In Bezug auf Eingang und Ausgang verbraucht das ICP-MS-Instrument vorbereitetes Probenmaterial und übersetzt es in Massenspektraldaten. Der eigentliche Analysevorgang dauert einige Zeit; Nach dieser Zeit kann das Gerät auf die Arbeit an der nächsten Probe umgestellt werden. Eine Reihe solcher Probenmessungen erfordert, dass das Instrument Plasma gezündet hat, während eine Reihe von technischen Parametern stabil sein muss, damit die erhaltenen Ergebnisse machbar genau und präzise interpretiert werden können. Die Aufrechterhaltung des Plasmas erfordert eine konstante Zufuhr von Trägergas (normalerweise reines Argon) und einen erhöhten Stromverbrauch des Instruments. Wenn diese zusätzlichen Betriebskosten nicht als gerechtfertigt angesehen werden, können Plasma und die meisten Hilfssysteme ausgeschaltet werden. In einem solchen Standby-Modus arbeiten nur Pumpen, um das richtige Vakuum im Massenspektrometer aufrechtzuerhalten.
Die Bestandteile des ICP-MS-Instruments sind so ausgelegt, dass sie einen reproduzierbaren und / oder stabilen Betrieb ermöglichen.
Probeneinführungbearbeiten
Der erste Schritt in der Analyse ist die Einführung der Probe. Dies wurde in ICP-MS durch eine Vielzahl von Mitteln erreicht.
Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung von analytischen Verneblern. Vernebler wandelt Flüssigkeiten in ein Aerosol um, und dieses Aerosol kann dann in das Plasma gefegt werden, um die Ionen zu erzeugen. Vernebler funktionieren am besten mit einfachen flüssigen Proben (d. H. Lösungen). Es gab jedoch Fälle ihrer Verwendung mit komplexeren Materialien wie einer Aufschlämmung. Viele Arten von Verneblern wurden an ICP-MS gekoppelt, einschließlich pneumatischer, Cross-Flow-, Babington-, Ultraschall- und Desolvating-Typen. Das erzeugte Aerosol wird häufig behandelt, um es auf nur kleinste Tröpfchen zu begrenzen, üblicherweise mittels einer Peltier-gekühlten Doppelpass- oder Zyklonsprühkammer. Die Verwendung von Autosamplern macht dies einfacher und schneller, insbesondere bei Routinearbeiten und einer großen Anzahl von Proben. Ein Desolvating Nebuliser (DSN) kann auch verwendet werden; Dies verwendet eine lange erhitzte Kapillare, die mit einer Fluorpolymermembran beschichtet ist, um den größten Teil des Lösungsmittels zu entfernen und die Belastung des Plasmas zu reduzieren. Matrixentfernungseinführungssysteme werden manchmal für Proben verwendet, wie Meerwasser, wo die interessierenden Arten auf Spuren liegen, und sind von viel häufigeren Verunreinigungen umgeben.
Laserablation ist eine weitere Methode. Während es in der Vergangenheit weniger verbreitet war, wurde es dank erhöhter ICP-MS-Scangeschwindigkeiten schnell als Mittel zur Probeneinführung verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster UV-Laser auf die Probe fokussiert und erzeugt eine Wolke aus abgesetztem Material, die in das Plasma gefegt werden kann. Dies ermöglicht es Geochemikern, die Isotopenzusammensetzung in Querschnitten von Gesteinsproben räumlich abzubilden, Ein Werkzeug, das verloren geht, wenn das Gestein verdaut und als flüssige Probe eingeführt wird. Laser für diese Aufgabe werden gebaut, um hoch steuerbare Leistungsabgaben und gleichmäßige radiale Leistungsverteilungen zu haben, um Krater mit flachem Boden und einem gewählten Durchmesser und einer gewählten Tiefe zu erzeugen.
Sowohl bei Laserablations- als auch bei Desolvationsverneblern kann auch ein kleiner Stickstoffstrom in den Argonstrom eingeleitet werden. Stickstoff existiert als Dimer, hat also mehr Schwingungsmoden und ist effizienter beim Empfang von Energie von der HF-Spule um den Brenner herum.
Andere Methoden der Probeneinführung werden ebenfalls verwendet. Bei der elektrothermischen Verdampfung (ETV) und bei der Brennerverdampfung (ITV) werden heiße Oberflächen (im Allgemeinen Graphit oder Metall) verwendet, um Proben für die Einführung zu verdampfen. Diese können sehr kleine Mengen an Flüssigkeiten, Feststoffen oder Schlämmen verwenden. Andere Verfahren wie die Dampferzeugung sind ebenfalls bekannt.
Plasmabrenner
Das in einem ICP-MS verwendete Plasma wird durch partielles Ionisieren von Argongas (Ar → Ar+ + e−) hergestellt. Die für diese Reaktion erforderliche Energie wird durch Pulsieren eines elektrischen Wechselstroms in einer Spule erhalten, die den Plasmabrenner mit einem Argongasstrom umgibt.
Nachdem die Probe injiziert wurde, bewirkt die extreme Temperatur des Plasmas, dass sich die Probe in einzelne Atome auflöst (Zerstäubung). Als nächstes ionisiert das Plasma diese Atome (M → M + + e-), so dass sie vom Massenspektrometer nachgewiesen werden können.
Ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) für die Spektrometrie wird in einem Brenner aufrechterhalten, der aus drei konzentrischen Röhren besteht, die normalerweise aus Quarz bestehen. Die beiden Hauptentwürfe sind die Fassel- und Greenfield-Fackeln. Das Ende dieses Brenners befindet sich in einer Induktionsspule, die mit einem hochfrequenten elektrischen Strom versorgt wird. Ein Argongasstrom (normalerweise 14 bis 18 Liter pro Minute) wird zwischen die beiden äußersten Rohre des Brenners eingeleitet und ein elektrischer Funke wird für kurze Zeit angelegt, um freie Elektronen in den Gasstrom einzuführen. Diese Elektronen interagieren mit dem hochfrequenten Magnetfeld der Induktionsspule und werden zuerst in die eine und dann in die andere Richtung beschleunigt, wenn sich das Feld bei hoher Frequenz ändert (normalerweise 27,12 MHz oder 40 MHz). Die beschleunigten Elektronen kollidieren mit Argonatomen, und manchmal führt eine Kollision dazu, dass sich ein Argonatom von einem seiner Elektronen trennt. Das freigesetzte Elektron wird wiederum durch das sich schnell ändernde Magnetfeld beschleunigt. Der Prozess wird fortgesetzt, bis die Freisetzungsrate neuer Elektronen bei Kollisionen durch die Rekombinationsrate von Elektronen mit Argonionen (Atomen, die ein Elektron verloren haben) ausgeglichen wird. Dies erzeugt einen ‚Feuerball‘, der hauptsächlich aus Argonatomen mit einem eher geringen Anteil an freien Elektronen und Argonionen besteht.
Vorteil von argonEdit
Die Herstellung des Plasmas aus Argon anstelle anderer Gase hat mehrere Vorteile. Erstens ist Argon reichlich vorhanden (in der Atmosphäre infolge des radioaktiven Zerfalls von Kalium) und daher billiger als andere Edelgase. Argon hat auch ein höheres erstes Ionisationspotential als alle anderen Elemente außer He, F und Ne. Aufgrund dieser hohen Ionisationsenergie ist die Reaktion (Ar+ + e− → Ar) energetisch günstiger als die Reaktion (M+ + e− → M). Dadurch wird sichergestellt, dass die Probe ionisiert bleibt (als M+), damit das Massenspektrometer sie nachweisen kann.
Argon kann für die Verwendung mit dem ICP-MS entweder in gekühlter flüssiger oder in gasförmiger Form erworben werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass jede gekaufte Argonform eine garantierte Reinheit von mindestens 99,9% Argon aufweisen sollte. Es ist wichtig zu bestimmen, welche Art von Argon für die spezifische Situation am besten geeignet ist. Flüssiges Argon ist typischerweise billiger und kann in einer größeren Menge gespeichert werden als die Gasform, die teurer ist und mehr Tankraum einnimmt. Wenn sich das Gerät in einer Umgebung befindet, in der es nur selten verwendet wird, ist der Kauf von Argon im Gaszustand am besten geeignet, da es für kleinere Laufzeiten mehr als ausreichend ist und das Gas im Zylinder für längere Zeit stabil bleibt, während flüssiges Argon aufgrund der Entlüftung des Tanks bei Lagerung über längere Zeiträume einen Verlust für die Umwelt erleidet. Wenn der ICP-MS jedoch routinemäßig verwendet werden soll und mehrere Tage pro Woche acht oder mehr Stunden pro Tag läuft, ist die Verwendung von flüssigem Argon am besten geeignet. Wenn mehrere ICP-MS-Instrumente über einen längeren Zeitraum betrieben werden sollen, ist es für das Labor höchstwahrscheinlich von Vorteil, einen Bulk- oder Micro-Bulk-Argontank zu installieren, der von einem Gasversorgungsunternehmen gewartet wird, wodurch der häufige Tankwechsel entfällt und der Argonverlust, der in jedem verwendeten Tank verbleibt, sowie die Ausfallzeit für den Tankwechsel minimiert werden.Helium kann entweder anstelle von Argon oder gemischt mit Argon zur Plasmaerzeugung verwendet werden. Die höhere erste Ionisationsenergie von Helium ermöglicht eine größere Ionisation und damit eine höhere Empfindlichkeit für schwer zu ionisierende Elemente. Die Verwendung von reinem Helium vermeidet auch argonbasierte Interferenzen wie ArO. Viele der Interferenzen können jedoch durch die Verwendung einer Kollisionszelle gemildert werden, und die höheren Kosten für Helium haben seine Verwendung in kommerziellen ICP-MS verhindert.
Übertragung von Ionen ins vakuumEdit
Das Trägergas wird durch den zentralen Kanal in das sehr heiße Plasma geleitet. Die Probe wird dann einer Radiofrequenz ausgesetzt, die das Gas in ein Plasma umwandelt. Die hohe Temperatur des Plasmas reicht aus, um einen sehr großen Teil der Probe zur Bildung von Ionen zu veranlassen. Dieser Ionisationsanteil kann sich für einige Elemente (z. B. Natrium) 100% nähern, dies ist jedoch abhängig vom Ionisationspotential. Ein Bruchteil der gebildeten Ionen durchläuft ein ~ 1 mm Loch (Sampler-Kegel) und dann ein ~ 0,4 mm Loch (Skimmer-Kegel). Dessen Zweck ist es, ein Vakuum zu ermöglichen, das vom Massenspektrometer benötigt wird.
Das Vakuum wird durch eine Reihe von Pumpen erzeugt und aufrechterhalten. Die erste Stufe basiert normalerweise auf einer Schrupppumpe, am häufigsten eine Standard-Drehschieberpumpe. Dies entfernt den größten Teil des Gases und erreicht typischerweise einen Druck von etwa 133 Pa. In späteren Stadien wird das Vakuum durch leistungsfähigere Vakuumsysteme erzeugt, meistens Turbomolekularpumpen. Ältere Instrumente haben möglicherweise Öldiffusionspumpen für Hochvakuumbereiche verwendet.
Ion opticsEdit
Vor der Massentrennung muss ein Strahl positiver Ionen aus dem Plasma extrahiert und in den Massenanalysator fokussiert werden. Es ist wichtig, die Ionen von UV-Photonen, energetischen Neutralen und von Feststoffpartikeln zu trennen, die möglicherweise vom ICP in das Instrument transportiert wurden. Traditionell haben ICP-MS-Instrumente transmittierende Ionenlinsenanordnungen für diesen Zweck verwendet. Beispiele sind die Einzellinse, die Fasslinse, die Omega-Linse von Agilent und die Schattenblende von Perkin-Elmer. Ein anderer Ansatz besteht darin, Ionenführer (Quadrupole, Hexapole oder Oktopole) zu verwenden, um die Ionen entlang eines Pfades weg von der Flugbahn von Photonen oder neutralen Teilchen in den Massenanalysator zu führen. Ein weiterer Ansatz ist Varian patentierte von Analytik Jena ICP-MS verwendet 90 Grad reflektierenden parabolischen „Ionenspiegel“ Optik, die einen effizienteren Ionentransport in den Massenanalysator zur Verfügung zu stellen behauptet,, was zu einer besseren Empfindlichkeit und reduziertem Hintergrund. Das Analytik Jena ICP-MS PQMS ist das empfindlichste Instrument auf dem Markt.
Ein Sektor ICP-MS wird üblicherweise vier Abschnitte haben: einen Extraktionsbeschleunigungsbereich, Lenklinsen, einen elektrostatischen Sektor und einen magnetischen Sektor. Die erste Region nimmt Ionen aus dem Plasma und beschleunigt sie mit einer Hochspannung. Die zweite Verwendung kann eine Kombination von parallelen Platten, Ringen, Quadrupolen, Hexapolen und Oktopolen verwenden, um den Strahl so zu lenken, zu formen und zu fokussieren, dass die resultierenden Peaks symmetrisch, flach und mit hoher Transmission sind. Der elektrostatische Sektor kann sich je nach Instrument vor oder nach dem magnetischen Sektor befinden und verringert die durch das Plasma verursachte Ausbreitung der kinetischen Energie. Diese Streuung ist besonders groß für ICP-MS, größer als Glimmentladung und viel größer als TIMS. Die Geometrie des Instruments ist so gewählt, dass das Instrument Der kombinierte Brennpunkt der elektrostatischen und magnetischen Sektoren liegt am Kollektor, bekannt als Doppelfokussierung (oder Doppelfokussierung).
Wenn die interessierende Masse eine geringe Empfindlichkeit aufweist und knapp unter einem viel größeren Peak liegt, kann der Schwanz mit geringer Masse von diesem größeren Peak in die interessierende Masse eindringen. Ein Verzögerungsfilter kann verwendet werden, um diesen Schwanz zu reduzieren. Dies befindet sich in der Nähe des Kollektors, und legt eine Spannung an, die der Beschleunigungsspannung gleich, aber entgegengesetzt ist; alle Ionen, die beim Umfliegen des Instruments Energie verloren haben, werden vom Filter abgebremst, um sich auszuruhen.
Kollisionsreaktionszelle und iCRCEdit
Die Kollisions- / Reaktionszelle wird verwendet, um störende Ionen durch Ionen / neutrale Reaktionen zu entfernen. Kollisions-/Reaktionszellen sind unter mehreren Namen bekannt. Die dynamische Reaktionszelle befindet sich vor dem Quadrupol im ICP-MS-Gerät. Die Kammer hat einen Quadrupol und kann mit Reaktions- (oder Kollisions-) Gasen (Ammoniak, Methan, Sauerstoff oder Wasserstoff) gefüllt werden, wobei jeweils eine Gasart oder eine Mischung aus zwei davon mit der eingeführten Probe reagiert, wodurch ein Teil der Interferenz beseitigt wird.
Bei der integrierten Kollisionsreaktionszelle (iCRC) des Analytik Jena ICP-MS handelt es sich um eine vor der parabolischen Ionenspiegeloptik installierte Mini-Kollisionszelle, die störende Ionen entfernt, indem ein Kollisionsgas (He) oder ein Reaktivgas (H2) oder eine Mischung aus beiden direkt in das Plasma injiziert wird, während es durch den Skimmerkegel und/oder den Probenahmekegel fließt. Das iKRK entfernte störende Ionen unter Verwendung eines Phänomens der kollisionskinetischen Energiediskriminierung (KED) und chemischer Reaktionen mit störenden Ionen ähnlich wie traditionell verwendete größere Kollisionszellen.