Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-MS Viktor Kanický Laboratoř atomové spektrochemie Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita v Brně ICP-MS d Princip ICP iontového zdroje D Instrumentace D Analytické vlastnosti D Aplikace Instrumentace RF Generátor Zavádění vzorku IC? výboj Hmotnostní spektrometry Autosampler / PC Detektor Inductively Coupled Plasma Iniciace výboje Ionizace jiskroi Střední plazmový p 0-2 L/min Ar Analytická zóna Elektromagnetické pole 27 MHz, 40 MHz Indukční cívka 4 Výkon 1-2 kW Plazmová hlavice - křemen 3 koncentrické trubice Vnější plazmový p. 15 L/min Ar Nosný plyn s aerosolem 1 L/min Ar Princip indukčně vázaného plazmatu ICP O vysokofrekvenční generator 27 - 64 MHz O iniciace výboje jiskrou: ionizace - elektrony urychlovány elektromagnetickým polem O lavinovitá ionizace Ar + e~ -» Ar+ + 2 e- O indukční cívka, 3-5 závitu - primární vinutí transformátoru o elektrony v plazmatu - sekundární vinutí OICP - vnější plazmový plyn 12-15 L/min Ar o centrálně zaváděný nosný plyn s aerosolem 0.6 - 1 L/min Plazmové hlavice pro generovaní ICP A - argon/argonové plazma, B - argon/dusíkové plazma. Trubice: 1 - vnější (plazmová), 2 - prostřední, 3 - injektor. 4 - indukční cívka, 5 - chladicí voda. Konfigurační faktor plazmové hlavice = a/b, kde a je vnější průměr prostřední trubice, oje vnitřní průměr vnější (plazmové) trubice. Toky plynů: A:5 - vnější plazmový (8-15 l/min Ar), 6 - střední plazmový (0-1 l/min Ar), 7 - nosný (0,5-1,0 l/min Ar); B:5 - chladicí (15-20 l/min N2), 6 - plazmový (5-10 l/min Ar), 7 - nosný (1-3 l/min Ar); • I ' Vysokofrekvenční oscilátor ICP OSCILÁTOH zpětná vazba resonančnf obvod zesilovač ICP-MS Interface Plasma Spektrometr /^Násobič elektronu Iontové V VI cocky ZDE 3 ™ ICP hlavice Mlžná komora Hmotnostní filtr Turbo pumpa Turbo pumpa Mechan. pumpa RF generátor ICP-MS PC a řídící elektronika Zavádění vzorku do plazmatu Nejrozšířenější způsob - zmlžování *►[ Vzorek U Ť Nosný Ar Meinharduv koncentrický skleněný zmlžovač (CGN) Zavádění vzorku do plazmatu Pravoúhlý zmlžovač (CFN) Vzorek Zavaděni vzorku do plazmatu ICP Vzorek Nosný Ar Mlžná komora dle Scotta Odpad Tailflame Lateral viewing ionic lines atomic lines ^-Initial Radiation Zone ^-Preheating Zone Axial viewing Light passing to spectrometer Longer optical path J} 3-10x better limits of detection Fyzikální vlastnosti ICP o Anulární (toroidální) plazma o Indukční oblast (10 000 K), skin-efekt o Centrální analytický kanál (5000-6000 K) O Vysoká teplota a dostatečná doba pobytu vzorku v plazmatu (3 ms) => účinná atomizace o Vysoká koncentrace Ar+, Ar*, Arm => účinná ionizace/excitace (Ej(Ar)= 15.8 eV) O Vysoká koncentrace elektronů 1020-1021 m~3 (0.1% ionizace Ar)>>v plameni (1014-1017 m3) =i> malý vliv ionizace osnovy vzorku na posun ionizačních rovnováh Zóny centrálního (analytického) kanálu ICP * * AXIÁLNI POZOROVANÍ (OES) A ODBER IONTU (MS) Latcrální rozdělení Ar Laterální rozdělení Mn Preheating Zone - PHZ Initial Radiation Zone - IRZ Smer pozorovaní Normal Analytical Zone - NAZ JÉW. '. ..' ^^-^^^^w xKti Tailflame T AXIÁLNI POZOROVANÍ Excitační a ionizační procesy v ICP • Ar+ + X -> Ar + X+* ± A E přenos náboje • Arm + X ^> Ar + X+* Penninguv efekt #e_ + X -» e" + e" + X+ srážková ionizace *e_ + X -» e- + X* srážková excitace (X - atom analytu) supratermícka koncentrace X+* a X+ preferenční excitace iontových čar Ionizace v ICP • Ionizační rovnováha je popsána Sáhovou rovnicí K - nine _ í 27trrLkT A 3/2 ion V h J 2^ exp r \ v kT ion / kde Za a Z) jsou partiční funkce atomových a iontových stavů, n„ ne a /70 jsou koncentrace iontů, elektronů a neutrálních atomů, me -hmotnost elektronu, Tjon - ionizační teplota a E j ionizační energie. Stupeň ionizace je definován «.. = (nrne)lna = KM ne+(ni'ne)lna ne+K a = na+nt M Závislost stupně ionizace na ionizační energii 100 80 60 40 20 0 cio mm^ 90o/o 0 0 0) 0 0 00 ne= 1.475x1014cnr3 Tion (Ar) =6680 K ------- ------------------------<30- — 50% 0 0 Ar 3 __oď>rvvi_________ 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Ionizační energie (eV) Závislost stupně ionizace na ionizační energii El. E i (eV) alfa (%) El. E i (eV) alfa (%) El. Ei (eV) alfa (%) Cs 3.894 99.980 Bi 7.289 94.140 Te 9.009 66.740 Rb 4.177 99.980 Sn 7.344 96.720 Au 9.225 48.870 K 4.341 99.970 Ru 7.370 96.990 Be 9.332 75.360 Na 5.139 99.910 Pb 7.416 97.930 Zn 9.394 74.500 Ba 5.212 99.960 Mn 7.435 97.100 Se 9.752 30.530 Li 5.392 99.850 Rh 7.460 95.870 As 9.810 48.870 La 5.577 99.910 Ag 7.576 94.450 S 10.360 11.470 Sr 5.695 99.920 Ni 7.635 92.550 Hg 10.437 32.310i In 5.786 99.420 Mg 7.646 98.250 I 10.451 24.650 AI 5.986 98.920 Cu 7.726 91.590 P 10.486 28.790 Ga 5.990 99.000 Co 7.860 94.830 Rn 10.748 35.740 TI 6.108 99.380 Fe 7.870 96.770 C 11.260 3.451 Ca 6.113 99.860 Re 7.880 94.540 Br 11.814 3.183 Y 6.380 98.990 Ta 7.890 96.040 Xe 12.130 5.039 Sc 6.540 99.710 Ge 7.899 91.640 Cl 12.967 0.459 V 6.740 99.230 W 7.980 94.860 O 13.618 0.042 Cr 6.766 98.890 Si 8.151 87.900 Kr 13.999 0.226 Ti 6.820 99.490 B 8.298 62.030 N 14.534 0.042 Zr 6.840 99.310 Pd 8.340 94.210 Ar 15.759 0.013 Nb 6.880 98.940 Sb 8.461 81.070 F 17.422 0.00019 Hf 7.000 98.890 Os 8.700 79.960 Ne 21.563 0.00001 Mo 7.099 98.540 Cd 8.993 85.430 He 24.587 1.01E-09 Ionizace v IC? výboji > Ionizace v Ar ICP je v určována Ell(Ar)=15.76 eV > Kromě F, Ne a He mají všechny prvky Eu< 16 eV =^>ICP produkuje ionty X+ pro všechny zájmové prvky >87 prvku ze 103 má E,^ 10 e V a tedy a > 50% >69 prvku ze 103 má E,!< 8 eV a tedy a > 95 (90)% >S výjimkou Ca, V, Sr, Y, Zr, Sn, Ba, Pb a lanthanoídu jsou ionizační energie do 2. stupně El2 > 16 eV; tvorba X2+ je významná pouze v případě Sr, Ba (Pb) Výhody ICP jako ionizačního zdroje d ICP ionizuje téměř všechny prvky pouze do 1. stupně a polovina prvku periodické soustavy je ionizována téměř na 100% d ICP je současně účinným atomizačním zdrojem d Ionty zůstávají vymezeny v centrálním kanálu výboje, což usnadňuje jejich vzorkování do MS Proč ICP-MS ? d ICP-OES má některé nedostatky: > Některé prvky ( např. Cd, Pb, U, As, Se) nemají dostatečně nízké meze detekce pro stanovení jejich (i celkových) obsahu. > Meze detekce většiny prvku jsou příliš vysoké pro použití ICP-OES jako prvkově specifického detektoru pro separační techniky (HPLC, GC, CZE) včetně speciace chemických forem > Technika ICP-OES je zatížena četnými spektrálními interferencemi, zejména v případě osnovy, jako je U, W, Fe, Co,... foeze detekce v ICP-OES/MS Technika ICP-AES ICP - MS Zmlžovaný roztok 1 ng mľ1 1 |ag m ľ1 Signál ( pulsy s~1) 6x106 fotonů /s 106-107iontů/s Pozadí ( pulsy s_1) 6x 104 fotonů/s 10 iontů /s Šum pozadí (s1) Nb 6x 102 fotonů/s 1 ion/s S/Nb 104 106-107 Meze detekce 0,1 ^g I-1 < ng I-1 Historie □ 1964 - S. Greenfield, Ar/N2 ICP-OES □ 1965 - Wendt a V. Fassel, Ar/Ar ICP-OES □ 1974 - A. Gray, ARL, DCP vzorkovaní do MS □ 1976 - SCIEX Inc., výzkum MIP □ 1978 - R.S.Houk & Fassel na Iowa State University, ionty z ICP poprvé zachyceny v MS □ 1979 - Gray z ARL přichází na Iowa State Univ. □ 1980 - Gray se vrací do U.K., Univ. of Surrey a společně s A. Date (Brit. 6eol. Survey): první konstrukce ICP-MS D 1981- Douglas & French vyvinuli první prakticky použitelný interface pro přestup iontu z ICP za atmosférického tlaku do MS (vakuum) Historie D 1983 - SCIEX na Pittsburgh Conference: první komerční ICP-MS: ELAN 250 (kvadrupól) D 1989 - V G Elemental uvádí VG PlasmaTrace™, první ICP-MS s vysokým rozlišením D 1994: VG Elemental uvádí VG Plasma 54, první ICP- MS s hmotnostním analyzátorem s magnetickým sektorem pro měření izotopových poměru. D Ročně se prodá celosvětově 450 - 500 ICP-MS Výrobci d Kvadrupólový filtr o Agilent (HP) o Micromass o Perkin-Elmer-Sciex o Spectro Analytical o TJA Solutions (VG) o Varian o Japonsko (Seiko, Shimadzu, Hitachi) ICP-foS d Sektorové analyzátory o Finnigem o JEOL o Micromass o Nu Instruments o TJA Solutions d Průletové analyzátory o GBC ICP-MS Interface Plasma Spektrometr Násobič elektronu Hmotnostní filtr J Iontové V VI cocky Mlžná ICP hlavice komora Turbo pumpa Turbo pumpa Mechan. pumpa RF generátor ICP-MS PC a řídící elektronika Specifikace ICP-MS d Spojení (Interface) zdroje ICP a hmotnostního spektrometru musí vykonávat následující funkce a splňovat tyto požadavky: ■Vzorkovat Ionty v místě jejich vzniku, tj. v ICP. ■Převést Ionty z oblasti atmosférického tlaku do vakua. ■Snížit teplotu z 6000 K na laboratorní teplotu. ■Zachovat stechiometrii analytö při transportu iontů. sampler skimmer ooo Sampling depth Xe *m Dvoustupňový interface d Zajišťuje přestup iontů vznikajících za atmosférického tlalcu pri vysoké teplotě do vakua při laboratorní teplotě. d 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, ti. 102 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. d 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 d 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. Muže být zhotoven podobně jako sampler z Ni, AI, Cu, Pt nebo z nerez, oceli a má životnost nejméně rok. d 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 ton\ 10"3 až 10"4 Pa). Za turbomolekulární pumpu je zařazována obvykle ještě rotační olejová pumpa. Poloha skímmeru d Při expanzi plynu/plazmatu do vakua (102 Pa), se paprsek šíří nadzvukovou rychlostí (Mach 10) a plazma se ochlazuje. d Vznik Machova disku ve vzdálenosti XM: XM = 0.67 Do (P0/Pi)1/2 d Poloha skímmeru vzhledem k Machovu disku: XE = 2/3 XM což je 6 - 10 mm. Vznik Machova disku fo l*r Machův disk s Problém parazitního obloukového výboje D ICP vykazuje vůči zemi napětí 100-300 V (kapacitní pole), které muže způsobit vznik obloukového výboje mezi ICP a samplerem s následkem eroze sampleru a produkce fotonu. D Uzemnení cívky: ■ na sampler ■ cívka se středním vývodem Uzemnení cívky I HT Iontová optika D 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. D Je třeba odstranit fotony, aby nevyvolávaly parazitní signál na detektoru.Toto řeší iontová optika. Různé typy iontové optiky _l___I__Li I i ~i—r -r* j____i____L PE ľ Varian i—i—r i i I i i J_____I_____L i—i—r VG QT1 □D □ TJA J_ _L _L T" ~~r ~r Spectro Photon stop: Bessel box ionty + fotony Príklad interface: clona Zarážka fotonů V VI V VI V VI cocky cocky cocky + + kolekce V6PQ3 0.8 mbar/ 1.8 mbar extrakce Analyzátory pro ICP-MS d Statické analyzátory: analyzátory sektorové = současně disperse a zaostření (hranol + čočka). ■ 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 a Dynamické analyzátory: ■ stabilní dráhy iontu m/z mezi zdrojem a detektorem je dosaženo s využitím radiofrekvenčního pole (kvadrupólový filtr) ■ rozdělení iontu 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. D Kvadrupólový filtr (QMS) D Sektorový analyzátor (SFMS), single a multicollector D Průletový analyzátor (TOF-MS) D Iontová past (IT-MS) Rozlišovací sc (resolving p M ower) R= M AM AM se men pri 50% nebo 10% maximálni intenzity piku Praktická rozl MS QMS SFMS IT-MS TOF-MS HR QMS FT-ICR išovací schopnost Rozlišovací schopnost 0.3 uma 300 - 20000 1400 1600 9000 Kvadrupólový spektrometr U + V0 cos cot -U + V0 cos cot ■8 CN CD CN C« Stabilítní diagram ixi nu ww i q ME! [I 2eVrf 2 2 mco r skenovfací přímka: a 2U V iira mm m: i Nier-Johnson electrostatický sektor magnetický sektor Zaostření dle energie Zaostření m/z ionty Dvojitá fokusace HR Axiom ICP-MS: E + B Detekční systém Finnigem Element: B + E Rozlišovací Nízká ] [ 400 schopnost Vvsoka i ii i I Z3 I —I JL 10 000 Propustnost vs rozlišovací schopnost (Axiom) 2000 4000 6000 8000 10000 Rozlišovací schopnost (RP) Separace FeVArO osta display Hie Analysis jdEntification VA r .sooo t& W U' i|y \Ál &>. ÍL Ľ£ l£ľ liľ o O O g ,F?5Ě 6000 5000 | 4000" 3000" 4,150 Rp Fe 56 2000" 1000 0" Í5SÉ 55.S H. -N 55.Ě4 Siffi ^ í? Mass (amu) 55.Í7 ^ Separace BaOVEiT Data display - D:\vg\axiom\DATA\1ppb Eu in 5%Ba File Analysis Identification ľžra ,8000 ĽA tú M \kn 1 M •> LA k LA fr l£' |£_u "O !Z O 8 V) Q_ O O 1000" 900" 800" 700 600" 500" 400" 300" 200 100" 0" >10,000 RP 1ppb Eu, 5ppm Ba 15S Sií» ifiik ______________Mass (amu) Eu153 Eu153 ILU ÍS3 1^234 lií Mattauch - Herzog electrostatický ohnisková rovina sektor Multíkolektor Zoom Faraday cups electron multiplier TOF-MS s ortogonální extrakcí repelling plate © © © 0© . !"©©! k© !©_©J ©© ©© ©© o© 0© ion extraction tube (L: |engtn) detector ©- ©- acceleration zone (U: acceleration voltage) slit ©- ICP-TOF-MS HF generator ion optics reflectron •*~>\ l ion gate ./ detector Torch extraction TCP time-of-flight MS (GBC) Schema orthogonalního uspořádní RF Generator Gas Control Unit Peristaltic Pump RfrPlasma Impedance Maching Network Thiee Cone Beam Forming Inerface Optics c □ □ □ □ □ □ □ □ -□- n □ □ □ □ □ □ □ Q -i Liner Pre-amp notary \acuum Pump ■ ^^^ ^^^ ^^^& RENAISSANCE ICP-TOF-MS ^°^ axial extraction RENAISSANCE ICP-TOF-MS 30000 spcktcr/s => modulace 3-^0 odběr 12 a/s odběr 12 a/s rejection Simultánně vzorkované plazma Segment 12 j/s urychlený pro separaci TOF rejection rejection UHU 38 //s HUH 38 //s unii 38 //s RENAISSANCE TOF ICP-MS repelling gate for unwanted ions, e.g. Ar-based ions 3 '^s time-of-flight tube T.R.I.P. "Transverse Rejected Ion Pulse" «ftp r i OT ~ L H 2 H O -n c* i c RENAISSANCE ICP-TOF-MS^°^ resolution in the low mass range : 24Mg+ and 25Mg+ m 24Mg+ Am = 0.073 amu rTHTTvri-n-n-nil III1111 ITT-fwvfVfvrLnfWT mi! 11 pi ■ ■ ■ ri.JT-TH ■ ■ nin.Ljii-i.^ RENAISSANCE ICP-TOF-MS resolution in the mid mass range : 137Ba+ and 138Ba+ 3 '^s W 137Ba+ Am = 0.312 amu iTThTTrn m/z RENAISSANCE ICP-TOF-MS Resolution in the high mass range : 207Pb+ and 208Pb+ 3 '^s 1-1 ■-i 207Pb r - 1- Am10o/o = 0.432 amu _ m-n-n-n-rriT ThrTfTTTfTTTfrrrTTfT Uta m/z RENAISSANCE ICP-TOF-MS ETV Transient by TOF-ICP-MS: 10 [iL 1 ppb solution Cs 3 '^s 32 32.5 33 33.5 time [sec] 34 34.5 Analytické vlastnosti D Spektra/molekulární ionty D Dynamický rozsah d Tolerovaní koncentrace solí D Přesnost určení izotopových pomeru D Správnost/izotopové ředění D Meze detekce D Aplikace SPEKTRÁLNI INTERFERENCE > Izobarické překryvy I Interferent analyt korekce 48Ccr 48TT 44Ca+ 58pe+ 58Nľ 56pe+ 64Nľ 64Zn+ 60N|+ >Isobarické překryvy II D Prvky tvořící stabilní oxidy : Ca, Ti, Cr, Sr, Zr, Mo, Nb, Ba, Ce, La, Pr, Nd, Srn, Eu, &á, Ďy, Tb, Er, Ho, Yb, Trn, Hf, Lu, Ta, W, Th, U. D Prvky tvořící 2x nabité ionty : Ca, Se, Ti, Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Srn, Eu, &á, Tb, Ďy, Ho, Er, Trn, yb, Lu, Th, U. > Překryvy iontu oxidu Izotop (%) Interferent Analyt 46Ti( 7,99) 46Tj 160+ 62Ni+ 47Ti( 7,32) 47Tj160+ 63Cu+ 48Ti(73,98) 48Tj160+ 64Zn+ 49Ti( 5,46) 49Tj 160+ 65Cu+ 50Ti( 5,25) 50Tj 160+ 66Zn+ >Překryvy iontu oxidu, hydroxidu a iontu X2+ Izotop Interferent Rušený izotop m (Ba) (%) Ion m/z výskyt (%) 130 0,101 Ba2+ 65 Cu+ (30,9) 138 71,66 Ba2+ 69 Ga+ (60,2) 136 7,81 Ba160+ 152 Sm+ (26,6) 137 11,32 Ba160+ 153 Eu+ (52,2) 135 6,59 Ba16OH+ 152 Sm+ (26,6) 136 7,81 Ba16OH+ 153 Eu+ (52,2) Ďalší polyatomícke interference d Ar: monomer a dimer, kombinace mezi izotopy 36,38 0 40. D voda: O, OH, kombinace s Ar D vzduch: N2/ N2H, N D kyseliny, CI, S, kombinace s Ar, O, H D Další specie. >Překryvy polyatomických iontů Interference pozadí: argon, voda, kyseliny Ion (%) H20/5%HN03 5% H2SO4 5% HCl 28Si+ 92,21 14N14N, 12C160+ 31p+ 100 14N16OH+ 32S + 95,02 160160+ 35C|+ 75,77 16018OH+ 34SH+ 39K+ 93,08 38ArH+ 40Ca+ 96,97 40Ar+ 45Sc+ 100 12C16016OH+ 48Tj+ 51V+ 73,98 99,76 34S14N+ 35cľ6o+ 37cľV 52Cr+ 83,76 40Ar12c+ 36Ar160+ 36S160+ 35CI16OH+ 55Mn+ 100 40Ar14NH+ 56Fe+ 91,66 40Ar16O+ 64Zn+ 48,89 32s16o16o+ 69Ga+ 60,16 37cľ6o16o+ 75As+ 100 40Ar35c|+ 79Br+ 50,54 38Ar40ArH+ 80Se+ 49,82 40Ar40Ar+ 32s16o16o16o+ Isobarické interference - Ar miz molekulové ionty analyt 40 Ar Ca 42 ArH2 Ca 52 ArC Cr 54 ArN Fe,Cr 55 ArNH Mn 56 ArO Fe 57 ArOH Fe 75 ArCI As 77 ArCI Se 80 ArAr Se 91 ArOCI Zr 93 ArOCI Nb Spektraini překryvy - Se isotopy Se zastoupení (%) překryv 74Se 0.89 36Ar38Ar 76Se 9.36 38Ar38Ar/36Ar40Ar 77Se 7.63 40Ar37CI 78Se 23.78 38Ar40Ar 80Se 49.61 40Ar40Ar 82Se 8.73 82Kr/81Br1H Potlačení spektrálních interferencí D Použitím lepšího rozlišení d Použitím « cold » podmínek v ICP pro snížení tvorby iontů s argonem. D Použitím reakČní/kolizní cely pro disociaci/odstranení rušících iontů 40Ar16O+ vs 56Fe+ D Cold plasma: Snížení tvorby Ar+ a tedy i ArO* D High resolution: Separace píku ArO* and Fe+ D Reakce v plynné fázi/kolize v cele: ArO* + NH3 -> ArO + NH3+ >Rozlišení polyatomických interferencí Analyt Interferent Požadované rozlišení 56Fe+ 40Ar160+ 2500 28Si+ 14N2+ 960 32S+ 1602+ 1800 51V+ 35C|16q+ 2570 52Cr+ 40Ar12C+ 2370 80Se+ 40Ar2+ 9640 39K+ 38 a 1 ■ i+ Ar H 5700 40Ca+ 40Ar+ 199000 75As+ 40Ar35 C|+ 8000 Podmínky „studeného (cold, cool)" ICP D Nízký příkon, vysoký průtok nosného plynu. D Vhodné pro roztoky s malým obsahem rozpuštěných látek. D Eliminuje interference Ar*, ArO+, ArH+, ArCľ, Ar O, Cz\ D Zvyšuje úroveň MO+ z <1% až r\a >20%. D Významné matrix efekty (nerobustní podmínky v ICP). /lO Separace signálu ana I y tu a interferentu Quadrupole ICP-MS High Resolution ICP-MS 56Fe/ArO ArN/54Fe AMU nlllllli .llllll lili.......Ill, .llllllll Uli ..illlllli. .illlllllil ArOH/ 57Fe 52 53 54 55 56 5 "7" 58 56 Fe ArO Fe 56 li. .il 55.92 55.93 55.94 55.95 55.96 55.97 15.96 555 Reakční/kolízni cely D Reakce v rf-kvadrupólové cele (ĎRC, dynamic reaction cell, PE 6100), D Kolize v rf- rf-hexapólové cele (Mícromass Platform, TJ A ExCelI). ELAN 6100ĎRC prefilter , ^ ^ mass analyzer detector ' vent sampler skimmer reaction cell |ens --. Courtesyof S. Tanner Kolizní cela, Mícromass Platform He, H2/ Xe intermediate ion lens I lO"4 mban ♦pre-ti Iters Li exit lens v conversion dynode —v-/— hexapole i V 250 L/s Turbo pump 70 L/s Turbo pump V quadrupole Z 10"5 mbar Ďaly PMT 70 L/S Turbo pump /ran JW/45,14(1999)1067 Selektivita reakce: 40Ar16O+ and 56Fe+ d ArO+ + NH3 -> ArO + NH3+ s rychlostní konstantou 1.4 x 10-9 cm-3 s_1. d Fe+ + NH3 -> Fe + NH3+ s rychlostní konstantou 0.91 x 10-11 cm-3 s_1. d Reakce je tedy selektivní. Meze detekce pro 56Fe+ jako funkce průtoku NH3 v reakční cele (S. Tanner) a. o. c o o a> •t-> a> Q NH3flow/(ml_/min) Dynamický rozsah d Zvýšení dynamického rozsahu kombinací Čítání pulsů a analogového měření. d Použití dvoustupňového elektronového násobiče. Príklad dynamického rozsahu (Elan 6100) 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 (0 g- 1.E+06 f 1.E+05 c | 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.00E-04 1.00E-02 1.00E+00 1.00E+02 1.00E+04 1.00E+06 Concentration, |jg/L Použitelné koncentrace rozpuštěného vzorku d Prakticky použitelné limitní koncentrace ■ 0.1% AICI3 ■ 0.3% NaCI ■ 207o ve vodě rozpustné organiky d Postupné blokování kónusů způsobuje drift; lze jej ovlivnit: ■ Minimalizovat vhodnou délkou proplachu zmlžovače ■ Kompenzovat porovnávacím prvkem ■ Eliminovat použitím Flow injection 10 Isotopové poměry D QMS je sekvenční, kdežtoTOF-MS a multikolector SFMS jsou simultánní. D Nejlepší %RSĎ: ■ ICP-QMS: < 0.1% ■ ICP-TOFMS: < 0.1% ■ ICP-MC-SFMS: < 0.01% Meze detekce ~^m 0.0001 0.001 0.01 0.1 ng/mL pro Fe ICP-SFMS ICP-QMS (cold) ICP-QMS ICP-TOFMS GF-AAS ICP-AES + USN + ax. ICP-AES + PN Meze detekce (jLxg/L) pro Ni 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 ng/mL ICP-SFMS ICP-QMS ICP-TOFMS GF-AAS ICP-AES + USN + ax. ICP-AES + PN 10 100 Meze detekce ()ug/L) pro Pb ^ ICP-SFMS ICP-QMS ICP-TOFMS GF-AAS ICP-AES + USN + ax ICP-AES + PN 0.0001 0.001 0.01 0.1 10 100 ng/mL Trend meze detekce U (ng/L) s vývojem nových technik O) 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 # $ # s" ^° ^> ■ faktor ztráty atomů analytu 107 až 108, m.d. = 107 -108 atomů □Zvýšení účinnosti využití vzorku: ^laserová ablace in situ, 103x zvýšení signálu, [3] ^elektrotermická vaporizace ^ultrazvukový zmlžovač ^pneumat. zmlžovač, průtoky jlxI min-1(„starvation") ^izolované kapky [4], suchý monodispersní aerosol [5] [3] Liu, X. R., Horlick, G., Spectrochim. Acta, Part B, 1995, 50, 537. [4] Bastiaans, G. J., Hieftje, G. M., Anal. Chem., 1994, 45,1973. [5] Olesik, J. W., Hobbs, S. E., Anal. Chem., 1994, 66, 3371. A sample LA-ICP-MS TCP ICP-MS Ar 0,7 1/min ablation cell NchYAG laser Excimer lase positioning x-y Zhodnocení instrumentace D ICP-QMS je „workhorse": spolehlivý, relativně levný, víceúčelový, cold plasma, kolizní / reakční cela. D ICP-SFMS: ■ Při nízkém RP: bezkonkurenční LOO ■ Při vysokém RP: řešení polyatomických interferencí ■ multikolektor: nejpřesnější izotopové poměry. D ICP-TOFMS: ideální pro transientní signály. ICP-MS: prvkově selektivní detektor □Ideální analyzátor: maximum informací o vzorku - speciace: oxidační číslo stupeň komplexace počet a typ asociovaných atomů typ chemické vazby prostorové rozložení atomů izotopové složení nanotechnologie - charakterizace individuálních atomu >Hieftje, G. M., J. Anal. At Spectrom., 1996, 11, 613 >Hieftje, G. M., Plenární přednáška, 1996 Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Fort Lauderdale, FL, USA, 8.1.-13.1., 1996. Speciace prvků pomocí ICP-MS Aplikace ICP-MS v analýze vzorků životního prostředí a v biologických materiálech Prvková analýza • Prvková analýza znamená 7i ověření přítomnosti prvku (analýza kvalitativní) 7i stanovení obsahu prvku (analýza kvantitativní) 7i identifikaci struktury (analýza strukturní) 7i identifikaci sloučeniny, v níž je prvek obsažen (speciace) • tzv. „WHOWHO analysis" 7i what (qualitative) 7i how much (quantitative) 7i where (structure) 7i how bound (spec ration) • Cílem je nalezení vztahu mezi složením a vlastnostmi látek Speciace prvku • Stanovení celkového obsahu kovů (fg) -standardní možnosti anorganické prvkové analýzy: ti úroveň pozadí Pt v krvi ti Au v mořské vodě 7i 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 • Celkové obsahy kovu - spektroskopické metody - specie způsobují nekvantitativní výsledky některých metod: ti Roztokové metody - chování volných iontů jiné než vázaných ti Elektrotermická atomizace pro AAS -nejednotné vypaření v atomizátoru 7i Excitace/ionizace v plameni závisí r\a specii • Specie je nositelem informace o biodostupnosti =^> toxicita a esencialita (chemie ZP, pracovní lékařství, eko- a klinická toxikologie, potraviny, farmacie, energetika) ôpeciační analýza kovů a metaloidö -předřazení separace vlastní detekci (AS nebo MS). On-line spojení separační techniky s vysokým rozlišením s prvkově specifickou detekcí ti Chromatograf ie ti Elektrof oréza 7i Frakcionace 7i Atomová absorpční spektrometrie ti Atomová emisní spektrometrie 7i Plazmová hmotnostní spektrometrie • Kořeny speciační analýzy 7i Biochemie-úč inky esenciálních prvků (kovů) ve spojení s určitými ligandy 7i Ekologické katastrofy: Biomethylace rtuti: otrava rybami, 50 mrtvých, Japonsko, Minamata Butylcín z nátěrů lodních trupů: vyhynutí ústřic, pobřeží jižní Francie Tetraalkylolovo ve Středozemním moři: havárie M/S Cavtat 7i Vývoj instrumentace: GC s prvkově selektivní detekcí v 60. letech: MIP-OES pro stanovení organicky vázané síry a halogenů ti Termín „speciace"zavedl i spektroskopiste: hledání „nových" analytů jako východisko z neuspokojivě malého počtu prvků periodického systému © Speciace prvků 7 Proč? 7\ Co? 71 Kde? TlJak? Proč speciace? Hodnocení rizik v životním prostředí Ekotoxikologie Potravinářský průmysl Hygiena a zdraví v pracovním prostředí Klinická chemie a medicína Promyslová analýza 1. Hodnocení rizik v životním prostředí 7i Monitorování složek životního prostředí (vzduch, voda, půdy, sedimenty, biota) z hlediska antropogenního znečištění toxickými speciemi: Organoolovem z dříve používaného benzínu ^Organocínem z nátěrů lodních trupů ^Toxickými redoxními stavy některých iontů: Cr(VT), Sb(III) s produkty biometylace kovů (Hg, As, Se) 7i Studium biogeochemických procesů, mechanismů transportu a interakcí org. látek s ionty kovů pro účely řízení skládek odpadů a remediace půd 2. Ekotoxikologie 7i Sledování esenciálních (Zn, Cu) a toxických (Cd, Hg, As) prvků a jejich specií, zejména metalothioneinů 7iMetylace rtuti 7i Tvorba arsenobetainu a arsenocukru v mořské fauně 3. Potravinářský průmysl 7i Kontaminace potravin Hg, Sr\, Pb: s Ustrice a škeble organicky vázaným cínem s Ryby organicky vázanou rtutí s Vína alkylolovem z provozu motorových vozidel Legislativní opatření r\a základě speciace: ryby, měkkýši a víno jsou významne komodity. 7i Arsen - v potravinách obsažen převážně ve formě netoxického arsenobetainu 7i Arsen v aditivech v krmivech pro zvířata 7i Organicky vázaný cm se uvolňuje z obalového materiálu PVC Biologická dostupnost Cu, Fe, Se z výživových zdrojů závisí r\a jejich speciaci Hygiena a zdraví v pracovním prostredí 7i Toxicita prvku závisí na jeho chemické formě 7i Identifikace těkavých forem a vdechnutelných částic 7i Příklad sledovaného parametru v průmyslové hygieně: Cr(VI) v prachových částicích při svařování oceli Studium kinetiky vylučování stopových prvků 5. Klinická chemie a medicína 7i Nejslibnější obor pro speciační analýzu 7i Metaloproteiny (regulace, ukládání, katalýza, transport): Ferritin (Fe, Cu, Zn), ß-amylaza (Cu), anhydraza kys. uhličité (Cu, Zn), alkohoídehydrogenáza (Cd, Zn) ^Oxidační stavy těchto prvků Esenciální prvky v materském mléce a v syntetické výživě 7i Terapeutické preparáty: Tc-merkaptoacetyl glycin pro zobrazování (ledviny, srdce, mozek, rakovina) ^Cytostatika: r\a bázi Pt, Au: cis-platina, auranof in ^Antiarthritika: Au: aurithiomalat, aurothioglukóza 71 Doplňky Stravy: kontrola Co, Cr, Fe, Se, Zn Dialýza: Al, Cr nečistoty, vázané r\a malé molekuly 6. Průmyslová analýza ti Prvořadý zájem o ■/geometaloporfyriny 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 ti Analytická kontrola uvolňování organických sloučenin cínu, které se používají jako: s katalyzátory při výrobě farmak •S stabilizátory při výrobe polymerů. 71 Definice cílových specií je problematická, napr. rtuť v biologických materiálech: Hg2+ a CH3Hg+ jsou různé kationty, ale oba se mohou vázat v kovalentních sloučeninách a tvořit koordinační sloučeniny s aminokyselinami prostřednictvím -SH skupin, vázat se na cystein v metalothioneinech 7i Termodynamická stabilita 7i Kinetiká 7i Výpočty s využitím rovnovážných konstant Speáace - jak? 7i Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) 7i Dostatečně nízká mez detekce 7i Speciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt., XPS, ESR, MS a MS/MS mají v přítomnosti matrice reálných vzorků nedostatečné meze detekce Nespecifické detektory separačních technik (UV, FIĎ) mají malou citlivost a velký šum Prvkově selektivní detektory ICP-OES/MS 7i Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) ti Dostatečně nízká mez detekce 7iSpeciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt., XPS, ESR, MS a MS/MS selhávají při stanovení ultrastop v reálné matrici