TRENDY V ICP-MS Vítězslav Otruba KOMBINOVANÉ TECHNIKY LA-ICP-MS VG-ICP-MS GC-ICP-MS LC-ICP-MS CE-ICP-MS 2010prof.Otruba 2 LASEROVÁ LOKÁLNÍ PRVKOVÁ ANALÝZA UVOLNĚNÍ ATOMŮ ZE VZORKU ODPAŘENÍM LASEROVÝM PAPRSKEM  Výhody  Eliminace rozkladu pevných vzorků pro ICP  Eliminace vody a kyselin (zdroj spektrálních interferencí v ICP-MS)  Univerzální: interakce laserového záření s elektricky vodivými i nevodivými materiály  Nedestruktivní: odpaření materiálu z plochy od 10 µm2 do 1mm2 (podle zaostření) a do hloubky cca 0,1µm/laserový puls  Lokální analýza: zaostření na jediné místo  Mapování: pohyb paprsku nebo vzorku (xy)  Určení změny složení vzorku s hloubkou: hloubkové profily (osa z) 2010prof.Otruba 3 LASEROVÁ ABLACE – LASER ABLATION 2010 4 prof.Otruba INSTRUMENTACE LA-ICP SPEKTROMETRIE 2010 5 prof.Otruba VLIV DÉLKY PULSU  při kratších pulsech snižování tavení a napařování materiálu, minimalizace frakcionace selektivním vypařováním z taveniny  menší energie mikroplazmatu – snižování atomizace materiálu ablatovaného ze vzorku 2010 6 prof.Otruba K. Niemax, Laser ablation – reflection on a very complex technique for solid sampling, Fresenius J. Anal. Chem. (2001) 370:332-340) VLIV MATRICE VZORKU ABLACE KALCITU 2010 7 prof.Otruba Islandský kalcit Pulleniatina obliquiloculata S. Eggins et al. / Earth and Planetary Science Letters 212 (2003) 291-306 LA-ICP-MS INSTRUMENTACE 2010 8 prof.Otruba Nd:YAG laser UP-213 (New Wave Research)  213 nm  frekvence: 1-20 Hz  délka pulzu: 4.2 ns  spot size 4-300 µm ICP-MS Agilent 7500ce  generátor: 27.12 MHz  kvadrupólový hmotnostní analyzátor  detektor: elektronový násobič MAPOVÁNÍ POVRCHŮ 2010 9 prof.Otruba stanovení nehomogenit v keramických materiálech stanovení nehomogenit v kovech prostorové rozložení prvků v geologických materiálech, půdách, keramice, popílcích…. Denis Menut, Pascal Fichet, Jean-Luc Lacour, Annie Rivoallan, and Patrick Mauchien 20 October 2003 Vol. 42, No. 30 APPLIED OPTICS HLOUBKOVÝ PROFIL – KERAMICKÉ DLAŽDICE 2010 10 prof.Otruba Image de coup en transvers – backscaterred electrons substrat engobe glaçure substrat engobe glaçure Photo microscope HLOUBKOVÝ PROFIL - KERAMICKÁ DLAŽDICE 0 0.3 0.6 0.9 1.2 0 200 400 600 Depth /um I/Imax Fe260/Si Pb220/Si Zr275/Si Fe260 Pb220 Zr275 GLAZE ENGOBE CERAMIC BODY 2010prof.Otruba 11 ANALÝZA ULPĚLÉ TAVENINY LIF-NAF NA POVRCHU KOROZIVZDORNÉHO MATERIÁLUCHLAZENÍ REAKTORU ROZTAVENÝMI SOLEMI 2010 12 prof.Otruba SCANNED INTERFACE SECTION 2010 13 prof.Otruba Stainless steel 1.4571 ampoule wall 25 mm above bottom (central part) after 380 h of treatment with NaF/LiF at 680°C º RESI N CRUST 100 /um Raster line scan  25 /um crater diameter Single line scan Vzorek kosti kontaminovaný mědí 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d [mm] cnorm. Ca42 Fe56 Cu63 Mg24 Kost vřetenní (radius) hraběte Raimunda Josefa Dietrichsteina (1679-1682). 2010 prof. Otruba 14 ANALÝZA MOČOVÝCH KAMENŮ 2010 15 prof.Otruba 0.0E+00 1.0E+04 2.0E+04 3.0E+04 4.0E+04 0 100 200 300 400 500 600 Time [s] Intensity[cps] Pb208 0.0E+00 1.0E+04 2.0E+04 3.0E+04 4.0E+04 0 100 200 300 400 500 600 Time [s] Intensity[cps] Pb208 GC-ICP-MS  Spojení GC & ICP-MS  GC kapilára do injektoru plazmové hlavice, vyhřívané rozhraní  Bez mlžné komory – bez ředění – úzké píky  Ladění ICP-MS parametrů  Plynná směs Xe v Ar  Pozice plazmové hlavice – vystředění injektoru oproti konusům  Přídavek O2 pro spálení organického rozpouštědla, O2/N2 pro zvýšení citlivosti stanovení 2010 16 prof.Otruba GC-ICP-MS V PRVKOVÉ SPECIAČNÍ ANALÝZE 2010 17 prof.Otruba 18 SPOJENÍ PLYNOVÉ CHROMATOGRAFIE S ICP-MS  Spojení plynové chromatografie s ICP-MS detekcí je využíváno pro separaci a detekci těkavých analytů nebo analytů, které vhodnou derivatizací převedeme na těkavé formy.  GC je využívána především pro separaci organokovů a organometaloidů  ICP-MS přináší citlivou a prvkově specifickou detekci. Vzhledem k malým průtokům mobilní fáze v GC je možno výstupní kapiláru zavést do injektoru ICP  nedochází k rozmývání píků a jsou tedy v porovnání s píky z LC-ICP-MS podstatně užší.  Nejčastěji se technikou GC-ICP-MS stanovují těkavé specie Sn (organocíničité sloučeniny), Hg (MeHg, Me2Hg), Pb, Se, As (alkylderiváty). 2010 19 prof.Otruba PŘIPOJENÍ VÝSTUPU Z GC DO INJEKTORU PLAZMOVÉ HLAVICE  Výstupní kapiláru je nutno vyhřívat na teplotu, která brání kondenzaci separovaných specií (zpravidla je to nejvyšší teplota z teplotního programu při separaci), a to po celé její délce až do injektoru.  K proudu plynu z GC je přidáván proud nosného plynu (Ar) a případně také plyn, který slouží k nastavení parametrů ICP-MS.  V přítomnosti organických rozpouštědel v nástřiku a proudu mobilní fáze dochází k jejich rozkladu v plazmatu a depozici uhlíku na konusech. Přídavkem malého množství kyslíku do proudu nosného plynu dojde ke spálení na CO2. Přídavek kyslíku nebo dusíku do nosného plynu může v některých případech vést ke zvýšení citlivost stanovení, např. u Sn. 2010 20 prof.Otruba DERIVATIZACE  Specie, které nejsou těkavé, je nutno před separací pomocí GC derivatizovat.  Rozšířené jsou alkylace pomocí tetraalkylboritanů, jejichž výhodou je, že jsou rozpustné ve vodě a alkylace probíhá také ve vodném prostředí. Alkylderiváty se následně extrahují do nepolárního rozpouštědla nebo technikou SPME a nastříknou nebo termicky desorbují na kolonu.  Ethylace nebo propylace lze využít například pro stanovení alkylcíničitých sloučenin nebo methylrtuti.  Další možností je alkylace Grignardovými činidly.  Netěkavé alkylderiváty, které tvoří těkavé hydridy, mohou být redukovány na příslušné hydridy tetrahydridoboritanem. Vzniklé hydridy se zachytí na sorbentu za nízké teploty, zvyšováním teploty jsou separovány na základě bodu varu a detekovány ICP-MS. 2010 21 prof.Otruba ORGANOCÍNIČITÉ SLOUČENINY (OTC)  RSnX3 – R2SnX2 – R3SnX – R4Sn  R = methyl-, butyl-, oktyl-, fenyl-, cyklohexyl X = halogen, hydr/oxid, karboxyl …  Pesticidy, fungicidy, ochrana dřeva, ochrana lodí, stabilizátory PVC, katalyzátory …  Toxicita – imunotoxicita – neurotoxicita – hormonální disruptory  Omezení používání OTCs (biocidy, lodě, stabilizátory PVC …)  Nejsou informace o výskytu OTCs v ČR  Historické zátěže, bodové zdroje 2010 22 prof.Otruba BAROKNÍ DIVADLO – ZÁMEK ČESKÝ KRUMLOV  Fungicidy na bázi tributylcín-oxidu a další prostředky na ochranu dřeva aplikovány v letech 1965-1985  V 90. letech prováděna sanace  Sledování kontaminace od r. 2001 • Dřevo / výkvěty / atmosféra • Vzorky trámů – dřevo a směs s výkvěty Fotografie: http://www.castle.ckrumlov.cz 2010prof.Otruba 23 STANOVENÍ BUTYLCÍNIČITÝCH SLOUČENIN  GC-ICP-MS  Extrakce butylcíničitých sloučenin ze vzorku  Přídavek vnitřního standardu (tripropylcín chlorid)  Ethylace (tetraethylboritan sodný, NaBEt4), pH 5  Extrakce BunEt(4-n)Sn do izooktanu  GC 6890N, ICP-MS 7500ce (Agilent Technologies)  5 μl  Kolona HP-5, 30mx320μmx0,25μm, He 5 ml.min-1  Teplotní program 70 - 250°C, 10 min  Transfer-line + injektor 250°C  ICP-MS, ladění - 100 ppm Xe in Ar  118Sn, 120Sn, suma obou 25 GC-ICP-MS - detekce Sn - 10 izotopů (0,34 – 32,6%) Vybrané izotopy – 118 (24,2%), 120 (32,6%), TIC Integrační doba - S/N (LOD) - počet bodů na píku - přesnost měření (plocha píku) Isotope Abundance [%] Isotope Abundance [%] 112Sn 0,97 118Sn 24,22 114Sn 0,66 119Sn 8,59 115Sn 0,34 120Sn 32,58 116Sn 14,54 122Sn 4,63 117Sn 7,68 124Sn 5,79 118 Sn 120 Sn Sum 0.02 2.2 1.9 1.4 50 0.6 - 1.8 0.05 1.7 1.5 1.1 24 0.6 - 1.8 0.1 1.1 0.9 0.7 12 0.7 - 2.2 LOD / pg Points per peak Integration time / s Repeatability RSD % 0.E+00 1.E+04 2.E+04 0 2 4 6 8 10 Ret. time / min Intensity/counts 3,4 ng Sn MBT 2,6 ng Sn DBT 2,1 ng Sn TBT TPrT 2010prof.Otruba 26 Fotografie: http://www.castle.ckrumlov.cz Vzorek výkvětu na trámu - divadlo v Českém Krumlově 0 1500 3000 4500 0 2 4 6 8 10 ret. čas / min Intenzita/counts MBT DBT TBT TPrT 100 mg vzorku + 10 ml MeOH 15 min ultrazvuk, 30 min třepání Odstředění 0,1 ml k derivatizaci + TPrT + 5 ml acetát. pufru pH 5 + 1 ml 2% NaBEt4 + 2 ml i-oktan extrakce 3 min 2010prof.Otruba 27 HCl + MeOH Z1 Z2 Z3 Z4 MBT 6701 3839 2068 2099 DBT 187 30 718 255 TBT 103 39 350 392 Sum of species 6990 3908 3137 2747 Total content 7129 3980 3151 2693 % 98 98 100 102 mg.kg-1 HCl + MeOH Z1 Z2 Z3 Z4 MBT 96 98 66 76 DBT 3 1 23 9 TBT 1 1 11 14 % of total content Z1, Z2 – spíše dřevo Z3, Z4 – spíše výkvět LOD – 0.5 mg.kg-1 Větší množství vzorku / alikvot extraktu→ 1 mg.kg-1 Výsledky analýzy / extrakce HCl+MeOH 2010prof.Otruba SPOJENÍ LC S ICP-MS  Metoda LC využívá dělení analytů v proudu kapaliny a spojení LC s ICP-MS technicky nejméně problematické.  Pro spojení s ICP-MS detekcí mohou být využity všechny techniky LC (iontově-výměnná, iontopárová, vylučovací, na reverzní i normální fázi, afinitní aj.), pokud je zajištěna kompatibilita separačních podmínek s provozními podmínkami ICP-MS  Výstup ze separační kolony je zpravidla přímo připojen kapilárou do zmlžovače ICP-MS. Průtoky mobilní fáze (MF, řádově desetiny až jednotky ml.min-1) odpovídají průtokům, se kterými pracují běžně užívané zmlžovače v ICP-MS, takže i běžně aplikované mlžné komory zůstávají na svém místě 2010 28 prof.Otruba MODIFIKACE LC-ICP-MS  Mikrokolonové uspořádání s průtoky mobilní fáze řádově 0.01 – 0.1 ml.min-1 a tomu odpovídající zmlžovače (mikrokoncentrický). Úměrně jsou potom použity menší mlžné komory, případně bez mlžné komory (DIHEN - Direct Injection High Efficiency Nebulizer).  Nejsou-li průtoky mobilní fáze vzájemně kompatibilní, je možno využít přisávání nosné kapaliny k proudu mobilní fáze (průtok LC < průtok zmlžovačem) nebo naopak oddělení části toku mobilní fáze mimo zmlžovač (průtok LC > průtok zmlžovačem). Výstup z LC je napojen to T-kusu a v případě ředění je bočním ramenem přiváděna nosná kapalina V druhém případě je bočním ramenem odváděna přebytečná kapalina do odpadu. 2010 29 prof.Otruba MIKROZMLŽOVAČE PRO ICP-MS 2010 30 prof.Otruba APLIKACE HPLC-ICP-MS 2010 31 prof.Otruba CE-ICP-MS  Hlavní předností CE je vysoké rozlišení, flexibilita aplikací a hardwarová jednoduchost  Hlavní nevýhodou je velmi malý objem vzorku, průtoky v nl/min. CE-ICP-MS zůstává z velké části v oblasti akademického výzkumu.  V poslední době vyvíjené mikro- a nanoprůtokové HPLC mají výhody CE bez jejích nedostatků 2010 32 prof.Otruba CE-ICP-MS INTERFACE 2010 33 prof.Otruba