Bạn đang xem: ICP-MS: Khái niệm, Cấu tạo, Ưu điểm và Ứng dụng Tại DongnaiArt

khối phổ kết hợp với quang phổ nguồn plasma cảm ứng tần số cao, icp-ms là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để xác định nguyên tố.

kể từ khi được thương mại hóa cách đây 20 năm, icp-ms đã trở thành một công cụ được sử dụng rộng rãi, cho cả phân tích thông thường và nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau. icp-ms là một kỹ thuật đa năng có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật phân tích nguyên tố truyền thống, bao gồm quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn tần số cao plasma cảm ứng (icp-aes) strong> và strong> quang phổ hấp thụ nguyên tử (aas) . giới hạn phát hiện bằng hoặc nhỏ hơn giới hạn phát hiện của lò nung graphit nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn. icp-ms là một kỹ thuật đa phần tử nhanh và nói chung là mạnh mẽ như icp-aes nhưng có khả năng phát hiện tốt hơn (thấp hơn) nhiều.

* ưu điểm:

• giới hạn phát hiện đối với hầu hết các nguyên tố bằng hoặc nhỏ hơn quang phổ hấp thụ nguyên tử lò than chì (gfaas)
• năng suất cao hơn gfaas
• khả năng xử lý cả đơn giản và nền phức tạp với tiếng ồn xung quanh tối thiểu nhờ nhiệt độ cao của nguồn icp
• công suất phát hiện cao hơn icp-aes với cùng lượng mẫu
• khả năng thu được thông tin đồng vị
• li>

* cấu trúc và nguyên tắc hoạt động:

hệ thống icp-ms bao gồm một nguồn icp nhiệt độ cao (plasma cảm ứng tần số cao) và một khối phổ kế. Nguồn ICP chuyển đổi các nguyên tử nguyên tố trong mẫu thành ion. sau đó, nhưng ion này được tách ra và phát hiện bằng phương pháp khối phổ.

Hình 1. ICP Torch Hiển thị Biến thể Mẫu (Perkinelmer, Inc.)

Hình 1 cho thấy sơ đồ của nguồn icp trong hệ thống icp-ms. Khí argon được bơm qua rãnh đồng tâm của mỏ hàn ICP. Cuộn dây RF được kết nối với một máy phát tần số cao (RF). Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây tần số cao từ máy phát, dao động điện trường và từ trường sẽ được tạo ra ở cuối mỏ hàn ICP. Khi dòng khí argon được đốt cháy qua ngọn đuốc ICP, các electron sẽ tách khỏi nguyên tử argon để tạo thành các ion argon. các ion này bị bắt trong trường dao động và va chạm với các nguyên tử argon khác để tạo thành plasma.

Mẫu được đưa vào ngọn đuốc plasma icp dưới dạng khí dung bằng cách hút mẫu rắn hoặc lỏng đã hòa tan vào vòi phun hoặc bằng cách sử dụng tia laser để chuyển trực tiếp mẫu rắn thành bình xịt. Khi mẫu ở dạng bình xịt được đưa vào đèn pin icp, mẫu sẽ bị khử bọt và các phần tử trong bình xịt sẽ được chuyển đổi thành các nguyên tử khí và sau đó bị ion hóa ở phần cuối của ngọn đuốc plasma.

Khi các nguyên tố trong mẫu được chuyển thành ion, những ion này đi vào khối phổ thông qua vùng giữa của hình nón. Vùng này của thiết bị ICP-MS chuyển các ion từ dòng mẫu argon áp suất khí quyển (1 – 2 torr) sang vùng áp suất thấp (& lt; 10 x 10-5 torr) của khối phổ. hiện tượng này xảy ra trong vùng chân không trung gian tạo bởi hai hình nón trung gian là hình nón thu và hình nón phân chia (xem hình 2). hình nón nhận và hình nón phân tách là 2 đĩa kim loại có một lỗ nhỏ (~ 1 mm) ở tâm. Các đĩa này có tác dụng thu hạt nhân của chùm ion do đèn ICP phát ra. một tấm chắn tối (xem hình 2) hoặc thiết bị tương tự sẽ chặn các photon phát ra từ đèn pin icp, đây cũng là một nguồn sáng mạnh.

phình ra 2. vùng trung gian của thiết bị icp-ms (perkinelmer, inc.)

Do đường kính nhỏ của các lỗ trên nón thu và tách, ICP-MS có một số hạn chế về tổng lượng chất rắn hòa tan trong mẫu. Nói chung, mẫu không được chứa nhiều hơn 0,2% Tổng chất rắn hòa tan (TDS) để có hiệu suất thiết bị tốt nhất và ổn định nhất. Nếu chạy các mẫu có nồng độ tds quá cao, các lỗ xuyên tâm trong hình nón sẽ bị tắc nghẽn, làm giảm độ nhạy và khả năng phát hiện, dẫn đến hệ thống ngừng hoạt động để bảo trì. đây là lý do tại sao nhiều loại mẫu, bao gồm cả mẫu đất và đá sau khi phân hủy, vẫn cần được pha loãng trước khi chạy trên hệ thống icp-ms.

Xem Thêm : Sôi động trong tiếng Anh là: Định nghĩa, ví dụ Anh-Việt

Các ion từ nguồn ICP sau đó được hội tụ bởi thấu kính tĩnh điện trong hệ thống. Lưu ý rằng các ion rời khỏi hệ thống mang điện tích dương, vì vậy thấu kính tĩnh điện, cũng mang điện tích dương, có tác dụng chuẩn trực chùm ion và hội tụ nó vào khe nhận hoặc lỗ trống của khối phổ. Các hệ thống ICP-MS khác nhau có các hệ thống thấu kính khác nhau. các hệ thống đơn giản nhất có một thấu kính duy nhất, trong khi các hệ thống phức tạp hơn có thể có tới 12 thấu kính ion. mỗi hệ thống ion quang học được thiết kế đặc biệt để hoạt động với một giao diện và khối phổ kế khác nhau.

Khi các ion đi vào khối phổ, chúng bị phân tách theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m / z). loại phổ biến nhất của khối phổ là bộ lọc khối tứ cực. Thiết bị này có 4 thanh (đường kính khoảng 1 cm và chiều dài khoảng 15-20 cm) được sắp xếp như hình 3. Trong bộ lọc khối tứ cực, điện áp DC và AC được đặt xen kẽ theo các cặp đối lập của các thanh này. Điện áp này sau đó được truyền nhanh chóng dọc theo một trường rf, tạo ra một trường được lọc tĩnh điện chỉ cho các ion có cùng tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m / e) đi qua các thanh này tới đầu dò tại thời điểm đó. Như vậy, bộ lọc khối tứ cực thực chất là bộ lọc nối tiếp, có khả năng điều chỉnh lần lượt từng tỷ lệ m / e. tuy nhiên, điện áp trên các thanh có thể thay đổi với tốc độ rất nhanh. Kết quả là một bộ lọc khối lượng bốn cực có thể phân tách tới 2400 amu (đơn vị khối lượng nguyên tử) mỗi giây. Tốc độ này giải thích tại sao hệ thống ICP-MS tứ cực thường được coi là có khả năng phân tích nhiều phần tử đồng thời. khả năng lọc các ion dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích cho phép icp-ms cung cấp kết quả đồng vị vì các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố có khối lượng khác nhau

hình 3. Sơ đồ bộ lọc khối tứ cực (perkinelmer, inc.)

Phép đo khối phổ tứ cực điển hình được sử dụng trong ICP-MS có độ phân giải 0,7 – 1,0 amu. độ phân giải này là đủ cho các ứng dụng thông thường. tuy nhiên, có một số trường hợp độ phân giải này không đủ để tách các phân tử gây nhiễu hoặc nhiễu loạn đồng vị khỏi các đồng vị của nguyên tố đang phân tích. Bảng 1 cho thấy một số nhiễu loạn phổ biến làm cho việc phân tích siêu cấp của nhiều nguyên tố quan trọng trở nên khó khăn, đặc biệt là trên các chất nền cụ thể. Độ phân giải (r) của khối phổ kế được tính theo công thức r = m / (ǀm1 – m2ǀ) = m / ∆m, trong đó m1 là khối lượng của một loài hoặc đồng vị, m2 là khối lượng của thành phần hoặc đồng vị a được tách ra, m là khối lượng phân tử.

bảng 1. ví dụ về tiếng ồn và độ phân giải cần thiết

* một số điều rất quan trọng cần lưu ý về nguồn plasma icp argon là:

• phát xạ argon với nhiệt độ từ 6000 đến 10000 k là một nguồn tạo ion tuyệt vời;
• các ion được hình thành do phóng điện icp thường là các ion dương, m + hoặc m +2, vì vậy các nguyên tố tạo ra các ion âm như cl, i, f, v.v. khó xác định bằng phương pháp icp-ms;
• khả năng phát hiện của kỹ thuật này có thể khác nhau tùy theo kỹ thuật tiêm vì các kỹ thuật tiêm khác nhau sẽ tạo ra các thể tích mẫu khác nhau đi vào icp plasma của ngọn đuốc;
• phát hiện sẽ thay đổi theo mẫu nền do ảnh hưởng đến mức độ ion hóa trong huyết tương hoặc sự tạo ra các chất gây nhiễu phân tích.

* Khối phổ có độ phân giải cao * hr-icp-ms

Việc sử dụng Máy đo khối phổ độ phân giải cao hoặc Máy đo khối phổ từ trường đang trở nên phổ biến hơn trong ICP-MS, cho phép người dùng hạn chế hoặc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu do nhiễu hàng loạt. Hình 5 cho thấy một sơ đồ thiết bị điển hình được sử dụng trong icp-ms độ phân giải cao (hr). Trong thiết bị này, cả từ trường và điện trường đều được sử dụng để phân tách và tập trung các ion. từ trường phân tán với cả năng lượng và khối lượng ion và tập trung tất cả các ion ở một góc lệch so với chuyển động của đầu vào máy quang phổ. điện trường chỉ phân tán với năng lượng ion và tập trung các ion ở lối ra. sự sắp xếp này được gọi là khối phổ hội tụ kép mật độ cao. Trong ICP-MS, thiết kế nghịch đảo Nier-Johnson (từ trường được đặt trước điện trường) thường được sử dụng để tách điện trường trong vùng điện trường khỏi điện trường do bộ phát ICP-RF tạo ra.

Độ phân giải của thiết bị có độ phân giải cao có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng của các khe đầu vào và đầu ra của máy quang phổ. các thiết bị hr-icp-ms điển hình có độ phân giải lên đến 10.000 và thường hoạt động ở các chế độ cài đặt sẵn: độ phân giải thấp, trung bình và cao để thân thiện với người dùng. như có thể thấy trong bảng 1, việc sử dụng hr-icp-ms có thể giải quyết nhiều vấn đề nhưng không phải tất cả các vấn đề do tiếng ồn gây ra.

Các thiết bị có độ phân giải cao cũng có một số hạn chế.

– chi phí của những thiết bị này đắt gấp 2-3 lần so với thiết bị icp-ms tứ cực.

– việc sử dụng và bảo trì cũng phức tạp hơn.

– cứ tăng độ phân giải 10 lần thì tín hiệu giảm 1 lần. điều này làm giảm khả năng phát hiện thực tế nếu nồng độ chất phân tích rất thấp.

Xem Thêm : Công trình hạ tầng kỹ thuật là gì? Hệ thống hạ tầng kỹ thuật

– cuối cùng, thiết bị này cũng chậm hơn thiết bị tứ cực. do thời gian thiết lập nam châm tăng lên khi điều chỉnh điện áp để nhảy số lượng lớn, thiết bị hr-icp-ms thường chậm hơn thiết bị tứ cực 4-5 lần.

Điều này khiến chúng không phù hợp với các phân tích đa nguyên tố nhanh chóng, công suất cao thường được thực hiện trong các phòng thí nghiệm sản xuất. chúng cũng không được thiết kế để sử dụng trong phân tích tín hiệu trực tiếp, bao gồm cả những thiết bị sử dụng cắt laser để tách sắc ký hoặc xác định phần tử vì tốc độ quét của chúng quá chậm để phân tích thêm. 1 – 3 nguyên tố có cùng khối lượng trong một thí nghiệm. do đó, nói chung, thiết bị này thường được sử dụng trong các cơ sở nghiên cứu và phòng thí nghiệm có yêu cầu cụ thể cao với cỡ mẫu nhỏ.

Có một loại thiết bị hr-icp-ms khác sử dụng nhiều đầu dò: loại thiết bị này được gọi là thiết bị đa thu hr-icp-ms hoặc mc-icp-ms. những dụng cụ này thường được thiết kế và phát triển để phân tích đồng vị có độ chính xác cao. Vì một dãy 5 đến 10 đầu dò có thể được đặt xung quanh khe thoát của hệ thống hội tụ kép, đồng vị của một phần tử có thể được xác định đồng thời, mang lại độ chính xác cao cho kỹ thuật này. nhược điểm của hệ thống này là các đồng vị phải nằm trong khoảng khối lượng hẹp (± 15-20% khối lượng phân tử) vì từ trường cố định trong khi điện trường ở chế độ quét. điều này có nghĩa là mỗi hệ đồng vị phải được đo trong một thí nghiệm phân tích tách. Loại thiết bị này thường không thích hợp để phân tích đa nguyên tố thông thường của các thành phần chính và phụ và chỉ được thiết kế cho các thí nghiệm tỷ lệ đồng vị.

Khi các ion được phân tách dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích, chúng sẽ được phát hiện và cung cấp một đầu dò thích hợp. Mục đích cơ bản của đầu dò là chuyển đổi số lượng ion đập vào đầu dò thành tín hiệu điện có thể đo được và liên hệ số nguyên tử của nguyên tố đó trong mẫu bằng cách sử dụng các chất chuẩn hiệu chuẩn. Hầu hết các đầu dò sử dụng điện áp âm mạnh trên bảng điều khiển phía trước để thu hút các ion tích điện dương vào đầu dò. khi ion chạm vào bề mặt hoạt động của đầu dò, một số điện tử được giải phóng và sau đó đập vào bề mặt tiếp theo của đầu dò để khuếch đại tín hiệu. Trong những năm gần đây, hệ số nhân công suất (CEM), được sử dụng trong các thiết bị ICP-MS cũ hơn, đã được thay thế bằng các đầu dò dynode không liên tục. Các đầu dò dynode không liên tục có dải động học tuyến tính rộng hơn Cem, đóng vai trò quan trọng trong ICP-MS vì nồng độ chất phân tích có thể dao động từ dưới ppt đến trên ppm. đầu dò dynode không liên tục cũng có thể hoạt động ở hai chế độ đếm xung và tín hiệu tương tự, giúp mở rộng phạm vi tuyến tính của thiết bị và có thể được sử dụng để bảo vệ đầu dò khỏi bị hư hỏng do quá tín hiệu.

Các thiết bị mc-icp-ms có xu hướng sử dụng đầu dò cốc faraday rẻ hơn và đơn giản hơn do khả năng xử lý tốc độ đếm cao thường thấy trong các thiết bị sử dụng từ trường. tuy nhiên, các đầu dò này không có tính di động cần thiết cho các thiết bị icp-ms tứ cực.

điều gì đó cần lưu ý về đầu dò icp-ms:

• đây là một bộ phận di động. Khi các ion đập vào bề mặt của đầu dò và được chuyển thành các điện tử, màng hoạt tính bao phủ bề mặt của đầu dò sẽ bị mòn. Tùy thuộc vào cách sử dụng, đầu dò dynode phân tán trong thiết bị ICP-MS có tuổi thọ hữu ích từ 6 đến 18 tháng.
• Bộ phận này phải được bảo vệ khỏi tốc độ đếm tín hiệu quá mức. . hầu hết các nhà sản xuất thiết kế mạch đầu dò để nó có thể bảo vệ đầu dò khỏi tốc độ đếm ion phá hủy. tuy nhiên, người dùng có thể bảo vệ bổ sung bằng cách pha loãng mẫu đến nồng độ cao hoặc chọn một số lượng nhỏ hơn các đồng vị cho thí nghiệm phân tích.
• chi phí cao: một đầu dò mới có giá từ 1.500 đô la đến 2.500 đô la tùy thuộc vào loại.
• độ nhạy với ánh sáng. hầu hết các máy dò nhạy cảm với photon vì chúng được chuyển đổi thành ion. Đầu dò nên được bảo quản cẩn thận trong bóng tối và không được tiếp xúc với ánh sáng khi đang bật nguồn điện cao thế.

* giới hạn phát hiện

Hình 4 trình bày các phần tử được xác định bằng phương pháp icp-ms truyền thống và giới hạn phát hiện thiết bị tương đối (idl). Cần lưu ý rằng idl được tính bằng 3 lần độ lệch chuẩn của mục tiêu và thể hiện khả năng phát hiện tốt nhất của thiết bị. Trong thực tế, giới hạn phát hiện phương pháp (MDL) hoặc giới hạn định lượng thực thường cao hơn từ 2 đến 10 lần so với IDL và phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm: thiết bị và lịch sử phòng thí nghiệm, mẫu nền, phương pháp thu thập và chuẩn bị mẫu và kỹ năng kỹ thuật. tuy nhiên, idl có thể được sử dụng như một chỉ báo về hiệu suất tương đối của kỹ thuật icp-ms so với các kỹ thuật phân tích khác.

Cần lưu ý rằng nhiều phần tử, bao gồm s, se, b, si, p, br, i, k và ca, có giới hạn phát hiện tương đối cao trên thiết bị icp-ms. trong trường hợp i và br, điều này là do rất ít ion dương của các nguyên tố này được hình thành trong plasma icp với các nguyên tố s, se, p, k và ca, tiếng ồn đồng vị và tiếng ồn phân tử từ tính, mẫu nền hoặc tiếng ồn của Máy phát plasma cản trở đồng vị chính. điều này có nghĩa là nên sử dụng một lượng nhỏ đồng vị ít nhiễu hơn (nếu có thể) để xác định những nguyên tố này vì những yếu tố này làm giảm khả năng phát hiện của chúng.

Nói chung, phân tích sử dụng ICP-MS với kỹ thuật thực hành tốt nhất cho phép người sử dụng dữ liệu phân tích mẫu thảo luận về bản chất của mẫu và chất lượng mong muốn của dữ liệu để chọn đúng đồng vị và / hoặc chuẩn bị mẫu phương pháp để đạt được kết quả mong muốn. cho người dùng.

hình vẽ. 4. Khả năng phát hiện tương đối của Bộ tứ cực ICP-MS Elan 6000/6100 (Perkinelmer Inc.)

tác giả: ruth e. sói, tiến sĩ, nhà hóa học, usgs / cr / cict

người dịch: ctv. nguyễn công minh

tổng hợp và biên tập: biomedia vietnam