ICP-MS ICP hmotnostní spektrometrie Iontové zdroje pro prvkovou analýzu • • • • • • • ICP Nízkotlaké plazma HC, Grimmova výbojka Mikrovlnná plazmata VF a SS jiskra Iontový nebo elektronový paprsek Korona, Towsendův výboj Elektrospray, termospray prof. Otruba 2012 2 Indukčně vázané plazma prof. Otruba 2012 3 ICP-MS kvadrupólový spektrometr prof. Otruba 2012 4 Analytické přednosti ICPMS • • • • • Rychlá multielementární analýza Nízké detekční limity Rychlá semikvantitativní analýza Izotopová analýza Extrémně široký pracovní rozsah koncetrací analytu (až 9 řádů) • Jednoduchá spektra prof. Otruba 2012 5 Analyzátory • Statické – nutná kombinace elektrického a magnetického pole a) Sektorové analyzátory (ICP-MS obsahů ppt – ppq) b) Spektrometry s dvojí fokuzací (Mattauch-Herzog) • Dynamické – dostačuje elektrické pole a) Selektivní urychlovače (palletron, Bennetův sp.) b) Průletové (time-of-flight) • Systémy se stabilní drahou – kritické parametry: a) Rychlost (Smythe-Mattauch) b) Fáze (Farvitron) c) Specifický náboj (kvadrupólový filtr) prof. Otruba 2012 6 Detektory • Měření střední hodnoty iontového proudu Plate detector Faraday cup (do 10-15A) • Počítání iontů iontový násobič Channeltron Multichannel plate detector (MCP) Postakcelerační detekce elektronů Scintilátor + fotonásobič prof. Otruba 2012 7 Vakuový systém • Vývěvy transportní sorpční • Vysokovakuová aparatura rotační + difúzní vývěva membránová + turbomolekulární vývěva prof. Otruba 2012 8 Turbomolekulární vývěvy Gaedeho molekulární vývěva Mezní tlak 0,0001Pa Malá čerpací rychlost prof. Otruba Turbomolekulární vývěva 2012 9 ICP iontový zdroj • Většina prvků je ionizována z >90% (pouze As z 52%; Se z 33%; S z 14% a F z 0,001%) • V argonovém ICP plazmatu vznikají přednostně jednou nabité pozitivní ionty • Malá disperze kinetické energie iontů – vhodné pro kvadrupólový filtr prof. Otruba 2012 10 Interface ICP - MS • musí splňovat tyto požadavky: o Vzorkovat ionty v místě jejich vzniku, tj. v analytickém kanále ICP. o Převést ionty z oblasti atmosférického tlaku do vakua. o Zachovat stechiometrii analytů při transportu iontů. prof. Otruba 2012 11 Interface prof. Otruba 2012 12 PE Plasmalok Interface prof. Otruba 2012 13 Sampler ICP-MS Hilger prof. Otruba 2012 14 Interface ICP-MS Hilger prof. Otruba 2012 15 Funkce iontové optiky • Extrakce iontů z neutrálních specií • Fokusace iontů do úzkého kolimovaného paprsku • Minimální závislost na hmotnosti iontů • Musí odstranit neutrální atomy, molekuly a fotony prof. Otruba 2012 16 Analyzátory pro ICP-MS • Statické analyzátory jsou iontově optickou analogií světelného optického spektrometru (hranol + čočka) a označují se také jako spektrometry deflexní. o 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 • Dynamické analyzátory: o stabilní dráhy iontu m/z mezi zdrojem a detektorem je dosaženo s využitím radiofrekvenčního pole (kvadrupólový filtr) o rozdělení iontů podle m/z se určí z doby jejich letu mezi zdrojem a detektorem (analyzátor z doby letu) prof. Otruba 2012 17 Rozlišovací schopnost • Rozlišovací Ie schopnost R: R = ΔM/M • M se měří při 50% (FWHM, Full Width at Half Maximum) nebo 10% maximální výšky píku prof. Otruba M M 2012 18 Potřebná rozlišovací schopnost pro eliminaci interferencí analyt Fe 56 interferent rozlišovací schopnost 40 Ar16O 2500 As 40 Se 40 75 80 prof. Otruba Ar35Cl 8000 Ar40Ar 9700 2012 19 Lorentzova síla 2012 prof. Otruba F = qE + q(v x B) kde F je Lorentzova síla působící na náboj q E je intenzita elektrického pole B indukce magnetického pole v je rychlost částice 20 t. s on k = m de~e/(mv2) db ~e/(mv) • Ze soustavy těchto rovnic je možné stanovit m a v. Pro separaci iontů různých hmot a rychlostí je tedy nutné použít vychylování jak elektrickým, tak magnetické polem prof. Otruba v= ko n dB v mv=konst. m ½mv2=konst. • Odchylka dráhy iontu de v elektrickém a db v magnetickém poli: st . Statické analyzátory dE 2012 21 Mattauch-Herzog sektorový spektrograf magnetic sector ions electrostatic sector prof. Otruba focal plane 2012 22 Nier-Johnson sektorový analyzátor elektrostatický sektor + + + - magnetický sektor Zaostření dle energie Zaostření m/z ionty prof. Otruba Dvojitá fokusace 2012 23 Rozlišení Vstupní štěrbina Nízké rozlišení Vysoké rozlišení Iontový paprsek Štěrbina detektoru Profil píku Rozlišení prof. Otruba 400 10 000 2012 24 Propustnost vs. rozlišení (Axiom) 100 90 80 % Transmission 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Resolution (RP) prof. Otruba 2012 25 Separace Fe/ArO prof. Otruba 2012 26 Multikolektor Zoom electron multiplier Faraday cups prof. Otruba 2012 27 Kvadrupólový hmotový filtr • Je to základní hmotový filtr • Propouští pouze ionty o určitém poměru m/z • Propouštěná hmotnost (resp. m/z) je lineárně závislá na elektrickém potenciálu elektrod prof. Otruba 2012 28 Princip kvadrupólového filtru + - r0 U + V cost y z + x -(U + V cos t) prof. Otruba 2012 29 Kvadrupólové pole + prof. Otruba 2012 30 Kvadrupólové pole - prof. Otruba 2012 31 Kvadrupól (Thermo Elemental) prof. Otruba 2012 32 Animace ICP-MS 7700series_animation.htm prof. Otruba 2012 33 Průletové analyzátory TOF prof. Otruba 2012 34 Time-of-flight hmotnostní spektrometr s orthogonální extrakcí repelling plate ion extraction tube (L: length) detector acceleration zone (U: acceleration voltage) slit prof. Otruba 2012 35 TOF s iontovým zrcadlem (reflectron) focal plane Reflectron Detector prof. Otruba Ion of mass X, slightly faster (more kinetic energy) Ion of mass X, slightly slower (less kinetic energy) 2012 36 ICP-TOF-MS reflectron HF generator ion optics Torche prof. Otruba ion gate extractidetector on 2012 37 ICP-TOF-MS ETV Transient by TOF-ICP-MS: 10  L 1 ppb solution Cs 39 Na In Na mV Mg Mg24 mV Al mV 37 Mn mV Intensity Rb Co mV 35 Cu63 mV Rb mV 33 Ag107 mV Al Ag109 mV Co 31 Ag In mV Cu In115 mV Cs mV 29 27 32 32.5 33 33.5 34 34.5 time [sec] prof. Otruba 2012 38 Interference izobarické překryvy Interferent korekce Ca+ 48 Ti+ 44 Fe+ 58 Ni+ 56 Ni+ 64 Zn+ 60 48 58 64 analyt prof. Otruba Ca+ Fe+ Ni+ 2012 39 Polyatomické interference • Ar: monomer a dimer, kombinace mezi izotopy 36 (0,33%), 38 (0,06%) a 40 (99,6%). • voda: O, OH, kombinace s Ar • vzduch: N2, N2H, NO, O2 • kyseliny, Cl, S, kombinace s Ar, O, H • Stabilní oxidy, LaO, CeO,…. prof. Otruba 2012 40 Izobarické interference na bázi argonu m/z 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 ArCl As 77 ArCl Se 80 ArAr Se 91 ArOCl Zr 93 ArOCl Nb prof. Otruba 2012 41 Potlačení spektrálních interferencí • Použitím lepšího spektrálního rozlišení • Použitím « cold » podmínek v ICP pro snížení tvorby iontů s argonem. • Použitím reakční cely pro disociaci rušících iontů • Použitím kolizní cely pro odstranění rušících iontů prof. Otruba 2012 42 Rušení 40 Ar16O+ vs. 56 Fe+ • Cold plasma: Snížení tvorby Ar+ a tedy i ArO+ • High resolution: Separace píků ArO+ and Fe+ • Reakce v plynné fázi/kolize v cele: ArO+ + NH3  ArO + NH3+ prof. Otruba 2012 43 Podmínky „studeného (cold, cool)“ ICP • Nízký příkon, vysoký průtok nosného plynu. • Vhodné pro roztoky s malým obsahem rozpuštěných látek. • Eliminuje interference Ar+, ArO+, ArH+, ArCl+, ArC+, C2+. • Zvyšuje úroveň MO+ z <1% až na >20%. • Významné matrix efekty (nerobustní podmínky v ICP). prof. Otruba 2012 44 Rozlišení polyatomických interferencí Analyt 56 Fe+ 28 80 960 O2+ 1800 Cl16O+ 2570 Ar12C+ 2370 Ar2+ 9640 Ar1H+ 5700 Ar+ 199000 Ar35 Cl+ 8000 16 V+ 35 Cr+ 40 Se+ K+ 40 38 Ca+ 75 N2 + S+ 39 40 2500 14 51 As+ prof. Otruba 40 40 Požadované rozlišení Ar16O+ 40 Si+ 32 52 Interferent 2012 45 Separace signálů analytu a interferentu Kvadrupólový ICP-MS Fe/ArO ICP-MS s vysokým rozlišením 56 ArN/54Fe ArOH/ 57 Fe AMU prof. Otruba 2012 46 Reakční (kolizní) cely 47 2012 prof. Otruba • Reakce v radiofrekvenční kvadrupólové cele (DRC, dynamic reaction cell, PE 6100), • Kolize v radiofrekvenční-hexapólové (oktopólové) cele (Micromass Platform, TJA ExCell). Perkin Elmer ELAN 6100DRC sampler vent skimmer prefilter reaction cell lens mass analyzer detector prof. Otruba 2012 48 Kolizní cela, Micromass intermediate He, H2, Xe ion lens 10-4 mbar hexapole exit lens conversion dynode pre-filters quadrupole 10 mbar -5 Daly PMT 250 L/s Turbo pump 70 L/s Turbo pump prof. Otruba 70 L/s Turbo pump 2012 49 Hexapól Iron Argon Oxygen Helium prof. Otruba 2012 50 Detektory • Faraday cup (lower sensitivity and long time constant) for intense ion signals • Continous dynode electron multiplier (CEM), such as the channeltron. • Discrete dynode electron multiplier. • Scintillator + photomultiplier prof. Otruba 2012 51 Faraday cup prof. Otruba 2012 52 Channeltron preamplifier Ion secondary electrons - 3 kV prof. Otruba 2012 53 Microchannel plate detector (MCP) • Mikrokanálková deska je vyrobena z vysoce odporového materiálu obvykle 2 mm silného s pravidelnou řadou drobných trubek nebo štěrbin (microchannels) s průměrem přibližně 10µm. Každý mikrokanálek je kontinuální dynoda, tedy elektronový násobič, ve kterém probíhá násobení působením silného elektrického pole. prof. Otruba 2012 54 Elektronový násobič Analog Gate +230v Pulse -2kV Deflect or prof. Otruba 2012 55 Scintilátor + fotonásobič prof. Otruba 2012 56 Dynamický rozsah • Zvýšení dynamického rozsahu kombinací čítání pulsů a analogového měření. • Použití dvoustupňového elektronového násobiče 1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07 Intensity, cps 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 0,0001 0,01 1 100 10000 Concentration, µg/L prof. Otruba 2012 57 rozpuštěného vzorku (solnost) • • Prakticky použitelné limitní koncentrace o 0.1% AlCl3 o 0.3% NaCl o 20% ve vodě rozpustné organiky Postupné blokování kónusů způsobuje drift; lze jej ovlivnit: o Minimalizovat vhodnou délkou proplachu zmlžovače o Kompenzovat porovnávacím prvkem o Eliminovat použitím flow injection prof. Otruba 2012 58 Izotopové poměry • QMS je sekvenční, kdežtoTOF-MS a multikolektor SFMS jsou simultánní. • Nejlepší RSD: • • • ICP-QMS: < 0.1% ICP-TOFMS: < 0.1% ICP-MC-SFMS: < 0.01% prof. Otruba 2012 59 Meze detekce pro Ni ICP-SFMS ICP-QMS ICP-TOFMS GF-AAS ICP-AES + USN + ax. ICP-AES + PN 0,0001 0,01 1 100 ng/ml prof. Otruba 2012 60 Zhodnocení instrumentace • ICP-QMS je „workhorse“: spolehlivý, relativně levný, víceúčelový, cold plasma, kolizní / reakční cela. • ICP-SFMS: Při nízkém RP: bezkonkurenční LOD Při vysokém RP: řešení polyatomických interferencí • Multikolektor: Nejpřesnější izotopové poměry. • ICP-TOFMS: Ideální pro transientní signály. prof. Otruba 2012 61 Limitující faktory ICP/MS • roztoky o vysoké koncentraci solí (mořská voda, krev…), které způsobují blokování vstupních kónusů a mění energetické podmínky v plazmatu (nespektrální interference) • tvorba polyatomických částic, která může v neznámých vzorcích působit falešné pozitivní signály u analyzovaných prvků (spektrální interference). • nespektrální interference lze obvykle redukovat nebo zcela eliminovat díky extrémní citlivosti techniky vhodným naředěním. • U spektrálních interferencí polyatomických částic je jejich odhalení a eliminace závislá především na zkušenosti analytika, který by měl před analýzou zcela nového typu vzorků provést důkladný průzkum majoritních složek a posoudit eventuální příčiny vzniku nečekaných polyatomických iontů. prof. Otruba 2012 62 Biologie a medicína • Vzorky organických tkání nebo tělních tekutin jsou prakticky ideálními typy, neboť obsahují převážně při tlakové mineralizaci snadno odstranitelné prvky jako C, O a N, které se převedou na plyny nebo vodu. Zároveň se stále se prohlubujícími znalosti o mechanizmu působení stopových prvků v metabolismu živých organismů a sledování jejich distribuce v jednotlivých tělních tkáních nebo dokonce i buňkách vede k neustále snaze tyto znalosti rozšiřovat především hledáním jejich biologické aktivity v závislosti na fyzikálně chemické formě jejich výskytu (speciaci). Výsledky sledování specií a jejich aktivity může v řadě případů napomoci k odhalení příčin nemocí nebo různých alergií, přičemž lze často jako vzorek použít nepatrné části orgánů. Často je tak možno analyzovat archeologické vzorky. prof. Otruba 2012 63 Životní prostředí • Obsah toxických kovů v životním prostředí je velmi důležitým parametrem pro posouzení jeho kvality, popřípadě vlivu lidské činnosti na jeho stav. Díky vysoké citlivosti lze analyzovat části rostlin (houby, mechy, lišejníky aj. – tzv. hyperakumulátory) nebo těl živočichů (ulity, lastury mořských měkkýšů, tkáně korálů, drobných savců a ryb) schopné akumulovat těžké kovy z okolního prostředí a sledovat změny časové i prostorové distribuce prvků u jednoho jedince. Například sledování obsahu rtuti v jednotlivých vrstvách sedimentů může poskytnout představu u postupných změnách v období řádu desítek až stovek let. Podobně jsou v rámci kontaminace potravních řetězců nejvíce vypovídající skupinou predátoři, neboť v jejich tkáních (především játra, ledviny aj.) se bioakumulací hromadí těžké kovy více než u býložravců. prof. Otruba 2012 64 Geologie • Vysoká citlivost techniky ICP/MS hraje významnou roli při stanovení velmi málo zastoupených prvků (např. drahé kovy, lanthanoidy, uran aj.) v geologických materiálech nebo stanovení obsahu jodu v podzemních vodách. Porovnání vzájemných poměrů jednotlivých prvků vzácných zemin ve vzorcích je používáno k určení geologické historie hornin, neboť jsou přirozenou součástí prakticky všech hornin. Díky podobnosti chemických vlastností je jejich poměr zachován i po roztavení a zpětné krystalizaci nebo po tuhnutí v amorfní podobě, takže si jej hornina nese jako otisk prstu. Jejich vzájemné poměry tak mohou podat informaci o místě vzniku zkoumané horniny nebo o jejím transportu v zemské kůře či na povrchu Země. Významnou aplikací je také lokální mikroanalýza ve spojení s laserovou ablací. prof. Otruba 2012 65 Izotopové poměry Většina prvků se v přírodě vyskytuje ve formě několika stabilních izotopů. V přírodě se setkáme i s izotopy nestabilními, jejichž původ je obvykle rovněž přirozený (vznikají na př. působením kosmického záření nebo jadernými reakcemi v zemské kůře). Vedle toho přibývá i počet uměle vyrobených izotopů. Při zjišťování poměru izotopů je nutno dosáhnout velké přesnosti a správnosti získaných dat, neboť koncentrační rozdíly jsou obvykle v řádu jednotek nebo desetin procenta. Pro tyto účely jsou používány sektorové spektrometry v uspořádání s multikolektorem. Jako příklad praktického použití lze uvést např. sledování izotopového zastoupení olova nebo uranu. V přírodě se běžně setkáváme pouze s přirozeným izotopem 204Pb s průměrným zastoupením 1,4% a třemi produkty jaderného rozpadu uranu nebo thoria – izotopy 206Pb (24,1 %), 207Pb(22,1%) a 208Pb (52,3 %). Díky tomu se nepatrně liší vzájemné poměry zmíněných izotopů v závislosti na tom, jaké geologické složení měly dávné horniny. Nejvíce zastoupeným izotopem přírodního uranu je 238U s výskytem přibližně 99,28 %, dále známe 235U (asi 0,72%). Technika ICP/MS umožňuje prokázat původ zvýšeného množství uranu v určitých lokalitách (státy bývalé Jugoslávie, Kuvajt nebo Irák), kde díky dělostřeleckému ostřelování došlo v určitých lokalitách k výraznému zvýšení výskytu izotopu 238U. prof. Otruba 2012 66 Speciace • Pro stanovení fyzikálně-chemických forem existence daného prvku (specií) se nejčastěji uplatňuje kombinace nechromatografických separačních technik (mikrokolonové separace, membranové (barierové) separace, extrakční techniky (l)/(l), (l)/(s) aj., extrakce pevnou fází (SPE), (ko-)precipitace, filtrace a další. Podstatně výhodnější jsou však kombinace ICP/MS a chromatografických a elektromigračních technik (tzv.hyphenated techniques) jako např. IC-ICP/MS, LC-ICP/MS), CEICP/MS a další. Významnou výhodou těchto technik je především vysoká citlivost detekce, snadné propojení a možnost snímání přechodových signálů. prof. Otruba 2012 67