Введение
Тип масс-спектрометрии, использующий индуктивно связанную плазму для ионизации образца. Индуктивно связанная плазменная масс-спектрометрия (ICP MS) – это тип масс-спектрометрии, в котором для ионизации образца используется индуктивно связанная плазма. Она атомизирует образец и создает атомные и небольшие полиатомные ионы, которые затем детектируются. ICP MS широко известен и применяется благодаря способности определять металлы и некоторые неметаллы в жидких образцах при очень низких концентрациях. Метод позволяет определять различные изотопы одного и того же элемента, что делает его универсальным инструментом для изотопной метки. По сравнению с атомно-абсорбционной спектроскопией, ICP MS отличается большей скоростью, точностью и чувствительностью. Однако, в отличие от других типов масс-спектрометрии, таких как масс-спектрометрия тепловой ионизации (TIMS) и масс-спектрометрия с тлеющим разрядом (GD MS), ICP MS характеризуется наличием множества интерферирующих соединений: аргона из плазмы, компонентов воздуха, проникающих через отверстия конуса, и загрязнений от стеклянной посуды и конусов.
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP MS) is a type of mass spectrometry that uses an inductively coupled plasma to ionize the sample. It atomizes the sample and creates atomic and small polyatomic ions, which are then detected. It is known and used for its ability to detect metals and several non metals in liquid samples at very low concentrations. It can detect different isotopes of the same element, which makes it a versatile tool in isotopic labeling. Compared to atomic absorption spectroscopy, ICP MS has greater speed, precision, and sensitivity. However, compared with other types of mass spectrometry, such as thermal ionization mass spectrometry (TIMS) and glow discharge mass spectrometry (GD MS), ICP MS introduces many interfering species: argon from the plasma, component gases of air that leak through the cone orifices, and contamination from glassware and the cones.
Индуктивно связанная плазма
Индуктивно связанная плазма – это плазма, которая получает энергию (ионизируется) путем индуктивного нагрева газа с помощью электромагнитной катушки и содержит достаточную концентрацию ионов и электронов для обеспечения электрической проводимости газа. Не обязательно, чтобы весь газ был ионизирован для проявления плазменных характеристик; достаточно ионизации всего в 1%, чтобы сформировать плазму. Плазмы, используемые в спектрохимическом анализе, по существу электрически нейтральны, при этом каждый положительный заряд иона компенсируется свободным электроном. В этих плазмах почти все положительные ионы однократно заряжены, а отрицательных ионов немного, поэтому в единице объема плазмы количество ионов и электронов примерно одинаково. Индуктивно связанные плазмы имеют два режима работы: емкостный (E) режим с низкой плотностью плазмы и индуктивный (H) режим с высокой плотностью плазмы. Переход от E к H режиму нагрева происходит при внешнем воздействии. Индуктивно-связанная плазменная масс-спектрометрия работает в H режиме. Уникальность индуктивно-связанной плазменной масс-спектрометрии (ICP MS) среди других методов неорганической масс-спектрометрии заключается в ее способности непрерывно отбирать анализируемое вещество, без прерываний. Это отличает ее от других методов неорганической масс-спектрометрии, таких как масс-спектрометрия с тлеющим разрядом (GDMS) и масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS), которые требуют двухэтапного процесса: поместить образец(ы) в вакуумную камеру, герметизировать камеру, откачать вакуум, активировать образец, тем самым направляя ионы в масс-анализатор. В ICP MS анализируемый образец находится при атмосферном давлении. Благодаря эффективному использованию дифференциальной откачки – множественных вакуумных ступеней, разделенных дифференциальными апертурами (отверстиями) – ионы, образующиеся в аргоновой плазме, с помощью различных методов электростатической фокусировки передаются через масс-анализатор в детектор(ы) и подсчитываются. Это не только радикально увеличивает пропускную способность образцов (количество образцов за единицу времени), но и позволяет проводить так называемое "приобретение данных во времени". Методы, сочетающие в себе различные техники, такие как жидкостная хроматография – ICP MS (LC ICP MS), лазерная абляция – ICP MS (LA ICP MS), проточная инжекция – ICP MS (FIA ICP MS) и другие, извлекают выгоду из этой относительно новой технологии. Это стимулировало разработку новых инструментов для исследований, включая геохимию и криминалистическую химию, биохимию и океанографию. Кроме того, увеличение пропускной способности образцов с десятков до сотен образцов в день произвело революцию в анализе окружающей среды, снизив затраты. В основе этого лежит тот факт, что, пока образец находится при атмосферном давлении, анализатор и детектор работают при давлении в 1/10 000 000 от этого значения. Индуктивно связанная плазма (ICP) для спектрометрии поддерживается в факеле, состоящем из трех концентрических трубок, обычно кварцевых, хотя внутренняя трубка (инжектор) может быть сапфировой при использовании плавиковой кислоты. Конец этого факела помещается внутрь индукционной катушки, на которую подается радиочастотный электрический ток. Поток аргонового газа (обычно 13–18 литров в минуту) подается между двумя внешними трубками факела, и на короткое время подается электрическая искра для введения свободных электронов в поток газа. Эти электроны взаимодействуют с радиочастотным магнитным полем индукционной катушки и ускоряются сначала в одном направлении, а затем в другом, по мере изменения поля на высокой частоте (обычно 27,12 миллионов циклов в секунду). Ускоренные электроны сталкиваются с атомами аргона, и иногда столкновение приводит к потере электрона атомом аргона. Высвобожденный 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). Это создает "огненный шар", состоящий в основном из атомов аргона с небольшой долей свободных электронов и ионов аргона. Температура плазмы очень высока, порядка 10 000 К. Плазма также излучает ультрафиолетовый свет, поэтому для безопасности нельзя смотреть на нее напрямую. ICP удерживается в кварцевом факеле благодаря потоку газа между двумя внешними трубками, который удерживает плазму от стенок факела. Второй поток аргона (около 1 литра в минуту) обычно подается между центральной и средней трубками, чтобы удерживать плазму от конца центральной трубки. Третий поток (также обычно около 1 литра в минуту) газа подается в центральную трубку факела. Этот поток газа проходит через центр плазмы, где формирует канал, который холоднее окружающей плазмы, но все же намного горячее химического пламени. Анализируемые образцы вводятся в этот центральный канал, обычно в виде тумана жидкости, образующегося при прохождении жидкого образца через распылитель (небулайзер). Для максимизации температуры плазмы (и, следовательно, эффективности ионизации) и стабильности образец следует вводить через центральную трубку с минимальным количеством жидкости (нагрузка растворителем) и с постоянным размером капель. Для жидких образцов можно использовать распылитель, за которым следует камера для удаления крупных капель, или распылитель с десольватацией для испарения большей части растворителя перед попаданием в факел. Твердые образцы также можно вводить с помощью лазерной абляции. Образец попадает в центральный канал ICP, испаряется, молекулы распадаются, а затем образующиеся атомы ионизируются. При температурах, преобладающих в плазме, значительная доля атомов многих химических элементов ионизируется, каждый атом теряет свой наиболее слабо связанный электрон, образуя однократно заряженный ион. Температура плазмы выбирается для максимизации эффективности ионизации элементов с высокой первой энергией ионизации, одновременно минимизируя вторичную ионизацию (двойное заряжение) элементов с низкой второй энергией ионизации.
Массовая спектрометрия
Для соединения с масс-спектрометрией, ионы из плазмы извлекаются через серию конусов в масс-спектрометр, как правило, квадрупольный. Ионы разделяются по отношению массы к заряду, а детектор регистрирует ионный сигнал, пропорциональный концентрации. Концентрация образца может быть определена путем калибровки с использованием сертифицированного референсного материала, такого как одно- или многоэлементные референсные стандарты. ICP-MS также подходит для количественного анализа методом изотопного разведения – одноточечного метода, основанного на изотопно-обогащенном стандарте. Для повышения воспроизводимости и компенсации погрешностей, связанных с колебаниями чувствительности, может быть добавлен внутренний стандарт. К системам ICP могут быть подключены и другие масс-анализаторы, включая магнитоэлектростатические секторы с двойной фокусировкой с одно- и многоколлекторными системами, а также масс-спектрометры с временем пролета (использовались как осевые, так и ортогональные ускорители).
Приложения
Одно из наиболее значительных применений ICP MS – в медицинской и судебной медицине, особенно в токсикологии. Врач может назначить анализ на содержание металлов по ряду причин, таких как подозрение на отравление тяжелыми металлами, нарушения обмена веществ и даже заболевания печени. В зависимости от специфических параметров, определенных для диагностического плана каждого пациента, образцы для анализа могут включать цельную кровь, мочу, плазму, сыворотку крови и даже концентрированные эритроциты. Важным направлением использования этого прибора является экологический мониторинг. Это включает анализ воды для муниципальных служб и частных лиц, а также анализ почвы, воды и других материалов в промышленных целях. В последние годы возрос спрос на анализ металлов с помощью ICP MS в рамках промышленного и биологического мониторинга. Сотрудники предприятий, где неизбежно воздействие металлов, например, на аккумуляторных фабриках, обязаны регулярно сдавать кровь или мочу для анализа на токсичность металлов. Этот мониторинг стал обязательной практикой, внедряемой Управлением по охране труда и технике безопасности США, для защиты работников и обеспечения ротации рабочих мест (то есть перевода сотрудников с мест с высоким уровнем воздействия на места с низким уровнем воздействия). ICP MS также широко используется в геохимии для радиометрического датирования, где он применяется для анализа относительного содержания различных изотопов, в частности урана и свинца. ICP MS лучше подходит для этой задачи, чем ранее использовавшаяся термическая ионизационная масс-спектрометрия, поскольку элементы с высокой энергией ионизации, такие как осмий и вольфрам, могут быть легко ионизированы. Для высокоточных измерений соотношений обычно используются многоколлекторные приборы для снижения влияния шума на расчетные соотношения. В области проточной цитометрии разработан новый метод, в котором ICP MS заменяет традиционные флуорохромы. Вместо мечения антител (или других биологических зондов) флуорохромами, каждое антитело метится уникальной комбинацией лантаноидов. При анализе образца в специализированном проточном цитометре с использованием ICP MS каждое антитело может быть идентифицировано и количественно определено по его уникальному ICP "сигналу". Теоретически, сотни различных биологических зондов могут быть проанализированы в одной клетке со скоростью около 1000 клеток в секунду. Благодаря легкому различию элементов в ICP MS проблема компенсации при мультиплексной проточной цитометрии эффективно устраняется. Лазерно-аблационная индуктивно связанная плазменная масс-спектрометрия (LA ICP MS) – мощный метод элементного анализа широкого спектра материалов, используемых в криминалистике. (LA ICP MS) успешно применяется для анализа металлов, стекол, почв, автомобильных красок, костей, зубов, печатных красок, микроэлементов, отпечатков пальцев и бумаги. Среди этих применений выделяется судебно-медицинский анализ стекла, для которого эта техника особенно полезна. ДТП, кражи со взломом, нападения, стрельбы и взрывы могут приводить к образованию осколков стекла, которые могут служить доказательством связи в условиях переноса стекла. LA ICP MS считается одним из лучших методов анализа стекла благодаря короткому времени подготовки образца и небольшому размеру образца – менее 250 нанограммов. Кроме того, не требуется сложная процедура и работа с опасными материалами, необходимыми для пробоподготовки. Это позволяет определять основные, второстепенные и микроэлементы с высокой точностью и достоверностью. Для оценки образца стекла используются различные свойства, такие как физические и оптические характеристики, включая цвет, толщину, плотность, показатель преломления (RI), а также, при необходимости, элементный анализ для повышения значимости установленной связи.
Фармацевтическая промышленность
В фармацевтической промышленности ICP MS используется для обнаружения неорганических примесей в фармацевтических препаратах и их ингредиентах. Новые и сниженные максимально допустимые уровни содержания тяжелых металлов в биологически активных добавках, установленные в USP (United States Pharmacopeia) «〈232〉Elemental Impurities—Limits» и USP «〈232〉Elemental Impurities—Procedures», повысят потребность в технологии ICP MS, в то время как ранее для этих целей было достаточно других аналитических методов. Косметика, такая как помада, обнаруженная на месте преступления, может предоставить ценную криминалистическую информацию. Мазки помады, оставленные на окурках, стеклянной посуде, одежде, постельном белье, салфетках, бумаге и т.д., могут являться ценными доказательствами. Помада, обнаруженная на одежде или коже, также может указывать на физический контакт между людьми. Судебно-медицинский анализ следов помады может предоставить ценную информацию о недавней деятельности жертвы или подозреваемого. Анализ элементного состава следов помады может быть использован в дополнение к существующим визуальным сравнительным процедурам для определения марки и цвета помады. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой для отдельных частиц (SP ICP MS) была разработана для анализа суспензий частиц в 2000 году Клодом Дегельдером. Он впервые протестировал эту новую методологию в Институте Фореля Женевского университета и представил этот новый аналитический подход на симпозиуме «Colloid 2oo2» во время весенней сессии EMRS 2002 года, а также в материалах конференции в 2003 году. В настоящем исследовании представлена теория SP ICP MS и результаты испытаний, проведенных на частицах глины (монтмориллонит), а также на других коллоидных суспензиях. Затем этот метод был протестирован на наночастицах диоксида тория (Degueldre & Favarger, 2004), диоксида циркония (Degueldre et al., 2004) и наночастицах золота, которые используются в качестве субстрата в нанофармацевтике, и опубликованы (Degueldre et al., 2006). Впоследствии исследование нано- и микрочастиц диоксида урана привело к публикации подробных результатов (Degueldre et al., 2006). С 2010 года интерес к SP ICP MS значительно возрос. Ранее используемые судебно-медицинские методы для органического анализа помад, основанные на сравнительном анализе состава, включали тонкослойную хроматографию (TLC), газовую хроматографию (GC) и высокоэффективную жидкостную хроматографию (HPLC). Эти методы предоставляют полезную информацию для идентификации помад. Однако все они требуют длительной подготовки образцов и разрушают их. Неразрушающие методы судебно-медицинского анализа следов помады включают наблюдение УФ-флуоресценции в сочетании с газовой хроматографией с очисткой и улавливанием, микроспектрофотометрию, сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионной спектроскопией (SEM EDS) и рамановскую спектроскопию.
Видообразование металлов
Растущая тенденция в мире элементного анализа связана с определением видов, или определением степени окисления определенных металлов, таких как хром и мышьяк. Токсичность этих элементов зависит от степени окисления, поэтому новые требования регулирующих органов в области пищевых продуктов предусматривают определение видового состава некоторых элементов. Одним из основных методов достижения этого является разделение химических видов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) или фракционного полевого потока (ФПП) с последующим измерением концентраций методом ICP MS.
Количественное определение белков и биомолекул
Существует растущая тенденция использования ICP MS в качестве инструмента для анализа видообразования, который обычно включает хроматографическое разделение на переднем конце и элемент-селективный детектор, такой как AAS и ICP MS. Например, ICP MS может быть объединен с гель-фильтрационной хроматографией и препаративной нативной PAGE для идентификации и количественной оценки металлопротеинов в биологических жидкостях. Также возможно анализировать степень фосфорилирования белков. В 2007 году был представлен новый тип реагентов для мечения белков, называемых металл-кодированными аффинными метками (MeCAT), для количественного мечения белков металлами, особенно лантаноидами. Мечение MeCAT позволяет проводить относительную и абсолютную количественную оценку всех видов белков или других биомолекул, таких как пептиды. MeCAT состоит из специфической для сайта группы мечения биомолекулы, содержащей как минимум сильную хелатную группу, которая связывает металлы. Белки, меченные MeCAT, могут быть точно количественно определены с помощью ICP MS вплоть до низких аттомольных количеств аналита, что как минимум на 2–3 порядка чувствительнее, чем другие методы количественного определения на основе масс-спектрометрии. Введение нескольких меток MeCAT в биомолекулу и дальнейшая оптимизация пределов обнаружения LC ICP MS в диапазоне цептомолей вполне возможны. Используя различные лантаноиды, мультиплексирование MeCAT может быть использовано для фармакокинетики белков и пептидов или анализа дифференциальной экспрессии белков (протеомики), например, в биологических жидкостях. Для разделения белков, меченных MeCAT, используется растворимая PAGE (DPAGE), двухмерный электрофорез в геле или хроматография. Анализ протеиновых полос или пятен из гелей DPAGE SDS PAGE методом проточной инжекционной ICP MS может быть легко выполнен путем растворения геля DPAGE после электрофореза и окрашивания геля. Белки, меченные MeCAT, идентифицируются и относительно количественно определяются на уровне пептидов с помощью MALDI MS или ESI MS.
Элементарный анализ
ICP MS позволяет определять элементы с атомными массами в диапазоне от 7 до 250 (Li до U), а иногда и выше. Некоторые массы недоступны для определения, 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 существенно затрудняет анализ Fe, если прибор не оснащен реакционной камерой. Такие интерференции можно уменьшить, используя высокоразрешающий ICP MS (HR ICP MS), который использует две или более щели для сужения пучка и различения близких пиков. Это достигается за счет снижения чувствительности. Например, для различения железа и аргона требуется разрешение около 10 000, что может снизить чувствительность к железу примерно на 99%. Другим решением для некоторых интерферирующих элементов является использование коллизионной камеры, как описано в статье о коллизионных реакционных камерах. Одноколлекторный ICP MS может использовать умножитель в импульсном режиме для усиления очень слабых сигналов, аттенюатор или умножитель в аналоговом режиме для обнаружения сигналов средней интенсивности и чашу/коллектор Фарадея для обнаружения более сильных сигналов. Многоколлекторный ICP MS может иметь несколько устройств любого из этих типов, как правило, чаш Фарадея, которые значительно дешевле. Благодаря такой комбинации возможен динамический диапазон в 12 порядков величины, от 1 ррк (ppq) до 100 ppm. ICP MS является методом выбора для определения содержания кадмия в биологических образцах. В отличие от атомно-абсорбционной спектроскопии, которая может измерять только один элемент за раз, ICP MS способен одновременно сканировать все элементы. Это обеспечивает быструю обработку образцов. Одновременный ICP MS, способный записывать весь аналитический спектр от лития до урана при каждом анализе, получил серебряную награду на Pittcon Editors' Awards 2010 года. ICP MS может использовать различные режимы сканирования, каждый из которых обеспечивает компромисс между скоростью и точностью. Сканирование только с помощью магнита медленное из-за гистерезиса, но точное. Для увеличения скорости можно использовать электростатические пластины в дополнение к магниту, и в сочетании с несколькими коллекторами это позволяет сканировать каждый элемент от лития-6 до оксида урана-256 менее чем за четверть секунды. Для достижения низких пределов обнаружения, устранения интерференций и высокой точности время накопления может быть значительно увеличено. Быстрое сканирование, большой динамический диапазон и широкий диапазон масс идеально подходят для измерения нескольких неизвестных концентраций и изотопных отношений в образцах, прошедших минимальную подготовку (преимущество перед TIMS), например, морской воде, моче и перевариваемых образцах цельных пород. Он также хорошо подходит для образцов горных пород, полученных методом лазерной абляции, где скорость сканирования настолько высока, что можно построить график любого количества изотопов в реальном времени. Это также позволяет легко создавать пространственные карты минеральных зерен.
Оборудование
С точки зрения входных и выходных данных, прибор ICP MS потребляет подготовленный образец и преобразует его в масс-спектральные данные. Непосредственно аналитическая процедура занимает определенное время, после чего прибор можно переключить на анализ следующего образца. Для проведения серии измерений образцов необходимо поддерживать плазму в зажженном состоянии, при этом ряд технических параметров должен быть стабильным для получения достоверных и точных результатов. Поддержание плазмы требует постоянной подачи газа-носителя (обычно чистого аргона) и повышенного энергопотребления прибора. Если эти дополнительные эксплуатационные расходы не считаются целесообразными, плазму и большинство вспомогательных систем можно выключить. В таком режиме ожидания работают только насосы для поддержания необходимого вакуума в масс-спектрометре. Конструкция компонентов прибора ICP MS обеспечивает воспроизводимость и/или стабильность его работы.
Введение образца
Первый шаг в анализе – введение пробы. Это достигается в ICP MS различными способами. Наиболее распространенным методом является использование аналитических небулайзеров. Небулайзер преобразует жидкости в аэрозоль, который затем подается в плазму для образования ионов. Небулайзеры наиболее эффективны при работе с простыми жидкими пробами (т.е. растворами). Однако известны случаи их применения и для более сложных материалов, таких как суспензии. К ICP MS подключены различные типы небулайзеров, включая пневматические, с поперечным потоком, Бэббингтонские, ультразвуковые и дезольватирующие. Образуемый аэрозоль часто подвергается обработке для уменьшения размера капель, обычно с помощью двухпроходной камеры распыления с охлаждением Пельтье или циклонной камеры. Использование автосамплеров упрощает и ускоряет этот процесс, особенно при рутинных анализах и большом количестве проб. Также может применяться дезольватирующий небулайзер (DSN), который использует длинный нагретый капилляр, покрытый фторполимерной мембраной, для удаления большей части растворителя и снижения нагрузки на плазму. Системы введения с удалением матрицы иногда используются для проб, таких как морская вода, где определяемые компоненты присутствуют в следовых количествах и окружены избытком загрязнителей. Лазерная абляция – еще один метод. Хотя ранее он использовался реже, сейчас он быстро набирает популярность как способ введения пробы благодаря увеличению скорости сканирования ICP MS. В этом методе импульсный УФ-лазер фокусируется на пробе, создавая шлейф абляционного материала, который затем подается в плазму. Это позволяет геохимикам создавать пространственные карты изотопного состава в поперечных сечениях образцов горных пород, возможность, которая теряется при разложении породы и введении ее в виде жидкой пробы. Лазеры для этой задачи разрабатываются с точно контролируемой мощностью и равномерным радиальным распределением энергии, чтобы создавать кратеры с плоским дном и заданным диаметром и глубиной. Для лазерной абляции и дезольватирующих небулайзеров в поток аргона может добавляться небольшое количество азота. Азот существует в виде димера, поэтому обладает большим количеством колебательных мод и более эффективно поглощает энергию от ВЧ-катушки вокруг факела. Также используются и другие методы введения пробы. Электротермическая вапоризация (ЭТВ) и вапоризация в факеле (ITV) используют горячие поверхности (обычно графитовые или металлические) для испарения пробы. Они могут работать с очень небольшими объемами жидкостей, твердых веществ или суспензий. Известны также другие методы, такие как парогенерация.
Плазменный факел
Плазма, используемая в ICP MS, создается путем частичной ионизации газа аргона (Ar → Ar+ + e−). Энергия, необходимая для этой реакции, получается путем подачи импульсного переменного электрического тока в нагрузочную катушку, окружающую плазменный факел, в поток аргонного газа. После введения образца экстремальная температура плазмы вызывает разделение образца на отдельные атомы (атомизация). Затем плазма ионизирует эти атомы (M → M+ + e−), чтобы их можно было зарегистрировать масс-спектрометром. Индуктивно связанная плазма (ИКП) для спектрометрии поддерживается в факеле, состоящем из трех концентрических трубок, обычно изготовленных из кварца. Два основных типа конструкции – факелы Фасселя и Гринфилда. Конец этого факела помещается внутрь индукционной катушки, на которую подается радиочастотный электрический ток. Поток аргонного газа (обычно от 14 до 18 литров в минуту) подается между двумя внешними трубками факела, и на короткое время создается электрическая искра для введения свободных электронов в газовый поток. Эти электроны взаимодействуют с радиочастотным магнитным полем индукционной катушки и ускоряются сначала в одном направлении, а затем в другом, по мере изменения поля на высокой частоте (обычно 27,12 МГц или 40 МГц). Ускоренные электроны сталкиваются с атомами аргона, и иногда столкновение приводит к отрыву электрона от атома аргона. Высвобожденный электрон, в свою очередь, ускоряется быстро меняющимся магнитным полем. Этот 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 небольшой долей свободных электронов и ионов аргона.
Преимущества аргона
Изготовление плазмы из аргона вместо других газов имеет несколько преимуществ. Во-первых, аргон в изобилии (в атмосфере, в результате радиоактивного распада калия) и, следовательно, дешевле, чем другие благородные газы. Аргон также имеет более высокий потенциал первой ионизации, чем все другие элементы, кроме He, F и Ne. Из-за этой высокой энергии ионизации реакция (Ar+ + e− → Ar) энергетически более выгодна, чем реакция (M+ + e− → M). Это обеспечивает поддержание ионизированного состояния образца (в виде M+), что позволяет масс-спектрометру его обнаруживать. Аргон можно приобрести для использования в ICP MS в виде охлажденной жидкости или газа. Однако важно отметить, что независимо от формы аргона, он должен иметь гарантированную чистоту не менее 99,9%. Важно определить, какой тип аргона будет наиболее подходящим для конкретной ситуации. Жидкий аргон обычно дешевле и может храниться в большем количестве, в отличие от газовой формы, которая дороже и занимает больше места в баллоне. Если прибор используется нечасто, то покупка аргона в газообразном состоянии будет наиболее целесообразной, поскольку его хватит для небольших серий анализов, а газ в баллоне останется стабильным в течение длительного времени, в то время как жидкий аргон будет теряться в окружающую среду из-за испарения из баллона при длительном хранении. Однако, если ICP MS используется регулярно и работает в течение восьми или более часов каждый день несколько дней в неделю, то наиболее подходящим будет использование жидкого аргона. Если в лаборатории будет работать несколько приборов ICP MS в течение длительного времени, то, скорее всего, будет выгодно установить резервуар для аргона большого или микрообъемного типа, который будет обслуживаться компанией-поставщиком газа, что позволит избежать частой замены баллонов, а также минимизировать потери аргона, остающегося в использованных баллонах, и время простоя, связанное с их заменой. Гелий можно использовать вместо или в смеси с аргоном для генерации плазмы. Более высокая первая энергия ионизации гелия обеспечивает большую ионизацию и, следовательно, более высокую чувствительность при анализе трудноионизируемых элементов. Использование чистого гелия также позволяет избежать интерференций на основе аргона, таких как ArO. Однако многие интерференции можно уменьшить с помощью коллизионной ячейки, а более высокая стоимость гелия препятствует его использованию в коммерческих ICP MS.
Передача ионов в вакуум
Газ-носитель подается через центральный канал в очень горячую плазму. Затем образец подвергается воздействию радиочастотного излучения, которое превращает газ в плазму. Высокая температура плазмы достаточна для ионизации значительной части образца. Доля ионизации может достигать 100% для некоторых элементов (например, натрия), но это зависит от потенциала ионизации. Часть образовавшихся ионов проходит через отверстие диаметром около 1 мм (конус отбора проб), а затем через отверстие диаметром около 0,4 мм (конус скиммера). Это необходимо для создания вакуума, требуемого для работы масс-спектрометра. Вакуум создается и поддерживается серией насосов. Первая ступень обычно основана на форвакуумном насосе, чаще всего стандартном роторно-лопастном насосе. Он удаляет основную часть газа и обычно достигает давления около 133 Па. На последующих ступенях вакуум создается более мощными вакуумными системами, как правило, турбомолекулярными насосами. В более старых приборах для создания высокого вакуума могли использоваться диффузионные насосы.
Ионная оптика
Перед масс-разделением необходимо извлечь пучок положительных ионов из плазмы и сфокусировать его в масс-анализатор. Важно отделить ионы от ультрафиолетовых фотонов, энергичных нейтралов и любых твердых частиц, которые могли попасть в прибор из ИСП. Традиционно в приборах ICP MS для этой цели использовались системы ионных линз. Примеры включают линзы Einzel, бочковые линзы, Omega Lens от Agilent и Shadow Stop от Perkin Elmer. Другой подход заключается в использовании ионных гидов (квадруполей, гексаполей или октаполей) для направления ионов в масс-анализатор по траектории, отличной от траектории фотонов или нейтральных частиц. Еще один подход – запатентованная Varian, используемая в Analytik Jena ICP MS, – 90-градусная отражающая параболическая оптика "ионного зеркала", которая, как утверждается, обеспечивает более эффективный перенос ионов в масс-анализатор, что приводит к повышению чувствительности и снижению фона. Analytik Jena ICP MS PQMS – самый чувствительный прибор на рынке. Секторный ICP MS обычно состоит из четырех секций: области извлечения и ускорения, управляющих линз, электростатического сектора и магнитного сектора. Первая секция извлекает ионы из плазмы и ускоряет их с помощью высокого напряжения. Вторая секция может использовать комбинацию параллельных пластин, колец, квадруполей, гексаполей и октаполей для управления, формирования и фокусировки пучка таким образом, чтобы полученные пики были симметричными, с плоским максимумом и имели высокую пропускную способность. Электростатический сектор может располагаться перед или после магнитного сектора в зависимости от конструкции прибора и уменьшает разброс кинетической энергии, вызванный плазмой. Этот разброс особенно велик для ICP MS, он больше, чем для Glow Discharge и значительно больше, чем для TIMS. Геометрия прибора выбирается таким образом, чтобы комбинированная фокусная точка электростатического и магнитного секторов находилась на коллекторе, что известно как двойная фокусировка. Если интересующая масса имеет низкую чувствительность и находится непосредственно ниже гораздо более высокого пика, низкомассовый "хвост" от этого более высокого пика может накладываться на интересующую массу. Для уменьшения этого хвоста может быть использован фильтр замедления. Он располагается рядом с коллектором и подает напряжение, равное по величине, но противоположное ускоряющему напряжению; любые ионы, потерявшие энергию при движении внутри прибора, будут замедлены фильтром до состояния покоя.
Клетка реакции столкновения и iCRC
Клетка столкновения/реакции используется для устранения мешающих ионов посредством ионно-нейтральных реакций. Клетки столкновения/реакции известны под различными названиями. Динамическая реакционная ячейка расположена перед квадрупольным анализатором в приборе ICP MS. Ячейка имеет квадрупольную форму и может быть заполнена реакционными (или коллизионными) газами (аммиак, метан, кислород или водород) – одним типом газа или смесью двух, которые взаимодействуют с введенным образцом, устраняя часть помех. Интегрированная ячейка столкновения/реакции (iCRC), применяемая в ICP MS производства Analytik Jena, представляет собой миниатюрную ячейку столкновения, установленную перед параболической ионно-зеркальной оптикой, которая удаляет мешающие ионы путем подачи коллизионного газа (He), реакционного газа (H2) или их смеси непосредственно в плазму по мере ее прохождения через скиммерный и/или отборочный конусы. iCRC устраняет мешающие ионы, используя явление дискриминации кинетической энергии при столкновении (KED) и химические реакции с мешающими ионами, подобно традиционным, более крупным ячейкам столкновения.
Обычное обслуживание
Как и в случае с любым прибором или оборудованием, существует множество аспектов технического обслуживания, которые должны быть включены в ежедневные, еженедельные и годовые процедуры. Частота технического обслуживания обычно определяется объемом анализируемых образцов и общим временем работы прибора. Одной из первых операций, которую следует выполнить перед калибровкой ИСП-МС, является проверка чувствительности и оптимизация. Это гарантирует, что оператор осведомлен о любых возможных проблемах с прибором и, при их наличии, может устранить их до начала калибровки. Типичными показателями чувствительности являются уровни родия, соотношение церий/оксидов и показатели чистоты дистиллированной воды. Распространенной практикой является измерение стандартного раствора для настройки, предоставляемого производителем ИСП, каждый раз при запуске плазменного факела. Затем прибор автоматически калибруется для достижения оптимальной чувствительности, и оператор получает отчет, содержащий такие параметры, как чувствительность, разрешение по массе и оценочное количество окисленных и двухзарядных ионов. Одной из наиболее частых форм регулярного обслуживания является замена трубок для образцов и отходов на перистальтическом насосе, поскольку эти трубки могут быстро изнашиваться, что приводит к образованию отверстий и засоров в линии подачи образца и, как следствие, к искажению результатов. Другие детали, требующие регулярной очистки и/или замены, включают наконечники для образцов, наконечники для небулайзера, конические электроды для образцов, скиммерные конусы, инжекторные трубки, факелы и линзы. В зависимости от рабочей нагрузки прибора может потребоваться замена масла в насосе предварительной откачки интерфейса, а также в вакуумном форвакуумном насосе.
Подготовка образца
Для большинства клинических методов, использующих ICP MS, процесс подготовки образцов относительно прост и быстр. Основным компонентом образца является внутренний стандарт, который также служит разбавителем. Этот внутренний стандарт состоит главным образом из деионизированной воды с азотной или соляной кислотой, а также индия и/или галлия. Добавление летучих кислот обеспечивает разложение образца на газообразные компоненты в плазме, что минимизирует вероятность засорения конусов концентрированными солями и растворителями, а также загрязнения прибора. В зависимости от типа образца, обычно к пробирке добавляют 5 мл внутреннего стандарта и 10–500 микролитров образца. Затем смесь перемешивают на вортекс-миксере в течение нескольких секунд или до полного смешивания, после чего загружают в лоток автосамплера. Для других применений, связанных с очень вязкими образцами или образцами, содержащими твердые частицы, может потребоваться предварительное разложение образца, прежде чем его можно будет отбирать и анализировать. Это добавляет дополнительный этап к описанному процессу, что увеличивает время подготовки образца.