Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Induktív csatolású plazma tömegspektrometria (ICP-MS)

Induktív csatolású plazma tömegspektrometria (ICP-MS)

Működési elv

Az induktív csatolású plazma tömegspektrométer (ICP-MS) az atomspektrometria legsokoldalúbb és legérzékenyebb műszerei közé tartozik. Nevének megfelelően ez a műszer ionforrásként az ICP-AES berendezések működése kapcsán megismert induktív csatolású plazma forrást alkalmazza. Itt azt használjuk ki, hogy a plazma magas hőmérséklete miatt benne nem csak az atomizáció, hanem az ionizáció (elemi ionok képződése) is hatékonyan lejátszódik. Az ionizáció hatékonyságára jellemző, hogy az ún. Saha egyenlet alapján a kb. 9 eV első ionizációs energiájú elemekre az ionizációfok közel 90%. A hatékony és robusztus ICP ionforrást a kiváló szelektivitású és érzékenységű tömegspektrometriás detektorral kombinálva egy igen teljesítőképes műszer jön létre.

A plazma forrás technikai okokból az ICP-MS készülékekben vízszintesen helyezkedik el. Mivel a plazma ionforrás atmoszférikus nyomáson üzemel, a készülék ionanalizátor része azonban nagy vákuumot (<10-8 bar) igényel, a mintából előállított ionokat hatékonyan ki kell vonni a plazmából és be kell juttatni a vákuum rendszerbe. Ezt a feladatot két, általában nikkelből, rézből vagy platinából készült, csúcsukon kb. 1 mm-es furattal ellátott kúp-forma kónuszokkal ("sampler" és "skimmer") határolt interfész végzi az ICP-MS-ekben. A vízhűtött kónuszok által bezárt kamra csökkentett nyomása (1-3 mbar) biztosítja, hogy a plazma központi csatornájába nyúló, pontosan pozícionált 'sampler' furatán át a plazmagáz, és vele együtt az ionok jelentős része is a kamrába, majd a "skimmer"-en át a nagyvákuum rendszerbe jusson. Érdekesség, hogy az ionok transzport hatékonysága valójában így is kicsi, mindössze 1-2%-os. Ha mindehhez hozzávesszük a leggyakrabban alkalmazott pneumatikus porlasztók alacsony hatékonyságát is, könnyen belátható, hogy a spektrométer analitikai jele valójában a mintabeli koncentráció töredékétől származik (és még így is nagyon érzékeny a műszer). Az ICP-MS műszerek másik gyakran alkalmazott mintabeviteli rendszerei a lézer ablációs eszközök.

Egy korszerű ICP-MS spektrométer vázlatos felépítése

A nagyvákuum rendszerbe jutó ionok ma a korszerű készülékekben egy ütközési vagy reakció cellán haladnak keresztül (lásd következő fejezet), majd azokat egy nagyfeszültségű elektrosztatikus lencserendszer tereli tovább. Az első, közvetlenül az interfész mögött elhelyezkedő elektród ("extrakciós lencse") negatív potenciálon van, hogy a pozitív - az analízis szempontjából hasznos - ionok továbbhaladását segítse. A negatív ionok és a semleges részecskék taszítás, illetve diffúzió révén a vákuumot fenntartó turbomolekuláris pumpák felé távoznak. A következő néhány elektród feladata, hogy szétválassza a plazmából származó fénysugárzást az ionoktól; a detektorban ugyanis a 3. fejezetben leírt módon a fotonok is jelet keltenének, ami a háttérjel emelkedését vonná maga után. Ezt úgy akadályozzák meg, hogy elektródok segítségével az ionokat a készülék tengelyéből - a „fényútból” - eltérítik. További elektrosztatikus lencsék az ionnyaláb fókuszálását végzik, ami a tömeganalizátor precíz működését segíti. A legtöbb ICP-MS berendezésben kvadrupólus tömeganalizátor és channeltron elvű iondetektor működik. A kritikus alkalmazások számára gyakoriak a kettős fókuszálású analizátorokkal szerelt („nagyfelbontású”) ICP-MS műszerek is.

Analitikai teljesítőképesség

Ezekkel a műszerekkel ma rutinszerűen elérhetők a ppt (ng/L) alatti kimutatási határok, 8-10 nagyságrend dinamikus linearitási tartomány mellett. A felbontás kvadrupólus analizátorok esetében néhány tized amu ("atomic mass unit," vagyis atomi tömegegység; értéke a daltonnal megegyezik) tömegkülönbségű izotópok szelektív mérésére ad lehetőséget, ami a legtöbb analitikai feladathoz kielégítő. Kettős fókuszálású analizátorokkal a felbontás jelentősen javul és elérheti a 100 000-es értéket is (m/Δm).

Más atomspektroszkópiai módszerekkel szemben az ICP-MS technika működési elvéből fakadóan a minták izotóp-összetételének meghatározására is alkalmas. Az izotóphányadok precíz (0,1-0,2%) mérésének lehetősége közvetlenül, vagy speciális pl. izotóphígításos módszerek révén is kihasználható. Egy további érdekes szolgáltatása az ICP-MS berendezéseknek, hogy képesek gyors, 'félkvantitatív' koncentráció-becsléssel is szolgálni a periódusos rendszer szinte minden elemére. Ez főleg a kevéssé ismert minták összetételének a részletes analízist megelőző feltérképezésére alkalmas. A mérési sebesség kb. 30 minta óránként.

A leggyakoribb és egyben legjellegzetesebb zavaró hatás az ICP tömegspektrometriában a spektrális interferencia. A spektrális zavaró hatások egy fontos részét a plazmát tápláló Ar gázból, a környező levegőből (O, N, C, H), valamint a minták fő közegét alkotó vízből (H, O) keletkező ionok/molekulaionok okozzák. Annak a körülménynek, hogy a fentebb említett ionok nem zavarják a 81 tömegszámnál nagyobb tömegű izotópok meghatározását, az a fő oka, hogy a kettőnél több atomból felépülő molekulaionok képződése igen valószínűtlen (kivéve néhány, harmadik atomként hidrogént tartalmazó iont). Így, mivel a 40Ar a legnehezebb izotóp az említett elemek közül, a legmagasabb tömegű kérdéses ion a 40Ar40Ar1H+. Természetesen a felsorolt ionok csúcsainak intenzitása erősen eltérő; több más tényező mellett az alkotó elemek koncentrációjától, izotópjaik gyakoriságától és azok ionizációs energiájától is függ. Így például az 40Ar+ jel sokkal intenzívebb, mint a 36Ar1H+ vagy a 16O18O+ jel, stb.

A mintákat legtöbbször ráadásul nem tiszta vizes, hanem erősen savas oldatok formájában tápláljuk a spektrométerbe. A leggyakrabban használt HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 savak rendre jelentősen megemelik az oldatban lévő Cl, S, P, N izotópok koncentrációját, a zavaró molekulaionok képződésének valószínűségét és persze azok lehetséges számát. Így a fenti elemek többnyire nagyságrendekkel nagyobb koncentrációban lesznek jelen az oldatban, mint a meghatározandó mikrokomponensek, ezért a belőlük származtatható molekulaionok zavaró hatása igen komoly lehet. Különösen kellemetlen a zavarás olyan elemeknél, amelyek monoizotóposak, mint pl. a 75As, vagy majdnem monoizotóposak, mint pl. az 51V, amikor az adott esetben interferáló 40Ar35Cl+ illetve 35Cl16O+ hatása elől egy másik izotópon ('vonalon') való méréssel nem lehet kitérni. Ez jelentősen megemelheti az elérhető kimutatási határt. Ilyenkor csak a minta előzetes kezelésével (pl. ioncsere) szabadulhatunk meg az interferenciáért felelős ionoktól (itt Cl-). A tapasztalatok szerint a salétromsav a legmegfelelőbb az ICP-MS minták előkészítéséhez, többek között azért, mert a nitrogén amúgy is jelentős mennyiségben van jelen az atmoszférában, továbbá mivel magas ionizációs potenciálja folytán csak kis intenzitású csúcsok megjelenését okozza.

A fentebb említett specieseken kívül potenciálisan további ionok is okozhatnak még spektrális interferenciát. Zavaró ionok származhatnak egy másik elem valamely izotópjától vagy annak M2+, MO+, MOH+ esetleg ArM+ összetételű ionjaitól is. Ezek a zavaró ionok csak akkor okoznak komoly zavaró hatást, ha a minta valamely főbb komponenséből formálódnak, különben olyan kis jelet adnak, hogy az a gyakorlati analízist nem befolyásolja. Az izobár interferencia lényegében minden elemet érint, kivéve talán ródiumot és az indiumot. A kettős töltésű ionok képződésének aránya az egyszeres ionokéhoz képest elméleti megfontolások és az ionizációs potenciálok alapján megbecsülhető. Az ilyen számítások azt mutatják, hogy csak néhány elem, pl. Ce, La, Sr, Th, Ba esetén képződhet 1%-nál nagyobb arányban a plazmában kétszeres töltésű ion. Ennek megfelelően elsősorban ezen elemek izotópjai tömegének felénél várhatunk tőlük származó, általában csekély interferenciát.

A spektrális zavaró hatások kezelésére matematikai (pl. jelkorrekciós) és technikai megoldásokat egyaránt kidolgoztak. Ma a korszerű műszerek ezeket kombináltan alkalmazzák. A technikai megoldást ún. ütközési vagy reakció cellák alkalmazása jelenti, amelyek lényegében a többatomos zavaró molekulaionokat a tömeganalizátorba lépés előtt alkalmas gázokkal való reakció révén kisebb, nem zavaró tömegű ionokká alakítják. Az erre felhasznált gázok lehetnek reaktívak (pl. H2 vagy NH3) vagy inertek (pl. He); az előbbi értelemszerűen a reakció cellákra, az utóbbi az ütközési cellákra jellemző. A szelektivitás növelése érdekében a cellákat sokszor egy extra kvadrupólus tömeganalizátor belsejében alakítják ki (így lesz a műszer "dupla" vagy "tripla" kvadrupólus kivitelű).

Hasonlóan más atomspektroszkópiai módszerekhez, az ICP tömegspektrometriában is létezik mátrixhatás és befolyással van a mérendő alkotó analitikai jelére. Ezen zavaró hatások is több forrásból származhatnak. Az érzékenység, illetve a jel folyamatos csökkenését okozhatja például, ha tömény sóoldatok (g/l nagyságrend) analízisekor a pneumatikus porlasztó vagy az interfész mintavevő kónuszának furata leszűkül a rajta kiváló só miatt. Egy másik mátrix eredetű zavaró hatás (tértöltési hatás) akkor lép fel, amikor egy koncentrált mátrixból származó nagy mennyiségű, nehezebb (nagyobb tehetetlenségű) ion és az analizálandó kisebb tömegű ion taszítása miatt az ionnyaláb fókuszálhatósága kisebb, ami a nyaláb szélére sodródó mérendő ion nagyobb jelveszteségében jelentkezik. A mátrixhatások korrigálására illetve csökkentésére a nyilvánvaló hígítás, mátrix azonos kalibráló oldatok vagy standard addíciós kalibráció alkalmazásán túlmenően az ICP-MS technikában elsősorban az elegánsabb, jól ismert belső vonatkoztatási elem módszere terjedt el. A belső vonatkoztatási elemet (izotópot) úgy kell megválasztanunk, hogy annak mind a tömegszáma, mind az ionizációs potenciálja minél közelebb essen a korrigálandó eleméhez, ugyanakkor a minták ne tartalmazzanak számottevő mennyiséget a kérdéses elemből. A tapasztalat szerint az említett mátrixhatások eredményesen korrigálhatóak a legtöbb minta esetében 4-6 vonatkoztató izotóp; például 9Be, 45Sc, 89Y, 103Rh, 115In és 209Bi használatával.

Jellegzetes alkalmazási területek

Kivételesen alacsony kimutatási határai és a mai készülékek megbízható, robusztus működése, nagy mérési sebessége miatt az ICP-MS műszerek alkalmazása a nyomelemanalitikai és izotópanalitikai laboratóriumokban igen elterjedt. Természetesen elsősorban önálló, oldatmintás mérőműszerként használják, azonban lézer ablációs mintabeviteli rendszerrel kiegészítve (LA-ICP-MS) szilárd minták közvetlen elemzésére, elemeloszlásának vizsgálatára is alkalmas, sőt gyakori az alkalmazása elem/izotóp szelektív detektorként HPLC vagy GC műszerekhez detektorként kapcsolva is (HPLC-ICP-MS, GC-ICP-MS). A félvezetőipar is előszeretettel alkalmazza az alapanyagok, reagensek tisztaságának ellenőrzésére.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Magyarázza el, hogy miért jön létre az ICP plazma és egy MS spektrométer kombinációjaként egy igen nagy teljesítőképességű műszer!

  2. Milyen részegységekből épülnek fel az ICP-MS spektrométerek és azoknak mi a szerepük?

  3. Milyen fő spektrális zavaró hatásokkal kell számolni az ICP-MS spektrometriában?

  4. Jellemezze az ICP-MS módszert analitikai teljesítőképesség szempontjából!

  5. Hogyan küszöbölhetők ki a mátrix eredetű zavaró hatások?