak 1/10 000 000.
Indukčně vázaná plazma (ICP) pro spektrometrii je udržována v hořáku, který se skládá ze tří soustředných trubic, obvykle vyrobených z křemene , ačkoli vnitřní trubice (injektor) může být safírová, pokud se používá kyselina fluorovodíková. Konec tohoto hořáku je umístěn uvnitř indukční cívky napájené vysokofrekvenčním elektrickým proudem. Mezi obě krajní trubice hořáku je zaveden proud argonového plynu (obvykle 13 až 18 litrů za minutu) a na krátkou dobu je aplikována elektrická jiskra pro zavedení volných elektronů do proudu plynu. Tyto elektrony interagují s radiofrekvenčním magnetickým polem indukční cívky a jsou urychlovány nejprve v jednom směru, poté v druhém, protože pole se mění na vysoké frekvenci (obvykle 27,12 milionu cyklů za sekundu). Zrychlené elektrony se srazí s atomy argonu a někdy srážka způsobí, že se atom argonu rozdělí s jedním ze svých elektronů. Uvolněný elektron je zase urychlován rychle se měnícím magnetickým polem. Proces pokračuje, dokud není rychlost uvolňování nových elektronů při srážkách vyvážena rychlostí rekombinace elektronů s argonovými ionty (atomy, které ztratily elektron). To vytváří „ohnivou kouli“, která se skládá převážně z atomů argonu s poměrně malým podílem volných elektronů a argonových iontů. Teplota plazmatu je velmi vysoká, řádově 10 000 K. Plazma také produkuje ultrafialové světlo, takže z důvodu bezpečnosti by nemělo být na něj pohlíženo přímo.
ICP může být zadrženo v křemenném hořáku, protože tok plynu mezi dvěma krajními trubkami udržuje plazmu od stěn hořáku. Druhý tok argonu (přibližně 1 litr za minutu) se obvykle zavádí mezi centrální trubku a mezilehlou trubici, aby se plazma nedostala na konec centrální trubice. Třetí tok (opět obvykle kolem 1 litru za minutu) plynu je zaveden do centrální trubice hořáku. Tento proud plynu prochází středem plazmatu, kde vytváří kanál, který je chladnější než okolní plazma, ale stále mnohem teplejší než chemický plamen. Vzorky, které mají být analyzovány, jsou zavedeny do tohoto centrálního kanálu, obvykle jako mlha kapaliny vytvořená průchodem kapalného vzorku do nebulizátoru.
Aby se maximalizovala teplota plazmy (a tedy účinnost ionizace) a stabilita, měl by být vzorek zaveden do centrální zkumavky s co nejmenším množstvím kapaliny (množství rozpouštědla) as konzistentními velikostmi kapiček. Pro kapalné vzorky lze použít rozprašovač, poté rozprašovací komoru pro odstranění větších kapiček, nebo lze použít odpařovací rozprašovač k odpaření většiny rozpouštědla dříve, než dosáhne hořáku. Pevné vzorky lze také zavést pomocí laserové ablace. Vzorek vstupuje do centrálního kanálu ICP, odpařuje se, molekuly se rozpadají a poté se ionizují atomy složek. Při teplotách převládajících v plazmě je značná část atomů mnoha chemických prvků ionizována, přičemž každý atom ztrácí svůj nejvíce volně vázaný elektron za vzniku iontu s jediným nabitím. Teplota plazmy je zvolena tak, aby byla maximalizována účinnost ionizace pro prvky s vysokou první ionizační energií, a zároveň minimalizována druhá ionizace (dvojité nabíjení) pro prvky, které mají nízkou sekundovou ionizační energii.
Hmotnostní spektrometrie
Pro navázání na hmotnostní spektrometrii jsou ionty z plazmy extrahovány řadou kuželů do hmotnostního spektrometru, obvykle čtyřpólového . Ionty jsou separovány na základě poměru jejich hmotnosti k náboji a detektor přijímá iontový signál úměrný koncentraci.
Koncentraci vzorku lze určit kalibrací certifikovaným referenčním materiálem, jako jsou referenční standardy s jedním nebo více prvky. ICP-MS se také hodí ke kvantitativním stanovením pomocí ředění izotopů , jednobodové metody založené na izotopově obohaceném standardu.
Mezi další hmotnostní analyzátory připojené k systémům ICP patří systémy s magnetickým elektrostatickým sektorem s dvojitým zaostřováním s jednoduchým i vícenásobným kolektorem a systémy letových časů ( byly použity axiální i ortogonální urychlovače).
Aplikace
Jeden z největších objemů použití ICP-MS je v lékařské a forenzní oblasti, konkrétně v toxikologii. Lékař může objednat kovový test z mnoha důvodů, jako je podezření na otravu těžkými kovy, metabolické problémy a dokonce i hepatologické problémy. V závislosti na specifických parametrech jedinečných pro diagnostický plán každého pacienta se vzorky odebrané k analýze mohou pohybovat od plné krve, moči, plazmy, séra až po zabalené červené krvinky. Další primární využití tohoto nástroje spočívá v oblasti životního prostředí. Mezi takové aplikace patří testování vody pro obce nebo soukromé osoby až po analýzu půdy, vody a dalších materiálů pro průmyslové účely. Ve forenzní oblasti je sklo ICP-MS oblíbené pro analýzu skla. Stopové prvky na skle lze detekovat pomocí LA-ICP-MS. Stopové prvky ze skla lze použít k přiřazení vzorku nalezeného na místě činu k podezřelému.
V posledních letech představuje průmyslové a biologické monitorování další velkou potřebu analýzy kovů prostřednictvím ICP-MS. Jedinci pracující v továrnách, kde je expozice kovům pravděpodobná a nevyhnutelná, například v továrně na baterie, zaměstnavatel požaduje, aby jim byla pravidelně analyzována krev nebo moč na toxicitu kovů. Toto monitorování se stalo povinnou praxí implementovanou OSHA ve snaze chránit pracovníky před jejich pracovním prostředím a zajistit řádné střídání pracovních povinností (tj. Střídání zaměstnanců z pozice s vysokou expozicí do polohy s nízkou expozicí).
ICP-MS se také široce používá v geochemickém poli pro radiometrické datování, ve kterém se používá k analýze relativního množství různých izotopů, zejména uranu a olova. ICP-MS je pro tuto aplikaci vhodnější než dříve používaná hmotnostní spektrometrie s tepelnou ionizací , protože druhy s vysokou ionizační energií, jako je osmium a wolfram, lze snadno ionizovat. Pro práci s vysoce přesným poměrem se ke snížení efektového hluku na vypočtené poměry obvykle používají nástroje s více sběrači.
V oblasti průtokové cytometrie nová technika využívá ICP-MS k nahrazení tradičních fluorochromů . Stručně řečeno, místo značení protilátek (nebo jiných biologických sond) fluorochromy je každá protilátka značena odlišnými kombinacemi lanthanoidů . Když je požadovaný vzorek analyzován pomocí ICP-MS ve specializovaném průtokovém cytometru, každou protilátku lze identifikovat a kvantifikovat na základě odlišné „stopy“ ICP. Teoreticky lze tedy v různých buňkách analyzovat stovky různých biologických sond rychlostí přibližně. 1 000 buněk za sekundu. Protože prvky jsou v ICP-MS snadno rozlišitelné, je problém kompenzace v multiplexní průtokové cytometrii účinně eliminován.
Ve farmaceutickém průmyslu se ICP-MS používá k detekci anorganických nečistot ve farmaceutikách a jejich přísadách. Nové a snížené maximální povolené úrovně expozice těžkých kovů z dietních doplňků, zavedené v USP ( United States Pharmacopeia ) <232> Elementární nečistoty-limity a USP <233> Elementární nečistoty-postupy, zvýší potřebu technologie ICP-MS, kde dříve postačovaly jiné analytické metody. Laserová ablace s indukčně vázanou plazmovou hmotnostní spektrometrií (LA-ICP-MS) je výkonná technika pro elementární analýzu široké škály materiálů, se kterými se lze setkat při forenzní práci na případech. (LA-ICP-MS) již byl úspěšně aplikován na aplikace v kriminalistice, kovech, brýlích, půdách, automobilových barvách, kostech a zubech, tiskařských barvách, stopových prvcích, otiscích prstů a papíru. Mezi nimi vyniká analýza forenzního skla jako aplikace, pro kterou má tato technika velkou užitečnost. Nárazy a nájezdy aut, vloupání, útoky, střelby za volantem a bombardování, jako jsou tyto situace, mohou způsobit úlomky skla, které by mohly být použity jako důkaz asociace v podmínkách přenosu skla. LA-ICP-MS je považován za jednu z nejlepších technik pro analýzu skla díky krátké době přípravy vzorku a vzorku, malé velikosti vzorku menší než 250 nanogramů. Kromě toho není potřeba složitý postup a manipulace s nebezpečnými materiály, které se používají k trávení vzorků. To umožňuje detekovat hlavní, vedlejší a sledovací prvky s vysokou úrovní přesnosti a přesnosti. Existuje soubor vlastností, které se používají k měření vzorku skla, jako jsou fyzikální a optické vlastnosti, včetně barvy, tloušťky, hustoty, indexu lomu (RI) a v případě potřeby lze provést elementární analýzu za účelem zvýšení hodnoty asociace. . Cenné kriminalistické informace mohou poskytnout kosmetika, například rtěnka, získaná z místa činu. Rtěnka se rozmazává od nedopalků cigaret, skla, oblečení, ložního prádla; ubrousky, papír atd. mohou být cenným důkazem. Rtěnka získaná z oděvu nebo kůže může také naznačovat fyzický kontakt mezi jednotlivci. Forenzní analýza získaných důkazů o rozmazání rtěnky může poskytnout cenné informace o nedávných aktivitách oběti nebo podezřelého. K doplnění stávajících vizuálních srovnávacích postupů k určení značky a barvy rtěnky by mohla být použita stopová elementární analýza skvrn od rtěnky.
Hmotnostní spektrometrie s indukovanou vazbou jednotlivých částic (SP ICP-MS) byla navržena pro suspenze částic v roce 2000 Claude Degueldre. Tuto novou metodiku poprvé vyzkoušel na Forelově institutu Ženevské univerzity a tento nový analytický přístup představil na sympoziu „Colloid 2oo2“ během setkání EMRS na jaře 2002 a ve sborníku v roce 2003. Tato studie představuje teorii SP ICP-MS a výsledky testů provedených na částicích jílu (montmorillonit) a dalších suspenzích koloidů. Tato metoda byla poté testována na nanočásticích oxidu thoričitého od Degueldre & Favarger (2004), oxidu zirkoničitého od Degueldre et al (2004) a nanočástic zlata, které se používají jako substrát v nanofarmaci, a publikoval Degueldre et al (2006). Následně studium nanočástic a mikročástic oxidu uraničitého dalo vzniknout podrobné publikaci, Ref. Degueldre a kol. (2006). Od roku 2010 zájem o SP ICP-MS prudce vzrostl.
Předchozí forenzní techniky používané pro organickou analýzu rtěnek porovnáním složení zahrnují chromatografii na tenké vrstvě (TLC), plynovou chromatografii (GC) a vysoce výkonnou kapalinovou chromatografii (HPLC). Tyto metody poskytují užitečné informace týkající se identifikace rtěnek. Všechny však vyžadují dlouhou dobu přípravy vzorku a vzorek zničí. Mezi nedestruktivní techniky pro forenzní analýzu nátěrů z rtěnky patří pozorování UV fluorescence kombinované s plynovou chromatografií proplachováním a zachycováním, mikrospektrofotometrie a rastrovací elektronová mikroskopie-energeticky disperzní spektroskopie (SEM-EDS) a Ramanova spektroskopie.
Specifikace kovu
Rostoucí trend ve světě elementární analýzy se točí kolem speciace nebo stanovení oxidačního stavu určitých kovů, jako je chrom a arsen . Jednou z hlavních technik, jak toho dosáhnout, je oddělit chemické druhy pomocí vysoce účinné kapalinové chromatografie (HPLC) nebo frakcionace tokem pole (FFF) a poté změřit koncentrace pomocí ICP-MS.
Kvantifikace proteinů a biomolekul
Existuje rostoucí trend používání ICP-MS jako nástroje při speciační analýze, která obvykle zahrnuje separaci chromatografu na předním konci a elementární selektivní detektor , jako jsou AAS a ICP-MS. Například ICP-MS lze kombinovat s chromatografií vylučující velikost a kvantitativní preparativní nativní kontinuální polyakrylamidovou gelovou elektroforézou ( QPNC-PAGE ) pro identifikaci a kvantifikaci proteinů obsahujících kofaktor nativního kovu v biofluidech. Lze také analyzovat stav fosforylace proteinů.
V roce 2007 byl představen nový typ reagencií značkování proteinů nazývaný kovově kódované afinitní značky (MeCAT) pro kvantitativní značení proteinů kovy, zejména lanthanoidy. Značení MeCAT umožňuje relativní a absolutní kvantifikaci všech druhů proteinů nebo jiných biomolekul, jako jsou peptidy. MeCAT obsahuje skupinu značení biomolekul specifickou pro dané místo s alespoň silnou chelátovou skupinou, která váže kovy. Proteiny značené MeCAT lze přesně kvantifikovat pomocí ICP-MS až na nízké množství attomolu analytu, které je nejméně o 2–3 řády citlivější než jiné kvantifikační metody založené na hmotnostní spektrometrii. Zavedením několika značek MeCAT do biomolekuly a další optimalizací detekčních limitů LC-ICP-MS v rozsahu zeptomolu jsou v oblasti možností. Použitím různých lanthanoidů lze MeCAT multiplexování použít pro farmakokinetiku proteinů a peptidů nebo analýzu diferenciální exprese proteinů ( proteomika ), např. V biologických tekutinách. K oddělení proteinů značených MeCAT se používá rozbitná PAGE SDS-PAGE (DPAGE, rozpustná PAGE), dvojrozměrná gelová elektroforéza nebo chromatografie . Průtokovou injekční ICP-MS analýzu proteinových pásů nebo skvrn z DPAGE SDS-PAGE gelů lze snadno provést rozpuštěním DPAGE gelu po elektroforéze a barvení gelu. Proteiny značené MeCAT jsou identifikovány a relativně kvantifikovány na úrovni peptidů pomocí MALDI-MS nebo ESI-MS.
Elementární analýza
ICP-MS umožňuje stanovení prvků s atomovou hmotností v rozmezí 7 až 250 ( Li až U ) a někdy i vyšší. Některé hmoty jsou zakázány, například 40, kvůli množství argonu ve vzorku. Další blokované oblasti mohou zahrnovat hmotnost 80 (kvůli dimeru argonu) a hmotnost 56 (kvůli ArO), přičemž druhá z nich výrazně brání analýze Fe, pokud není přístrojové vybavení vybaveno reakční komorou. Takové interference lze omezit použitím ICP-MS s vysokým rozlišením (HR-ICP-MS), který používá dvě nebo více štěrbin ke zúžení paprsku a rozlišení mezi blízkými vrcholy. To je za cenu citlivosti. Například rozlišení železa od argonu vyžaduje rozlišovací schopnost přibližně 10 000, což může snížit citlivost železa přibližně o 99%.
Jediný kolektor ICP-MS může používat multiplikátor v režimu počítání impulzů k zesílení velmi nízkých signálů, zeslabovací mřížku nebo multiplikátor v analogovém režimu pro detekci středních signálů a Faradayův pohár/kbelík pro detekci větších signálů. Multi-collector ICP-MS může mít více než jeden z těchto, obvykle Faradayových kbelíků, které jsou mnohem levnější. S touto kombinací je možný dynamický rozsah 12 řádů, od 1 ppq do 100 ppm.
ICP-MS je metoda volby pro stanovení kadmia v biologických vzorcích.
Na rozdíl od atomové absorpční spektroskopie , která může měřit pouze jeden prvek najednou, ICP-MS má schopnost skenovat všechny prvky současně. To umožňuje rychlé zpracování vzorků. Simultánní ICP-MS, který dokáže v každé analýze zaznamenat celé analytické spektrum od lithia po uran, získal Stříbrnou cenu v roce 2010 za cenu Pittcon Editors 'Awards . ICP-MS může používat několik režimů skenování, z nichž každý nabízí jinou rovnováhu mezi rychlostí a přesností. Použití magnetu samotného ke skenování je pomalé, kvůli hysterezi, ale je přesné. Kromě magnetu lze ke zvýšení rychlosti použít i elektrostatické desky, což v kombinaci s více kolektory umožňuje skenování každého prvku od lithia 6 po oxid uraničitý 256 za méně než čtvrt sekundy. U nízkých detekčních limitů, interferujících druhů a vysoké přesnosti se doba počítání může podstatně prodloužit. Rychlé skenování, velký dynamický rozsah a velký hmotnostní rozsah se ideálně hodí pro měření více neznámých koncentrací a poměrů izotopů ve vzorcích, které měly minimální přípravu (výhoda oproti TIMS), například mořské vodě, moči a natrávených vzorcích celých hornin. Dobře se také hodí pro vzorky hornin odstraněné laserem, kde je rychlost skenování tak rychlá, že je možný graf libovolného počtu izotopů v reálném čase. To také umožňuje snadné prostorové mapování minerálních zrn.
Hardware
Pokud jde o vstup a výstup , přístroj ICP-MS spotřebovává připravený vzorek materiálu a převádí jej do hmotnostně spektrálních dat. Vlastní analytický postup nějakou dobu trvá; po této době lze přístroj přepnout na práci na dalším vzorku. Série takovýchto měření vzorků vyžaduje, aby přístroj zapálil plazmu, zatímco řada technických parametrů musí být stabilní, aby získané výsledky měly proveditelně přesnou a přesnou interpretaci. Udržování plazmy vyžaduje konstantní dodávku nosného plynu (obvykle čistého argonu) a zvýšenou spotřebu energie přístroje. Pokud tyto dodatečné provozní náklady nejsou považovány za oprávněné, lze plazmu a většinu pomocných systémů vypnout. V takovém pohotovostním režimu pracují pouze čerpadla, aby udrželi správné vakuum v hmotnostním spektrometru.
Složky nástroje ICP-MS jsou navrženy tak, aby umožňovaly reprodukovatelný a/nebo stabilní provoz.
Ukázkový úvod
Prvním krokem v analýze je zavedení vzorku. Toho bylo v ICP-MS dosaženo různými způsoby.
Nejběžnější metodou je použití analytických nebulizátorů . Nebulizátor přeměňuje kapaliny na aerosol a ten může být poté vmeten do plazmy za vzniku iontů. Nebulizátory fungují nejlépe s jednoduchými kapalnými vzorky (tj. Roztoky). Byly však případy jejich použití u složitějších materiálů, jako je kejda . K ICP-MS bylo připojeno mnoho druhů nebulizátorů, včetně typů pneumatických, příčných, Babingtonových, ultrazvukových a desolvatujících. Vytvořený aerosol je často zpracováván tak, aby byl omezen pouze na nejmenší kapičky, obvykle pomocí Peltierem chlazené dvouprůchodové nebo cyklonové stříkací komory. Použití automatických vzorkovačů to usnadňuje a zrychluje, zejména pro rutinní práci a velké množství vzorků. Může být také použit desolvatující rozprašovač (DSN); toto používá dlouhou zahřátou kapiláru potaženou fluoropolymerovou membránou k odstranění většiny rozpouštědla a snížení zátěže plazmatu. Zaváděcí systémy pro odstraňování matrice se někdy používají pro vzorky, jako je mořská voda, kde jsou sledované druhy na stopových úrovních a jsou obklopeny mnohem hojnějšími kontaminanty.
Laserová ablace je další metoda. I když byl v minulosti méně běžný, rychle se stal populárním, byl používán jako prostředek pro zavedení vzorku, díky zvýšené rychlosti skenování ICP-MS. Při této metodě je pulzní UV laser zaostřen na vzorek a vytváří oblak ablačního materiálu, který lze vmetat do plazmy. To umožňuje geochemikům prostorově mapovat složení izotopů v příčných řezech vzorků hornin, což je nástroj, který se ztratí, pokud je hornina trávena a zavedena jako kapalný vzorek. Lasery pro tento úkol jsou konstruovány tak, aby měly vysoce regulovatelné výkony a rovnoměrné radiální rozložení výkonu, aby vytvářely krátery s plochým dnem se zvoleným průměrem a hloubkou.
U laserové ablace i desolvatujících rozprašovačů může být do proudu argonu také zaveden malý proud dusíku. Dusík existuje jako dimer, má tedy více vibračních režimů a je účinnější při přijímání energie z RF cívky kolem hořáku.
Používají se také jiné způsoby zavádění vzorků. Elektrotermální vaporizace (ETV) a v vaporizaci hořáku (ITV) používají horké povrchy (obecně grafit nebo kov) k odpaření vzorků pro zavedení. Ty mohou používat velmi malá množství kapalin, pevných látek nebo kejdy. Jsou známy i jiné způsoby, jako je tvorba páry.
Plazmový hořák
Plazma používá v ICP-MS se provádí částečně ionizujícím argonu (Ar → Ar + + e - ). Energie potřebná pro tuto reakci se získává pulzováním střídavého elektrického proudu v cívce zátěže, která obklopuje plazmový hořák proudem argonového plynu.
Po vstříknutí vzorku extrémní teplota plazmy způsobí, že se vzorek rozdělí na jednotlivé atomy (atomizace). Plazma dále ionizuje tyto atomy (M → M + + e - ), takže je lze detekovat pomocí hmotnostního spektrometru.
Indukčně vázaná plazma (ICP) pro spektrometrii je udržována v hořáku, který se skládá ze tří soustředných trubic, obvykle vyrobených z křemene. Dva hlavní návrhy jsou pochodně Fassel a Greenfield. Konec tohoto hořáku je umístěn uvnitř indukční cívky napájené vysokofrekvenčním elektrickým proudem. Mezi obě krajní trubice hořáku je zaveden proud argonového plynu (obvykle 14 až 18 litrů za minutu) a na krátkou dobu je aplikována elektrická jiskra pro zavedení volných elektronů do proudu plynu. Tyto elektrony interagují s radiofrekvenčním magnetickým polem indukční cívky a jsou urychlovány nejprve v jednom směru, poté v druhém, protože pole se mění na vysoké frekvenci (obvykle 27,12 MHz nebo 40 MHz ). Zrychlené elektrony se srazí s atomy argonu a někdy srážka způsobí, že se atom argonu rozdělí s jedním ze svých elektronů. Uvolněný elektron je zase urychlován rychle se měnícím magnetickým polem. Proces pokračuje, dokud není rychlost uvolňování nových elektronů při srážkách vyvážena rychlostí rekombinace elektronů s argonovými ionty (atomy, které ztratily elektron). To vytváří „ohnivou kouli“, která se skládá převážně z atomů argonu s poměrně malým podílem volných elektronů a argonových iontů.
Výhoda argonu
Výroba plazmy z argonu místo jiných plynů má několik výhod. Za prvé, argon je hojný (v atmosféře v důsledku radioaktivního rozpadu draslíku ), a proto levnější než jiné vzácné plyny . Argon má také vyšší první ionizační potenciál než všechny ostatní prvky kromě He , F a Ne . Kvůli této vysoké ionizační energii je reakce (Ar + + e - → Ar) energeticky příznivější než reakce (M + + e - → M). Tím je zajištěno, že vzorek zůstane ionizovaný (jako M + ), aby jej hmotnostní spektrometr mohl detekovat.
Argon lze zakoupit pro použití s ICP-MS buď v chlazené kapalině, nebo v plynné formě. Je však důležité si uvědomit, že bez ohledu na formu nákupu argonu by měla mít zaručenou čistotu minimálně 99,9% argonu. Je důležité určit, který typ argonu bude pro konkrétní situaci nejvhodnější. Tekutý argon je obvykle levnější a může být skladován ve větším množství na rozdíl od plynné formy, která je dražší a zabírá více místa v nádrži. Pokud je nástroj v prostředí, kde se používá jen zřídka, bude nejvhodnější nákup argonu v plynném stavu, protože bude více než dostačovat pro menší doby chodu a plyn ve válci zůstane stabilní po delší dobu, zatímco kapalný argon utrpí ztrátu životního prostředí v důsledku odvětrání nádrže, pokud je skladován po delší časové období. Pokud má být ICP-MS používán rutinně a je v provozu osm nebo více hodin každý den několik dní v týdnu, bude nejvhodnější použít kapalný argon. Pokud má být delší dobu provozováno více přístrojů ICP-MS, pak bude pro laboratoř s největší pravděpodobností výhodné instalovat velkoobjemovou nebo mikroobjemovou argonovou nádrž, kterou bude udržovat společnost dodávající plyn, čímž se eliminuje potřeba často měnit tanky a také minimalizovat ztráty argonu, které zbývají v každé použité nádrži, a také prostoje pro výměnu nádrže.
Helium lze použít buď místo argonu, nebo jej smíchat s generátorem plazmy. Vyšší první ionizační energie helia umožňuje větší ionizaci a tím i vyšší citlivost těžko ionizovatelných prvků. Použití čistého hélia také zamezuje interferencím na bázi argonu, jako je ArO. Mnoho interferencí však lze zmírnit použitím kolizní cely a vyšší náklady na helium zabránily jeho použití v komerčních ICP-MS.
Přenos iontů do vakua
Nosný plyn je poslán centrálním kanálem a do velmi horké plazmy. Vzorek je poté vystaven radiové frekvenci, která převádí plyn na plazmu . Vysoká teplota plazmy je dostatečná k tomu, aby velmi velká část vzorku vytvořila ionty. Tato frakce ionizace se může u některých prvků (např. Sodíku) přiblížit na 100%, ale to závisí na ionizačním potenciálu. Část vytvořených iontů prochází otvorem ~ 1 mm (kužel vzorkovače) a poté otvorem ~ 0,4 mm (kužel skimmeru). Účelem je umožnit vakuum, které vyžaduje hmotnostní spektrometr .
Vakuum je vytvářeno a udržováno řadou čerpadel. První stupeň je obvykle založen na hrubovacím čerpadle, nejčastěji na standardním rotačním lopatkovém čerpadle. Tím se odstraní většina plynu a obvykle dosáhne tlaku kolem 133 Pa. V pozdějších fázích je jejich vakuum generováno výkonnějšími vakuovými systémy, nejčastěji turbomolekulárními čerpadly. Starší přístroje možná používaly olejová difúzní čerpadla pro oblasti s vysokým vakuem.
Iontová optika
Před separací hmoty musí být paprsek kladných iontů extrahován z plazmy a zaostřen do hmotnostního analyzátoru. Je důležité oddělit ionty od UV fotonů, energetických neutrálních látek a jakýchkoli pevných částic, které mohly být do přístroje přeneseny z ICP. Přístroje ICP-MS k tomuto účelu tradičně používají uspořádání přenosových iontových čoček. Mezi příklady patří čočka Einzel, čočka Barrel, čočka Agilent Omega a Shadow Stop společnosti Perkin-Elmer. Dalším přístupem je použití iontových průvodců (kvadrupólů, hexapolů nebo octopólů) k vedení iontů do hmotnostního analyzátoru po dráze vzdálené od trajektorie fotonů nebo neutrálních částic. Ještě další přístup je patentován společností Varian, kterou používá Analytik Jena ICP-MS 90 stupňů odrážející parabolickou optiku „Ion Mirror“, o nichž se tvrdí, že zajišťují účinnější transport iontů do hmotnostního analyzátoru, což má za následek lepší citlivost a snížení pozadí. Analytik Jena ICP-MS PQMS je nejcitlivějším nástrojem na trhu.
Sektorový ICP-MS bude mít obvykle čtyři sekce: oblast akcelerace extrakce, čočky řízení, elektrostatický sektor a magnetický sektor. První oblast odebírá ionty z plazmy a urychluje je pomocí vysokého napětí. Druhé použití může použít kombinaci rovnoběžných desek, prstenců, čtyřpólů, hexapolů a octopólů k řízení, tvarování a zaostřování paprsku tak, aby výsledné vrcholy byly symetrické, s plochým povrchem a s vysokým přenosem. Elektrostatický sektor může být před nebo za magnetickým sektorem v závislosti na konkrétním nástroji a snižuje šíření kinetické energie způsobené plazmatem. Toto rozpětí je obzvláště velké pro ICP-MS, je větší než Glow Discharge a mnohem větší než TIMS. Geometrie nástroje je zvolena tak, aby nástroj kombinovaný ohniskový bod elektrostatických a magnetických sektorů byl na kolektoru, známý jako Double Focussing (nebo Double Focussing).
Pokud má sledovaná hmotnost nízkou citlivost a je těsně pod mnohem větším vrcholem, může ocas s nízkou hmotností z tohoto většího píku zasahovat do sledované hmotnosti. Ke snížení tohoto ocasu může být použit retardační filtr. To sedí poblíž kolektoru a aplikuje napětí stejné, ale opačné než zrychlující napětí; všechny ionty, které při létání kolem nástroje ztratily energii, budou filtrem zpomaleny k odpočinku.
Kolizní reakční cela a iCRC
Kolizní/reakční buňka se používá k odstranění interferujících iontů prostřednictvím iontových/neutrálních reakcí. Kolizní/reakční buňky jsou známy pod několika názvy. Buňka dynamické reakce je umístěna před kvadrupólem v zařízení ICP-MS. Komora má kvadrupól a může být naplněna reakčními (nebo kolizními) plyny ( čpavek , metan , kyslík nebo vodík ), vždy s jedním typem plynu nebo směsí dvou z nich, která reaguje se zavedeným vzorkem a eliminuje některé rušení.
Integrovaná kolizní reakční buňka (iCRC) používaná Analytik Jena ICP-MS je mini kolizní buňka instalovaná před parabolickou iontovou zrcadlovou optikou, která odstraňuje interferující ionty vstřikováním kolizního plynu (He) nebo reaktivního plynu (H 2 ), nebo směs těchto dvou, přímo do plazmy, jak proudí skimmerovým kuželem a/nebo kuželem vzorkovače. ICRC odstranil rušivé ionty pomocí fenoménu kolizní diskriminace kinetické energie (KED) a chemických reakcí s interferujícími ionty podobně jako tradičně používané větší kolizní buňky.
Běžná údržba
Jako u všech přístrojů nebo zařízení existuje mnoho aspektů údržby, které je třeba zahrnout do denních, týdenních a ročních postupů. Četnost údržby je obvykle určena objemem vzorku a kumulativní dobou běhu, které je přístroj vystaven.
Jednou z prvních věcí, které by měly být provedeny před kalibrací ICP-MS, je kontrola citlivosti a optimalizace. Tím je zajištěno, že si operátor je vědom všech možných problémů s přístrojem, a pokud ano, může je vyřešit před zahájením kalibrace. Typickými indikátory citlivosti jsou hladiny rhodia, poměry cer/oxid a DI slepá voda.
Jednou z nejčastějších forem běžné údržby je výměna hadic na vzorky a odpad na peristaltickém čerpadle, protože tyto trubice se mohou poměrně rychle opotřebovat, což má za následek otvory a ucpání v potrubí na vzorky, což vede ke zkresleným výsledkům. Dalšími částmi, které budou vyžadovat pravidelné čištění a/nebo výměnu, jsou hroty na vzorky, špičky nebulizátoru, kužely na vzorky, kužely skimmeru, trubice vstřikovače, hořáky a čočky. V závislosti na pracovní zátěži nástroje může být také nutné vyměnit olej v hrubovacím čerpadle rozhraní a ve vakuovém pomocném čerpadle.
příprava vzorků
Pro většinu klinických metod využívajících ICP-MS existuje relativně jednoduchý a rychlý proces přípravy vzorku. Hlavní složkou vzorku je vnitřní standard, který také slouží jako ředidlo. Tento vnitřní standard sestává především z deionizované vody s kyselinou dusičnou nebo chlorovodíkovou a india a/nebo galia. V závislosti na typu vzorku se do zkumavky obvykle přidá 5 ml vnitřního standardu spolu s 10–500 mikrolitry vzorku. Tato směs se poté několik sekund víří nebo se dobře promíchá a poté se nanese na tácek automatického vzorkovače. U jiných aplikací, které mohou zahrnovat velmi viskózní vzorky nebo vzorky obsahující částice, může být před pipetováním a analýzou nutné provést proces známý jako štěpení vzorku. To přidává další první krok k výše uvedenému procesu, a proto je příprava vzorku delší.