Методы масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой

Содержание

Введение………………………………………………………………………..3

1. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой………………...4
1. Сущность метода……………………………………………………....4
2. Объекты анализа……………………………………………………….4
3. Конструкция масс-спектрометров с индуктивно связанной плазмой………………………………………………………………....6
2. Интерференции в масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой…………………………………………………………………....12
1. Спектральные интерференции……………………………………....12
2. Неспектральные интерференции…………………………………....13
3. Способы борьбы со спектральными интерференциями…………...14
3. Методы масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой…….................................................................................................17

Заключение.......................................................................................................24

Список использованных источников.............................................................26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Масс-спектрометрия  с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) является современным методом определения малых (мкг/кг) и сверхмалых (нг/кг и менее) концентраций элементов, а также их изотопного состава в различных объектах. Метод позволяет проводить определение практически всех элементов периодической системы в одной пробе за время около минуты. Он основан на использовании индуктивно-связанной плазмы в качестве источника ионов и масс-спектрометра для их разделения и детектирования.

     Масс-спектрометрия  с индуктивно-связанной плазмой является одним из наиболее бурно развивающихся, эффективных экспрессных методов анализа и установления строения различных соединений благодаря высокой чувствительности и возможности выполнения многоэлементного анализа.

     Цель  данной работы заключается в исследовании масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Изучение этого вопроса достаточно актуально в силу того, что все возрастающие требования к контролю качества различных материалов, продуктов питания и окружающей среды делает необходимым применение современных высокотехнологичных аналитических методов, одним из которых является масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.

     Поставленная  цель решается посредством следующих  задач:

     - изучения сущности метода, объектов  анализа, конструкции масс-спектрометров  с индуктивно-связанной плазмой;

     - рассмотрения интерференций, как  основной проблемы ИСП-МС;

     - исследования методов масс-спектрометрии  с индуктивно-связанной плазмой. 
 
 
 
 

     1 Масс-спектрометрия  с индуктивно-связанной  плазмой

     Это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц вещества (ионов) к их заряду с предварительной ионизацией в индуктивно-связанной плазме.

1. 1 Сущность метода

     В общем случае исследуемый раствор с помощью перистальтического насоса подается в распылитель, в котором потоком аргона превращается в аэрозоль. Аэрозоль через центральный канал плазменной горелки попадает в плазму, где под воздействием высокой температуры (7000–8000 К) вещества, содержащиеся в пробе, диссоциируют на атомы, которые затем ионизируются. Образовавшиеся положительно заряженные ионы проходят через систему ионной оптики в анализатор, где происходит фильтрация ионов по массе и детектирование интенсивности ионного потока. Полученный сигнал трансформируется в зависимость интенсивности от величины m/z.

     1.2 Объекты анализа

     В большинстве случаев объектами  анализа в ИСП-МС являются водные растворы. Твердые пробы растворяют с применением кислот и затем  анализируют. Наиболее подходящей средой для анализа является разбавленная азотная кислота (2–5%). Общее содержание твердых растворенных веществ в пробе не должно превышать 0,2–0,3% (2–3 г/л) в зависимости от основы. Анализ более концентрированных растворов связан с сильным матричным влиянием, приводящим к подавлению сигнала аналита, и ухудшению стабильности и чувствительности из-за быстрого загрязнения конусов интерфейса.

     Реже  применяют растворы, содержащие соляную  кислоту, в силу ее летучести, коррозионной активности и наличию спектральных интерференций, возникающих при  анализе проб с высоким содержанием  хлоридов. Кроме того, такие элементы как As, Sb, Sn, Se, Ge, Hg могут теряться в процессе пробоподготовки в форме летучих хлоридов.

     Присутствие больших количеств плавиковой кислоты в пробах исключается в случае, если прибор не оборудован системой ввода образца, изготовленной из стойких к HF материалов. Допускается добавление в пробу небольших количеств HF (менее 0,2–0,3%) для стабилизации растворов некоторых элементов. Если пробоподготовка связана с применением плавиковой кислоты, то перед анализом от нее избавляются многократным упариванием с добавлением хлорной кислоты или комплексованием борной кислотой. Если требуется анализировать пробы с высоким содержанием HF, то прибор комплектуется системой ввода образца, изготовленной из стойких к плавиковой кислоте материалов (фторопласт, корунд). Следует также отметить, что плавиковая кислота способствует ускоренному разрушению конусов интерфейса, особенно самплера, поэтому для анализа HF рекомендуется использовать конусы с платиновым наконечником.

     Серную  и фосфорную кислоты не рекомендуется  применять из-за их высокой вязкости, значительно понижающей эффективность  распыления образца, и многочисленных спектральных интерференций, которые  эти кислоты генерируют в ИСП-МС.

     Непосредственный  анализ твердых образцов может быть проведен, например, с использованием устройства лазерного пробоотбора (лазерная абляция).

     Масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой  позволяют проводить прямой анализ жидких образцов на основе органических растворителей. Для этого в плазму добавляют кислород, способствующий дожиганию углерода, с целью понижения карбидных интерференций и предотвращения отложения углерода на конусах интерфейса.

     При необходимости анализировать газы, например, элюат из газохроматографической колонки, масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой комплектуется специальным интерфейсом ввода газообразной пробы [3]. 

3. Конструкция масс-спектрометров  с индуктивно связанной  плазмой

     Типичная  блок-схема масс-спектрометров с  индуктивно-связанной плазмой представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Упрощенная блок-схема масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой (пунктиром показаны вакуумирующие каналы). 

     Данная  схема отражает состав и взаимоположение  его главных компонентов:

     - источник ионов, состоящий из  плазменной горелки и индуктора,  создающих с помощью высокочастотного  генератора разряд индуктивно-связанной плазмы, превращающий анализируемое вещество проб (аэрозоль, пар, газ) в состояние плазмы;

     - система введения проб в ионный  источник, состоящая из генератора  аэрозоля или других летучих  форм, а также канала для их  переноса в плазменный разряд;

     - масс-спектрометр, состоящий из  плазмо-вакуумного интерфейса, ионной оптики (управляющей целенаправленным движением, фокусированием, составом, энергией и формой ионного потока), масс-анализатора (в данном случае квадрупольного узкополосного фильтра, разделяющего ионы по величине их отношения массы к заряду) и детектора (регистрирующего ионный ток в счетном и/или аналоговом режиме);

     - вакуумная система, состоящая  из форвакуумного и более производительных  насосов (количество и тип которых  зависит от даты выпуска и конструкции спектрометров), обеспечивающая необходимое разрежение для эффективной работы интерфейса, ионной оптики, квадрупольного анализатора и детектора;

     - компьютер, управляющий работой  главных блоков прибора, а также обеспечивающий ввод, обработку и вывод информации в интерактивном режиме [2].

     Более подробная схема масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой  в наиболее распространенном варианте введения жидких проб и использования  квадрупольного масс-анализатора приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Наиболее распространенная схема  масс-спектрометров с индуктивно-связанной  плазмой и квадрупольным масс-анализатором 

     Плазменная  горелка обычно представляет собой  сборку из трех концентрически расположенных  кварцевых трубок (рис. 2). Эти трубки формируют и разделяют между  собой три потока (трехпотоковая горелка) рабочего газа (обычно аргона), которые создают плазменный факел, управляют его позицией над горелкой, охлаждают горелку, обеспечивают стабильное газовое питание факела и транспортируют анализируемый аэрозоль. В соответствии с этими функциями, данные потоки носят специфические названия: плазмообразующий (охлаждающий), вспомогательный (промежуточный) и транспортирующий (пробоподающий, центральный). По своей конструкции горелка масс-спектрометров с индуктивно связанной плазмой очень похожа на горелки, используемые в атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

     В зазор между внешней и промежуточной (средней) трубками тангенциально вводят плазмообразующий поток аргона (10 . 20 л/мин), который распространяется далее по спирали. В зазор между промежуточной и центральной трубками также тангенциально подают промежуточный поток аргона (0 . 2 л/мин). По центральной трубке пропускают транспортирующий поток газа (0,4 . 1,3 л/мин), переносящий аэрозоль анализируемых проб в плазму разряда.

     Открытый  конец горелки, через который  выходят газовые потоки, окружен  индуктором (несколько витков медной трубки), охлаждаемым водой, либо рабочим  газом). Индуктор электрически соединен с блоком питания – высокочастотным генератором (27.12 или 40.68 МГц – разрешенные для промышленного использования частоты).

     Когда высокочастотное напряжение (высокочастотная  мощность) приложено к индуктору, в нем возникают переменные колебания  электрического тока с частотой, соответствующей  частоте питающего напряжения. Ток  высокой частоты, протекающий через  индуктор, создает интенсивное высокочастотное  электромагнитное поле в области  верхнего конца горелки. При этом напряженность электрического поля направлена вдоль витков индуктора, то есть концентрически относительно индуктора, а магнитного поля – вдоль  оси индуктора. Газовые потоки, проходящие по горелке, в области индуктора попадают под действие высокочастотного электромагнитного поля. Но степень взаимодействия поля с разными потоками аргона различна.

     Для зажигания плазмы используют высоковольтный высокочастотный искровой разряд, создаваемый  дополнительным специальным внешним  источником питания. Этот разряд включают и на короткое время поддерживают внутри плазмообразующего потока рабочего газа (Ar). Прохождение искрового разряда через аргон приводит к получению некоторого количества первичных свободных электронов, оторванных от атомов аргона за счет их принудительной искровой ионизации. Высокочастотное электромагнитное поле индуктора подхватывает и ускоряет эти первичные электроны, заставляя их перемещаться (колебаться) по замкнутым круговым траекториям внутри кварцевой горелки. Таким образом, внутри горелки индуцируется вихревое электрическое поле. Силовые линии его представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками индуктора.

     Ускоренные  высокоэнергетичные первичные электроны сталкиваются с атомами аргона и отрывают от них новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем. Процесс ионизации атомов аргона, индуцированный столкновениями с электронами, продолжается в виде цепной реакции столкновений с образованием достаточно большого количества ионов аргона и электронов. Вихревой ток электронов ионизирует новые порции поступающего аргона и нагревает газ за счет джоулева тепла, что приводит к дополнительной ионизации газа. Таким образом, внутри кварцевой горелки и индуктора возникает самоподдерживающийся разряд индуктивно связанной плазмы в виде тора (полый плазмоид, тороидальный плазмоид), температура в котором достигает 8000-10000 К. Плазмоид потоками аргона частично выдувается из горелки в виде ярко светящегося факела. Поскольку передача энергии высокочастотного генератора плазме происходит посредством индуктора (т.е. с помощью индуктивной связи), получаемую плазму стали называть индуктивно связанной (или индукционной). При этом индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а плазма – вторичной. Используемая высокочастотная мощность при различных режимах работы индуктивно связанной плазмы и разных типах проб составляет от 600 до 1500 Вт. Расположение факела индуктивно связанной плазмы и поддерживающей ее горелки в спектрометрах обычно является горизонтальным (рис. 2).