Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-MS Viktor Kanický Laboratoř atomové spektrochemie Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita v Brně 7. Škola hmotnostní spektrometrie ICP-MS o Princip ICP iontového zdroje o Instrumentace o Analytické vlastnosti o Aplikace Instrumentace Princip indukčně vázaného plazmatu ICP m vysokofrekvenční generator 27 - 64 MHz m iniciace výboje jiskrou: ionizace -- elektrony urychlovány elektromagnetickým polem m lavinovitá ionizace Ar + e^- (r) Ar^+ + 2 e^- m indukční cívka, 3-5 závitů - primární vinutí transformátoru m elektrony v plazmatu -- sekundární vinutí m ICP -- vnější plazmový plyn 12-15 L/min Ar m centrálně zaváděný nosný plyn s aerosolem 0.6 - 1 L/min ICP-MS Zavádění vzorku do plazmatu Zavádění vzorku do plazmatu Zavádění vzorku do plazmatu Fyzikální vlastnosti ICP m Anulární (toroidální) plazma m Indukční oblast (10 000 K), skin-efekt m Centrální analytický kanál (5000-6000 K) m Vysoká teplota a dostatečná doba pobytu vzorku v plazmatu (3 ms) TH účinná atomizace m Vysoká koncentrace Ar^+, Ar^*, Ar^m TH účinná ionizace/excitace (E[i(Ar)]= 15.8 eV) m Vysoká koncentrace elektronů 10^20-10^21 m^-3 (0.1% ionizace Ar)>>v plameni (10^14-10^17 m^-3) TH malý vliv ionizace osnovy vzorku na posun ionizačních rovnováh Zóny centrálního (analytického) kanálu ICP Ionizace v ICP l Ionizační rovnováha je popsána Sahovou rovnicí Závislost stupně ionizace na ionizační energii Závislost stupně ionizace na ionizační energii Ionizace v ICP výboji O/ Ionizace v Ar ICP je v určována E[i1](Ar)=15.76 eV O/ Kromě F, Ne a He mají všechny prvky E[i1]< 16 eV TH ICP produkuje ionty X^+ pro všechny zájmové prvky O/ 87 prvků ze 103 má E[i1]< 10 eV a tedy a > 50% O/ 69 prvků ze 103 má E[i1]< 8 eV a tedy a > 95 (90)% O/ S výjimkou Ca, V, Sr, Y, Zr, Sn, Ba, Pb a lanthanoidů jsou ionizační energie do 2. stupně E[i2] > 16 eV; tvorba X^2+ je významná pouze v případě Sr, Ba (Pb) Výhody ICP jako ionizačního zdroje o ICP ionizuje téměř všechny prvky pouze do 1. stupně a polovina prvků periodické soustavy je ionizována téměř na 100% o ICP je současně účinným atomizačním zdrojem o Ionty zůstávají vymezeny v centrálním kanálu výboje, což usnadňuje jejich vzorkování do MS Proč ICP-MS ? o ICP-OES má některé nedostatky: 3 Některé prvky ( např. Cd, Pb, U, As, Se) nemají dostatečně nízké meze detekce pro stanovení jejich (i celkových) obsahů. 3 Meze detekce většiny prvků jsou příliš vysoké pro použití ICP-OES jako prvkově specifického detektoru pro separační techniky (HPLC, GC, CZE) včetně speciace chemických forem 3 Technika ICP-OES je zatížena četnými spektrálními interferencemi, zejména v případě osnovy, jako je U, W, Fe, Co,... Meze detekce v ICP-OES/MS Historie q 1964 -- S. Greenfield, Ar/N[2] ICP-OES q 1965 - Wendt a V. Fassel, Ar/Ar ICP-OES q 1974 -- A. Gray, ARL, DCP vzorkování do MS q 1976 - SCIEX Inc., výzkum MIP q 1978 -- R.S.Houk & Fassel na Iowa State University, ionty z ICP poprvé zachyceny v MS q 1979 - Gray z ARL přichází na Iowa State Univ. q 1980 - Gray se vrací do U.K., Univ. of Surrey a společně s A. Date (Brit. Geol. Survey): první konstrukce ICP-MS o 1981- Douglas & French vyvinuli první prakticky použitelný interface pro přestup iontů z ICP za atmosférického tlaku do MS (vakuum) Historie o 1983 - SCIEX na Pittsburgh Conference: první komerční ICP-MS: ELAN 250 (kvadrupól) o 1989 - VG Elemental uvádí VG PlasmaTrace(TM), první ICP-MS s vysokým rozlišením o 1994: VG Elemental uvádí VG Plasma 54, první ICP- MS s hmotnostním analyzátorem s magnetickým sektorem pro měření izotopových poměrů. o Ročně se prodá celosvětově 450 -- 500 ICP-MS Výrobci ICP-MS o Kvadrupólový filtr 3 Agilent (HP) 3 Micromass 3 Perkin-Elmer-Sciex 3 Spectro Analytical 3 TJA Solutions (VG) 3 Varian 3 Japonsko (Seiko, Shimadzu, Hitachi) o Sektorové analyzátory 3 Finnigan 3 JEOL 3 Micromass 3 Nu Instruments 3 TJA Solutions o Průletové analyzátory 3 GBC 3 Leco ICP-MS Specifikace ICP-MS o Spojení (interface) zdroje ICP a hmotnostního spektrometru musí vykonávat následující funkce a splňovat tyto požadavky: 3 Vzorkovat ionty v místě jejich vzniku, tj. v ICP. 3 Převést ionty z oblasti atmosférického tlaku do vakua. 3 Snížit teplotu z 6000 K na laboratorní teplotu. 3 Zachovat stechiometrii analytů při transportu iontů. Dvoustupňový interface o Zajišťuje přestup iontů vznikajících za atmosférického tlaku při vysoké teplotě do vakua při laboratorní teplotě. o Interface zahrnuje prostor mezi ICP a MS vymezený dvěma kovovými kuželovými clonami, v němž je udržován mechanickou vakuovou pumpou tlak 1 až 2,5 torr, tj. 10^2 Pa (1. stupeň) a dále prostor za vnitřní kuželovou clonou před iontovou optikou (2. stupeň), kde klesá tlak na 10^-4 torr (10^-2 Pa) čerpáním olejovou difusní nebo turbomolekulární pumpou. o Vnější kužel (sampling cone, sampler, extraction cone) je vnořen do ICP a odebírá z kanálu v oblasti NAZ ionty. Průměr otvoru je cca 1 mm. Vzdálenost mezi otvorem a indukční cívkou se nazývá hloubka vzorkování (sampling depth) a je obdobou výšky pozorování u ICP-OES. Zde vstupuje iontový paprsek, který dále expanduje nadzvukovou rychlostí. Materiál sampleru je Ni,Cu, Pt; chlazení vodou, životnost 2 měsíce. Dvoustupňový interface o Vnitřní kužel (skimmer) je umístěn 2-10 mm za vnějším kuželem. Průměr otvoru je 0.4-0.9 mm. Mezi clonami je udržován tlak 133 Pa (1 torr). Tento kužel vzorkuje nadzvukový proud plynu vznikající při expanzi za sampling cone. Skimmer propustí do spektrometru cca 1% vzorku. Může být zhotoven podobně jako sampler z Ni, Al, Cu, Pt nebo z nerez. oceli a má životnost nejméně rok. o Skimmer je oddělen od vlastního spektrometru clonou většího průměru, která odděluje prostor za skimmerem (10^-4 torr, 10^-2 Pa) od prostoru s iontovou optikou (10^-5 až 10^--6 torr, 10^-3 až 10^-4 Pa). Za turbomolekulární pumpu je zařazována obvykle ještě rotační olejová pumpa. Poloha skimmeru o Při expanzi plynu/plazmatu do vakua (10^2 Pa), se paprsek šíří nadzvukovou rychlostí (Mach 10) a plazma se ochlazuje. o Vznik Machova disku ve vzdálenosti X[M]: X[M] = 0.67 D[0] (P[0]/P[1])^1/2 o Poloha skimmeru vzhledem k Machovu disku: X[E] = 2/3 X[M] což je 6 - 10 mm. Problém parazitního obloukového výboje o ICP vykazuje vůči zemi napětí 100-300 V (kapacitní pole), které může způsobit vznik obloukového výboje mezi ICP a samplerem s následkem eroze sampleru a produkce fotonů. o Uzemnění cívky: 3 na sampler 3 cívka se středním vývodem Iontová optika o Paprsek vystupující ze skimmeru je divergentní (space charge effect). Před vstupem paprsku do vlastního spektrometru je třeba vytvořit kolineární paprsek, jehož ionty mají energii v úzkém pásmu. o Je třeba odstranit fotony, aby nevyvolávaly parazitní signál na detektoru.Toto řeší iontová optika. Příklad interface: VG PQ3 Analyzátory pro ICP-MS o Statické analyzátory: analyzátory sektorové = současně disperse a zaostření (hranol + čočka). 3 Ionty zvoleného poměru m/z jsou přivedeny na centrální dráhu kombinací statických polí -- použití zejména pro * spektrometrii vysokého rozlišení (s dvojí fokusací) * měření izotopových poměrů o Dynamické analyzátory: 3 stabilní dráhy iontu m/z mezi zdrojem a detektorem je dosaženo s využitím radiofrekvenčního pole (kvadrupólový filtr) 3 rozdělení iontů podle m/z se určí z doby letu mezi zdrojem a detektorem (analyzátor z doby letu) MS používané s ICP zdrojem Tytéž systémy jako pro org. analýzu, jen rozsah hmotností je < 300 amu. o Kvadrupólový filtr (QMS) o Sektorový analyzátor (SFMS), single a multicollector o Průletový analyzátor (TOF-MS) o Iontová past (IT-MS) Rozlišovací schopnost (resolving power) Praktická rozlišovací schopnost Kvadrupólový spektrometr Nier-Johnson HR Axiom ICP-MS: E + B Finnigan Element: B + E Propustnost vs rozlišovací schopnost (Axiom) Separace Fe^+/ArO^+ Separace BaO^+/Eu^+ Mattauch-Herzog RENAISSANCE ICP-TOF-MS RENAISSANCE ICP-TOF-MS RENAISSANCE TOF ICP-MS repelling gate for unwanted ions, e.g. Ar-based ions RENAISSANCE TOF ICP-MS RENAISSANCE ICP-TOF-MS resolution in the low mass range : ^24Mg^+ and ^25Mg^+ RENAISSANCE ICP-TOF-MS resolution in the mid mass range : ^137Ba^+ and ^138Ba^+ RENAISSANCE ICP-TOF-MS Resolution in the high mass range : ^207Pb^+ and ^208Pb^+ Analytické vlastnosti o Spektra/molekulární ionty o Dynamický rozsah o Tolerovaní koncentrace solí o Přesnost určení izotopových poměrů o Správnost/izotopové ředění o Meze detekce o Aplikace O/Isobarické překryvy II o Prvky tvořící stabilní oxidy : Ca, Ti, Cr, Sr, Zr, Mo, Nb, Ba, Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Tb, Er, Ho, Yb, Tm, Hf, Lu, Ta, W, Th, U. o Prvky tvořící 2x nabité ionty : Ca, Sc, Ti, Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U. O/Překryvy iontů oxidů ^O/Překryvy iontů oxidů, hydroxidů a iontů X^2+ Další polyatomické interference o Ar: monomer a dimer, kombinace mezi izotopy 36, 38 a 40. o voda: O, OH, kombinace s Ar o vzduch: N[2], N[2]H, N o kyseliny, Cl, S, kombinace s Ar, O, H o Další specie. Isobarické interference - Ar Spektrální překryvy - Se Potlačení spektrálních interferencí o Použitím lepšího rozlišení o Použitím >> cold << podmínek v ICP pro snížení tvorby iontů s argonem. o Použitím reakční/kolizní cely pro disociaci/odstranění rušících iontů ^40Ar^16O^+ vs ^56Fe^+ o Cold plasma: Snížení tvorby Ar^+ a tedy i ArO^+ o High resolution: Separace píků ArO^+ and Fe^+ o Reakce v plynné fázi/kolize v cele: ArO^+ + NH[3] (r) ArO + NH[3]^+ O/Rozlišení polyatomických interferencí Podmínky "studeného (cold, cool)" ICP o Nízký příkon, vysoký průtok nosného plynu. o Vhodné pro roztoky s malým obsahem rozpuštěných látek. o Eliminuje interference Ar^+, ArO^+, ArH^+, ArCl^+, ArC^+, C[2]^+. o Zvyšuje úroveň MO^+ z <1% až na >20%. o Významné matrix efekty (nerobustní podmínky v ICP). Separace signálů analytu a interferentu Reakční/kolizní cely o Reakce v rf-kvadrupólové cele (DRC, dynamic reaction cell, PE 6100), o Kolize v rf- rf-hexapólové cele (Micromass Platform, TJA ExCell). ELAN 6100DRC Selektivita reakce: ^40Ar^16O^+ and ^56Fe^+ o ArO^+ + NH[3] (r) ArO + NH[3]^+ s rychlostní konstantou 1.4 ´ 10^-9 cm^-3 s^-1. o Fe^+ + NH[3] (r) Fe + NH[3]^+ s rychlostní konstantou 0.91 ´ 10^-11 cm^-3 s^-1. o Reakce je tedy selektivní. Dynamický rozsah o Zvýšení dynamického rozsahu kombinací čítání pulsů a analogového měření. o Použití dvoustupňového elektronového násobiče. Příklad dynamického rozsahu (Elan 6100) Použitelné koncentrace rozpuštěného vzorku o Prakticky použitelné limitní koncentrace 3 0.1% AlCl[3 ]3 0.3% NaCl 3 20% ve vodě rozpustné organiky o Postupné blokování konusů způsobuje drift; lze jej ovlivnit: 3 Minimalizovat vhodnou délkou proplachu zmlžovače 3 Kompenzovat porovnávacím prvkem 3 Eliminovat použitím Flow injection Isotopové poměry o QMS je sekvenční, kdežtoTOF-MS a multikolector SFMS jsou simultánní. o Nejlepší %RSD: 3 ICP-QMS: < 0.1% 3 ICP-TOFMS: < 0.1% 3 ICP-MC-SFMS: < 0.01% Meze detekce (mg/L) pro Fe Meze detekce (mg/L) pro Ni Meze detekce (mg/L) pro Pb Trend meze detekce U (ng/L) s vývojem nových technik Zhodnocení instrumentace o ICP-QMS je "workhorse": spolehlivý, relativně levný, víceúčelový, cold plasma, kolizní / reakční cela. o ICP-SFMS: 3 Při nízkém RP: bezkonkurenční LOD 3 Při vysokém RP: řešení polyatomických interferencí 3 multikolektor: nejpřesnější izotopové poměry. o ICP-TOFMS: ideální pro transientní signály. ICP-MS: prvkově selektivní detektor Speciace prvků pomocí ICP-MS Aplikace ICP-MS v analýze vzorků životního prostředí a v biologických materiálech Prvková analýza l Prvková analýza znamená ä ověření přítomnosti prvku (analýza kvalitativní) ä stanovení obsahu prvku (analýza kvantitativní) ä identifikaci struktury (analýza strukturní) ä identifikaci sloučeniny, v níž je prvek obsažen (speciace) l tzv. "WHOWHO analysis" ä what (qualitative) ä how much (quantitative) ä where (structure) ä how bound (speciation) l Cílem je nalezení vztahu mezi složením a vlastnostmi látek Speciace prvků Stanovení celkového obsahu kovů (fg) -- standardní možnosti anorganické prvkové analýzy: ä úroveň pozadí Pt v krvi ä Au v mořské vodě ä Pb z doby před 2000 lety v arktickém ledu a sněhu Realita -- nikoli volné ionty, ale součást specií, které vystupují v biochemických a geochemických procesech Speciační analýza kovů a metaloidů -- předřazení separace vlastní detekci (AS nebo MS). On-line spojení separační techniky s vysokým rozlišením s prvkově specifickou detekcí Speciace prvků Proč speciace? *Hodnocení rizik v životním prostředí ä Monitorování složek životního prostředí (vzduch, voda, půdy, sedimenty, biota) z hlediska antropogenního znečištění toxickými speciemi: üOrganoolovem z dříve používaného benzínu üOrganocínem z nátěrů lodních trupů üToxickými redoxními stavy některých iontů: Cr(VI), Sb(III) ü produkty biometylace kovů (Hg, As, Se) ä Studium biogeochemických procesů, mechanismů transportu a interakcí org. látek s ionty kovů pro účely řízení skládek odpadů a remediace půd *Ekotoxikologie ä Sledování esenciálních (Zn, Cu) a toxických (Cd, Hg, As) prvků a jejich specií, zejména metalothioneinů ä Metylace rtuti ä Tvorba arsenobetainu a arsenocukrů v mořské fauně *Potravinářský průmysl ä Kontaminace potravin Hg, Sn, Pb: ü Ústřice a škeble organicky vázaným cínem ü Ryby organicky vázanou rtutí ü Vína alkylolovem z provozu motorových vozidel Legislativní opatření na základě speciace: ryby, měkkýši a víno jsou významné komodity. ä Arsen -- v potravinách obsažen převážně ve formě netoxického arsenobetainu ä Arsen v aditivech v krmivech pro zvířata ä Organicky vázaný cín se uvolňuje z obalového materiálu PVC ä Biologická dostupnost Cu, Fe, Se z výživových zdrojů závisí na jejich speciaci *Hygiena a zdraví v pracovním prostředí ä Toxicita prvku závisí na jeho chemické formě ä Identifikace těkavých forem a vdechnutelných částic ä Příklad sledovaného parametru v průmyslové hygieně: Cr(VI) v prachových částicích při svařování oceli ä Studium kinetiky vylučování stopových prvků *Klinická chemie a medicína ä Nejslibnější obor pro speciační analýzu ä Metaloproteiny (regulace, ukládání, katalýza, transport): ü Ferritin (Fe, Cu, Zn), ß-amyláza (Cu), anhydráza kys. uhličité (Cu, Zn), alkoholdehydrogenáza (Cd, Zn) ü Oxidační stavy těchto prvků ä Esenciální prvky v mateřském mléce a v syntetické výživě ä Terapeutické preparáty: ü Tc-merkaptoacetyl glycin pro zobrazování (ledviny, srdce, mozek, rakovina) ü Cytostatika: na bázi Pt, Au: cis-platina, auranofin ü Antiarthritika: Au: aurithiomalat, aurothioglukóza ä Doplňky stravy: kontrola Co, Cr, Fe, Se, Zn ä Dialýza: Al, Cr nečistoty, vázané na malé molekuly *Průmyslová analýza ä Prvořadý zájem o ügeometaloporfyriny obsahující Fe, V, Co a Ni, jejichž chování je při destilaci a rafinaci ropy podstatně odlišné od chování jednoduchých anorganických iontů těchto prvků, což zvyšuje riziko otravy katalyzátorů ä Analytická kontrola uvolňování organických sloučenin cínu, které se používají jako: ü katalyzátory při výrobě farmak ü stabilizátory při výrobě polymerů. Speciace -- jak? ä Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) ä Dostatečně nízká mez detekce ä Speciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt., XPS, ESR, MS a MS/MS mají v přítomnosti matrice reálných vzorků nedostatečné meze detekce ä Nespecifické detektory separačních technik (UV, FID) mají malou citlivost a velký šum Prvkově selektivní detektory ICP-OES/MS ä Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) ä Dostatečně nízká mez detekce ä Speciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt., XPS, ESR, MS a MS/MS selhávají při stanovení ultrastop v reálné matrici Děkuji Vám za pozornost Market: Element (Finnigan) Market: Perkin-Elmer Prostorové rozdělení emise v ICP Common molecular overlaps (with Cl) Cold plasma sensitivity on ^56Fe^+ (HP 4500) Energetická bilance ICP ü Do plazmové hlavice 75 % energie z generátoru. ü 25 % je rozptýleno v podobě tepla v obvodech oscilátoru a v indukční cívce. ü Bilance příkonu do plazmové hlavice je 0,75 P[g] = P[t] = P[p] + P[s] + P[c] + P[w] ü Pg -- příkon generátoru 1000 W ü Pt -- příkon do plazmové hlavice 750 W ü P[p ] -- příkon na udržení kinetické teploty plynu 3500 K [ü ] (65 W) a na spojité záření plazmatu (25 W) ü P[s ] -- odpaření, disociace, atomizace, ionizace a [ü ] excitace: 25 W vodné roztoky, 2OO W org. roz. [ü ] P[c ] -- konvekce proudem Ar, ü P[w] -- kondukce stěnou hlavice ü Teoreticky postačuje výkon generátoru 150-400 W