Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity Katedra analytické chemie DIPLOMOVÁ PRÁCE Základní analytické charakteristiky hmotnostního spektrometru s indukčně vázaným plazmovým zdrojem Jiří Zámečník Brno 2006-1 -
Děkuji tímto vedoucímu mé diplomové práce Mgr. J. Machátovi, Ph.D. za praktické připomínky, přístup a cenné rady, které dopomohly ke vzniku této práce. Rovněž děkuji Mgr. E. Niedobové za pomoc při řešení praktických problémů. - 2 -
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně a při zpracování jsem čerpal pouze z uvedené literatury v kapitole 6. V Brně dne.. Jiří Zámečník - 3 -
Obsah: 1 Úvodní a teoretická část.............................................. 7 1.1 Úvod.............................................................. 7 1.2 Odběr a konzervace vzorků vod................................... 8 1.2.1 Úvod.............................................................. 8 1.2.2 Odběr vzorků vody.................................................. 8 1.2.2.1 Záznamy, měření a údaje o odběru................................... 9 1.2.2.2 Zabezpečení kvality............................................... 10 1.2.3 Konzervace vzorků.................................................. 10 1.2.3.1 Vzorkovnice, jejich výběr, příprava a čištění........................... 11 1.2.3.2 Úprava vzorků vod a jejich konzervace............................... 12 1.3 Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem...... 14 1.3.1 Princip ICP-MS..................................................... 14 1.3.2 Instrumentace ICP-MS............................................... 15 1.3.2.1 Dávkování vzorku a vznik aerosolu.................................. 16 1.3.2.1.1 Zmlžovače.................................................... 16 1.3.2.1.2 Mlžné komory................................................. 16 1.3.2.2 Meziprostor ICP-MS.............................................. 17 1.3.2.3 Kvadrupólový analyzátor.......................................... 17 1.3.2.4 Detektor iontů.................................................... 17 1.3.3 Interference......................................................... 18 1.3.3.1 Nespektrální interference........................................... 18 1.3.3.2 Spektrální interference............................................. 19 1.3.3.2.1 Izobarické interference.......................................... 19 1.3.3.2.2 Polyatomické (molekulární) interference............................ 20 1.3.3.2.3 Řešení spektrálních interferencí................................... 21 1.4 Kolizní cela v ICP-MS............................................. 22 1.4.1 Multipólové kolizně-reakční cely....................................... 22 1.4.2 Ion-molekulové reakce............................................... 23 1.4.2.1 Reakční mód..................................................... 23-4 -
1.4.3 Kolizní mód........................................................ 24 1.4.4 Termalizace iontů................................................... 25 1.4.5 Vznik klastrů a nových interferentů..................................... 26 1.4.6 Eliminace nových interferentů......................................... 26 1.4.7 Optimalizace parametrů kolizní cely.................................... 27 1.4.8 Použití kolizně-reakční cely........................................... 27 2 Experimentální část.................................................. 29 2.1 ICP hmotnostní spektrometr (ICP-MS)........................... 29 2.2 Použité chemikálie................................................. 30 2.3 Vzorky............................................................ 30 2.4 Příprava roztoků (ladících a modelových)........................ 32 2.4.1 Vliv základních parametrů ICP-MS na analytický signál.................... 32 2.4.2 Spektrální interference................................................ 34 2.4.3 Nespektrální interference a výběr vhodného vnitřního standardu.............. 35 2.4.4 Aplikace metody na stanovení těžkých kovů ve vodách zjištění výtěžnosti měření............................................ 36 2.4.5 Základní analytické charakteristiky..................................... 36 3 Výsledky a diskuse.................................................... 37 3.1 Vliv základních parametrů ICP-MS na analytický signál......... 37 3.1.1 Normální mód...................................................... 37 3.1.1.1 Parametry vnášení vzorku.......................................... 38 3.1.1.2 Parametry zdroje iontů............................................. 40 3.1.1.3 Parametry transportu iontů v MS..................................... 41 3.1.1.4 Parametry detektoru iontů.......................................... 43 3.1.2 Kolizní cela v ICP-MS............................................... 45 3.2 Spektrální interference............................................ 47 3.3 Nespektrální interference a výběr vnitřního standardu............ 55 3.3.1 Vliv matričních prvků na signál analytů.................................. 55-5 -
3.3.2 Modelové matrice a výběr vhodného vnitřního standardu................... 61 3.4 Aplikace metody na stanovení těžkých kovů ve vodách zjištění výtěžnosti měření........................................ 64 3.5 Základní analytické charakteristiky............................... 68 4 Závěr................................................................. 71 5 Použité zkratky........................................................ 73 6 Literatura............................................................. 74 7 Grafická příloha...................................................... 77-6 -
1 ÚVODNÍ A TEORETICKÁ ČÁST 1.1 Úvod Diplomová práce se zabývá vlivy základních parametrů hmotnostního spektrometru s indukčně vázaným plazmovým zdrojem na analytický signál a konkrétně aplikací metody pro stanovení těžkých kovů v přírodních vodách. Metoda hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (dále pouze ICP-MS, z anglického Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) představuje jednu z nejmodernějších a nejcitlivějších metod prvkové analýzy v širokém spektru matric vzorků. Umožňuje přitom nejen mimořádně citlivou analýzu obsahu přibližně 90 prvků, ale i zjištění zastoupení jednotlivých izotopů daného prvku ve vzorku. O rostoucím významu této techniky svědčí každoroční nárůst počtu publikací z tohoto oboru a především stále větší počet komerčně využívaných přístrojů na celém světě. Tyto přístroje jsou běžně využívány pro analýzy vzorků nejrůznějších typů, počínaje vysoce čistými chemikáliemi, přes analýzy průmyslových výrobků (polovodiče, sklo, keramika,atd.), kontrolu zemědělských plodin a výrobků potravinářského průmyslu.[1] Nelze opomenout využití metody v oblasti medicíny a také stanovení stopových prvků ve vodách (např. těžké kovy). Těžké kovy patří mezi rizikovou skupinu látek znečišťujících vodu i další složky prostředí vzhledem k jejich toxicitě. Existují různé škály nebezpečnosti kovů. Většinou jako nejnebezpečnější environmentální kontaminant se uvádí rtuť. Kovy mohou pocházet z různých zdrojů - těžba, metalurgie, splašky z městských aglomerací, apod.. Podobně i formy výskytu kovů v prostředí se neomezují pouze na volné kovy, ale mohou vytvářet například jednoduché komplexy s anorganickými ligandy nebo se sorbovat na tuhé povrchy atd. Mezi hlavní faktory ovlivňující formu výskytu kovů ve vodném roztoku patří teplota, ph, iontová síla a přítomnost ligandů. [2] Kovy jsou na rozdíl od řady synteticky připravených organických látek přírodního původu a mnohé jsou esenciální pro živé organismy (Co, Cu, Cr, Fe, Ni). Jejich deficience může způsobovat vážné poruchy až smrt. Většina organismů je potřebuje k životu, růstu nebo reprodukci. Řada z nich je esenciální v nízkých koncentracích, ale toxické ve vyšších. Analýza těžkých kovů je důležitým parametrem v hodnocení kvality přírodních vod. [3] - 7 -
Cílem této diplomové práce je studium vlivu základních parametrů spektrometru na signály modelových prvků a interferentů, dále vyšetření základních analytických charakteristik spektrometru s vybranými analyty (meze detekce, linearita kalibračních závislostí, vlivy matrice, spektrální interference a možnosti jejich eliminace) a aplikace metody pro stanovení těžkých kovů v přírodních vodách (zjištění výtěžnosti měření). 1.2 Odběr a konzervace vzorků vod 1.2.1 Úvod Odběr vzorků byl vždy považován za součást chemické analýzy, avšak teprve v sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století se objevuje literatura zaměřená na vzorkování a konzervaci vzorků. [4] Odběr vzorků je jedním z faktorů ovlivňujících správnost a spolehlivost výsledků analýzy. Proto je třeba pečlivě promyslet a navrhnout postup odběru vzorků, případně jejich konzervaci, aby se celkové nejistoty procesu analýzy zbytečně nezvyšovaly. 1.2.2 Odběr vzorků vody Požadavky na vzorkování se liší podle charakteru vzorku vody a typu rozboru. Cílem je odběr reprezentativního a dostatečně velkého podílu vody ke stanovení přesně definovaných ukazatelů kvality. Pro odběr vzorků vody je důležitý tzv. vzorkovací plán (program vzorkování), který je podřízen účelu vzorkování. Liší se především podle toho, zda se jedná o jednorázové vzorkování nebo dlouhodobé sledování složení vodního prostředí. V programu vzorkování se určuje četnost odběru, místo odběru, typ odběru a technické vybavení. Dále jsou v programu definovány záznamy, které se o vzorku provedou, použité prvky systému kvality a opatření bezpečnosti práce. Četnost odběru rozhoduje o reprezentativnosti vzorku v čase. Rozsah četnosti vzorkování může být od jednorázového odběru až po automatickou stanici s kontinuálním měřením a odběrem vzorků. - 8 -
Místo odběru se liší dle typu vzorku vody. Podobně i typ odběru se volí podle účelu vzorkování, požadovaných stanovení a místních podmínek. Podrobnější informace jsou uvedeny v těchto normativních předpisech: ČSN ISO 5667-5: Pokyny pro odběr vzorků pitné vody a vody užívané při výrobě potravin a nápojů ČSN EN 25667-1: Pokyny pro návrh programu odběru vzorků ČSN EN 25667-2: Pokyny pro způsob odběru vzorků ČSN ISO 5667-4: Pokyny pro odběr vzorků z vodních nádrží ČSN ISO 5667-6: Pokyny pro odběr vzorků z řek a potoků ČSN ISO 5667-10: Pokyny pro odběr vzorků odpadních vod K odběru vzorků se používají různé typy odběrového zařízení (vzorkovačů) nebo se vzorek odebere přímo do vzorkovnice. Také zde platí, že materiál vzorkovače ani vzorkovnice nesmí ovlivnit složení vzorku ve stanovovaných parametrech. Doba kontaktu vzorkovače se vzorkem je podstatně kratší než u vzorkovnice. Důležitou součástí vzorkování vod je i uchování vzorků, zvláště v důsledku reakcí, ke kterým dochází ve vzorku od doby odběru do jeho rozboru. Tato část programu vzorkování bude podrobněji zmíněna níže. 1.2.2.1 Záznamy, měření a údaje o odběru Záznamy je důležité vést již od fáze přípravy programu vzorkování, předejde se tak mnoha nedorozuměním. Především je důležitá jednoznačná, nezaměnitelná a srozumitelná definice místa odběru. Při odběru je nezbytná jednoznačná identifikace vzorku = zpravidla popis všech vzorkovnic číslem vzorku, nebo uvedení čísel vzorkovnic do odběrového protokolu. Odběrový protokol (nebo plán odběru, odběrový list) by měl obsahovat: kdy, kde, co, (pro koho) a jak (typ odběru, druh vzorku) vzorkovat, co se má při vzorkování stanovit a jaké vzorkovnice je k odběru potřeba. Je důležité popsat podmínky odběru (čas odběru, teplota vzduchu, vody, atd.), v případě povrchových vod jevy na hladině (pěna, řasy, mastné skvrny) atd. Na místě se provádí senzorické stanovení barva a pach vody, zákal a dále stanovení ph, volného a celkového chloru atd. dle požadavků. - 9 -
1.2.2.2 Zabezpečení kvality Základem zabezpečení kvality je dobrá organizace a příprava jako celek dle výše popsaných kroků až po předání vzorků do laboratoře. Kontrolní vzorky uvedené postupy pouze doplňují, slouží ke kvantifikaci chyb, ke kterým může dojít v procesu vzorkování. Při vzorkování se používají následující kontrolní vzorky: Slepé vzorky transportní kontrola kontaminace během přepravy Slepé vzorky terénní kontrola kontaminace vzorkovače (případně při odběru) Duplicitní vzorky mohou poskytnout informace o rozptylu jednotlivých částí postupu (duplicitní vzorek z jednoho odebraného objemu, nebo jiným vzorkovačem nebo oddělený v laboratoři). Test výtěžnosti s modelovými vzorky se používá ke kontrole stability sledovaného ukazatele ve vzorku a případných ztrát analytu během manipulace se vzorkem. Používají se dva typy modelových vzorků s přídavkem standardu demineralizovaná voda a reálný vzorek. Tyto kontrolní vzorky mají jeden nedostatek. Postupy nejsou a nemohou být totožné s odběrem reálných vzorků. [5] Kontrolní vzorky nemusí postihnout některé systematické chyby při odběru a zpravidla nepostihují náhodné hrubé chyby vzorkařů. Naopak může dojít k chybě v provedení kontrolního postupu v takové části, která není totožná s odběrem reálných vzorků. 1.2.3 Konzervace vzorků Vody, zvláště povrchové, odpadní a podzemní, jsou náchylné ke změnám kvality v důsledku fyzikálních, chemických a biologických reakcí, které probíhají ve vzorku v době od odběru do jeho rozboru. Povaha a rychlost těchto reakcí jsou často takové, že nejsou-li realizována nezbytná opatření během odběru, dopravy a uchovávání (pro specifické složky), mohou se stanovené koncentrace lišit od těch, které existovaly v době odběru. Rozsah těchto změn závisí na chemickém a biologickém složení vzorku, jeho teplotě, osvětlení, materiálu vzorkovnice, době mezi odběrem vzorku a jeho rozborem a na dalších podmínkách, jimž je vzorek vystaven, např. míchání během dopravy. Specifické příčiny, které se týkají stanovení kovů, mohou být např.: Některé kovy a jejich sloučeniny se mohou z roztoku vysrážet Sloučeniny kovů v rozpuštěné nebo koloidní formě se mohou nevratně adsorbovat na povrchu vzorkovnic nebo na nerozpuštěných látkách přítomných ve vzorcích - 10 -
Dále je třeba zdůraznit, že tyto změny jsou často tak rychlé, že mohou již v krátkém čase značně změnit složení vzorku. Je proto důležité učinit ve všech případech potřebná předběžná opatření omezující tyto reakce na nejmenší míru a mnohých případech analyzovat vzorek co možná nejdříve.[5] 1.2.3.1 Vzorkovnice, jejich výběr, příprava a čištění Výběr vzorkovnice a materiálu vzorkovnice je velmi důležitý a ČSN ISO 5667-2 poskytuje některé pokyny. Vzorkovnice pro odběr a uchovávání vzorků by měly být vybírány podle následujících hlavních kriterií, zvláště je-li analyt přítomen ve stopových koncentracích. a) Minimalizace znečištění vzorku materiálem vzorkovnice nebo uzávěru, např. vyluhováním anorganických složek ze skla a organických látek a kovů z plastů. Některé barevné uzávěry mohou obsahovat významné koncentrace těžkých kovů. b) Možnost dostatečného vyčištění a ošetření stěn vzorkovnice ke snížení povrchového znečištění stopovými složkami, jako jsou např. těžké kovy. c) Chemická a biologická stabilita materiálu vzorkovnice nebo uzávěru. d) Vzorkovnice mohou rovněž způsobit změny v koncentraci stanovovaných složek adsorpcí nebo absorpcí. Zvlášť citlivě reagují stopové koncentrace kovů. V úvahu by měly být brány i další vlivy, např. odolnost proti teplotním výkyvům, odolnost proti rozbití, snadnost uzavření a otevření, velikost, tvar, hmotnost, dostupnost, cena, možnost znečištění a opakovaného použití. Ke kontrole vhodnosti výběru vzorkovnice a postupu jejich čištění (viz ISO 5667-14) by měl být vždy odebrán vzorek pro slepé stanovení, který se konzervuje a analyzuje. Všechny přípravné postupy by měly být validovány, aby se zabránilo vzniku pozitivních a negativních rušivých vlivů. Analýza by měla zahrnovat minimálně: a) Slepá stanovení b) Vzorky obsahující známé koncentrace stanovované složky Jestliže nejsou k dispozici vzorkovnice pro jedno použití, má se dát přednost soustavě vzorkovnic pro jednu stanovovanou složku, aby se minimalizovalo nebezpečí křížové kontaminace. Je nutné zabránit používání vzorkovnic, do kterých byly dříve odebírány vzorky s vysokou koncentrací stanovované složky k odběru vzorků s nižší koncentrační úrovní této složky. K analýze stopových koncentrací chemických složek vzorků vod se nové vzorkovnice obvykle důkladně čistí tak, aby se co nejvíce omezilo znečištění vzorku. Nové skleněné - 11 -
vzorkovnice se většinou oplachují vodou s detergentem (smytí prachu, zbytků obalového materiálu). Pak se pečlivě vypláchnou destilovanou nebo deionizovanou vodou. Vzorkovnice pro obecnou stopovou analýzu se naplní roztokem kyseliny dusičné nebo chlorovodíkové koncentrace 1 mol.l -1 a nechají se loužit alespoň jeden den. Poté se proplachují destilovanou nebo deionizovanou vodou. 1.2.3.2 Úprava vzorků vod a jejich konzervace U vzorků určených pro stanovení fyzikálně-chemických ukazatelů kvality se vzorkovnice zcela naplní a uzavře tak, aby nad vzorkem nezůstal žádný vzduch. Tím se omezí interakce s plynnou fází a minimalizuje míchání vzorku během dopravy. Nerozpuštěné látky, sediment, řasy a jiné mikroorganismy lze odstranit buď při odběru vzorku, nebo bezprostředně po odběru filtrací vzorku nebo odstředěním. Filtraci nelze použít, jestliže membránový filtr zachycuje některé ze stanovovaných součástí (např. těžké kovy se mohou adsorbovat na jejich povrchu). Membránový filtr také nesmí být zdrojem znečištění a před použitím musí být pečlivě promyt. Některé složky lze stabilizovat přídavkem chemických sloučenin buď přímo do vzorku po odběru, nebo předem do prázdné vzorkovnice. Je důležité, aby použité konzervační prostředky nerušily stanovení. Doporučuje se, aby se používaly koncentrované roztoky těchto prostředků, aby jejich objem byl co nejmenší. Je důležité provádět slepé stanovení, zvláště při stanovování stopových prvků, aby byl minimalizován možný přísun stanovované složky z konzervačních činidel. Ta mohou obsahovat nečistoty (těžké kovy), které by negativně ovlivnily výsledky analýzy. Vzhledem k vysoké citlivosti metody ICP-MS je tak požadována vysoká čistota těchto činidel. K nejvhodnějším a také nejpoužívanějším konzervačním činidlům patří kyselina dusičná. V tabulce č.1 jsou uvedeny příklady činidel, možných nečistot, interferencí vznikajících použitím těchto chemikálií a také rušených analytů v ICP-MS. - 12 -
Tabulka č.1: Přehled konzervačních činidel, možných nečistot, vznikajících interferencí a rušených analytů v ICP-MS Činidlo Možné nečistoty Interference Rušené analyty HNO 3 Pb, Sn, Zn N 2, NO, ArN Si, Fe HCl As, Sb, Sn ClO, ArCl V, Cr, As, Se H 2 SO 4 As, Zn, Pb SO, SO 2, S 2 Ti, Zn, V, Cr Tabulka č.2: Obecně vhodné způsoby konzervace vzorků (převzato a upraveno z [6]) Stanovovaný ukazatel Druh vzorkovnice Způsob konzervace Al - rozpuštěný P filtrace v místě odběru, okyselení filtrátu na ph < 2 Zpracovat do 24 h Al - veškerý P okyselení na ph < 2 1 měsíc Poznámky As P nebo G okyselení na ph < 2 1 měsíc Při hydridové technice se používá HCl Ba, Pb Neužívat H 2 SO 4 Cd, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Zn Ag P nebo BG okyselení na ph < 2 1 měsíc Se G nebo BG okyselení na ph < 1 1 měsíc Neužívat HCl Poznámky: P plasty (PE, PVC, PET) G sklo BG borosilikátové sklo - 13 -
1.3 Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-MS je technika využívaná k analýze a stanovení prvků obsažených ve vzorku. Využívá vysokoteplotního ICP zdroje, který převádí atomy prvků obsažených ve vzorku na ionty, které jsou pak separovány a detekovány hmotnostním spektrometrem. Metoda umožňuje analýzu jak kapalných vzorků, rozpuštěných pevných látek, tak i pevných vzorků s využitím např. laserové ablace. [1] První ICP spektrometr byl představen již v roce 1980 (R.S. Houk, A.L. Gray a spol.) a komerčně se začal rozšiřovat v 80. letech. Od té doby je metoda využívána v mnoha oblastech zahrnujících analýzy pitných vod, srážkových vod, přírodní vodní systémy, geologie, metalurgie, potravinářství a také v medicíně. [7, 8] Hlavní předností metody ICP-MS je rychlá analýza a velmi nízké detekční limity (na úrovni ng.l -1 a u některých prvků pg.l -1 koncentrací. [8] ). 1.3.1 Princip ICP-MS Kapalný vzorek nebo odpařený pevný vzorek je v plazmatu atomizován a ionizován. Malým otvorem ionty vstupují do vakuového prostoru s iontovou optikou, kvadrupólovým hmotnostním filtrem a elektronásobičovým detektorem. Úlohou iontové optiky je rozostření iontového svazku tak, aby obešel pohlcovač fotonů (destička v ose přístroje, chránící detektor před dopadem fotonů), poté ho opět zaostřit. Ionty jsou posléze v kvadrupólovém filtru rozkmitány tak, že při určitém napětí a frekvenci radiových vln na elektrodách kvadrupólu projdou pouze ionty o určitém poměru m/z. Ionty s jiným poměrem m/z jsou odčerpány nebo se vybijí na tyčích kvadrupólu. Kvadrupólem prošlé ionty vybudí v elektronásobiči signál, který je zesílen a elektronicky zpracován. A protože lze rychle a přesně měnit napětí na elektrodách kvadrupólového filtru, lze v krátkých intervalech vpouštět na detektor ionty o různém m/z tedy měřit různé nuklidy o relativní atomové hmotnosti např. od 3 do 256. [9, 10] - 14 -
1.3.2 Instrumentace ICP-MS Hlavní části ICP-MS jsou u různých typů spektrometrů podobné. Schematický řez zařízením je na obrázku č. 1. Při zmlžování vzorku je spektrometr sestaven takto: Peristaltické vícekanálové čerpadlo pro vzorek, přisávání porovnávacího prvku a odsávání odpadu Zmlžovač a zmlžovací komora Plazmová hlavice s přívody Ar, cívka a rf generátor pro ICP Dynamicky vakuovaný meziprostor Iontová optika Kvadrupólový analyzátor Iontový detektor Ostatní (počítač, řídící systém, chladící a ventilační příslušenství) Obrázek č.1: Schematický řez ICP-MS (převzato a upraveno z [11]) - 15 -
1.3.2.1 Dávkování vzorku a vznik aerosolu Hlavní funkcí dávkovacího systému je vytvoření jemného aerosolu vzorku. Na mechanismus vnášení kapalných vzorků je možné nahlížet jako na dva samostatné kroky tvorba aerosolu zmlžovačem a selekce kapek zmlžovací komorou. [12] Kapalný vzorek je čerpán rychlostí asi 1 ml.min -1 peristaltickou pumpou do zmlžovače. Peristaltická pumpa tak zajišťuje konstantní tok kapaliny a to bez ohledu na odlišné viskozity mezi vzorky, standardy a slepými pokusy. Po vstupu vzorku do zmlžovače se dostává kapalina do styku s rychle proudícím plynem (tzv. nosný plyn, zpravidla Ar 1 l.min -1 ), který ji roztříští na drobné kapičky. Tento aerosol pak vstupuje do mlžné komory, kde jsou odstraněny velké kapky. Do ICP tak vstupuje jen okolo 2% původního vzorku. [13, 14] 1.3.2.1.1 Zmlžovače Zdaleka nejběžnějším typem zmlžovačů, používaných v ICP-MS, jsou pneumatické zmlžovače, které využívají k vytváření aerosolu kinetické energie pracovního plynu vytékajícího z trysky rychlostí podstatně vyšší než kapalina. Mezi nejpopulárnější pneumatické zmlžovače patří koncentrické, mikrokoncentrické a pravoúhlé. [12] Konstrukce těchto zmlžovačů je u plazmových zdrojů, pracujících s průtoky nosného plynu 0,5-1,5 l.min -1, složitější, neboť je třeba konstruovat zmlžovače s menšími průměry pracovních otvorů. Malé průměry otvorů jsou však snadno ucpávány krystalizujícími rozpuštěnými látkami při ochlazení pracovního plynu expanzí. Tento problém lze částečně řešit u pravoúhlých zamlžovačů, u kterých lze snadněji optimalizovat vzájemnou polohu a tvar ústí plynové a zvláště roztokové kapiláry tak, aby krystalizace solí byla potlačena. [7, 12] 1.3.2.1.2 Mlžné komory Mezi nejčastěji používané mlžné komory v ICP-MS patří dva typy - dvojitá válcová komora (Scott) a cyklonická mlžná komora. Funkcí mlžné komory je zabránit velkým kapkám, aby se dostaly do aerosolu a také vyrovnat pulsy vznikající peristaltickou pumpou. Navíc jsou některé komory zevně chlazeny (typicky 2-5 C) a to kvůli termické stabilitě vzorku a také k minimalizaci vstupu části rozpouštědla do plazmatu. Hlavní výhodou chlazených komor je snížení tvorby oxidických iontů. [12,15] - 16 -
1.3.2.2 Meziprostor ICP-MS Spojení mezi plazmatem a vlastním spektrometrem je tvořeno expanzní komorou, která je od okolního prostředí ohraničena dvěma děliči tlaku kovovými kužely (nejčastěji vyrobenými z niklu nebo platiny). Tlakový gradient na obou stranách děliče tlaku vytváří paprsek ionizovaných částic, který již vstupuje do vlastního spektrometru. Materiál děličů tlaku musí mít dobrou tepelnou vodivost a musí být inertní vůči používaným rozpouštědlům. Jelikož ICP výboj probíhá za atmosférického tlaku, je vakuum uvnitř spektrometru zajištěno postupným diferenciálním čerpáním, čímž se vyhneme extrémní okamžité redukci tlaku při přechodu z atmosférického tlaku do vakua. [12] 1.3.2.3 Kvadrupólový analyzátor Kvadrupól tvoří čtyři kovové tyče (nejčastěji z molybdenu), které oscilací svého elektromagnetického pole umožní pohyb iontu směrem k detektoru. Frekvence oscilací polarity na kvadrupólových tyčích je konstantní, ale mění se amplituda napětí na tyčích, které umožní průchod iontu v závislosti na jeho náboji a hmotnosti. Podmínky na kvadrupólu se mění během zlomků vteřiny a umožňují tak analýzu v celém hmotnostním spektru během několika sekund. Ionty, které neprojdou kvadrupólem, se na některé z tyčí vybijí a jsou odstraněny vakuovými pumpami. Ionty prošlé kvadrupólem dopadají na detektor a jejich signál je dále zesilován v elektronovém násobiči. Dopadem jednoho iontu zde vzniká kaskádový tok elektronů, který je zaznamenán jako výsledný signál a je dále zpracováván. [7,16] Kvadrupól je jednoduchý a relativně levný hmotnostní analyzátor, který se velice rozšířil zejména u tzv. stolních ( benchtop ) hmotnostních spektrometrů pro spojení GC/MS a HPLC/MS. [12] 1.3.2.4 Detektor iontů Při koncentraci analytů 1 ng.l -1 má proud iontů v paprsku na konci hmotnostního filtru velmi malou intenzitu (okolo 10-13 A). Pozaďové hodnoty zařízení jsou rovněž malé. Nízkou intenzitu signálu je proto potřeba detekovat čítáním jednotlivých iontů iontovými detektory. Dostatečnou a rychlou odezvu poskytují elektronové násobiče např. kontinuální dynodové, schopné čítat od 1 do 10 6 iontů. Pulsní detektory mohou dosahovat lineární odezvy v 6 až 18-17 -
řádech. Podobné výsledky lze získat při vyšších koncentracích užitím Faradayových sběračů (Faraday cup), spojených se zesilovači. [7,12] Problém s používáním dvou detektorů (pro nízké a vysoké proudové hodnoty) se v poslední době daří řešit pomocí jednoho detektoru, který poskytuje možnost pracovat jak v pulsním, tak i v analogovém módu. Existují tři možné typy tohoto detektoru: 1) Každý vzorek je proměřen dvakrát. Signály prvků obsažených ve vysokých koncentracích získáme pomocí analogového módu. Druhé měření, kdy je detektor přepnut do pulsního módu, umožní stanovení prvků nízkých koncentrací. 2) Tento typ měření je velice podobný prvnímu typu. První tzv. předměření zde slouží ke zjištění rozmezí hmotností, ve kterých pak bude následně analogový a pulsní mód sbírat signály spektra. Druhé měření se pak používá k samotnému sběru dat. 3) Třetí způsob využívá pouze jednoho měření. Výhodou je stanovení nízkých i vysokých koncentrací prvků souběžně právě během jednoho měření. Pulsní mód je lineární typicky od nuly do 10 6 jednotek/s, zatímco analogový mód od 10 4 do 10 9 jednotek/s. [12] 1.3.3 Interference K základním problémům prvkové MS patří především zajištění toho, aby zaznamenané spektrum co nejvíce představovalo pouze zkoumaný vzorek. Podobně jako v optické emisní spektrometrii se i v ICP-MS objevují interference spektrální a nespektrální. 1.3.3.1 Nespektrální interference Nespektrální interference jsou obdobné těm v optické spektrometrii a způsobují jak zvýšení, tak snížení signálu. Jsou způsobeny následujícími jevy: Ovlivnění transportu a zmlžování (stejné zásady jako u ICP-OES) Efekty ovlivňující ionizaci v plazmatu (nejčastěji způsobené vyššími koncentracemi snadno ionizovatelných prvků nebo přítomností organické matrice) Matricí indukované změny v iontovém paprsku, space charge efekt aj. - 18 -
Obecně platí, že signál izotopově lehkého analytu v izotopově těžké matrici je potlačen ve větší míře, než signál izotopově těžšího analytu v matrici izotopově lehké. Těžší ionty tak více ovlivňují ionty lehčí, dochází k rozptylu lehčích iontů a tím pádem i k jejich úbytku. Znamená to, že lépe se stanovuje např. koncentrace Th v roztoku obsahujícím B, než B v matrici obsahující Th. Tyto nespektrální interference (vyvolané prostorovým nábojem iontů) se nazývají také jako space charge efekt. [17] Matriční prvky mohou vyvolávat nespektrální interference tím, že ovlivňují energetické poměry a tudíž ionizační rovnováhy v plazmatu. Míru potlačení signálu mezi prvky určuje hodnota ionizačního potenciálu. V páru dvou prvků s odlišným ionizačním potenciálem způsobuje větší potlačení signálu prvek s nižším ionizačním potenciálem. Potlačení signálu záleží spíše než na poměru koncentrace analytu a koncentrace matričního elementu na absolutních obsazích matričních prvků. Z praxe je rovněž známé i zesílení signálu některých prvků přítomností polárních sloučenin uhlíku, zejména nižších alkoholů a kyseliny octové. Toto zesílení signálu pravděpodobně pochází z dokonalejší ionizace srážkami s atomy uhlíku. K eliminaci nespektrálních interferencí jsou nejčastěji používány tyto metody: Metoda vnitřních standardů Metoda přídavku standardu Modelování kalibračních roztoků 1.3.3.2 Spektrální interference Spektrální interference jsou způsobeny atomovými nebo molekulovými ionty, které mají přibližně stejnou hmotnost jako analyt. Kvadrupólové analyzátory disponují pouze omezeným hmotnostním rozlišením, a proto jsou spektrální interference častým problémem metody ICP-MS. Spektrální interference lze rozdělit na izobarické překryvy a polyatomické částice. 1.3.3.2.1 Izobarické interference Mezi časté spektrální interference pozorované v ICP-MS patří izobarické interference neboli výskyt částic o stejném m/z. Řada izobarických interferencí může být eliminována počítačově tím, že měříme současně signál dalšího izotopu, který není zatížen interferencí a - 19 -
vypočítáme korekční faktor pro interferující izotop. Jeho signál poté odečteme od celkového signálu. Většina prvků tvoří kladně nabité ionty. Dvojnásobně nabité ionty se projeví v hmotnostním spektru s poloviční nominální hodnotou mateřského iontu (např. 140 Ce ++ se projeví v hmotnostním spektru na pozici zdánlivě odpovídající 70 Ge + ). Poměr mezi ionty nesoucí jeden nebo dva náboje je závislý exponenciálně na poměru prvního a druhého ionizačního potenciálu. Tento poměr však může být snížen vhodným nastavením měřících podmínek na hodnotu < 0,5% mateřského iontu. [10] 1.3.3.2.2 Polyatomické (molekulární) interference K dalším velice častým spektrálním interferencím patří polyatomické interference. Tyto překryvy molekulových iontů pochází zejména ze tří zdrojů: 1) samotný plazmový plyn, případně v kombinaci se vzorkem či rozpouštědlem (Ar +, Ar 2+, ArH +, ArO +, ArN + atd.) 2) vzorek a rozpouštědlo (hydridové a hydroxidové ionty, oxidické ionty) 3) chemická ionizace zbytkových plynů ve vakuové části MS (H 2 O +, H 3 O +, C x H + y atd.) [18] V tabulce č.3 jsou uvedeny příklady polyatomických interferencí, potřebná rozlišovací schopnost a matrice, z níž mohou tyto interference pocházet. - 20 -
Tabulka č.3: Příklady polyatomických interferencí, matric a potřebné rozlišovací schopnosti (převzato a upraveno z [19]) Prvek (izotop) Matrice (rozpouštědlo) 39 K H 2 O 40 Ca H 2 O 56 Fe H 2 O 80 Se H 2 O 51 V HCl 75 As HCl Interferent Rozlišovací schopnost 38 Ar 1 H 5690 40 Ar 1281 40 Ar 16 O 2502 40 Ar 40 Ar 9690 35 Cl 16 O 2572 40 Ar 35 Cl 7775 28 Si HNO 3 14 N 14 N 958 44 Ca HNO 3 14 N 14 N 16 O 970 54 Fe HNO 3 40 Ar 14 N 2088 48 Ti H 2 SO 4 32 S 16 O 2519 52 Cr H 2 SO 4 34 S 18 O 2380 64 Zn H 2 SO 4 32 S 16 O 16 O 1952 24 Mg Organické l. 52 Cr Organické l. 12 C 12 C 1605 40 Ar 12 C 1671 1.3.3.2.3 Řešení spektrálních interferencí V současnosti je dosti rozšířené použití hmotnostních spektrometrů s vysokým rozlišením. Během posledních deseti let se tento postup, zvláště pak s použitím dvojitě fokusujícím magnetickým sektorem, stal neocenitelným při separaci mnoha polyatomických a molekulových interferencí. U některých prvků je však použitím vysokého rozlišení snížena citlivost stanovení. [11] Často má také rozhodující vliv i cena spektrometru, která je v případě vysokorozlišovacích MS vyšší ve srovnání s běžným kvadrupólovým spektrometrem. Řešením spektrálních interferencí je použití matematických korekcí, kde ovšem dochází k negativnímu ovlivnění meze detekce. Tento způsob je založen na známé distribuci izotopů. - 21 -
Ke snížení tvorby iontů pocházejících z rozpouštědla lze použít například odstranění rozpouštědla z aerosolu vzorku. Jedním z dalších možných postupů v eliminaci interferencí je použití tzv. cold/cool plazma. Využívá se v případě, kdy intenzita interferentů je velká, intenzita analytů nízká a použití matematických korekcí není vhodné. Tzv. cold plazma generujeme s použitím nízkého příkonu do ICP a zvýšeného průtoku nosného plynu ( 500-800 W, 1,5-1,8 l.min -1 ). Snížením teploty plazmatu minimalizujeme vznik izobarických polyatomických iontů. Toto řešení má však jistou nevýhodu a to snížení citlivosti pro prvky s ionizační energií přibližně nad 8 ev. (20) Novější modifikací této metody je použití s tzv. shielding elektrodou umístěnou mezi rf cívkou a plazmatem, která spolu s cold plazmatem napomáhá redukci molekulových a atomových iontových interferencí bez vlivu na iontový signál analytu. [18] Významnou roli v eliminaci spektrálních interferencí hrají také kolizně-reakční cely, které jsou schopny zbavit iontový paprsek polyatomických interferencí. Tento způsob řešení umožňuje použít ke kvantifikaci i izotopy, které se při jiných metodách použít nemohly. Kolizně-reakční cely budou zmíněny podrobněji v následující kapitole. 1.4 Kolizní cela v ICP-MS Kolizně-reakční cela (CRC) patří v posledních letech k rozšířeným způsobům, jak v ICP- MS analýze odstranit, úplně nebo částečně, interferující především polyatomické ionty. Kolizněreakční cela může být využita buď jako kolizní cela, kdy se jako reakční plyny používají inertní plyny (He, Ne, Xe, Ar) a dochází zde především k termalizaci iontů a srážkové fokusaci iontového paprsku, či jako reakční cela s reaktivním plynem (H 2, CH 4, NH 3, ), kde dochází i k reakcím mezi interferujícími ionty a reakčním plynem. V obou módech kolizně-reakční cely pak dochází ke snížení interferencí. 1.4.1 Multipólové kolizně-reakční cely Ionty z ICP vstupují do prostoru MS, kde jsou ve vakuu extrahovány do kolizně-reakční cely umístěné před analyzující kvadrupól. Kolizně-reakční plyn, jako je např. H 2 nebo He, je vnášen do cely tvořené multipólem (kvadrupól, hexapól či oktapól) a obvykle řízené v radiofrekvenčním módu. Kolizní cely využívají většinou multipóly vyššího řádu (např. hexapól), které - 22 -
mají větší gradient pole směrem k tyčím a tím se vytvoří užší oblast, ve které se mohou ionty pohybovat. Díky tomu, že paprsek je dobře fokusován a takto vstupuje do kvadrupólu, dosáhneme výrazně lepší citlivosti. [21] 1.4.2 Ion-molekulové reakce Při používání kolizně-reakční cely v ICP-MS patří mezi nejdůležitější a také nejhojněji používaný typ reakcí přenos náboje: A + + B B + + A (např. Ar + + NH 3 NH + 3 + Ar) (1) Pravděpodobnost jednoduchého iontově-molekulového přenosu malé částice (elektronu, protonu, vodíkového atomu) však závisí na tepelném zabarvení reakce, tj. rozdílu ionizačních potenciálů produktů a reaktantů. Uvedená reakce (1) má rychlostí konstantu 1,7.10-9 cm 3 s -1. Tato reakce je rychlá a dochází k ní z důvodu vyššího ionizačního potenciálu argonu (15,8 ev) oproti amoniaku (10,2 ev) a tím je tedy reakce exotermická. Opačně, ionizační potenciál např. vápníku (6,1 ev) je menší než u amoniaku a odpovídající reakce (2) je endotermická a tedy neprobíhá (rychlostní konstanta menší než 10-13 cm 3 s -1 ). Ca + + NH 3 NH + 3 + Ca (2) Rozdíl v rychlostních konstantách izobarů Ca + a Ar + dovoluje potlačení signálu Ar + až o 9 řádů, zatímco signál Ca + zůstává takřka beze změn. Tato vlastnost reakcí nám tak umožňuje při použití kolizní cely významně zlepšit mez detekce. [22, 23] 1.4.2.1 Reakční mód Příkladem reakčního plynu je vodík. Je často používán pro eliminaci interferentů a jeho reakce jsou dobře známé. V procesu odstraňování interferentů hrají významnou roli tyto typy reakcí: a) Přenos náboje Ar + + H 2 H + 2 + Ar - 23 -
b) Přenos protonu ArH + + H 2 H 3 + + Ar c) Přenos vodíkového atomu Ar + + H 2 ArH + + H Rychlostní konstanty těchto tří procesů v plynné fázi jsou velké oproti reakcím vodíku s ionty analytů a tyto procesy jsou tak vysoce selektivní. Výsledkem reakcí je vzrůst m/z o jednotku, disociace interferentu či neutralizace. [24] 1.4.3 Kolizní mód Kolizně-reakční cela může být také využita jako kolizní cela, kdy se jako reakční plyny používají inertní plyny (He, Ne, Xe, Ar) a dochází zde především k termalizaci iontů a srážkové fokusaci iontového paprsku. Kolizní mód (obvykle s héliem) může redukovat či eliminovat polyatomické interference jedním ze dvou možných mechanismů: a) Kolizně indukovaná disociace (CID) b) Diskriminace kinetickou energií (KED) Oba tyto mechanismy probíhají bez reakcí a proto se zde nemusíme obávat vzniku žádné nové polyatomické iontové částice. a) Kolizně indukovaná disociace Tato disociace může nastat v případech, kdy energie vazby polyatomického interferentu (např. ArNa +, ArO + ) je nižší než kolizní energie mezi inteferentem a atomem helia. Při kolizi tak může dojít k disociaci polyatomické molekuly za vzniku částic, které již při stanovení nejsou problémem. Kolizně indukovaná disociace však nepatří mezi hlavní mechanismy při odstraňování interferentů, neboť srážkové průřezy iontů analytů a interferentů jsou stejného řádu a navíc zvýšení tlaku reakčního plynu vede ke ztrátě iontů rozptylem. [25, 26, 27] b) Diskriminace kinetickou energií V kolizním módu může být většina polyatomických iontů odstraněna současně pomocí diskriminace kinetickou energií. Větší částice (polyatomické ionty) kolidují s atomy např. helia - 24 -
při průchodu kolizní celou mnohem častěji než monoatomické částice a tím dojde k výraznějšímu snížení jejich kinetické energie. Nastavením pozitivního potenciálu na vstupu do kvadrupólu je pak dosaženo toho, že ionty s energií menší než je požadovaná hodnota nemohou do kvadrupólu vstoupit a nejsou tedy detekovány. Energetická distribuce iontů daného m/z je tím zredukována až o 90%, což umožňuje zlepšení účinnosti následujícího hmotnostního analyzátoru. [23, 28] Diskriminace kinetické energie je založena pouze na rozměrech iontů a není tedy ovlivněna chemickými vlastnostmi iontu. Proto je optimalizace parametrů cely velmi jednoduchá a pomocí univerzálních parametrů je dosaženo vynikajících výsledků pro široké spektrum prvků. Účinnost systému lze také zvýšit například použitím tzv. Shield Torch systému, který redukuje potenciál plazmatu (na hodnotu okolo 1 ev), který je pak výrazně nižší než za běžných podmínek. Snížení potenciálu vede k lepší iontové fokusaci a vyšší účinnosti v odstraňování interferencí. [29] 1.4.4 Termalizace iontů Kolizně-reakční cela jako multipól umožňuje zaostření paprsku iontů z ICP díky tzv. termalizaci iontů. Za běžných pracovních podmínek musí být ionty urychleny (použitím potenciálu napříč vstupní štěrbině) kvůli rušícímu toku plynu, aby se dostaly do cely. Významná část axiální kinetické energie iontů (z ICP) je přenesena na pracovní (tzv. pufrační) plyn v kolizní cele. Pracovním plynem je inertní plyn o poměrně vysokém tlaku (He, Ne, Xe, tlak okolo 10-2 10-1 Pa). S rostoucím tlakem plynu roste množství iontů, které projdou multipólem. Při dalším vzrůstu tlaku množství iontů opět klesá (rozptyl iontů). [28, 30] Srážkami iontů z ICP s molekulami inertního plynu dochází k poklesu kin.energie a k redukci rozptylu kin. energií jednotlivých iontů stejného m/z. Účinnost této srážkové fokusace je závislá na hmotnosti pufračního plynu a fokusovaného iontu. Příkladem může být např. Xe, který díky své vysoké relativní atomové hmotnosti (A r ) značně redukuje průchod všech iontů. Proto také platí, že A r pufračního plynu by měla být nižší než u analytu, aby se tak zabránilo ztrátám iontů rozptylem. [30] Termalizace iontů z ICP je předpokladem pro zvýšení účinnosti jejich reakce s reakčním plynem, v případě, že jde o reakční celu. Reakční plyn se proto často používá ve směsi s pufračním plynem (He, Ne, Xe). Snížení E kin vede k prodloužení interakcí mezi reakčním plynem a interferentem, čímž roste účinnost reakce v plynné fázi. [28, 30] - 25 -
1.4.5 Vznik klastrů a nových interferentů V reakční cele se uskutečňuje celá řada reakcí mezi ionty interferentu, analytu a reakčním plynem a proto vzniká také řada nových interferentů. Nejčastější je vznik klastrů, vznik fragmentů z reakčních plynů a asociace vzniklého fragmentu s neutrální molekulou za vzniku polymeru. Tato reakce je pozorována především při použití uhlovodíků jako reakčních plynů. Nově vzniklé ionty pak mohou interferovat se stanovením jiných analytů v širokém rozmezí m/z (polymery), případně snižují intenzitu signálu analytu (vznik klastrů). [31] Příkladem vniku klastrů je reakce mezi As + + a NH 3, kdy vznikají komplexní ionty AsNH y o různém m/z, takže intenzita původního signálu analytu As + je snižována. Amoniak přitom oproti vodíku odstraňuje interferenty efektivněji, ale reaguje s analyty. Použitím vodíku vznikají jako nové interferenty H + 3, OH +, H 2 O +, atd. Důležitou roli v jejich tvorbě hraje voda, přítomná jako zbytkový plyn nebo jako nečistota vodíku. Častá je také tvorba hydridů z interferentů i z iontů analytu. U He jako reakčního plynu nebyla sice tvorba těchto sloučenin zjištěna, ale v kolizní cele se samotným He dochází díky vyšší kolizní frekvenci mezi ionty M + a O + ke zvýšené tvorbě oxidických iontů MO +. [26, 32-34] 1.4.6 Eliminace nových interferentů Vzhledem k tomu, že hexapólová (či oktapólová) kolizně-reakční cela pracuje pouze s radiofrekvenčním napětím na tyčích hexapólu, prochází ionty v širokém rozmezí m/z. Tedy i ionty, které vznikají v cele reakcí interferentů s reakčním plynem, případně reakcí iontů z ICP se zbytkovými plyny vakuového systému. Ionty vzniklé reakcí s kolizním plynem pak mohou samozřejmě interferovat při stanovení jiných prvků. Důležité je, že nově vzniklé ionty mají ve srovnání s ionty z ICP velmi malou kinetickou energii. K eliminaci nových interferentů se proto používá retardační stejnosměrný potenciál (dc bias), čímž vzniká určitá bariéra bránící iontům s nízkou energií v jejím překonání. [26] Omezení tvorby nových interferentů z reakčního plynu nám také umožňuje použití dynamické reakční cely (DRC), která se od běžné hexapólové CRC liší v konstrukci a pracovních podmínkách. Tato cela je vybavena kvadrupólem s rf i stejnosměrnou složkou napětí na pólech. Po nastavení šířky pásma propouštěných iontů procházejí celou jen stabilní ionty a ionty analytu. - 26 -
Ostatní nestabilní ionty se tak vybijí na pólech či stěnách cely. Tím je omezen jejich výskyt v cele, takže je zabráněno následným reakcím dceřiných iontů za vzniku nových interferentů. Při použití helia nebo vodíku jako reakčního plynu je omezen vznik nových interferentů. Kolizně-reakční cela tak může být i pasivní, protože není nutné potlačení bočních produktů reakcí jako v případě amoniaku nebo methanu. Výsledkem je prodloužení životnosti cely, omezení kontaminace produkty bočních reakcí a výrazné prodloužení intervalů čištění cely oproti běžně používaným dynamickým kvadrupólovým nebo hexapólovým celám. Na rozdíl od dynamických kolizních cel navíc není nutná náročná optimalizace podmínek cely a je možné využití nastavených podmínek pro větší skupiny prvků a různé typy matric. 1.4.7 Optimalizace parametrů kolizní cely Optimalizace reakční cely spočívá ve výběru vhodného pufračního a reakčního plynu, a jejich průtoku. Průtoky plynů se u hexapólových reakčních cel pohybují do 10 ml. Zpravidla se určuje závislost signálu analytu a pozadí (blank) na průtoku plynu. Průtoky jsou kontrolovány ovladači (tzv. mass flow controllery ) a jsou uváděny pro tlak 100 kpa. Vyššího průtoku se využívá pro pomalé reakce a intenzivní interference. Zároveň však klesá signál analytu (rozptyl a reakce s reakčním plynem). Tlak plynu v hexapólové reakční cele pohybuje pod 0,5 Pa, tlak v evakuované cele je stejný jako v analyzátorovém kvadrupólu (řádově 10-3 Pa). 1.4.8 Použití kolizně-reakční cely v praxi První práce se zabývaly vlastnostmi a chováním komerčních přístrojů využívajících technologii kolizně-reakční cely. [21, 23, 26, 27, 30-34] Dnes neustále přibývá prací, které již využívají celu pro běžnou analýzu v nejrůznějších odvětvích. V tabulce č.4 je uvedeno několik příkladů interferovaných analytů a reakčních plynů pro eliminaci interferentů. - 27 -
Tabulka č.4: Příklady interferovaných analytů a reakčních plynů pro eliminaci interferentů Analyt Izotop Interferent Reakční plyn Výsledek Ref Ca 40 Ar + H 2 Snížení o 3 řády, CRC 34 Cr 52 ArC + H 2 Snížení o 3 řády, umožňuje 34 stanovení 6 pg.ml -1 v 2 % MeOH, CRC As 75 ArCl + H 2 (NH 3 reaguje s As), DRC 30 Se 78 ArAr + H 2 5x lepší mez detekce, CRC 35 V 51 ClO + NH 3 Snížení o 4 řády, DRC 36 Fe 56 ArO + H 2 + He Mez detekce 6 ng.l -1, CRC 37 Se 80 ArAr + H 2 + He Mez detekce 2 ng.l -1, CRC 38 S 32 + O 2 Xe, Xe + H 2 Měření izotopových poměrů S, DRC 28 Poznámka: CRC kolizně-reakční cela DRC dynamická reakční cela - 28 -
2 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 2.1 ICP hmotnostní spektrometr (ICP-MS) Diplomová práce se zabývala studiem vlivu základních parametrů hmotnostního spektrometru s indukčně vázaným plazmovým zdrojem Agilent 7500ce (Agilent Technologies, Japonsko) na analytický signál. Přístroj je vybaven solid state generátorem s frekvencí 27,12 MHz. Tříkanálovou peristaltickou pumpou byl čerpán roztok vzorku, vnitřních standardů (míšen se vzorkem pomocí T kusu) a odpad. Vzorek byl zmlžován křemenným koncentrickým zmlžovačem MicroMist a přes křemennou chlazenou Scottovou zmlžovací komoru aerosol vstupoval injektorem (ø 2,5 mm) do plazmatu. Hmotnostní spektrometr je vybaven soustavou iontové optiky, oktapólovým reakčním systémem (kolizně-reakční cela), analyzátorem (kvadrupól) a detektorem (elektronový násobič) pracujícím v pulsně-analogovém módu. Na obrázku č. 2 je schématicky rozkreslena iontová optika spektrometru Agilent 7500ce. Obrázek č. 2: Schématický nákres pozic iontové optiky ve spektrometru Agilent 7500ce Vysvětlivky: 1 skimmer cone 2, 3 extrakční čočky 1 a 2 = usměrnění a urychlení toku iontů z plazmatu 4, 5 omega čočky (omega ce, omega bias) = odklon paprsku iontů z osy (zabránění pronikání fotonů dále do spektrometru) 6, 7 potenciály na vstupu a výstupu kolizní cely = zajištění průchodu iontů celou 8 Octapole bias (Oct bias) = střídavá složka napětí kolizní cely 9 quadrupole focus (QP focus) = zaostření paprsku iontů do kvadrupólu 10 quadrupole bias (QP bias) = kontrola rychlostí iontů procházejících kvadrupólem a spolu s Oct bias (rozdílem jejich potenciálů) zabraňují průchodu iontů s nízkou energií - 29 -
2.2 Použité chemikálie Zásobní roztoky Astasol (Sb, As, Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, V, Zn, Co, Pb, Sc, Ge, Se, Y, In, Tb, Tl), Analytika, Praha (c = 1,000 ± 0,002 g.l -1 ) Dusičnan vápenatý, hořečnatý, sodný a draselný,(p.a., Lachema Brno), z nichž byly připraveny jednotlivé zásobní roztoky o koncentraci 1,0 g.l -1 příslušného kationtu. Jednotlivé navážky byly převedeny do 250 ml odměrných baněk a doplněny 2 % (m/m) HNO 3 : NaNO 3 = 0,924 g KNO 3 = 0,646 g Mg(NO 3 ) 2 = 1,525 g Ca(NO 3 ) 2 = 1,476 g Kyselina dusičná (HNO 3 ), 65 %, p.a., Merck Darmstadt Kyselina chlorovodíková (HCl), 35 %, p.a., Merck Darmstadt n - Butanol, p.a., Lachema Brno Glycerol, p.a.,lachema Brno Deionizovaná voda (Aqual 356XL MIO) Kapalný argon 4.6, Messer Technogas Vodík 5.0, Messer Technogas Helium 5.0, Messer Technogas 2.3 Vzorky Metoda ICP-MS pro stanovení těžkých kovů byla otestována zjištěním výtěžnosti měření různých vzorků vod. V tabulce č. 5 je uveden přehled vzorků vod, jejich rozdělení, označení a oblast odběru. Všechny vzorky vod byly přefiltrovány přes vyvařené nitrocelulózové membránové filtry (velikost pórů 0,40) a zakonzervovány přidáním 0,6 ml konc. HNO 3 ke 100 ml vzorku vody (výsledná koncentrace HNO 3 odpovídá 0,5 % (m/m)). U všech vzorků přírodních vod byl také zjištěn obsah matričních prvků (Na, K, Mg a Ca) metodou ICP-OES. Výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 6 (a. pitné a povrchové vody, b. odpadní vody). - 30 -
Tabulka č. 5: Přehled přírodních vod, oblasti odběru a značení Pitné a povrchové vody Odpadní vody Oblast odběru vzorku Značení vzorků (č.) Oblast odběru vzorku Značení vzorků (č.) Praha 1 2 Brno - venkov OV 1 9 Brno - venkov 3 6 Jihlavsko OV 10 11 Žďár nad Sázavou 7 Břeclavsko OV 12 13 Blanensko 8 10 Boskovicko 11 Přerovsko 12 13 Okružní rozbor 14 Jihlavsko 15-17 Tabulka č. 6: Zjištěné obsahy matričních prvků ve vzorcích vod metodou ICP-OES Vzorek č. a. Pitné a povrchové vody Mg (mg.l -1 ) Ca (mg.l -1 ) Na (mg.l -1 ) Pitné a povrchové vody K (mg.l -1 ) 1 7 46 8 2 2 27 30 8 1 3 5 79 2 1 4 18 60 8 2 5 11 88 6 1 6 7 53 9 2 7 3 65 1 1 8 4 17 3 0,4 9 26 68 15 1 10 40 59 20 4 11 30 74 20 4 12 30 102 17 1 13 7 28 7 2 14 3 47 2 0,4 15 5 17 3 1 16 4 16 3 1 17 5 17 3 1-31 -
b. Odpadní vody Vzorek č. Mg (mg.l -1 ) Ca (mg.l -1 ) Odpadní vody Na (mg.l -1 ) K (mg.l -1 ) OV 1 18 94 4 3 OV 2 23 96 36 31 OV 3 4 17 3 1 OV 4 62 69 106 42 OV 5 67 122 107 58 OV 7 15 97 70 17 OV 8 15 93 70 16 OV 9 0,2 987 3 2 OV 10 0,2 1019 3 3 OV 11 10 51 330 48 OV 12 5 36 312 33 OV 13 167 76 124 115 OV 14 135 55 841 738 2.4 Příprava roztoků (ladících a modelových) K přípravě ladicích roztoků byla využívána 2 % (m/m) HNO 3, která byla připravena odměřením 22 ml koncentrované HNO 3 do 1000 ml odměrné baňky a doplněna po rysku deionizovanou vodou. Podobně byla nachystána i 0,5 % (m/m) HNO 3 (odměřeno 5,5 ml konc. HNO 3 do 1000 ml odměrné baňky a doplněno po rysku deionizovanou vodou) používaná k přípravě modelových roztoků matric. Dále byly využívány pro přípravu roztoků analytů a roztoku vnitřních standardů zásobní roztoky jednotlivých prvků o koncentraci 1 g.l -1. Z nich pak byly dle potřeby připraveny směsné pracovní roztoky o koncentraci 1 mg.l -1 (pipetováno 0,1 ml jednotlivých zásobních roztoků analytů do 100 ml odměrných baněk a doplněných po rysku 2 % (m/m) HNO 3 ). 2.4.1 Vliv základních parametrů ICP-MS na analytický signál Ke studiu základních parametrů ICP-MS ovlivňujících analytický signál byl připravený roztok obsahující analyty (Li, Y, Ce a Tl) o koncentraci 10 µg.l -1 v 2 % (m/m) HNO 3. K přípravě - 32 -