✖


Jump to content

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой

(Перенаправлено с ИСП-МС )
Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой
Perkin Elmer NexION 2000 ИСП-МС
Акроним ИСП-МС
Классификация Масс-спектрометрия
Аналиты атомные и многоатомные частицы в плазме, за исключениями; обычно интерпретируется как концентрация химических элементов в образце
Производители Skyray , Agilent , Analytik Jena , Horiba (только ICP-OES), PerkinElmer , Shimadzu , Spectro , Thermo , GBC Scientific , Nu Instruments , DVS Sciences (теперь Standard BioTools )
Другие методы
Связанный Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой
через дефис Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ЖХ-ИСП-МС), газовая хроматография-масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ГХ-ИСП-МС), масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ИСП-МС)

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой ( ИСП-МС ) — это тип масс-спектрометрии используется индуктивно-связанная плазма , в котором для ионизации образца . Он распыляет образец и создает атомарные и небольшие многоатомные ионы , которые затем обнаруживаются. Он известен и используется благодаря своей способности обнаруживать металлы и некоторые неметаллы в жидких пробах при очень низких концентрациях. Он может обнаруживать разные изотопы одного и того же элемента, что делает его универсальным инструментом для маркировки изотопов .

По сравнению с атомно-абсорбционной спектроскопией ICP-MS имеет большую скорость, точность и чувствительность. Однако по сравнению с другими типами масс-спектрометрии, такими как масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS) и масс-спектрометрия тлеющего разряда (GD-MS), ICP-MS вводит множество мешающих веществ: аргон из плазмы, составляющие газы воздуха, которые просачиваются через отверстия конусов и загрязнение стеклянной посуды и конусов.

Компоненты

[ редактировать ]

Индуктивно-связанная плазма

[ редактировать ]
Основная статья: Индуктивно связанная плазма

Индуктивно -связанная плазма — это плазма , которая возбуждается ( ионизируется ) путем индуктивного нагрева газа с помощью электромагнитной катушки и содержит достаточную концентрацию ионов и электронов , чтобы сделать газ электропроводным . Не весь газ должен быть ионизирован, чтобы газ имел характеристики плазмы; всего 1% ионизации создает плазму. [1] Плазма, используемая в спектрохимическом анализе, по существу электрически нейтральна: каждый положительный заряд иона уравновешивается свободным электроном. В этой плазме почти все положительные ионы однозарядны, а отрицательных ионов мало, поэтому в каждой единице объема плазмы почти одинаковое количество ионов и электронов.

ИСП имеют два режима работы: емкостный (E) режим с низкой плотностью плазмы и индуктивный (H) режим с высокой плотностью плазмы, причем переход режима нагрева из E в H происходит при использовании внешних входов. [2] Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой работает в режиме H.

Что делает масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) уникальной среди других форм неорганической масс-спектрометрии, так это ее способность непрерывно, без перерывов, отбирать пробы аналита. В этом отличие от других форм неорганической масс-спектрометрии; Масс-спектрометрия тлеющего разряда (GDMS) и масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS), которые требуют двухэтапного процесса: вставьте образец(ы) в вакуумную камеру, герметизируйте вакуумную камеру, откачайте вакуум, подайте питание на образец, тем самым отправляя ионы. в масс-анализатор. При использовании ICP-MS анализируемый образец находится при атмосферном давлении. За счет эффективного использования дифференциальной накачки; Несколько вакуумных ступеней, разделенных дифференциальными апертурами (отверстиями), ионы, созданные в аргоновой плазме, с помощью различных методов электростатической фокусировки передаются через масс-анализатор к детектору(ам) и подсчитываются. Это не только позволяет аналитику радикально увеличить пропускную способность образцов (количество образцов с течением времени), но также делает возможным так называемый «сбор с разрешением по времени». Техники, написанные через дефис, такие как жидкостная хроматография ИСП-МС (ЖХ-ИСП-МС); Лазерная абляция ИСП-МС (LA-ICP-MS); проточную инжекцию Эта относительно новая технология позволила использовать ICP-MS (FIA-ICP-MS) и т. д. Это стимулировало разработку новых инструментов для исследований, включая геохимию и судебную химию; биохимия и океанография. Кроме того, увеличение производительности с десятков проб в день до сотен проб в день произвело революцию в анализе окружающей среды, снизив затраты. По сути, все это связано с тем, что, хотя образец находится под давлением окружающей среды, анализатор и детектор при нормальной работе находятся под давлением 1/10 000 000 этого же давления.

Индуктивно-связанная плазма (ИСП) для спектрометрии поддерживается в горелке, состоящей из трех концентрических трубок, обычно изготовленных из кварца , хотя внутренняя трубка (инжектор) может быть сапфировой, если плавиковая кислота используется . Конец этой горелки помещается внутри индукционной катушки, к которой подается высокочастотный электрический ток. поток аргона Между двумя крайними трубками горелки подается (обычно от 13 до 18 литров в минуту), и на короткое время подается электрическая искра для введения свободных электронов в газовый поток. Эти электроны взаимодействуют с радиочастотным магнитным полем индукционной катушки и ускоряются сначала в одном направлении, затем в другом, поскольку поле меняется с высокой частотой (обычно 27,12 миллиона циклов в секунду). Ускоренные электроны сталкиваются с атомами аргона, а иногда в результате столкновения атом аргона отделяется от одного из своих электронов. Высвободившийся электрон, в свою очередь, ускоряется быстро меняющимся магнитным полем. Процесс продолжается до тех пор, пока скорость высвобождения новых электронов при столкновениях не уравновесится скоростью рекомбинации электронов с ионами аргона (атомами, потерявшими электрон). В результате образуется «огненный шар», состоящий в основном из атомов аргона с довольно небольшой долей свободных электронов и ионов аргона. Температура плазмы очень высока, порядка 10 000 К. Плазма также излучает ультрафиолетовый свет, поэтому в целях безопасности не следует смотреть непосредственно.

ICP можно оставить в кварцевой горелке, поскольку поток газа между двумя крайними трубками удерживает плазму от стенок горелки. Второй поток аргона (около 1 литра в минуту) обычно подается между центральной трубкой и промежуточной трубкой, чтобы удержать плазму подальше от конца центральной трубки. Третий поток (опять же обычно около 1 литра в минуту) газа вводится в центральную трубку горелки. Этот газовый поток проходит через центр плазмы, где образует канал, более холодный, чем окружающая плазма, но все же намного более горячий, чем химическое пламя. Образцы, подлежащие анализу, вводятся в этот центральный канал, обычно в виде тумана жидкости, образующегося при пропускании образца жидкости в распылитель.

Чтобы максимизировать температуру плазмы (и, следовательно, эффективность ионизации) и ее стабильность, образец следует вводить через центральную трубку с как можно меньшим количеством жидкости (загрузка растворителя) и с одинаковыми размерами капель. Для жидких проб можно использовать распылитель, за которым следует распылительная камера для удаления более крупных капель, или можно использовать десольватирующий распылитель для испарения большей части растворителя до того, как он достигнет горелки. Твердые образцы также можно вводить с помощью лазерной абляции. Образец попадает в центральный канал ИСП, испаряется, молекулы распадаются, а затем составляющие его атомы ионизируются. При температурах, преобладающих в плазме, значительная часть атомов многих химических элементов ионизируется, причем каждый атом теряет свой наиболее слабосвязанный электрон и образует однозарядный ион. Температура плазмы выбирается таким образом, чтобы максимизировать эффективность ионизации для элементов с высокой первой энергией ионизации и минимизировать вторую ионизацию (двойную зарядку) для элементов с низкой второй энергией ионизации.

Масс-спектрометрия

[ редактировать ]
Основная статья: Масс-спектрометрия

Для связи с масс-спектрометрией ионы из плазмы извлекаются через ряд конусов в масс-спектрометр, обычно квадруполь . Ионы разделяются на основе отношения их массы к заряду, и детектор получает сигнал иона, пропорциональный концентрации.

Концентрацию образца можно определить посредством калибровки с использованием сертифицированного эталонного материала, такого как одно- или многоэлементные эталонные стандарты. ИСП-МС также позволяет проводить количественные определения посредством изотопного разбавления — одноточечного метода, основанного на изотопно-обогащенном стандарте. Чтобы повысить воспроизводимость и компенсировать ошибки, но изменение чувствительности, внутренний стандарт можно добавить .

Другие масс-анализаторы, связанные с системами ИСП, включают магнитно-электростатические секторные системы с двойной фокусировкой как с одним, так и с несколькими коллекторами, а также времяпролетные системы ( как осевые , так и ортогональные использовались ускорители).

Приложения

[ редактировать ]

Одним из крупнейших применений ИСП-МС является медицинская и судебная медицина, в частности, токсикология. [ нужна ссылка ] Врач может назначить анализ на металлы по ряду причин, таких как подозрение на отравление тяжелыми металлами, проблемы с обменом веществ и даже гепатологии. В зависимости от конкретных параметров, уникальных для диагностического плана каждого пациента, образцы, собираемые для анализа, могут варьироваться от цельной крови, мочи, плазмы, сыворотки до даже эритроцитов. Еще одно основное применение этого инструмента – экологическая сфера. Такие приложения включают в себя тестирование воды для муниципалитетов или частных лиц, вплоть до анализа почвы, воды и других материалов для промышленных целей. [3]

В последние годы промышленный и биологический мониторинг представил еще одну важную потребность в анализе металлов с помощью ICP-MS. Работодатель требует от лиц, работающих на фабриках, где воздействие металлов вероятно и неизбежно, например, на заводе по производству аккумуляторов, регулярно сдавать кровь или мочу на токсичность металлов. Этот мониторинг стал обязательной практикой, внедренной Управлением по охране труда США в целях защиты работников от их рабочей среды и обеспечения правильной ротации рабочих обязанностей (т. е. перевода сотрудников из положения с высоким уровнем воздействия в положение с низким уровнем воздействия).

ICP-MS также широко используется в области геохимии для радиометрического датирования, где он используется для анализа относительного содержания различных изотопов, в частности урана и свинца. ICP-MS более подходит для этого применения, чем ранее использовавшаяся масс-спектрометрия с термической ионизацией , поскольку вещества с высокой энергией ионизации , такие как осмий и вольфрам, могут легко ионизироваться. Для работы с высокоточными соотношениями обычно используются инструменты с несколькими коллекторами, чтобы уменьшить влияние шума на расчетные соотношения.

В области проточной цитометрии новая методика использует ИСП-МС для замены традиционных флуорохромов . Короче говоря, вместо маркировки антител (или других биологических зондов) флуорохромами каждое антитело метится различными комбинациями лантаноидов . Когда интересующий образец анализируется с помощью ICP-MS в специализированном проточном цитометре, каждое антитело можно идентифицировать и количественно оценить благодаря отдельному «следу» ICP. Таким образом, теоретически в отдельной клетке можно анализировать сотни различных биологических зондов со скоростью ок. 1000 клеток в секунду. Поскольку элементы легко различаются в ИСП-МС, проблема компенсации в мультиплексной проточной цитометрии эффективно устраняется.

Лазерная абляция масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (LA-ICP-MS) — мощный метод элементного анализа широкого спектра материалов, встречающихся в судебно-медицинской экспертизе. (LA-ICP-MS) уже успешно применяется в криминалистике, металлах, очках, почвах, автомобильных красках, костях и зубах, печатных красках, микроэлементах, отпечатках пальцев и бумаге. Среди них судебно-медицинский анализ стекла выделяется как область применения, для которой этот метод имеет большую полезность.Наезды автомобилей, кражи со взломом, нападения, стрельба из проезжавших мимо автомобилей и взрывы, подобные этим ситуациям, могут привести к образованию осколков стекла, которые можно использовать в качестве доказательства связи в условиях транспортировки стекла. LA-ICP-MS считается одним из лучших методов анализа стекла из-за короткого времени на подготовку образца и небольшого размера образца, менее 250 нанограмм. Кроме того, нет необходимости в сложной процедуре и обращении с опасными материалами, которые используются для разложения образцов. Это позволяет обнаруживать основные, второстепенные и микроэлементы с высоким уровнем точности и аккуратности. Существует набор свойств, которые используются для измерения образца стекла, таких как физические и оптические свойства, включая цвет, толщину, плотность, показатель преломления (RI), а также, при необходимости, может быть проведен элементный анализ, чтобы повысить ценность ассоциации. .

Фармацевтическая промышленность

[ редактировать ]

В фармацевтической промышленности ИСП-МС используется для обнаружения неорганических примесей в фармацевтических препаратах и ​​их ингредиентах. Новые и сниженные максимально допустимые уровни воздействия тяжелых металлов из пищевых добавок, представленные в USP ( Фармакопея США ) « 〈232〉Элементные примеси — пределы » [4] и USP « 〈232〉Элементарные примеси — процедуры », [5] увеличит потребность в технологии ИСП-МС, где раньше было достаточно других аналитических методов. [6] Косметические средства, такие как губная помада, найденные на месте преступления, могут предоставить ценную криминалистическую информацию. Следы помады, оставшиеся на окурках, стеклянной посуде, одежде, постельном белье; салфетки, бумага и т. д. могут быть ценными доказательствами. Губная помада, обнаруженная с одежды или кожи, также может указывать на физический контакт между людьми. Судебно-медицинский анализ обнаруженных следов мазков помады может предоставить ценную информацию о недавних действиях жертвы или подозреваемого. Микроэлементный анализ мазков помады можно использовать в дополнение к существующим процедурам визуального сравнения для определения марки и цвета помады.

Масс-спектроскопия одночастичной индуктивно связанной плазмы (SP ICP-MS) была разработана для суспензий частиц в 2000 году Клодом Дегельдром. Впервые он протестировал эту новую методологию в Институте Фореля Женевского университета и представил этот новый аналитический подход на симпозиуме «Коллоид 2oo2» во время собрания EMRS весной 2002 года, а также на заседаниях в 2003 году. [7] В данной работе представлена ​​теория SP ICP-MS и результаты испытаний, проведенных на частицах глины (монтмориллонита), а также других суспензиях коллоидов. Затем этот метод был протестирован на наночастицах диоксида тория Дегельдре и Фаваргером (2004). [8] диоксид циркония, Degueldre et al (2004) [9] и наночастицы золота, которые используются в качестве субстрата в нанофармации и опубликованы Degueldre et al (2006). [10] В дальнейшем исследование нано- и микрочастиц диоксида урана послужило поводом для подробной публикации [2]. Дегельдре и др . (2006). [11] С 2010 года интерес к SP ICP-MS резко возрос.

Предыдущие судебно-медицинские методы, использовавшиеся для органического анализа помад путем сравнения состава, включали тонкослойную хроматографию (ТСХ), газовую хроматографию (ГХ) и высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ). Эти методы предоставляют полезную информацию относительно идентификации помад. Однако все они требуют длительного времени подготовки пробы и разрушают пробу. Неразрушающие методы судебно-медицинского анализа мазков помады включают наблюдение УФ-флуоресценции в сочетании с газовой хроматографией с продувкой и ловушкой, микроспектрофотометрию, сканирующую электронную микроскопию, энергодисперсионную спектроскопию (SEM-EDS) и рамановскую спектроскопию. [12]

Вид металла

[ редактировать ]

Растущая тенденция в мире элементного анализа вращается вокруг видообразования или определения степени окисления некоторых металлов, таких как хром и мышьяк . Токсичность этих элементов зависит от степени окисления, поэтому новые правила пищевых органов требуют уточнения некоторых элементов. Одним из основных методов достижения этой цели является разделение химических веществ с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) или фракционирования в полевом потоке (FFF), а затем измерение концентраций с помощью ICP-MS.

Количественное определение белков и биомолекул

[ редактировать ]

Существует растущая тенденция использования ИСП-МС в качестве инструмента видового анализа, который обычно включает в себя предварительное хроматографическое разделение и элементно-селективный детектор , такой как ААС и ИСП-МС. Например, ICP-MS можно комбинировать с эксклюзионной хроматографией и препаративным нативным PAGE для идентификации и количественного определения металлопротеинов в биожидкостях. Также можно проанализировать статус фосфорилирования белков.

В 2007 году был представлен новый тип реагентов для мечения белков, названный металл-кодированными аффинными метками (MeCAT), для количественной маркировки белков металлами, особенно лантанидами. [13] Маркировка MeCAT позволяет проводить относительную и абсолютную количественную оценку всех видов белков или других биомолекул, таких как пептиды. MeCAT содержит сайт-специфическую группу мечения биомолекул, по крайней мере, с сильной хелатной группой, которая связывает металлы. Белки, меченные MeCAT, можно точно определить количественно с помощью ICP-MS вплоть до низкого аттомольного количества аналита, что, по крайней мере, на 2–3 порядка более чувствительно, чем другие методы количественного определения, основанные на масс-спектрометрии. Введение нескольких меток MeCAT в биомолекулу и дальнейшая оптимизация пределов обнаружения LC-ICP-MS в диапазоне зептомола находятся в пределах возможного. Используя различные лантаноиды, мультиплексирование MeCAT можно использовать для фармакокинетики белков и пептидов или анализа дифференциальной экспрессии белков ( протеомики ), например, в биологических жидкостях. Разрушаемый PAGE SDS-PAGE (DPAGE, растворимый PAGE), двумерный гель-электрофорез или хроматография используются для разделения меченных MeCAT белков. Анализ белковых полос или пятен из гелей DPAGE SDS-PAGE с помощью проточно-инъекционной ИСП-МС можно легко выполнить путем растворения геля DPAGE после электрофореза и окрашивания геля. Белки, меченные MeCAT, идентифицируются и относительно количественно оцениваются на уровне пептидов с помощью MALDI-MS или ESI-MS.

Элементный анализ

[ редактировать ]

ICP-MS позволяет определять элементы с диапазоном атомных масс от 7 до 250 ( от Li до U ), а иногда и выше. Некоторые массы запрещены, например 40, из-за обилия аргона в образце. Другие заблокированные области могут включать массу 80 (из-за димера аргона) и массу 56 (из-за ArO), последняя из которых сильно затрудняет анализ Fe , если приборы не оснащены реакционной камерой. Такие помехи можно уменьшить с помощью ИСП-МС высокого разрешения (HR-ICP-MS), в котором используются две или более щели для сужения луча и различения близлежащих пиков. Это происходит за счет чувствительности. Например, чтобы отличить железо от аргона, требуется разрешающая способность около 10 000, что может снизить чувствительность железа примерно на 99%. Другим решением для некоторых мешающих видов является использование камеры столкновений, как описано в статье о ячейке реакции столкновения .

ИСП-МС с одним коллектором может использовать умножитель в режиме счета импульсов для усиления очень слабых сигналов, сетку затухания или умножитель в аналоговом режиме для обнаружения средних сигналов и чашу/ведро Фарадея для обнаружения более сильных сигналов. ИСП-МС с несколькими коллекторами может иметь более одного из них, обычно это ведра Фарадея, которые намного дешевле. При такой комбинации возможен динамический диапазон 12 порядков от 1 до 100 частей на миллион.

ИСП-МС — метод выбора для определения кадмия в биологических образцах. [14]

В отличие от атомно-абсорбционной спектроскопии , которая позволяет одновременно измерять только один элемент, ICP-MS имеет возможность сканировать все элементы одновременно. Это позволяет быстро обрабатывать образцы. Одновременная ИСП-МС, которая может записывать весь аналитический спектр от лития до урана в каждом анализе, получила серебряную награду на церемонии вручения наград Pittcon Editors' Awards 2010 . ИСП-МС может использовать несколько режимов сканирования, каждый из которых обеспечивает разный баланс между скоростью и точностью. Использование только магнита для сканирования происходит медленно из-за гистерезиса, но является точным. В дополнение к магниту для увеличения скорости можно использовать электростатические пластины, а это в сочетании с несколькими коллекторами может позволить сканировать каждый элемент от лития 6 до оксида урана 256 менее чем за четверть секунды. При низких пределах обнаружения, мешающих видах и высокой точности время подсчета может существенно увеличиться. Быстрое сканирование, большой динамический диапазон и большой диапазон масс идеально подходят для измерения множества неизвестных концентраций и соотношений изотопов в образцах, прошедших минимальную подготовку (преимущество перед TIMS), например, в морской воде, моче и переваренных целых образцах горных пород. Он также хорошо подходит для образцов горных пород, подвергшихся лазерной абляции, где скорость сканирования настолько высока, что возможно построить график любого количества изотопов в реальном времени. Это также позволяет легко картографировать минеральные зерна.

Аппаратное обеспечение

[ редактировать ]

Что касается ввода и вывода , прибор ICP-MS потребляет подготовленный материал образца и преобразует его в масс-спектральные данные. Реальная аналитическая процедура занимает некоторое время; по истечении этого времени прибор можно переключить для работы со следующим образцом. Серия таких измерений образцов требует, чтобы прибор зажег плазму, при этом ряд технических параметров должен быть стабильным, чтобы полученные результаты могли иметь достаточно точную и точную интерпретацию. Поддержание плазмы требует постоянной подачи газа-носителя (обычно чистого аргона) и повышенного энергопотребления прибора. Когда эти дополнительные эксплуатационные расходы не считаются оправданными, плазму и большинство вспомогательных систем можно отключить. В таком режиме ожидания работают только насосы, поддерживающие необходимый вакуум в масс-спектрометре.

Компоненты прибора ИСП-МС разработаны таким образом, чтобы обеспечить воспроизводимую и/или стабильную работу.

Образец введения

[ редактировать ]

Первым шагом в анализе является введение образца. Это было достигнуто в ИСП-МС различными способами.

Наиболее распространенным методом является использование аналитических небулайзеров . Небулайзер преобразует жидкости в аэрозоль, и этот аэрозоль затем может попасть в плазму для создания ионов. Небулайзеры лучше всего работают с простыми жидкими образцами (т.е. растворами). Однако были случаи их использования с более сложными материалами, такими как суспензия . К ИСП-МС подключаются многие разновидности небулайзеров, включая пневматические, поперечноточные, бабингтоновские, ультразвуковые и десольватирующие. Образующийся аэрозоль часто обрабатывают, чтобы ограничить его только мельчайшими каплями, обычно с помощью двухпроходной охлаждаемой камеры Пельтье или циклонной распылительной камеры. Использование автосамплеров делает это проще и быстрее, особенно при рутинной работе и большом количестве проб. Также можно использовать десольватирующий небулайзер (DSN); здесь используется длинный нагретый капилляр, покрытый фторполимерной мембраной, для удаления большей части растворителя и снижения нагрузки на плазму. Системы введения для удаления матрикса иногда используются для проб, таких как морская вода, где интересующие виды находятся в следовых количествах и окружены гораздо более обильными загрязнителями.

Лазерная абляция — еще один метод. Хотя в прошлом он был менее распространен, он быстро становится популярным в качестве средства введения образца благодаря увеличению скорости сканирования ICP-MS. В этом методе импульсный УФ-лазер фокусируется на образце и создает шлейф аблированного материала, который может попасть в плазму. Это позволяет геохимикам составлять пространственную карту изотопного состава в поперечных сечениях образцов горных пород - инструмент, который теряется, если порода переваривается и вводится в виде жидкого образца. Лазеры для этой задачи имеют хорошо контролируемую выходную мощность и равномерное радиальное распределение мощности, позволяющее создавать кратеры с плоским дном, выбранного диаметра и глубины.

Как для лазерной абляции, так и для десольватирующих небулайзеров в поток аргона можно также вводить небольшой поток азота. Азот существует в виде димера, поэтому имеет больше колебательных мод и более эффективно принимает энергию от радиочастотной катушки вокруг горелки.

Используются и другие методы введения проб. При электротермическом испарении (ETV) и факельном испарении (ITV) для испарения образцов перед введением используются горячие поверхности (обычно графит или металл). В них могут использоваться очень небольшие количества жидкостей, твердых веществ или суспензий. Известны и другие способы, такие как генерирование пара.

Плазменная горелка

[ редактировать ]
Распылитель ICP

Плазма, используемая в ИСП-МС, производится путем частично ионизации газообразного аргона (Ar → Ar + + и − ). Энергия, необходимая для этой реакции, получается путем подачи импульсного переменного электрического тока в нагрузочную катушку, которая окружает плазмотрон потоком газообразного аргона.

После введения образца экстремальная температура плазмы приводит к разделению образца на отдельные атомы (атомизация). Далее плазма ионизирует эти атомы (M → M + + и − ), чтобы их можно было обнаружить с помощью масс-спектрометра.

Индуктивно-связанная плазма (ИСП) для спектрометрии поддерживается в горелке, состоящей из трех концентрических трубок, обычно изготовленных из кварца. Двумя основными конструкциями являются горелки Фасселя и Гринфилда. [15] Конец этой горелки помещается внутри индукционной катушки, к которой подается высокочастотный электрический ток. Поток газообразного аргона (обычно от 14 до 18 литров в минуту) подается между двумя крайними трубками горелки, и на короткое время подается электрическая искра для введения свободных электронов в газовый поток. Эти электроны взаимодействуют с радиочастотным магнитным полем индукционной катушки и ускоряются сначала в одном направлении, затем в другом, так как поле меняется с высокой частотой (обычно 27,12 МГц или 40 МГц ). Ускоренные электроны сталкиваются с атомами аргона, а иногда в результате столкновения атом аргона отделяется от одного из своих электронов. Высвободившийся электрон, в свою очередь, ускоряется быстро меняющимся магнитным полем. Процесс продолжается до тех пор, пока скорость высвобождения новых электронов при столкновениях не уравновесится скоростью рекомбинации электронов с ионами аргона (атомами, потерявшими электрон). В результате образуется «огненный шар», состоящий в основном из атомов аргона с довольно небольшой долей свободных электронов и ионов аргона.

Преимущество аргона

[ редактировать ]

Создание плазмы из аргона вместо других газов имеет ряд преимуществ. Во-первых, аргон широко распространен (в атмосфере в результате радиоактивного распада калия ) и поэтому дешевле других благородных газов . Аргон также имеет более высокий первый потенциал ионизации , чем все другие элементы, кроме He , F и Ne . Из-за такой высокой энергии ионизации реакция (Ar + + и − → Ar) энергетически выгоднее реакции (M + + и − → М). Это гарантирует, что образец остается ионизированным (поскольку M + ), чтобы масс-спектрометр мог его обнаружить.

Аргон можно приобрести для использования с ИСП-МС либо в охлажденной жидкой, либо в газовой форме. Однако важно отметить, что какую бы форму аргона вы ни приобрели, он должен иметь гарантированную чистоту как минимум 99,9%. Важно определить, какой тип аргона лучше всего подойдет для конкретной ситуации. Жидкий аргон обычно дешевле и его можно хранить в большем количестве, в отличие от газовой формы, которая дороже и занимает больше места в резервуаре. Если прибор находится в среде, где он используется нечасто, то покупка аргона в газообразном состоянии будет наиболее целесообразной, поскольку его будет более чем достаточно для меньшего времени работы, а газ в баллоне будет оставаться стабильным в течение более длительных периодов времени. тогда как жидкий аргон будет наносить ущерб окружающей среде из-за вентиляции резервуара при хранении в течение длительного периода времени. Однако если ИСП-МС будет использоваться регулярно и будет работать по восемь или более часов каждый день в течение нескольких дней в неделю, то наиболее подходящим будет использование жидкого аргона. Если несколько приборов ИСП-МС будут работать в течение длительных периодов времени, то для лаборатории, скорее всего, будет полезно установить резервуар с аргоном или микрорезервуар, который будет обслуживаться компанией по поставке газа, что устраняет необходимость для частой замены резервуаров, а также для сведения к минимуму потерь аргона, оставшегося в каждом использованном резервуаре, а также времени простоя при замене резервуара.

Гелий можно использовать вместо аргона или в смеси с ним для генерации плазмы. [16] [17] Более высокая первая энергия ионизации гелия обеспечивает большую ионизацию и, следовательно, более высокую чувствительность к трудноионизируемым элементам. Использование чистого гелия также позволяет избежать помех на основе аргона, таких как ArO. [18] Однако многие помехи можно уменьшить с помощью ячейки коллизий , а более высокая стоимость гелия не позволяет использовать его в коммерческих ИСП-МС. [ нужна ссылка ]

Перенос ионов в вакуум

[ редактировать ]

Газ-носитель подается через центральный канал в очень горячую плазму. Затем образец подвергается воздействию радиочастоты , которая преобразует газ в плазму . Высокой температуры плазмы достаточно, чтобы вызвать образование ионов в очень большой части образца. Для некоторых элементов (например, натрия) эта доля ионизации может приближаться к 100%, но это зависит от потенциала ионизации. Часть образовавшихся ионов проходит через отверстие ~1 мм (конус пробоотборника), а затем отверстие ~0,4 мм (конус скиммера). Целью этого является создание вакуума , необходимого для масс-спектрометра .

Вакуум создается и поддерживается рядом насосов. Первая ступень обычно основана на форвакуумном насосе, чаще всего на стандартном пластинчато-роторном насосе. При этом удаляется большая часть газа, и давление обычно достигает около 133 Па. На более поздних стадиях вакуум создается более мощными вакуумными системами, чаще всего турбомолекулярными насосами. В более старых инструментах могли использоваться масляно-диффузионные насосы для регионов с высоким вакуумом.

Ионная оптика

[ редактировать ]

Перед масс-разделением необходимо извлечь из плазмы пучок положительных ионов и сфокусировать его в масс-анализаторе. Важно отделить ионы от УФ-фотонов, энергетических нейтралов и от любых твердых частиц, которые могли попасть в прибор из ИСП. Традиционно в приборах ИСП-МС для этой цели использовались линзы с пропускающими ионами. Примеры включают линзу Einzel, линзу Barrel, линзу Omega от Agilent. [19] и Shadow Stop Перкина-Элмера. [20] Другой подход заключается в использовании ионоводов (квадруполей, гексаполей или октополей) для направления ионов в масс-анализатор по пути, далекому от траектории фотонов или нейтральных частиц. Еще один подход, запатентованный Varian , используется Analytik Jena ICP-MS. [21] Параболическая оптика «ионного зеркала», отражающая 90 градусов, которая, как утверждается, обеспечивает более эффективный транспорт ионов в масс-анализатор, что приводит к лучшей чувствительности и снижению фона. Analytik Jena ICP-MS PQMS — самый чувствительный инструмент на рынке. [22] [23] [24] [ не удалось пройти проверку ]

Секторная ИСП-МС обычно имеет четыре секции: область ускорения извлечения, управляющие линзы, электростатический сектор и магнитный сектор. Первая область забирает ионы из плазмы и ускоряет их с помощью высокого напряжения. Во втором варианте использования может использоваться комбинация параллельных пластин, колец, квадруполей, гексаполей и октополей для управления, формирования и фокусировки луча так, чтобы полученные пики были симметричными, с плоской вершиной и имели высокое пропускание. Электростатический сектор может находиться до или после магнитного сектора в зависимости от конкретного прибора и уменьшает разброс кинетической энергии, вызванный плазмой. Этот разброс особенно велик для ИСП-МС: он больше, чем у тлеющего разряда, и намного больше, чем у TIMS. Геометрия инструмента выбирается таким образом, чтобы комбинированный фокус электростатического и магнитного секторов инструмента находился на коллекторе, что называется двойной фокусировкой (или двойной фокусировкой).

Если интересующая масса имеет низкую чувствительность и находится чуть ниже гораздо большего пика, хвост малой массы от этого большего пика может проникнуть в интересующую массу. Для уменьшения этого хвоста можно использовать фильтр замедления. Он расположен рядом с коллектором и подает напряжение, равное ускоряющему напряжению, но противоположное ему; любые ионы, потерявшие энергию во время полета вокруг прибора, будут замедляться фильтром.

Ячейка реакции столкновения и iCRC

[ редактировать ]
Основная статья: ячейка реакции столкновения

Ячейка столкновений/реакций используется для удаления мешающих ионов посредством ионных/нейтральных реакций. [25] Ячейки столкновения/реакции известны под несколькими названиями. Динамическая реакционная ячейка расположена перед квадруполем в устройстве ИСП-МС. [26] [27] [28] [29] Камера имеет квадруполь и может быть заполнена реакционными (или столкновительными) газами ( аммиак , метан , кислород или водород ), одновременно одним типом газа или смесью двух из них, которая вступает в реакцию с введенным образцом, устраняя некоторые вмешательства.

Интегрированная ячейка столкновительной реакции (iCRC), используемая Analytik Jena ICP-MS, представляет собой мини-ячейку столкновений, установленную перед оптикой параболического ионного зеркала, которая удаляет мешающие ионы путем впрыскивания столкновительного газа (He) или химически активного газа (H 2 ), или их смесь, непосредственно в плазму, протекающую через конус скиммера и/или конус пробоотборника. [30] [31] iCRC удалил мешающие ионы, используя явление распознавания кинетической энергии столкновений (KED). [ нужна ссылка ] и химические реакции с мешающими ионами аналогично традиционно используемым более крупным ячейкам столкновений.

Регулярное техническое обслуживание

[ редактировать ]

Как и в случае с любым другим прибором или оборудованием, существует множество аспектов технического обслуживания, которые необходимо включать в себя ежедневные, еженедельные и ежегодные процедуры. Частота технического обслуживания обычно определяется объемом пробы и совокупным временем работы, которому подвергается прибор.

Одно из первых действий, которое следует выполнить перед калибровкой ИСП-МС, — это проверка и оптимизация чувствительности. Это гарантирует, что оператор будет осведомлен о любых возможных проблемах с прибором и, если да, сможет устранить их перед началом калибровки. Типичными индикаторами чувствительности являются уровни родия, соотношения церий/оксид и бланки с деионизированной водой. Одной из распространенных стандартных практик является измерение стандартного настроечного решения, предоставляемого производителем ИСП, каждый раз при запуске плазменной горелки. Затем прибор автоматически калибруется на оптимальную чувствительность, и оператор получает отчет с указанием определенных параметров, таких как чувствительность, разрешение по массе и расчетное количество окисленных частиц и веществ с двойным положительным зарядом.

Одной из наиболее частых форм регулярного технического обслуживания является замена трубок для проб и отходов на перистальтическом насосе, поскольку эти трубки могут довольно быстро изнашиваться, что приводит к образованию дыр и засоров в линии отбора проб, что приводит к искажению результатов. Другими частями, которые требуют регулярной очистки и/или замены, являются наконечники для проб, наконечники распылителей, конусы для проб, конусы скиммеров, трубки инжекторов, горелки и линзы. Также может потребоваться замена масла в форвакуумном насосе и вакуумном форвакуумном насосе, в зависимости от рабочей нагрузки на инструмент.

Подготовка проб

[ редактировать ]

Для большинства клинических методов с использованием ИСП-МС существует относительно простой и быстрый процесс подготовки проб. Основным компонентом пробы является внутренний стандарт, который также служит разбавителем. Этот внутренний стандарт состоит в основном из деионизированной воды с азотной или соляной кислотой , а также индия и/или галлия. Добавление летучих кислот позволяет образцу разлагаться на газообразные компоненты в плазме, что сводит к минимуму способность концентрированных солей и растворителей закупоривать конусы и загрязнять прибор. [32] В зависимости от типа образца в пробирку обычно добавляют 5 мл внутреннего стандарта вместе с 10–500 микролитрами образца. Затем эту смесь перемешивают в течение нескольких секунд или до тех пор, пока она хорошо не перемешается, а затем загружают в лоток автосамплера.Для других применений, которые могут включать очень вязкие образцы или образцы, содержащие твердые частицы, возможно, придется провести процесс, известный как расщепление образца, прежде чем его можно будет дозировать и анализировать. Это добавляет дополнительный первый шаг к описанному выше процессу и, следовательно, делает подготовку пробы более длительной.

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Плазма» . Плазма-Вселенная.com . Проверено 23 ноября 2020 г.
  2. ^ Ли, Хё-Чанг (2018). «Обзор индуктивно связанной плазмы: наноприложения и физика бистабильного гистерезиса» . Обзоры прикладной физики . 5 (1): 011108. Бибкод : 2018ApPRv...5a1108L . дои : 10.1063/1.5012001 .
  3. ^ «Утвержденные Законом о чистой воде методы химических испытаний» . Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США. 2022-12-28. Способ № 200.8.
  4. ^ «Элементарные примеси – пределы» (PDF) . Ревизионный бюллетень . Фармакопейная конвенция США. 2013. Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2015 г. Проверено 20 февраля 2015 г.
  5. ^ «Элементарные примеси. Процедуры» (PDF) . Ревизионный бюллетень . Фармакопейная конвенция США. 2013. Архивировано из оригинала (PDF) 2 июля 2014 г. Проверено 20 февраля 2015 г.
  6. ^ Татьяна. Т, Валеска. С; Хосе. Р.: Элементный анализ стекла и лакокрасочных материалов методом лазерной абляции и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (LA-ICP-MS) для судебно-медицинской экспертизы, 2006 г.
  7. ^ Дегельдре, К.; Фаваргер, П.-Ю. (2003). «Коллоидный анализ методом масс-спектроскопии одночастичной индуктивно связанной плазмы: технико-экономическое обоснование». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 217 (1–3): 137–142. дои : 10.1016/S0927-7757(02)00568-X .
  8. ^ Дегельдре, К.; Фаваргер, ПЮ (2004). «Анализ коллоида тория методом масс-спектрометрии с одночастичной индуктивно связанной плазмой». Таланта . 62 (5): 1051–1054. дои : 10.1016/j.talanta.2003.10.016 . ПМИД   18969397 .
  9. ^ Дегельдре, К.; Фаваргер, П.-Ю.; Битеа, К. (2004). «Анализ коллоида циркония методом масс-спектрометрии с одночастичной индуктивно связанной плазмой». Аналитика Химика Акта . 518 (1–2): 137–142. дои : 10.1016/j.aca.2004.04.015 .
  10. ^ Дегельдре, К.; Фаваргер, П.-Ю.; Уолд, С. (2006). «Анализ коллоида золота методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в одночастичном режиме». Аналитика Химика Акта . 555 (2): 263–268. дои : 10.1016/j.aca.2005.09.021 .
  11. ^ Дегельдре, К.; Фаваргер, П.-Ю.; Россе, Р.; Уолд, С. (2006). «Анализ коллоида урана методом масс-спектрометрии с одночастичной индуктивно связанной плазмой». Таланта . 68 (3): 623–628. дои : 10.1016/j.talanta.2005.05.006 . ПМИД   18970366 .
  12. ^ Берри, Джонна Элизабет (2o15). Анализ следов металлов методами лазерной абляции, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и рентгеновской денситометрии по K-краю судебно-медицинских экспертиз. Кандидатские диссертации и диссертации. Бумага 14675.
  13. ^ Арендс Р., Пипер С., Кюн А. и др. (2007). «Подход к количественной протеомике с использованием металлических аффинных меток» . Молекулярная и клеточная протеомика . 6 (11): 1907–1916. дои : 10.1074/mcp.M700152-MCP200 . ПМИД   17627934 .
  14. ^ Клотц, Катрин; Вайстенхёфер, Воббеке; Дрекслер, Ганс (2013). «Глава 4. Определение кадмия в биологических пробах». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к эссенциальности . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 11. Спрингер. стр. 85–98. дои : 10.1007/978-94-007-5179-8_4 . ISBN  978-94-007-5178-1 . ПМИД   23430771 .
  15. ^ Гринфилд, С. (1994). «Индуктивно-связанная плазма в атомно-флуоресцентной спектрометрии. Обзор». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 9 (5): 565. дои : 10.1039/ja9940900565 . ISSN   0267-9477 .
  16. ^ Карузо, Джозеф А.; Дэвидсон, Тимоти М.; Шен, Вэй-Лунг; Шеппард, Бренда С. (1 января 1990 г.). «Гелий-аргоновая индуктивно-связанная плазма для масс-спектрометрии с источником плазмы». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 5 (8): 697–700. дои : 10.1039/JA9900500697 . ISSN   1364-5544 .
  17. ^ Нам, Сан-Хо; Монтасер, Акбар; Кромвель, Эван Ф. (1998). «Журналы SAGE: ваш путь к журнальным исследованиям мирового уровня». Прикладная спектроскопия . 52 : 161–167. дои : 10.1366/0003702981942500 . S2CID   95039168 .
  18. ^ Нам, Сан Хо; Масамба, Веллингтон, РЛ; Монтасер, Акбар. (15 октября 1993 г.). «Исследование гелиевой масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой для обнаружения металлов и неметаллов в водных растворах». Аналитическая химия . 65 (20): 2784–2790. дои : 10.1021/ac00068a014 . ISSN   0003-2700 .
  19. ^ Кеничи Саката и др., Масс-спектрометр и метод с индуктивно связанной плазмой, патент США 6265717 B1.
  20. ^ Скотт Д. Таннер и др. , Устройство и способ предотвращения попадания газов источника ионов в реакционную ячейку, патент США 6639665 B2.
  21. ^ Юрий Калиниченко Ионно-оптическая система для масс-спектрометра, патент США № 6 614 021 B1 (2003).
  22. ^ Шейн Эллиотт; Майкл Ноулз; Юрий Калиниченко (март 2004 г.). «Изменение направления в ИСП-МС» (PDF) . Американская лаборатория . Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2007 г.
  23. ^ Шейн Эллиотт; Барри Стерман; Стивен Андерсон; Эльке Брауэрс; Йос Бейнен (1 апреля 2007 г.). «ИСП-МС: когда чувствительность имеет значение» . Журнал «Спектроскопия» . Архивировано из оригинала 2 декабря 2007 г. Проверено 16 октября 2007 г.
  24. ^ Владимир Н. Эпов; Р. Дуглас Эванс; Цзянь Чжэн; ОФКС Донард; Масатоши Ямада (2007). «Быстрая дактилоскопия 239 Пу и 240 Pu в пробах окружающей среды с высокими уровнями U с использованием онлайн-ионной хроматографии в сочетании с высокочувствительным квадрупольным ICP-MS-детектированием». J. Anal. At. Spectrom. 22 (9): 1131–1137. doi : 10.1039/b704901c .
  25. ^ Йип, Ю.; Шам, В. (2007). «Применение технологии столкновительных / реакционных ячеек в масс-спектрометрии с изотопным разбавлением». Тенденции в аналитической химии . 26 (7): 727. doi : 10.1016/j.trac.2007.03.007 .
  26. ^ В. Баранов; С. Таннер (1999). «Динамическая реакционная ячейка для ИСП-МС. Часть 1: Вклад энергии радиочастотного поля в термодинамику ионно-молекулярных реакций». Дж. Анал. В. Спектр. 14 (8): 1133–1142. дои : 10.1039/a809889a .
  27. ^ С. Таннер; В. Баранов (1999). «Динамическая реакционная ячейка для ИСП-МС. Часть 2: Уменьшение помех, возникающих внутри ячейки». Дж. Ам. Соц. Масс-спектр. 10 (11): 1083–1094. дои : 10.1016/S1044-0305(99)00081-1 . S2CID   93608392 .
  28. ^ Томас, Роберт (2001). «Руководство по ИСП-МС для начинающих» (PDF) . Спектроскопия . Адванстар Коммуникейшнс. Архивировано (PDF) из оригинала 16 марта 2006 г. Проверено 9 мая 2014 г.
  29. ^ Скотт Д. Таннер ; Владимир Баранов ; Дмитрий Бандура (2002). «Реакционные ячейки и ячейки столкновений для ИСП-МС: обзор учебного пособия». Спектрохимика Акта Б. 57 (9): 1361–1452. Бибкод : 2002AcSpe..57.1361T . дои : 10.1016/S0584-8547(02)00069-1 .
  30. ^ И. Калиниченко, Патент WO 2004/012223 А1.
  31. ^ Ван, СюэДун; Юрий Калиниченко. «Принципы и характеристики интерфейса реакции на столкновение для» (PDF) . Вариан. Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2008 г. Проверено 20 января 2009 г.
  32. ^ Амманн, Адриан А. (27 марта 2007 г.). «Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP MS): универсальный инструмент» . Журнал масс-спектрометрии . 42 (4): 419–427. Бибкод : 2007JMSp...42..419A . дои : 10.1002/jms.1206 . PMID   17385793 – через Wiley Analytical Science.
[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы, связанные с ИСП-МС .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inductively_coupled_plasma_mass_spectrometry&oldid=1224967628"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b9717728058c93a7276a42234e596688__1716295140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b9/88/b9717728058c93a7276a42234e596688.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Inductively coupled plasma mass spectrometry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)