Sơ lược về ICP-MS

Đáng ngạc nhiên, 18 năm sau khi thương mại hóa( 1983) Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ (ICP-MS), đã có ít hơn 4000 hệ thống đã được lắp đặt trên toàn thế giới. Nếu bạn so sánh con số này với kỹ thuật đa tầng nhanh khác, quang phổ phát xạ plasma quang học (ICP-OES) đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1974, sự khác biệt là khá lớn. Vào năm 1992, 18 năm sau khi ICP-OES được giới thiệu, đã có hơn 9000 chiếc đã được bán, và nếu bạn so sánh nó với cùng khoảng thời gian mà ICP-MS đã có, sự khác biệt thậm chí còn kịch tính hơn. Từ năm 1983 đến nay, đã có hơn 17.000 hệ thống ICP-OES đã được lắp đặt – hơn bốn lần số lượng các hệ thống ICP-MS. Nếu so sánh được thực hiện với tất cả các nguyên tử quang phổ đo đạc (ICP-MS, ICPOES, lò graphite hấp thụ nguyên tử [GFAA] và ngọn lửa hấp thụ nguyên tử [FAA]), kim ngạch hàng năm cho ICP-MS là ít hơn 7% tổng phổ nguyên tử thị trường – 400 đơn vị so với khoảng 6000 hệ thống quang phổ nguyên tử. Thậm chí đáng ngạc nhiên hơn khi bạn cho rằng ICP-MS cung cấp nhiều hơn các kỹ thuật khác, bao gồm hai tính năng hấp dẫn nhất – khả năng đo nhanh nhiều nguyên tố của ICP-OES, kết hợp với các giới hạn phát hiện tuyệt vời của GFAA

ICP-MS – thiết bị thông dụng hay phục vụ nghiên cứu?

Rõ ràng, một trong những lý do là giá cả – một hệ thống ICP-MS thường tốn kém gấp đôi hệ thống ICP-OES và gấp ba lần so với hệ thống GFAA. Nhưng trong một thế giới cạnh tranh, “giá đường phố” của một hệ thống ICP-MS gần hơn với một hệ thống ICP-OES hàng đầu được trang bị phụ kiện lấy mẫu hoặc hệ thống GFAA có tất cả các chuông và còi trên đó. Vì vậy, nếu ICP-MS không đắt hơn đáng kể so với ICP-OES và GFAA, tại sao nó không được chấp nhận rộng rãi hơn bởi cộng đồng phân tích? Tôi tin chắc rằng lý do chính tại sao ICP-MS không đạt được sự phổ biến của các kỹ thuật nguyên tố vết khác là nó vẫn được coi là một kỹ thuật nghiên cứu phức tạp, đòi hỏi một người có kỹ năng để vận hành nó. Các nhà sản xuất thiết bị ICP-MS đang không ngừng phấn đấu để làm cho các hệ thống hoạt động dễ dàng hơn, phần mềm dễ sử dụng và phần cứng dễ bảo trì hơn, nhưng ngay cả sau 18 năm nó vẫn không được coi là một công cụ thông thường, trưởng thành như lửa AA hay ICP-OES. Điều này có thể đúng một phần vì sự phức tạp tương đối của thiết bị; Tuy nhiên, theo quan điểm của tôi, lý do chi phối cho quan niệm sai lầm này là không có tài liệu nào có sẵn để giải thích các nguyên tắc cơ bản và lợi ích của ICP-MS theo cách hấp dẫn và dễ hiểu đối với người có kiến ​​thức rất ít . Một số sách giáo khoa xuất sắc (1,2) và nhiều tạp chí (3-5) có sẵn mô tả các nguyên tắc cơ bản, nhưng chúng có xu hướng quá nặng đối với người đọc mới làm quen. Không có câu hỏi nào trong đầu tôi rằng kỹ thuật này cần được trình bày theo cách thân thiện hơn để làm cho các phòng thí nghiệm phân tích thông thường trở nên thoải mái hơn với nó. Thật không may, các nhà xuất bản sách “For Dummies” vẫn chưa tìm được thị trường lớn để viết một bài về ICPMS. Vì vậy, cho đến thời điểm đó, chúng tôi sẽ trình bày một số hướng dẫn ngắn về kỹ thuật, như là một theo dõi cho người đăng đã được bao gồm trong số tháng hai năm 2001 của Spectroscopy. Trong vài tháng tới, chúng tôi sẽ thảo luận sâu hơn về các chủ đề sau:

loading...
  • Nguyên tắc hình thành ion
  • Hệ thống dẫn mẫu
  • Máy phát sóng cao tần, đèn plasma
  • Khu vực giao diện
  • Tập trung ion
  • Tách phổ khối lượng
  • Phát hiện ion
  • Phụ kiện lấy mẫu
  • Các ứng dụng.

Chúng tôi hy vọng rằng vào cuối loạt bài này, chúng ta sẽ hiểu về ICP-MS, khiến cho việc mua sắm trở nên hấp dẫn hơn và cuối cùng đã mở ra tiềm năng của nó như một công cụ thông thường cho phân tích vết phần lớn các nguyên tố mà các bạn chưa nhận ra hết khả năng của nó.

Quá trình tạo ion trong Plasma

Chúng tôi sẽ bắt đầu loạt bài này với mô tả ngắn gọn về nguyên tắc cơ bản được sử dụng trong ICP-MS – việc sử dụng một plasma nhiệt độ cao để tạo ra các ion tích điện dương. Mẫu, thường ở dạng lỏng, được bơm vào hệ thống dẫn mẫu, nó được hóa hơi trong buồng hóa hơi (spray chamber) bởi đầu phun( nebulizer). Nó xuất hiện như dạng sương mù và đi đến ngọn lửa plasma. Khi nó di chuyển qua các vùng nóng khác nhau của ngọn đuốc plasma, nó được làm khô, bốc hơi, phân tử và ion hóa. Trong thời gian này, mẫu được chuyển từ một chất lỏng dung dịch lỏng sang các chất rắn, sau đó vào trong một khí. Khi nó cuối cùng đến vùng phân tích của plasma, ở khoảng 6000-7000 K, nó tồn tại như các nguyên tử và ion kích thích, thể hiện thành phần nguyên tố của mẫu. Sự kích thích của electron ngoài của một nguyên tử trung hòa, để tạo ra các photon ánh sáng có bước sóng đặc trưng, là cơ sở cơ bản của sự phát xạ nguyên tử. Tuy nhiên, năng lượng của plasma cũng đủ để loại bỏ một điện tử từ quỹ đạo của nó để tạo ra một ion. Nó là sự tạo thành, vận chuyển và phát hiện một số lượng đáng kể các ion tích điện dương đó cho ICP-MS khả năng phát hiện siêu vết đặc trưng của nó. Cũng cần lưu ý rằng mặc dù ICP-MS được sử dụng chủ yếu để phát hiện các ion dương, các ion âm (như halogen) cũng được tạo ra trong plasma. Tuy nhiên, do sự khai thác và vận chuyển các ion âm khác với các ion dương, hầu hết các dụng cụ thương mại không được thiết kế để đo chúng. Quá trình tạo ion tích điện dương trong plasma được thể hiện chi tiết hơn trong hình 1.

Hình 1: Quá trình hình thành ion dương bởi plasma

Hình thành ION

Hình 2 và 3 cho thấy quá trình chuyển đổi thực tế của một trạng thái trung hòa nguyên tử sang một ion tích điện dương. Hình 2 cho thấy một cái nhìn rất đơn giản về nguyên tử crôm Cr0, bao gồm một hạt nhân với 24 proton (p1) và 28 neutron (n), bao quanh bởi 24 electron luân chuyển (e2) (Cần nhấn mạnh rằng đây không phải là một đại diện chính xác của vỏ và vỏ của các electron, nhưng chỉ đơn giản là một lời giải thích khái niệm cho mục đích rõ ràng). Từ đó chúng ta có thể nói rằng số nguyên tử của crom là 24 (số proton), và khối lượng nguyên tử của nó là 52 (số proton 1 neutron).

Nếu áp năng lượng nhiệt của Plasma lên nguyên tử Cr ở trạng thái trung hòa, một trong các electron quay quanh sẽ bị tước vỏ ngoài. Điều này sẽ dẫn đến chỉ có 23 electron còn lại ở quỹ đạo của hạt nhân. Bởi vì nguyên tử đã mất điện tích âm (e2) nhưng vẫn có 24 proton (p1) trong hạt nhân, nó chuyển thành ion với một điện tích dương dương. Nó vẫn có khối lượng nguyên tử là 52 và số nguyên tử là 24, nhưng bây giờ là một ion tích điện dương và không phải là một nguyên tử trạng thái trung hòa. Quá trình này được thể hiện trong hình 3.

Hình 2: Trạng thái cơ bản của nguyên tử Cr (Cro)

Hình 3: Chuyển đổi từ phân tử trung hòa (Cro) sang ion (Cr+)

Các đồng vị tự nhiên

Đây là một cái nhìn rất cơ bản về quá trình, bởi vì hầu hết các yếu tố xảy ra ở nhiều dạng (đồng vị). Trên thực tế, crom có ​​bốn đồng vị xảy ra tự nhiên, có nghĩa là nguyên tử crom có ​​trong bốn dạng khác nhau, tất cả đều có cùng số nguyên tử 24 (số proton), nhưng với các khối nguyên tử khác nhau (số nơtron). Để làm cho điều này dễ hiểu hơn một chút, chúng ta hãy quan sát kỹ hơn một nguyên tố như đồng, chỉ có hai đồng vị khác nhau – một loại có khối lượng cơ bản là 63 (63Cu) và một loại khác có khối lượng nguyên tử 65 (65Cu). Cả hai đều có cùng số proton và electron, nhưng khác nhau về số lượng neutron trong hạt nhân. Độ phong phú tự nhiên của 63Cu và 65Cu tương ứng là 69,1% và 30,9%, cho phép đồng có khối lượng nhỏ danh nghĩa là 63,55 – giá trị bạn thấy đối với đồng trong các bảng tham chiếu trọng lượng nguyên tử. Chi tiết cấu trúc nguyên tử của hai đồng vị đồng được thể hiện trong Bảng I.
  63Cu 65Cu
Số proton (p+) 29 29
Số electron (e-) 29 29
Số notron (n) 34 36
Khối lượng nguyên tử (p+ + n) 63 65
Số hiệu nguyên tử (p+) 29 29
Tỷ lệ trong tự nhiên 69.17% 30.83%
Khối lượng nguyên tử trung bình 63.55*

Bảng I: Phân tích cơ cấu các đồng vị nguyên tử đồng (Cu)

Khi một mẫu chứa đồng tự nhiên được đưa vào trong plasma, hai ion khác nhau của đồng, 63Cu1 và 65Cu1, được tạo ra, tạo ra các phổ khối khác nhau – một ở khối lượng 63 và một khác ở khối lượng 65. Điều này có thể thấy trong Hình 4,
Hình 4: Phổ khối lượng của 2 đồng vị Cu ( 63Cu và 65Cu)
Nó cho thấy một đỉnh cho ion 63Cu1 ở bên trái là 69,17% độ đáp ứng, và một đỉnh cho 65Cu1 ở bên phải chiếm 30,83% độ đáp ứng. Bạn cũng có thể thấy những đỉnh nhỏ cho hai đồng vị Zn ở khối lượng 64 (64Zn) và khối lượng 66 (66Zn) (Zn có tổng cộng 5 đồng vị ở khối lượng 64, 66, 67,68 và 70). Trên thực tế, hầu hết các nguyên tố có ít nhất hai hoặc ba đồng vị và nhiều nguyên tố( bao gồm kẽm và chì) có bốn hoặc nhiều đồng vị. Hình 5 là một biểu đồ cho thấy sự phong phú tương đối của đồng vị thiên nhiên xảy ra của tất cả các yếu tố.
 
Hình 5: Sự phong phú tương đối của đồng vị tự nhiên xảy ra của tất cả các nguyên tố
(Có thể tra trong bảng Hệ thống tuần hoàn)
 Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ đưa bạn một cuộc hành trình xuyên qua phần cứng của một ICP MS, giải thích từng điểm và kết thúc loạt bài này với tổng quan về cách thức kỹ thuật đang được sử dụng để giải quyết các vấn đề ứng dụng trong thế giới thực. Mục tiêu của chúng tôi là đưa ra các nguyên tắc cơ bản và lợi ích của kỹ thuật theo cách rõ ràng, súc tích và rất dễ hiểu. Chúng tôi hy vọng rằng vào cuối loạt bài học, bạn và các nhà quản lý của bạn sẽ có cơ hội tốt hơn để nhận ra những lợi ích to lớn mà ICP-MS có thể mang đến phòng thí nghiệm của bạn.
Tham khảo:
Các số liệu thống kê tính đến 2001, hiện tại có thể khác
(1) A. Montasser, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (Wiley-VCH, Berlin, 1998).
(2) F. Adams, R. Gijbels, and R. Van Grieken, Inorganic Mass Spectrometry (John Wiley and Sons, New York, 1988.).
(3) R.S. Houk, V.A. Fassel, and H.J. Svec, Dynamic Mass Spectrom. 6, 234 (1981).
(4) A.R. Date and A.L. Gray, Analyst 106, 1255 (1981).
(5) D.J. Douglas and J.B. French, Anal. Chem. 53, 37 (1982).
(6) Isotopic Composition of the Elements: Pure Applied Chemistry 63(7), 991–1002 (1991).

Gửi phản hồi

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.