Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой

Немного истории

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) не такая уж и новая технология. Ей уже почти 25 лет. Первые статьи о данном методе появились в начале 1980-х, а PerkinElmer SCIEX выпустил на рынок первый коммерчески доступный масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой в 1983 г. С тех пор метод конечно же претерпел много улучшений и усовершенствований. Сегодня ИСП-МС — это широко распространенная аналитическая техника, которая ежедневно используется во многих лабораториях по всему миру.

ИСП-МС дает ряд преимуществ, особенно тем лабораториям, которые занимаются анализом рассеянных элементов:

• ИСП-МС имеет пределы количественного определения элементов равные или даже более низкие  по сравнению с лучшими, имеющимися на сегодня, методами анализа, при этом производительность данного метода гораздо выше;
  
• ИСП-МС позволяет достаточно легко анализировать как простые, так и сложные образцы.
  

Что можно анализировать с помощью ИСП-МС

ИСП-МС позволяет количественно определять большинство элементов из таблицы Менделеева. Более подробная информация о возможностях анализа каждого отдельного элемента и его изотопов требует отдельной статьи.

ИСП-МС состоит из компонентов, которые используются в конструкции масс-спектрометров других типов (LC/MS, GC/MS) — квадруполь, вакуумная система, детектор. Уникальным является использование высокотемператруной плазмы для ионизации частиц. Очень высокая температура плазмы позволяет разложить все соединения, содержавшиеся в образце на отдельные атомы и ионизировать последние. Как результат — ИСП-МС позволяет детектировать только ионы элементов. Это делает ИСП-МС более похожим на другие инструментальные методы анализа в неорганической химии, такие как AA или ICP-OES. Кроме того стандарты, методы пробоподготовки, и потенциальные ошибки из-за интерференции также сходны с этими методами анализа. Но несомненным преимуществом ИСП-МС является возможность определения индивидуальных изотопов каждого элемента. Это позволяет выполнять исследования изотопных отношений и изотопных разведений.

Конструкция ИСП-МС

ИСП-МС состоит из следующих компонентов:

1. Система ввода образца — состоит из перистальтического насоса, небулайзера и распылительной камеры. Основное назначение системы ввода — перевод образца в состояние спрея (взвеси мельчайших капель), что необходимо для выполнения последующих аналитических процедур.
   
2. ИСП горелка — необходима для поддержания плазмы, которая и образует атомарные ионы из соединений, входящих в состав образца.
   
3. Интерфейс — связывает пространство где находятся формирующиеся ионы и давление практически равно атмосферному, с глубоким вакуумом остальной части масс-спектрометра.
   
4. Линзы — фокусируют ионы в плотный пучок, который проходит  через ячейку столкновений или реакционную ячейку.
   
5. Квадруполь — выполняет роль фильтра масс, т.е. сортирует ионы по их соотношению масса/заряд (m/z)
   
6. Вакуумная система — гарантирует глубокий вакуум, необходимый для работы ионной оптики, квадруполя и детектора
7. Детектор — подсчитывает индивидуальные атомарные ионы, прошедшие через квадруполь
8. Система обработки информации и управления прибором — компьютерная система, контролирующая все аспекты работы масс-спектрометра, без нее невозможно получение результатов анализа.

Как правило, для анализа на ИСП-МС необходимы жидкие образцы — растворы. Но при использовании специальной лазерной или микроволновой нагревательной системы возможно непосредственное испарение и анализ твердого образца. Могут анализироваться и газообразные образцы, их непосредственно вводят в масс-спектрометр.

Наиболее типичная конструкция системы введения образца состоит из небулайзера и распылительной камеры. Небулайзер преобразует жидкость во взвесь очень маленьких капель. Эти капли проходят через распылительную камеру в трубку или инжектор, которые открываются по центру горелки, в результате чего капли попадают в поток плазмы. Плазма разлагает сложные соединения и ионизирует образовавшиеся атомы. Далее ионы проходят сквозь интерфейс и ионные линзы. Сфокусированный поток ионнов разделяется по соотношению масса/заряд и попадает на детектор. Детектор фиксирует попадание каждого иона, а компьютерная система преобразует данные сигналы в концентрации каждого элемента и формирует отчет о результатах анализа. Далее имеет смысл более подробно остановится на каждой из этих систем в отдельности.

Система ввода образца

Для анализа содержания элементов, раствор должен быть переведен в форму, которая может быть использована для ввода в плазму. Это достигается за счет пропускания анализируемой жидкости через небулайзер простой конструкции. Он работает на том же самом принципе, который используется в старых добрых ручных распрыскивателях или ингаляторах. Но могут быть использованы и другие типы небулайзеров, по большому счету, это зависит от используемого образца.

ИСП горелка

Плазма, образуемая в ИСП горелке, создает зону очень высокой температуры, выполняющей несколько функций одновременно. Имея температуру в 6000° С, плазма почти в 10 раз более горячая, чем печь для пиццы или в три раза более горячая по сравнению с автогеном. Ближайшее место, где мы можем найти такую же температуру — это поверхность Солнца. Плазма генерируется при прохождении аргона через серию концентрических кварцевых трубок, на которые намотана электрическая катушка, имеющая определенную резонансную частоту электромагнитных колебаний. Энергия, которая подается на катушку от сверхвысокочастотного электромагнитного генератора, передается на аргон, что и разогревает его до необходимой температуры.

При прохождении через плазму, капельки жидкости, в которых содержатся анализируемые матрицы и элементы, мгновенно испаряются и превращаются в газ. В газ превращается не только вода, но и все, что в ней содержалось. Затем сложные соединения распадаются на атомы. Атом, получая дополнительную энергию от плазмы, отдает электрон и превращается в положительно заряженный ион. Как правило, заряд ионов равен +1. Образовавшиеся в плазме ионы попадают в зону интерфейса.

Интерфейс

Если мы поместим плазму с температурой в 6000° С возле системы фокусировки ионов, работающей в условиях комнатной температуры, то это будет все равно, что разместить землю в одном километре от Солнца. Кроме того, плазма существуют при давлении значительно более высоком, чем глубокий вакуум, необходимый для работы ионных линз и масс-спектрометрической системы. Интерфейс позволяет совместно работать плазме и ионным линзам, через него атомарные ионы из плазмы попадают в область работы ионных линз. Интерфейс состоит из двух, похожих на воронки, приспособлений, называемых конусами. Конус образца расположен возле плазмы, а отсекающий конус расположен в нескольких миллиметрах возле первого.

Каждый конус имеет отверстие около 1 мм в диаметре, через которое и проходят ионы. Размер отверстий должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить блокировку из-за засорения, но и достаточно маленьким, чтобы можно было поддерживать низкое давление. Конусы обычно изготавливают из никеля или платины и помещают в систему водяного охлаждения, для предотвращения их повреждения высокими температурами. Из пространства между двумя конусами воздух выкачивается с помощью механического насоса. 

При прохождении анализируемого материала через отверстия, часть его остается на конусах, что делает необходимым их периодическую очистку. Знание того, как часто должны отмываться конуса — это важный момент для правильного ухода за оборудованием.

Некоторые системы используют дополнительные конуса, что позволяет более точно направлять ионы на систему линз.

Система линз

Ионные линзы расположены непосредственно за интерфейсом. Они отвечают за фокусировку ионов на область квадруполя. Так как ионы, образованные в плазме, заряжены положительно, они естественно отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы на квадруполь попало как можно больше ионов в единицу времени (а это необходимо для высокой эффективности измерения), надо предотвратить их самопроизвольное рассеивание и собрать в пучок. Достигается это за счет пропускания потока ионов через положительно заряженные устройства, действующие как фокусирующие линзы.

Если фотоны, присутствующие в плазме, попадут на детектор, то они создатут сильные фоновые шумы. Кроме того, не полностью ионизированные частицы — часто их называют нейтрали — могут сильно влиять на стабильность системы, если будут попадать на спектрометр. По этоим двум причинам в районе линз помещается специальное устройство, которое блокирует фотоны и нейтрали.

Фокусировка атомарных ионов в масс-спектрометре подобна фокусировке света в оптических спектрометрах, но в оптических устройствах используется система прозрачных линз, для собирания света в пучок, тогда как в масс-спектрометре для этих целей используются магнитные поля.

Ячейка столкновений и реакций

Интерференция не такое частое явление в ИСП-МС, как в ICP-OES, однако когда она возникает, это оказывает серьезное влияние на производительность системы. Причиной интерференции в ИСП-МС является взаимодействие между ионами. Интерференционные ионы имеют такое же отношение масса/заряд, как и у анализируемых. Ниже описан один из наиболее типичных случаев. Этот же пример описывает работу ячейки столкновений и реакций.

Аргон из плазмы и кислород из матрицы образца могут соединяться и формировать двухатомный ион, имеющий массу 56. Железо имеет несколько различных изотопов, но наиболее распространен изотоп с атомной массой 56. Мы можем остановится на измерении изотопа железа с другой атомной массой, скажем — 54, но потеряем в точности анализа. Если же мы попытаемся измерять изотоп с массой 56, не убрав ArO, то результаты тоже будут далеки от идеала, из-за присутствия сильных фоновых шумов. В таком случае и нужны ячейки столкновений и реакций. Оба типа ячеек помещаются непосредственно перед квадруполем. По причинам, понимание которых требует глубокого знания физики, ячейки столкновений используют гексополи и октополи, а реакционные ячейки — квадруполи.

Ячейки столкновений основаны на том принципе, что ионы ArO значительно больше ионов Fe. Если ионы обоих типов пролетают через облако инертных атомов, то интерференционный ион будет сталкиваться с ними чаще, по сравнению с анализируемым. Каждое из столкновений снимает часть кинетической энергии, которой обладают ионы. В результате этого, при выходе из такого облака, анализируемые ионы будут обладать гораздо большей кинетической энергией по сравнению с интерференционными. Если теперь на пути ионов установить энергетический фильтр, то анализируемые ионы преодолеют его, а интерференционные останутся. Этот фильтр еще называется дискриминатор по кинетической энергии. Ячейка столкновений убирает мешающий фон, но при этом поток анализируемых ионов может также сильно ослабеть.

Реакционная ячейка работает по другому принципу. Она использует экзотермические (быстрые) и эндотермические (медленные) реакции. Интерференционные ионы реагируют с активным газом, например аммиаком, экзотермически, а анализируемые — эндотермически. Если пропустим смесь ионов через облако активного газа, то обнаружим, что интерференционные ионы образовали новые соединения. В нашем примере ArO станет нейтральным. Так как нейтральный атом не имеет заряда, то он нестабилен в квадрупольной реакционной ячейке и удаляется из нее в фильтрующий квадруполь. Реакционные ячейки удаляют интерференционные ионы довольно эффективно, не затрагивая анализируемые.

Квадруполь, фильтрующий массу

Масс-спектрометр разделяет ионы с зарядом +1, действуя как фильтр масс. Три типа масс-спектрометров используются в коммерческих ИСП-МС системах: квадрупольный, время-пролетный и магнитный сектор. 

Квадрупольный наиболее часто используется в аналитических целях. Квадруполь состоит из четырех прутьев, примерно 20 см длинны и толщиной в 1 см, расположенных как показано на рисунке.

Квадрупольный масс-спектрометр работает таким образом, что позволяет в отдельные моменты времени проходить только ионам со строго определенной массой. Квадруполь точно сортирует ионы по отношению масса/заряд. Достигается это за счет подбора комбинации напряжения и радиочастоты, позволяющих только ионам обладающим определенным отношением масса/заряд проходить через четыре прута квадруполя. Ионы, не удовлетворяющие этому условию, выходят в промежутки между прутьями и удаляются из квадруполя. Квадруполь может быстро переходить в любое состояние, необходимое для фильтрации необходимых ионов. Например, для измерения натрия, имеющего атомную массу равную 23, масс-спектрометр настраивается на пропускание ионов с отношением m/z = 23/1. Для изотопа меди с массой 63 квадруполь пропускает только ионы с m/z = 63/1. Если образуется ион с зарядом +2, к примеру Ba⁺², масс-спектрометр может измерить и его концентрацию, настроившись на m/z = 69/1.

Квадруполь позволяет проходить ионам только с заданным отношением m/z, но его параметры могут меняться очень быстро. Это позволяет просканировать ионы с m/z от 1 до 240 за время в 0,1 секунду. Это время называется временем сканирования квадруполя. Благодаря быстрому времени сканирования ИСП-МС позволяет очень быстро определять много различных элементов.

Если сравнить AA и ИСП-МС, то можно еще сказать, что вместо направления света в монохроматор для получения спектра и определения элементов, масс-спектрометр разделяет непосредственно ионы на основании соотношения их массы и заряда.

Вакуумная система

Расстояние между интерфейсом и детектором в ИСП-МС обычно не превышает одного метра. Ионы не должны столкнуться ни с одной молекулой газа при прохождении этого пути. Это определяет необходимость удаления практически всего воздуха из пространства между интерфейсом и детектором. С этой целью используется комбинация турбомолекулярного и механического насосов. Вместе они и называется вакуумной системой. 

Турбомолекулярный насос работает как реактивная турбина и способен быстро снизить давление в камере до 10^-5 Торр. Грубый насос, соединенный с интерфейсом (где расположены конусы) удаляет большую часть избыточных ионов матрицы и газов. Уход за вакуумной системой, как правило, требует систематичской смены масла (раз в 12—18 месяцев).

Детектор

Ионы прошедшие весь путь и пропущенные квадруполем попадают на активную поверхность детектора и генерируют электрический сигнал. Активная поверхность детектора, называемая динод, испускает электрон всякий раз, как о нее ударяется ион. Далее электрон попадает в систему умножения сигнала. Каскад электронов нарастает, пока не образуется измеримый сигнал. В системе подсчитывается количество ударов ионов о динод. Надо отметить, что система умножения сигнала в ИСП-МС практически не отличается от фотоумножителя, используемого в AA или ICP-OES. Но вместо измерения света, испускаемого анализируемыми атомами, подсчитывается количество ударений ионов о детектор.

Система обработки данных и контроля

Все ИСП системы требуют для своей работы компьютер и сложное программное обеспечение для обсчета результата и управления прибором.

Все составные части ИСП-МС находятся под контролем специальной программы. Программное обеспечение гарантирует их адекватную работу и дает оператору всю необходимую информацию о состоянии оборудования.

Программное обеспечение также переводит количество ударов ионов об активную поверхность детектора в полезную информацию о концентрации элементов. ИСП-МС может выводить информацию в одном из четырех форматов — полуколичественный анализ, количественный анализ, анализ изотопного разведения, анализ изотопных соотношений.

Полуколичественный анализ дает отпечаток элементов, присутствующих в образце, и оценивает концентрацию каждого из них. Для некоторых приложений нет необходимости в калибровке ИСП-МС по каждому элементу. После калибровки прибора по раствору содержащему только три элемента, всего за несколько минут может быть выполнен высококачественный анализ концентрации 82 элементов. Полученная информация может помочь в определении того, какие стандарты необходимы для количественного анализа. Также полуколичественный анализ позволяет установить какие еще элементы присутствуют в образце и могут ли они интерферировать с определяемыми ионами.

Количественный ИСП-МС анализ позволяет точно определить концентрацию каждого элемента в анализируемом образце. Как правило, в количественном анализе концентрация каждого элемента определяется путем сравнения счета, полученного с детектора для данного изотопа с кривой калибровки, полученной с помощью этого же изотопа. В настоящее время доступен широкий набор растворов калибровочных стандартов. Сигнал от образцов с неизвестной концентрацией сравнивается с сигналом, полученным при измерении стандарта и на основании этого вычисляется содержание того или иного элемента.

Так как ИСП-МС измеряет отдельные изотопы каждого элемента, то может быть определено отношение между двумя и более изотопами. Определение изотопных отношений используется в различных приложениях, включая датировку геологических образцов, контроль состояния ядерного реактора, определение источника загрязнения и биологические исследования с использованием меток.

Эксперименты с изотопными разведениями могут быть легко реализованы на ИСП-МС. Они выполняются путем введения в систему изучаемого элемента состав которого обогащен одним из его изотопов. Насыщающий изотоп действуют одновременно как калибровочный и как внутренний стандарт. Так как насыщающий изотоп химически и физически ведет себя также, как и другие изотопы данного элемента, то он является идеальным внутренним стандартом. 

Кроме того, программное обеспечение "следит" за калибровкой прибора, проверяет соответствие ответов компонентов принятым стандартам и задействуется в решении проблем, возникающих при анализе, включая систему автоматического контроля качества и проверки ошибок. Также проверочные стандарты и сигнальные пики обсчитываются и проверяются на соответствие допустимым пределам. Пользователь может определить какие действия необходимо выполнить для контроля за качеством анализа образцов, когда сигнал выходит за допустимые границы — от перекалибровки до повторения процедуры пробоподготовки.

Заключение

Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой работает по принципу подсчета количества ионов с определнным отношением масса/заряд. Для количественного выражения концентрации каждого элемента необходима предварительная калибровка прибора с использованием стандартов заранее известной концентрации. Для предотвращения интерференции, которая может снизить точность анализа используются ячейки столкновений и реакционные ячейки. Программное обеспечение предоставляет пользователю обработанные данные в одном из форматов: полуколичественном, количественном, изотопного соотношения или изотопного разведения. ИСП-МС имеет ряд преимуществ перед приборами другого типа, предназначенными для элементного анализа образцов: интерференция на нем возникает гораздо реже по сравнению с AA или ICP-OES, он работает быстрее и позволяет выполнить количественный анализ всех элементов из одного образца, а пределы обнаружения изотопов гораздо ниже. Квадрупольный ИСП-МС позволяет измерять концентрацию 35 элементов за две-три минуты. Так как все компоненты прибора находятся под управлением компьютера, то он может работать и в отсутствие оператора, то есть может быть загружен 24 часа в день, 7 дней в неделю, выполняя анализ 300 образцов за 24-часовой день.

Ни одна другая технология не может обеспечить такие низкие пределы обнаружения и высокую производительность элементного анализа.