ICP-MS:Masna spektrometrija z induktivno

sklopljeno plazmo

ICP-MS – vsebina predstavitve

Osnove instrumentalne tehnike (princip

delovanja, spektralne interference, kvantifikacija)

Določitev celotnih koncentracij elementov

Kemijska speciacijska analiza

Research Group for Trace

Elements Speciation

ICP-MS spektrometer

Fizikalni principi na katerih temeljijo metode elementne analize:X-žarkovna fluorescenčna spektrometrija (absorpcija X-žarkov, oz. fotonov)Aktivacijska analiza (emisija delcev z nabojem)Atomska emisijska spektrometrija (emisija fotonov)Atomska absorpcijska spektrometrija (absorpcija fotonov)Anorganska masna spektrometrija (emisija ionov)

znanosti o okolju

hrana in kmetijstvo

farmacija in medicina

forenzična analitika

kemija in petrokemija

polprevodniki in elektronika

nanotehnologija …

o nizke meje zaznave (visoka občutljivost)

o meritve velikih serij vzorcev

o Več-elementna analiza

o robustnost (meritve vzorcev z

enostavno in kompleksno osnovo)

o meritve izotopske sestave.

o sklopitve s separacijskimi moduli

Prednosti uporabe ICP-MS v določitvi elementov v sledovih

• 1960: Reed: prva induktivno sklopljena plazma - ICP

• 1964: Greenfield, Fassel: prva analizna uporaba ICP-MS

• 1974 - 1983: pojavijo se komercialni ICP-MS

Masna spektrometrija z induktivno

sklopljeno plazmo

Osnovni princip masne spektrometrije: kemijske spojine ali elementi se najprej

ionizirajo, nato se električno nabite molekule, njihovi fragmenti ali elementarni

ioni detektirajo glede na razmerje med njihovo maso in nabojem (m/z).

Ab

un

dan

ce

𝑚

𝑧

+

++

+

+++

+

+

++

+

+

+

+

ICP-MS spektrometer

masni

analizatorplazma ionske

lečedetektor

+

++ +

++

+ +

vnos vzorca

razprševanje

vaporizacija,

atomizacija, ionizacija

masna analiza

ICP-MS značilne lastnosti

ICP: visoko ioniziran Ar plin v katerem večina elementov periodnega

sistema učinkovito tvori mono atomarne ione s pozitivnim nabojem (m

od 7 do 205).

visoka občutljivost: meje zaznave (LOD): koncentracije pod-nanogram na

liter

široko linearno delovno območje: 7 do 9 vrednostnih razredov

hitra več elementna analiza (semi- in kvantitativna) (kvantifikacija na

osnovi neodvisnih kalibracijskih standardov ali izotopskega redčenja)

tehnologija kolizijsko/reakcijske celice: izboljšana kontrola spektralnih

interferenc, ki omogoča da večino elementov določimo zanesljivo, ne

glede na kompleksnost osnove vzorcev.

High Matrix introduction (HMI) tehnologija: omogoča vnos vzorcev, ki

vsebujejo do 25% celotnih raztopljenih snovi (nasičena raztopina soli =

25% NaCl) brez njihovega redčenja.

ICP-MS

Prikaz kemijskih elementov v periodnem sistemu, ki jih lahko merimo z

ICP-MS.

AAS / ICP-AES / ICP-MS: meje zaznave

AAS / ICP-AES / ICP-MS: osnovni

principi

ICP-MS

Induktivno sklopljena plazma

Plazma je vroč, električno prevodni ionizirani plin.

Plazmo sestavljajo kationi, elektroni in atomi. Navzven je električno nevtralna

Temp. 6000 – 12000K,Za plazmo je značilna visoka gostota elektronov

Ni eksplozivna

ICP-MS

Plamenica (torch)

Razpršilniki – različni tipiRazpršilna komora

Vnos vzorcev v plazmo:• Peristaltična črpalka

• Tekočinski kromatograf

• Kapilarna elektroforeza

• Plinski kromatograf

• Laserska ablacija

ICP-MS

ionske leče masni analizatordinodni detektor –

pomnoževalka elektronov

Vmesnik / Interface

Transport ionov iz plazme (atmosferski pritisk)

v masni spektrometer (vakum)

ICP-MS

vakum

Vzorčevalni

stožec / sampler

posnemovalni

stožec / skimmer

zapora

fotonov

ionske leče

ICP-MS

Elementi s prvim ionizacijskim potencialom pod 7 eV se v plazmi kvantitativno

ionizirajo (alkalijski, zemljo-alkalijski elementi, prehodni elementi, lantanidi in

aktinidi). Z višanjem ionizacijskega potenciala elementa se delež njegovih ionov

v plazmi manjša; Hg 10,5 eV = 10% ionizacija.

ICP-MS Interference merjenja

nespektralne: slabo razkrojeni vzorci / vnos relativno velikega deleža ogljika, ki ga

vsebuje hrana / kontaminacija in spominski učinek

spektralne:

poliatomske*

* večji del poliatomskih interferenc pri kvadrupolnih instrumentih odpravimo z uporabo

(kvadrupol / heksapol / oktapol) kolizijsko-reakcijskih celic.

V plazmi se idealno tvorijo le enkrat pozitivno nabiti mono-elementni

ioni.

mas od 14 do 19 (dušik in ioni iz molekul vode) ter 36, 38 in 40

(argon) ter 41 (ArH+) s kvadrupolnim instrumentom ne merimo.

Pogosto se pojavljajo interference N2+ na masi 28, O2

+ na masi 32,

ArO+ na masi 56 in Ar2+ na masi 80 (pazimo pri merjenju silicija (28),

železa (56) in selena (80).

mase med 82 do 110 niso problematične. Interferenc oksidov težjih

elementov, ki morebiti motijo določitev željenega elementa (npr.

molibdenov oksid moti določitev kadmija, hafnijev oksid določitev

platine,..) kolizijsko-reakcijske celice ne odpravijo učinkovito.

Odpravimo jih z uporabo visoko-ločljivostnega instrumenta ali

matematičnih korekcij.

izobarne 87Sr = 87Rb / 114Sn = 114Cd

Odpravimo s predhodno kemijsko separacijo, matematično korekcijo

QQQ instrumentom

Moderni ICP-MS instrumenti omogočajo hitro semi-kvantitativno določitev

(koncentracija določena glede na instrumentalni odziv instrumenta). Manj točna je

določitev v primeru elementov z relativno visoko ionizacijsko energijo (Zn, Se, Au, Bi,

Sb).

ICP-MS Kvalitativna analiza

Izbor metode (ICP-MS)

vzorčenje reprezentativnega vzorca

priprava laboratorijskega vzorca

določitev števila paralelk

razkroj vzorcev

odpravljanje interferenc

merjenje lastnosti analita

izračun rezultatov

ocena merilne negotovosti

Koraki v kvantitativni analizi Skoog et al., 1992

VREDNOST

SI ENOTA ZA KOLIČINO SUBSTANCE

referenčni standard

delovni standard

količinska vsebnost

analita v vzorcu

Sledljivost merjenja: neprekinjena verigaprimerjave instrumentalnega merjenja zznanim standardom. Vsaka primerjava v verigimora imeti ocenjeno merilno negotovost.

VREDNOST

VREDNOST

https://www.fda.gov/Food/default.htm

http://eur-lex.europa.eu/summary/chapter/food_safety.html?root_default=SUM_1_CODED=30svinec, kadmij, živo srebro, anorganski kositer

ICP-MS Kvalitativna analiza

Celotne koncentracije elementov kvantitativno določimo z uporabo od

kemijskih oblik elementa neodvisnih vodnih standardov (ang. aqueous

standards) ali z metodo standardnega dodatka (dodatek znane množine

merjenega elementa k vzorcem, ang. standard addition).

Uporabljamo interne standarde (npr. Rh) za korekcijo razlik v razprševanjustandarda in vzorca (posledica različne osnove vzorca), sprememb v

občutljivosti s časom in za izboljšanje ponovljivosti merjenja.

Umeritvene premice preko več vrednostnih razredov določimo s tehtano

regresijo (standardna deviacija merjenja se spreminja glede na intenziteto

instrumentalnega signala).

Največjo preciznost in točnost v kvantitativni analizi z ICP-MS dosežemo s

tehniko izotopskega redčenja.

Izotopsko redčenje: Isotope Dilution Technique

• 1950s tehnika razvita v masni spektrometriji za elementno analizo

• 1970s tehniko prevzamejo tudi v organski masni spektrometriji

• V speciacijski analizi se uporablja t.i. species-unspecific (on-line ali po-

kolonska) ali species-specific izvedba.

species-unspecific species-specific

when isotopically enriched matching

species and/or well characterization

calibration standards are unavailable

isotopically enriched matching species

is added to the sample before sample

preparation; only losses of species

before isotopic equilibration are not

corrected for.

1. Addition of enriched stable isotope

2. Measurements of induced changes in the isotopic

composition by ICP-MS.

R = ((Ns x Hs2) + (Nsp x Hsp

2)) / ((Ns x hs

1) + (Nsp x Hsp

1))

R = isotope ratio of isotope diluted sample (to be measured)

Ns, Nsp = number of atoms in sample or spike (Ns –

unknown)

h1,2

isotope abundance of reference and spike isotope (%)

ICP-MS kot detektorski sistem v sklopljenih tehnikah, ki se uporabljajo v speciacijski analizi

ICP-MS

GC

LC

CE

ICP-MS speciacijska analiza

1. Separacija 2. Detekcija 3. Identifikacija

Quadrupole with collision/reaction cell

High Resolution Double-Focusing Sector-Field

Triple-Quadrupole

Multicollector Sector-Field

(Mattauch-Herzog, Time of Flight, Ion Trap)

ICP-MS sklopljene tehnike

Liquid chromatography: HPLC, capillary or nano flow LCSize exclusion, ion-exchange, reversed-phase, HILIC, affinity, conjoint..

Gel electrophoresis (laser ablation), Capillary electrophoresis

Gas chromatography

I Separation

II Detection by ICP-MS

Electrospray Ionization MS

Triple-Quadrupole, Quadrupole Linear Ion Traps

High Resolution Electrospray Ionization MSQuadrupole time-of-flight, Fourier transform ion cyclotron resonance

Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization

III Identification

Kemijska speciacija?SpeciacijaPorazdelitev elementa v sistemu med njegove določene

kemijske oblike (specije).

Speciacijska analizaAnalizna kemija: aktivnost v kateri identificiramo in/ali merimo količino ene ali več posameznih kemijskih oblik

(specij) v vzorcu.

Kemijska oblika (zvrst ali specija)Specifična oblika elementa, ki jo definira njena

izotopska sestava, elektronsko ali oksidacijsko stanje

in/ali kompleksna ali molekularna struktura.International Union of Pure and Applied Chemistry Compendium of Chemical TerminologyGold Book Version 2.3.3 2014-02-24

Speciacijska analiza

Zahtevnost analize zaradi:

nestabilnih kemijskih oblik elementov

modifikacij kemijskih oblik med njihovo ekstrakcijo / izluževanjem

različnih koncentracij kemijskih oblik elementa z različnimi

fizikalno-kemijskimi lastnostmi

transformacij kemijskih oblik tekom analiznega postopka

dodatnega čiščenja vzorca po derivatizaciji ali ekstrakciji v primeru

ločbe s plinsko kromatografijo

Najpogostejše napake:

Izguba analita (hlapenje, adsorpcija na stene uporabljene laboratorijske

posode)

kontaminacije (reagenti, voda, laboratorijska posoda, lab. atmosfere…)

Pretvrob specij med analiznim postopkom, njihova degradacija, nizki

izkoristki..

Izotopska sestava kemijskih elementov

http://kcvs.ca/isotopesmatter/iupacMaterials/javascript/Interactive%20Periodic%20Table%20of%20the%20Isotopes/HTML5/index.html

International System of Unites

International Vocabulary of Metrology, VIM, 3rdEd.

Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements

Izotopska sestava kemijskih elementov

Isotopic measurements in Mass Spectrometry

Isotopic composition measurements

Natural variations of isotope

abundances

Geochronology

Provenance of archaeological

artefacts

Provenance of foods and beverages

Study of isotopic effects in Nature

Human-made variations of isotope

abundances

Nuclear samples

Tracer studies

Isotope Dilution Mass Spectrometry

Elemental analysis

Trace element speciation

Chemical metrology

The delta value (d) is used to express the relative difference of a ratio of

the numbers (or the amounts) of two isotopes in a specimen compared

with that of a reference, commonly an international measurement

standard. Results of such isotopic measurements are used in

anthropology, atmospheric sciences, biology, chemistry, environmental

sciences, food and drug authentication, forensic applications,

geochemistry, geology, oceanography, and paleoclimatology.

ICP-MS is an indispensable tool for

contemporary trace element analysis

ICP-MS Zaključni poudarki

od določitev celotnih koncentracij elementov v sledovih v

vzorcih, njihove izotopske sestave, kemijske speciacije in

2D ter 3D porazdelitve do karakterizacije nanodelcev

ICP-MS je danes instrumentalna tehnika izbora za elementno (izotopsko) analizo vseh

vrst vzorcev, vključno s hrano in pijačo.

ICP-MS instrumenti nadomeščajo alternativne v večini laboratorijev prehranske

industrije.

Tehnika je podvržena interferencam merjenja, ki jih lahko učinkovito odpravimo in

omogočimo kvantitativno analizo.

Vsebnost elementov lahko določimo semi-kvantitativno na podlagi analiznega signala

ali kvantitativno na osnovi umeritvenih krivulj z internimi standardi in s tehniko

izotopskega redčenja.

Najpogosteje ICP-MS pri analizi hrane uporabljamo za določitev celotnih koncentracij

elementov, speciacijska analiza se rutinsko opravlja izjemoma.

Uporabljene analizne metode kontroliramo z uporabo referenčnih materialov

Trenutni moderni trendi uporabe ICP-MS so v smeri ugotavljanja geografskega porekla

prehranskih izdelkov, preprečevanja ponaredkov in analize prisotnosti nanodelcev.