In termini di input e output, lo strumento ICP-MS consuma materiale campione preparato e lo traduce in dati spettrali di massa. La procedura analitica attuale richiede un certo tempo; dopo quel tempo lo strumento può essere commutato per lavorare sul campione seguente. La serie di tali misurazioni del campione richiede che lo strumento abbia il plasma acceso, nel frattempo una serie di parametri tecnici deve essere stabile affinché i risultati ottenuti abbiano un’interpretazione fattibile e precisa. Il mantenimento del plasma richiede una fornitura costante di gas vettore (solitamente argon puro) e un maggiore consumo energetico dello strumento. Quando questi costi di gestione aggiuntivi non sono considerati giustificati, il plasma e la maggior parte dei sistemi ausiliari possono essere disattivati. In tale modalità standby solo le pompe stanno lavorando per mantenere il vuoto adeguato nello spettrometro di massa.
I componenti dello strumento ICP-MS sono progettati per consentire un funzionamento riproducibile e / o stabile.
Introduzione del campionemodiFica
Il primo passo nell’analisi è l’introduzione del campione. Questo obiettivo è stato raggiunto in ICP-MS attraverso una varietà di mezzi.
Il metodo più comune è l’uso di nebulizzatori analitici. Nebulizzatore converte liquidi in un aerosol, e che aerosol può quindi essere spazzato nel plasma per creare gli ioni. I nebulizzatori funzionano meglio con semplici campioni liquidi (cioè soluzioni). Tuttavia, ci sono stati casi del loro uso con materiali più complessi come una sospensione. Molte varietà di nebulizzatori sono stati accoppiati a ICP-MS, tra cui pneumatico, cross-flow, Babington, ultrasuoni, e desolvating tipi. L’aerosol generato viene spesso trattato per limitarlo solo alle goccioline più piccole, comunemente per mezzo di una camera di spruzzo a doppio passaggio raffreddata a Peltier o ciclonica. L’uso di autocampionatori rende questo più facile e veloce, soprattutto per il lavoro di routine e un gran numero di campioni. Può anche essere utilizzato un nebulizzatore desolvente (DSN); questo utilizza un capillare lungo riscaldato, rivestito con una membrana fluoropolimerica, per rimuovere la maggior parte del solvente e ridurre il carico sul plasma. I sistemi di introduzione della rimozione della matrice sono talvolta utilizzati per campioni, come l’acqua di mare, dove le specie di interesse sono a livelli di traccia e sono circondate da contaminanti molto più abbondanti.
L’ablazione laser è un altro metodo. Pur essendo meno comune in passato, sta rapidamente diventando popolare è stato utilizzato come mezzo di introduzione del campione, grazie alla maggiore velocità di scansione ICP-MS. In questo metodo, un laser UV pulsato si concentra sul campione e crea un pennacchio di materiale ablato che può essere spazzato nel plasma. Ciò consente ai geochimici di mappare spazialmente la composizione isotopica in sezioni trasversali di campioni di roccia, uno strumento che viene perso se la roccia viene digerita e introdotta come campione liquido. I laser per questo compito sono costruiti per avere uscite di potenza altamente controllabili e distribuzioni di potenza radiali uniformi, per produrre crateri a fondo piatto e di diametro e profondità scelti.
Sia per i nebulizzatori di ablazione laser che per i nebulizzatori di desolverazione, un piccolo flusso di azoto può anche essere introdotto nel flusso di Argon. L’azoto esiste come dimero, quindi ha più modalità vibrazionali ed è più efficiente nel ricevere energia dalla bobina RF attorno alla torcia.
Vengono utilizzati anche altri metodi di introduzione del campione. La vaporizzazione elettrotermica (ETV) e la vaporizzazione a torcia (ITV) utilizzano superfici calde (grafite o metallo, generalmente) per vaporizzare i campioni per l’introduzione. Questi possono utilizzare quantità molto piccole di liquidi, solidi o fanghi. Sono noti anche altri metodi come la generazione di vapore.
Plasma torchEdit
plasma utilizzato in un ICP-MS è fatto da parte ionizzanti gas argon (Ar → Ar+ + e−). L’energia necessaria per questa reazione si ottiene pulsando una corrente elettrica alternata in bobina di carico che circonda la torcia al plasma con un flusso di gas argon.
Dopo l’iniezione del campione, la temperatura estrema del plasma provoca la separazione del campione in singoli atomi (atomizzazione). Successivamente, il plasma ionizza questi atomi (M → M+ + e−) in modo che possano essere rilevati dallo spettrometro di massa.
Un plasma induttivamente accoppiato (ICP) per la spettrometria è sostenuto in una torcia che consiste di tre tubi concentrici, solitamente fatti di quarzo. I due progetti principali sono le torce Fassel e Greenfield. L’estremità di questa torcia è posta all’interno di una bobina di induzione fornita con una corrente elettrica a radiofrequenza. Un flusso di gas argon (di solito da 14 a 18 litri al minuto) viene introdotto tra i due tubi più esterni della torcia e una scintilla elettrica viene applicata per un breve periodo di tempo per introdurre elettroni liberi nel flusso di gas. Questi elettroni interagiscono con il campo magnetico a radiofrequenza della bobina di induzione e vengono accelerati prima in una direzione, poi nell’altra, mentre il campo cambia ad alta frequenza (di solito 27,12 MHz o 40 MHz). Gli elettroni accelerati si scontrano con atomi di argon, e talvolta una collisione provoca un atomo di argon a parte con uno dei suoi elettroni. L’elettrone rilasciato è a sua volta accelerato dal campo magnetico in rapida evoluzione. Il processo continua fino a quando la velocità di rilascio di nuovi elettroni nelle collisioni è bilanciata dalla velocità di ricombinazione degli elettroni con ioni argon (atomi che hanno perso un elettrone). Questo produce una “palla di fuoco” che consiste principalmente di atomi di argon con una frazione piuttosto piccola di elettroni liberi e ioni di argon.
Vantaggio di argonEdit
Rendere il plasma da argon, invece di altri gas, ha diversi vantaggi. In primo luogo, l’argon è abbondante (nell’atmosfera, a causa del decadimento radioattivo del potassio) e quindi più economico di altri gas nobili. L’argon inoltre ha un più alto primo potenziale di ionizzazione che tutti gli altri elementi eccetto He, F e Ne. A causa di questa elevata energia di ionizzazione, la reazione (Ar+ + e− → Ar) è più energeticamente favorevole della reazione (M+ + e− → M). Ciò assicura che il campione rimanga ionizzato (come M+) in modo che lo spettrometro di massa possa rilevarlo.
L’argon può essere acquistato per l’uso con l’ICP-MS in forma liquida o gassosa refrigerata. Tuttavia è importante notare che qualunque forma di argon acquistato, dovrebbe avere una purezza garantita del 99,9% di Argon al minimo. È importante determinare quale tipo di argon sarà più adatto per la situazione specifica. L’argon liquido è in genere più economico e può essere immagazzinato in una quantità maggiore rispetto alla forma di gas, che è più costosa e occupa più spazio nel serbatoio. Se lo strumento si trova in un ambiente in cui viene utilizzato raramente, l’acquisto di argon nello stato del gas sarà più appropriato in quanto sarà più che sufficiente per soddisfare i tempi di esecuzione più piccoli e il gas nella bombola rimarrà stabile per periodi di tempo più lunghi, mentre l’argon liquido subirà perdite nell’ambiente a causa dello sfiato del serbatoio se conservato per periodi di tempo prolungati. Tuttavia, se l’ICP-MS deve essere utilizzato di routine ed è acceso e funzionante per otto o più ore al giorno per diversi giorni alla settimana, quindi andare con argon liquido sarà il più adatto. Se ci sono più ICP-MS strumenti in esecuzione per lunghi periodi di tempo, allora sarà più probabile essere di beneficio per il laboratorio di installare una massa o micro massa argon serbatoio, che sarà gestito da una società di fornitura del gas, eliminando così la necessità di cambiare serbatoi di frequente nonché di ridurre al minimo la perdita di argon che è rimasto in ciascun serbatoio, oltre che di tempo per serbatoio di commutazione.
L’elio può essere utilizzato al posto di, o miscelato con, argon per la generazione di plasma. La maggiore energia di prima ionizzazione dell’elio consente una maggiore ionizzazione e quindi una maggiore sensibilità per gli elementi difficili da ionizzare. L’uso di elio puro evita anche intereferenze a base di argon come ArO. Tuttavia, molte delle interferenze possono essere mitigate dall’uso di una cella di collisione, e il maggior costo dell’elio ha impedito il suo uso in ICP commerciale-MS.
Trasferimento di ioni nel vacuumEdit
Il gas vettore viene inviato attraverso il canale centrale e nel plasma molto caldo. Il campione viene quindi esposto a radiofrequenza che converte il gas in plasma. L’alta temperatura del plasma è sufficiente a causare una porzione molto grande del campione per formare ioni. Questa frazione di ionizzazione può avvicinarsi al 100% per alcuni elementi (ad esempio sodio), ma questo dipende dal potenziale di ionizzazione. Una frazione degli ioni formati passa attraverso un foro di ~1 mm (cono campionatore) e quindi un foro di ~0,4 mm (cono skimmer). Il cui scopo è quello di consentire un vuoto richiesto dallo spettrometro di massa.
Il vuoto viene creato e mantenuto da una serie di pompe. Il primo stadio è solitamente basato su una pompa di sgrossatura, più comunemente una pompa rotativa a palette standard. Questo rimuove la maggior parte del gas e in genere raggiunge una pressione di circa 133 Pa. Le fasi successive hanno il loro vuoto generato da sistemi di vuoto più potenti, il più delle volte pompe turbomolecolari. Gli strumenti più vecchi potrebbero aver utilizzato pompe di diffusione dell’olio per le regioni ad alto vuoto.
Ion opticsEdit
Prima della separazione di massa, un fascio di ioni positivi deve essere estratto dal plasma e focalizzato nell’analizzatore di massa. È importante separare gli ioni dai fotoni UV, dai neutrali energetici e da eventuali particelle solide che potrebbero essere state trasportate nello strumento dall’ICP. Tradizionalmente, gli strumenti ICP-MS hanno utilizzato la trasmissione di lenti ioniche per questo scopo. Gli esempi includono l’obiettivo Einzel, l’obiettivo Barrel, l’obiettivo Omega di Agilent e l’ombra di Perkin-Elmer. Un altro approccio consiste nell’utilizzare guide ioniche (quadrupoli, esapoli o octopoli) per guidare gli ioni nell’analizzatore di massa lungo un percorso lontano dalla traiettoria dei fotoni o delle particelle neutre. Ancora un altro approccio è Varian brevettato utilizzato da Analytik Jena ICP-MS 90 gradi che riflettono l’ottica parabolica “Specchio ionico”, che si afferma di fornire un trasporto di ioni più efficiente nell’analizzatore di massa, con conseguente migliore sensibilità e sfondo ridotto. Analytik Jena ICP-MS PQMS è lo strumento più sensibile sul mercato.
Un settore ICP-MS avrà comunemente quattro sezioni: una regione di accelerazione di estrazione, lenti di sterzo, un settore elettrostatico e un settore magnetico. La prima regione prende ioni dal plasma e li accelera usando un’alta tensione. I secondi usi possono utilizzare una combinazione di piastre parallele, anelli, quadrupoli, esapoli e octopoli per orientare, modellare e mettere a fuoco il raggio in modo che i picchi risultanti siano simmetrici, piatti e ad alta trasmissione. Il settore elettrostatico può essere prima o dopo il settore magnetico a seconda del particolare strumento, e riduce la diffusione in energia cinetica causata dal plasma. Questa diffusione è particolarmente grande per ICP-MS, essendo più grande di scarica Glow e molto più grande di TIMS. La geometria dello strumento è scelta in modo che lo strumento il punto focale combinato dei settori elettrostatico e magnetico sia al collettore, noto come Doppia messa a fuoco (o doppia messa a fuoco).
Se la massa di interesse ha una bassa sensibilità ed è appena al di sotto di un picco molto più grande, la coda a bassa massa da questo picco più grande può intromettersi sulla massa di interesse. Un filtro di ritardo potrebbe essere utilizzato per ridurre questa coda. Questo si trova vicino al collettore e applica una tensione uguale ma opposta alla tensione di accelerazione; eventuali ioni che hanno perso energia durante il volo intorno allo strumento saranno decelerati a riposo dal filtro.
Collision reaction cell e iCRCEdit
La collision/reaction cell viene utilizzata per rimuovere gli ioni interferenti attraverso reazioni ioniche / neutre. Le cellule di collisione/reazione sono conosciute sotto diversi nomi. La cella di reazione dinamica si trova prima del quadrupolo nel dispositivo ICP-MS. La camera ha un quadrupolo e può essere riempita con gas di reazione (o collisione) (ammoniaca, metano, ossigeno o idrogeno), con un tipo di gas alla volta o una miscela di due di essi, che reagisce con il campione introdotto, eliminando alcune delle interferenze.
La cella di reazione collisionale integrata (iCRC) utilizzata da Analytik Jena ICP-MS è una cella di mini-collisione installata davanti all’ottica dello specchio ionico parabolico che rimuove gli ioni interferenti iniettando un gas collisionale (He), o un gas reattivo (H2), o una miscela dei due, direttamente nel plasma mentre scorre attraverso il cono dello skimmer e/o il cono del campionatore. L’iCRC ha rimosso gli ioni interferenti utilizzando un fenomeno di discriminazione dell’energia cinetica collisionale (KED) e reazioni chimiche con ioni interferenti in modo simile alle cellule di collisione più grandi tradizionalmente utilizzate.