En términos de entrada y salida, el instrumento ICP-MS consume material de muestra preparado y lo traduce en datos espectrales de masa. El procedimiento analítico real lleva algún tiempo; después de ese tiempo, el instrumento se puede cambiar para trabajar en la siguiente muestra. Series de tales mediciones de muestras requieren que el instrumento tenga encendido por plasma, mientras que una serie de parámetros técnicos deben ser estables para que los resultados obtenidos tengan una interpretación factible y precisa. El mantenimiento del plasma requiere un suministro constante de gas portador (por lo general, argón puro) y un mayor consumo de energía del instrumento. Cuando estos costes de funcionamiento adicionales no se consideran justificados, el plasma y la mayoría de los sistemas auxiliares se pueden apagar. En este modo de espera, solo las bombas funcionan para mantener el vacío adecuado en el espectrómetro de masas.
Los componentes del instrumento ICP-MS están diseñados para permitir un funcionamiento reproducible y/o estable.
Introducción de la muestraeditar
El primer paso en el análisis es la introducción de la muestra. Esto se ha logrado en el PCI-EM por diversos medios.
El método más común es el uso de nebulizadores analíticos. El nebulizador convierte líquidos en un aerosol, y ese aerosol se puede barrer en el plasma para crear los iones. Los nebulizadores funcionan mejor con muestras líquidas simples (es decir, soluciones). Sin embargo, ha habido casos de su uso con materiales más complejos como una suspensión. Muchas variedades de nebulizadores se han acoplado a ICP-MS, incluidos los neumáticos, de flujo cruzado, Babington, ultrasónicos y desolvantes. El aerosol generado a menudo se trata para limitarlo a solo las gotitas más pequeñas, comúnmente por medio de una cámara de pulverización ciclónica o de doble paso refrigerada por Peltier. El uso de muestreadores automáticos hace que esto sea más fácil y rápido, especialmente para trabajos rutinarios y grandes cantidades de muestras. También se puede usar un nebulizador desolvente (DSN); este utiliza un capilar largo calentado, recubierto con una membrana de fluoropolímero, para eliminar la mayor parte del disolvente y reducir la carga en el plasma. Los sistemas de introducción de extracción de matrices a veces se utilizan para muestras, como el agua de mar, donde las especies de interés se encuentran en niveles traza y están rodeadas de contaminantes mucho más abundantes.
La ablación con láser es otro método. Si bien era menos común en el pasado, se está popularizando rápidamente y se ha utilizado como medio de introducción de muestras, gracias al aumento de las velocidades de escaneo ICP-MS. En este método, un láser UV pulsado se enfoca en la muestra y crea un penacho de material ablado que se puede barrer en el plasma. Esto permite a los geoquímicos mapear espacialmente la composición de isótopos en secciones transversales de muestras de roca, una herramienta que se pierde si la roca se digiere e introduce como muestra líquida. Los láseres para esta tarea están diseñados para tener salidas de potencia altamente controlables y distribuciones de potencia radial uniformes, para producir cráteres de fondo plano y de un diámetro y profundidad elegidos.
Tanto para la Ablación con láser como para los nebulizadores Desolventes, también se puede introducir un pequeño flujo de Nitrógeno en el flujo de argón. El nitrógeno existe como dímero, por lo que tiene más modos de vibración y es más eficiente para recibir energía de la bobina de RF alrededor de la antorcha.
También se utilizan otros métodos de introducción de muestras. La vaporización electrotérmica (ETV) y la vaporización en antorcha (ITV) utilizan superficies calientes (grafito o metal, generalmente) para vaporizar muestras para su introducción. Estos pueden usar cantidades muy pequeñas de líquidos, sólidos o lodos. También se conocen otros métodos como la generación de vapor.
Plasma torchEdit
El plasma utilizado en un ICP-MS se realiza por parte de ionización de gas argón (Ar → Ar+ + e−). La energía requerida para esta reacción se obtiene pulsando una corriente eléctrica alterna en la bobina de carga que rodea la antorcha de plasma con un flujo de gas argón.
Después de inyectar la muestra, la temperatura extrema del plasma hace que la muestra se separe en átomos individuales (atomización). A continuación, el plasma ioniza estos átomos (M → M + + e -) para que puedan ser detectados por el espectrómetro de masas.
Un plasma acoplado inductivamente (ICP) para espectrometría se sostiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente de cuarzo. Los dos diseños principales son las antorchas de Fassel y Greenfield. El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción suministrada con una corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (generalmente de 14 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos más externos de la antorcha y se aplica una chispa eléctrica durante un corto tiempo para introducir electrones libres en la corriente de gas. Estos electrones interactúan con el campo magnético de radiofrecuencia de la bobina de inducción y se aceleran primero en una dirección, luego en la otra, a medida que el campo cambia a alta frecuencia (generalmente 27,12 MHz o 40 MHz). Los electrones acelerados chocan con átomos de argón, y a veces una colisión hace que un átomo de argón se desprenda de uno de sus electrones. El electrón liberado es a su vez acelerado por el campo magnético que cambia rápidamente. El proceso continúa hasta que la tasa de liberación de nuevos electrones en colisiones se equilibra con la tasa de recombinación de electrones con iones de argón (átomos que han perdido un electrón). Esto produce una «bola de fuego» que consiste principalmente en átomos de argón con una fracción bastante pequeña de electrones libres e iones de argón.
Ventaja de argonEdit
Hacer el plasma a partir de argón, en lugar de otros gases, tiene varias ventajas. En primer lugar, el argón es abundante (en la atmósfera, como resultado de la desintegración radiactiva del potasio) y, por lo tanto, más barato que otros gases nobles. El argón también tiene un potencial de ionización inicial más alto que todos los demás elementos excepto He, F y Ne. Debido a esta alta energía de ionización, la reacción (Ar+ + e− → Ar) es más favorable energéticamente que la reacción (M+ + e− → M). Esto garantiza que la muestra permanezca ionizada (como M+) para que el espectrómetro de masas pueda detectarla.
El argón se puede comprar para su uso con el ICP-MS en forma de líquido refrigerado o de gas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que cualquiera que sea la forma de argón comprada, debe tener una pureza garantizada de 99,9% de argón como mínimo. Es importante determinar qué tipo de argón será el más adecuado para la situación específica. El argón líquido es típicamente más barato y se puede almacenar en una mayor cantidad en comparación con la forma de gas, que es más cara y ocupa más espacio en el tanque. Si el instrumento se encuentra en un entorno en el que se usa con poca frecuencia, comprar argón en estado gaseoso será lo más apropiado, ya que será más que suficiente para adaptarse a tiempos de funcionamiento más pequeños y el gas en el cilindro permanecerá estable durante períodos de tiempo más largos, mientras que el argón líquido sufrirá pérdidas en el medio ambiente debido a la ventilación del tanque cuando se almacena durante períodos de tiempo prolongados. Sin embargo, si el ICP-MS se va a usar de forma rutinaria y está encendido y funcionando durante ocho o más horas al día durante varios días a la semana, entonces usar argón líquido será lo más adecuado. Si va a haber varios instrumentos ICP-MS funcionando durante largos períodos de tiempo, lo más probable es que sea beneficioso para el laboratorio instalar un tanque de argón a granel o micro a granel que será mantenido por una compañía de suministro de gas, eliminando así la necesidad de cambiar los tanques con frecuencia, así como minimizar la pérdida de argón que queda en cada tanque usado, así como el tiempo de inactividad para el cambio de tanque.
El helio se puede utilizar en lugar de argón o mezclado con argón para la generación de plasma. La primera energía de ionización más alta del helio permite una mayor ionización y, por lo tanto, una mayor sensibilidad para elementos difíciles de ionizar. El uso de helio puro también evita las interferencias basadas en argón, como ArO. Sin embargo, muchas de las interferencias se pueden mitigar mediante el uso de una célula de colisión, y el mayor costo del helio ha impedido su uso en ICP-MS comercial.
Transferencia de iones al vacuoeditar
El gas portador se envía a través del canal central y al plasma muy caliente. La muestra se expone a la radiofrecuencia que convierte el gas en plasma. La alta temperatura del plasma es suficiente para que una porción muy grande de la muestra forme iones. Esta fracción de ionización puede acercarse al 100% para algunos elementos (por ejemplo, sodio), pero esto depende del potencial de ionización. Una fracción de los iones formados pasa a través de un orificio de ~1 mm (cono de muestreo) y luego un orificio de ~0,4 mm (cono de espumador). Cuyo propósito es permitir un vacío que es requerido por el espectrómetro de masas.
El vacío es creado y mantenido por una serie de bombas. La primera etapa se basa generalmente en una bomba de desbaste, más comúnmente una bomba de paletas rotativas estándar. Esto elimina la mayor parte del gas y, por lo general, alcanza una presión de alrededor de 133 Pa. Las etapas posteriores tienen su vacío generado por sistemas de vacío más potentes, la mayoría de las veces bombas turbomoleculares. Los instrumentos más antiguos pueden haber utilizado bombas de difusión de aceite para regiones de alto vacío.
Ópticas de ioneditar
Antes de la separación de masa, se debe extraer un haz de iones positivos del plasma y enfocarlo en el analizador de masa. Es importante separar los iones de fotones UV, neutrales energéticos y de cualquier partícula sólida que pueda haber sido transportada al instrumento desde el ICP. Tradicionalmente, los instrumentos ICP-MS han utilizado arreglos de lentes de iones transmisores para este propósito. Los ejemplos incluyen la lente Einzel, la lente Barrel, la lente Omega de Agilent y la parada de sombras de Perkin-Elmer. Otro enfoque es utilizar guías iónicas (cuadrupolos, hexapolos u octopolos) para guiar los iones hacia el analizador de masa a lo largo de un camino alejado de la trayectoria de fotones o partículas neutras. Otro enfoque es el patentado por Varian utilizado por Analytik Jena ICP-MS óptica parabólica de «espejo iónico» reflectante de 90 grados, que se afirma que proporciona un transporte iónico más eficiente al analizador de masa, lo que resulta en una mejor sensibilidad y un fondo reducido. Analytik Jena ICP-MS PQMS es el instrumento más sensible del mercado.
Un sector ICP-MS normalmente tendrá cuatro secciones: una región de aceleración de extracción, lentes de dirección, un sector electrostático y un sector magnético. La primera región toma iones del plasma y los acelera usando un alto voltaje. Los segundos usos pueden utilizar una combinación de placas paralelas, anillos, cuadrupolos, hexapolos y octopolos para dirigir, dar forma y enfocar la viga de modo que los picos resultantes sean simétricos, con la parte superior plana y tengan una alta transmisión. El sector electrostático puede estar antes o después del sector magnético, dependiendo del instrumento en particular, y reduce la propagación de la energía cinética causada por el plasma. Esta propagación es particularmente grande para ICP-MS, siendo más grande que la Descarga luminosa y mucho más grande que el TIMS. La geometría del instrumento se elige de manera que el punto focal combinado de los sectores electrostático y magnético esté en el colector, conocido como Doble enfoque (o Doble enfoque).
Si la masa de interés tiene una sensibilidad baja y está justo debajo de un pico mucho más grande, la cola de masa baja de este pico más grande puede inmiscuirse en la masa de interés. Se podría usar un filtro de retardo para reducir esta cola. Este se encuentra cerca del colector y aplica un voltaje igual pero opuesto al voltaje de aceleración; los iones que hayan perdido energía mientras vuelan alrededor del instrumento se desacelerarán para que descansen junto al filtro.
Célula de reacción de colisión e iCRCEdit
La célula de reacción de colisión se utiliza para eliminar iones interferentes a través de reacciones iónicas/neutras. Las células de colisión / reacción se conocen con varios nombres. La célula de reacción dinámica se encuentra antes del cuadrupolo en el dispositivo ICP-MS. La cámara tiene un cuadrupolo y se puede llenar con gases de reacción (o colisión) (amoníaco, metano, oxígeno o hidrógeno), con un tipo de gas a la vez o una mezcla de dos de ellos, que reacciona con la muestra introducida, eliminando parte de la interferencia.
La Célula de Reacción de colisión integrada (iCRC) utilizada por Analytik Jena ICP-MS es una célula de mini colisión instalada frente a la óptica de espejo de iones parabólicos que elimina los iones interferentes inyectando un gas de colisión (He), un gas reactivo (H2), o una mezcla de los dos, directamente en el plasma a medida que fluye a través del cono del espumador y / o el cono del muestreador. El CICR eliminó los iones de interferencia utilizando un fenómeno de discriminación de energía cinética de colisión (KED) y reacciones químicas con iones de interferencia de manera similar a las células de colisión más grandes utilizadas tradicionalmente.