МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ С ИНДУКТИВНО
СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ

	Мировой лидер на рынке масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой Официальный дистрибьютор на территории России и СНГ- компания «ИНТЕРТЕК»

ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ

Интерференции являются основной проблемой метода ИСП-МС. Под интерференциями понимают ряд явлений, приводящих к искажению спектральной картины, например, наложение спектральных пиков разных ионов с одинаковым отношением m/z друг на друга, дрейфы сигнала и др. Интерференции в ИСП-МС различают на спектральные и неспектральные. В данном разделе описаны различные типы интерференций и некоторые методы борьбы с ними.

Неспектральные интерференции

Спектральные интерференции

Уравнения математической коррекции интерференций

Охлаждение распылительной камеры

Устранение вторичного разряда

Режим холодной плазмы

Системы устранения интерференций

Некоторые аспекты применения систем устранения интерференций

Другие способы устранения интерференций

Неспектральные интерференции

К неспектральным интерференциям относятся эффекты изменения интенсивности ионного сигнала, связанные с дрейфом чувствительности и других характеристик прибора. Изменение чувствительности ИСП-МС в процессе измерений может наступить, например, вследствие загрязнения интерфейса и элементов ионной оптики.

Зачастую в масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой требуется определять микропримеси на фоне высоких концентраций основного вещества (матрицы). При анализе растворов с высоким содержанием матрицы (более 0,5–1 г/л) может иметь место значительное (до 50% и более) понижение чувствительности прибора. Этот эффект носит название матричного эффекта. Эффект объясняется возникновением объемного положительного заряда в вакуумной части ИСП-МС непосредственно за скиммером вследствие интенсивной экстракции электронов из ионного потока под действием вакуума. В отсутствии матрицы заряд состоит, в основном, из ионов Ar⁺. С нарастанием концентрации матрицы ионы элементов последней будут доминировать в заряде, повышая его плотность и как следствие, увеличивая рассеяние ионного потока. Матричный эффект в наибольшей степени влияет на легкие изотопы с массой менее 80 а.е.м. В общем случае, чем выше атомная масса матричных элементов тем заметнее становится матричный эффект.

В силу изменения вязкости и поверхностного натяжения растворов в зависимости от типа и концентрации растворенных веществ матричные эффекты могут вносить ошибку на стадии распыления образца, эффективность которого меняется в зависимости от описанных параметров.

Матричные эффекты могут быть частично смягчены разбавлением образца, если это позволяют сделать требования к пределам обнаружения. Практикуется также экстракция матрицы после разложения. Дрейф чувствительности прибора в процессе анализа и изменение чувствительности, связанное с матричным эффектом, можно компенсировать, например, введением внутреннего стандарта или применением метода изотопного разбавления. Можно также прибегнуть к подготовке калибровочных образцов со сходной матрицей.

Спектральные интерференции

К спектральным интерференциям относится изменение интенсивности сигналов определяемых ионов за счет наложения на них сигналов других ионов, обладающих той же величиной m/z. Спектральные интерференции подразделяются на:

• Изобарные наложения, вызванные перекрыванием сигналов ионов изотопов различных элементов с одинаковой номинальной массой, например, ⁸⁷Rb на ⁸⁷Sr;
• Наложения двухзарядных ионов, например ¹³⁸Ва²⁺ на ⁶⁹Ga⁺;
• Полиатомные наложения, вызванные образованием в плазме ионов, содержащих более, чем один атом элемента.

Изобарные интерференции и наложения двухзарядных ионов редко представляют проблему в количественном анализе стабильных элементов в рутинных объектах. В подавляющем числе случаев от таких наложений можно уйти путем выбора альтернативных изотопов для измерений. Изобарные интерференции вызывают рудности в геологическом анализе при определении соотношений ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr и некоторых других.

Полиатомные интерференции, представляющие наибольшую проблему, возникают в результате протекания ион-молекулярных реакций в плазменном разряде. Очевидно, что в зависимости от состава и содержания элементов в образце меняется состав и соотношение распространенностей полиатомных ионов. Например, при анализе водных растворов в плазме наиболее распространены ионы, содержащие атом кислорода – оксиды (MeO⁺, ArO⁺), аргона – аргиды (Ar²⁺, MeAr⁺) и их вариации со включением других атомов, например, водорода – гидроксиды (H_nO⁺, ArOH⁺, MeOH⁺), гидриды (ArH⁺, MeH⁺) и т. д. При анализе образцов с высоким содержанием углерода возникает проблема с определением хрома по наиболее распространенному изотопу ⁵²Cr из-за наложения сигнала ⁴⁰Ar¹²C⁺. Подобная ситуация возникает при определении мышьяка и ванадия на фоне высокого содержания хлоридов - наложение ³⁵Сl¹⁶O⁺ на ⁵¹V⁺, ⁴⁰Ar³⁵Cl⁺ и ⁴⁰Са³⁵Cl⁺ на ⁷⁵As⁺ и т. д. Некоторые из наиболее распространенных итерференций приведены в таблице 1. Ниже описаны основные способы борьбы со спектральными интерференциями.

Таблица 1. Некоторые спектральные интерференции, возникающие в масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

Уравнения математической коррекции интерференций

Предположим, что в образце присутствуют 2 элемента – A и B. Элемент A моноизотопен, а элемент B состоит из двух изотопов, при этом масса изотопа B2 совпадает с массой A. В случае, если пик изотопа B1 не искажен другими интерференциями, получить истинную интенсивность пика A без учета вклада пика B2 можно по следующему уравнению:

I_A = I_A+B – I_B1 × A_B2 / A_B1

где: A_B1 и А_B2 – относительные распространенности изотопов В1 и В2.

В идеальном случае изотопное отношение A_B2/A_B1 необходимо определять непосредственно в пробе, однако зачастую пользуются известными значениями природной распространенности изотопов. Для очень точных измерений следует пользоваться изотопным отношением, скорректированным на эффект дискриминации масс.

По схожему алгоритму можно провести математическую коррекцию полиатомных интерференций. Например, уравнение коррекции наложения ⁴⁰Ar³⁵Cl на ⁷⁵As будет выглядеть следующим образом:

I_As = I₇₅ – I_75ArCl

где: I_As – истинная интенсивность сигнала мышьяка, I₇₅ – наблюдаемая интенсивность сигнала на массе 75 а.е.м., I_75ArCl – интенсивность сигнала ArCl на массе 75 а.е.м.

Интенсивность сигнала ⁷⁵ArCl может быть рассчитана по интенсивности сигнала ⁴⁰Ar³⁷Cl, при условии, что в пробе отсутствует селен, в составе которого есть изотоп с массой 77 а.е.м.:

I_75ArCl = I₇₇ × A_75ArCl / A_77ArCl

где: A_75ArCl и A_77ArCl – относительная распространенность указанных полиатомных ионов в плазме.

На массу 75 накладываются сигналы ионов ⁴⁰Ar³⁵Cl и ³⁸Ar³⁷Cl, хотя вклад последнего будет практически незаметен в силу крайне невысокой распространенности ³⁸Ar. Таким образом:

A_75ArCl = A_40Ar35Сl + A_38Ar37Сl

В общем случае, распространенность полиатомного иона А_nВ_m, состоящего, соответственно, из изотопов А и В можно рассчитать исходя из распространенности этих изотопов:

A_AB = (A_A)ⁿ × (A_B)^m

В результате получаем: A_75ArCl = 0,770, A_77ArCl = 0,241. Общее уравнение коррекции будет выглядеть следующим образом:

I_As = I₇₅ – 3,195 I₇₇

Однако если в пробе присутствует Se, то необходимо учесть вклад ⁷⁷Se в интенсивность пика на 77 а.е.м. Вклад рассчитывают по изотопу ⁸²Se:

I_77Se = I_82Se × A_77Se / A_82Se

При этом также следует учитывать вклад ⁸²Kr в интенсивность пика на 82 а.е.м. Криптон содержится в аргоне. Интенсивность пика Kr на массе 82 а.е.м. рассчитывается по ⁸³Kr:

I_82Kr = I₈₃ × A_82Kr / A_83Kr

Отсюда:

I_77Se = (I₈₂ – I_82Kr) × A_77Se / A_82Se

Таким образом:

I_As = I₇₅ – (I₇₇ – I_77Se) × A_75ArCl / A_77ArCl

I_As = I₇₅ – 3,195 I₇₇ + 2,796 I₈₂ – 2,824 I₈₃

Зачастую можно, а иногда даже необходимо определять коэффициенты уравнений коррекции напрямую. Например, для коррекции наложения ¹³⁵Ba¹⁶O на ¹⁵¹Eu можно измерить интенсивность пика на массе 151 а.е.м. (I₁₅₁) от раствора ионов бария, не содержащего Eu. Значение коэффициента расчитывается как:

K = I₁₅₁ / I₁₃₅

где: I₁₃₅ – интенсивность сигнала ¹³⁵Bа.

Уравнение коррекции, соответственно будет выглядеть следующим образом:

I_151Eu = I₁₅₁ – K × I₁₃₅

где: I_151Eu – истинная интенсивность сигнала ¹⁵¹Eu без вклада ¹³⁵Ba¹⁶O.

Следует учитывать, что выход оксидов может существенно меняться с изменением состава образца. Например, измеренный уровень окисидов в 2%-ной HNO₃ при переходе к раствору с высокой концентрацией геологической матрицы, особенно, если матрица содержит легкоионизующиеся элементы, значительно понижающие температуру плазмы, уровень оксидов может вырасти в разы. По этой причине для обеспечения наибольшей точности учета интерференций можно измерять выход оксидов непосредственно в образце. Если в образец с измеренными интенсивностями сигналов бария (I_0Ba) и европия (I_0Eu) ввести добавку бария и снова измерить интенсивности сигналов этих изотопов (I_1Ba, I_1Eu), то коэффициент в уравнении коррекции интерференций примет вид:

K = (I_1Eu – I_0Eu) / (I_1Ba – I_0Ba)

Современное программное обеспечение к масс-спектрометрам с индуктивно связанной плазмой позволяет проводить математическую коррекцию интерференций непосредственно в процессе получения результатов, а уравнения для большинства известных интерференций заранее составлены и включены в программы. Пользователь может разрешить или запретить использование тех или иных или всех сразу уравнений коррекции. Во избежание большой ошибки, связанной с эффектом дискриминации масс в уравнении коррекции интерференций должны фигурировать изотопы, массы которых различаются не более чем на 10 а.е.м. Кроме того, математическую коррекцию следует применять в случае определения сравнительно высоких концентраций аналита, не уступающих по интенсивности сигналам накладывающихся интерференций.

Охлаждение распылительной камеры

Охлаждение распылительной камеры позволяет снизить количество паров воды (или органических растворителей) поступающих в плазму. При анализе водных растворов камеру обычно охлаждают до 2^оС, вследствие чего большая часть паров воды конденсируется на стенках камеры. Таким образом, снижается количество оксидных и гидридных ионов (карбидов – в случае анализа органических веществ). Кроме того, снижение концентрации водяных паров в плазме понижает количество энергии, расходуемое на разложение воды, а, следовательно, повышает температуру плазмы и эффективность ионизации аналитов.

Устранение вторичного разряда

Несмотря на то, что теоретически плазма должна быть электронейтральна, в реальности между плазмой и пробоотборным конусом существует значительная разность потенциалов (100–200 В). Это приводит к возникновению вторичного разряда между конусом и плазмой и, как следствие, к возрастанию уровня двухзарядных ионов, расширению распределения ионов по кинетической энергии, депозиции в плазму элементов с поверхности самплера и др.

Существует несколько способов устранения разницы потенциалов между плазмой и интерфейсом. Один из них заключается в том, что между индуктором и горелкой помещают экран (экранирование плазмы), представляющий собой металлический кожух, одевающийся на горелку в районе сопла, и изолированный от прямого контакта с индуктором дополнительным кварцевым кожухом. Также применяется заземление центрального витка индуктора или индуктор, сформированный из двух раздельных проводников с чередованием витков, ток по которым идет в противоположных направлениях.

Режим холодной плазмы

Режим холодной плазмы эффективен для устранения аргоновых интерференций. Суть метода заключается в том, что на индуктор подается сравнительно небольшая мощность (менее 1 кВт). Очевидно, что при этом температура плазмы значительно понижается, что препятствует ионизации аргона и образованию аргоновых интерференций (Ar⁺, ArO⁺). С помощью метода холодной плазмы можно определять в водных растворах калий, кальций, железо и др. элементы, которые в стандартных условиях страдают от мощных аргоновых интерференций.

Метод холодной плазмы имеет ряд ограничений: во-первых, он применим только для сравнительно легко ионизирующихся элементов, поскольку низкая температура плазмы снижает эффективность ионизации. Во-вторых, при использовании этого режима значительно возрастают матричные эффекты и интерференции, обусловленные полиатомными ионами, в том числе, оксидами. Например, невозможным становится определение низких концентраций железа на фоне высоких концентраций кальция из-за наложения ⁴⁰Са¹⁶О на ⁵⁶Fe.

Системы устранения интерференций

Системы устранения интерференций – это устройства для подавления спектральных наложений от аргоновых и полиатомных ионов и, в некоторых случаях, изобарных наложений. В общем случае система располагается в вакуумной части масс-спектрометра непосредственно за отклоняющей оптикой и представляет собой мультиполь небольшой длины, в котором в пространство между стержнями подается газ. Мультиполь заключен в оболочку, внутри которой создается некоторое давление, поэтому такие системы иногда называют газонаполненными ячейками. Расход газа через ячейки крайне невелик и составляет единицы мл/мин в зависимости от типа ячейки (см. ниже) и производителя прибора. В общем случае, ионный поток, проходящий через ячейку, и взаимодействующий с молекулами газа, претерпевает определенные изменения, в результате которых становиться возможным разделение ионов-интерферентов и ионов аналитов. Очевидно, что условия в ячейках подбираются таким образом, чтобы наибольшие изменения претерпевали именно ионы-интерференты.

Для простоты понимания системы устранения интерференций могут быть разделены по принципу действия (физический или химический) на 2 категории – столкновительные или коллизионные ячейки (collision cells) и реакционные ячейки (reaction cells). Как будет показано ниже, на практике четкого разграничения не существует. В столкновительных ячейках также может быть использован химический принцип устранения интерференций, а в реакционных – физический.

Реакционная ячейка. В подобных системах используются химически активные газы, которые вступая в реакцию с ионами, изменяют массу последних. В идеальном случае в отсутствии подвода энергии извне и оптимальности кинетической энергии ионов, реакция иона элемента с молекулой газа возможна, если потенциал ионизации элемента находится выше потенциала ионизации молекулы газа, т.е. имеет место термодинамически выгодный экзотермический процесс. Характерной особенностью реакционной ячейки является то, что в ней можно создавать условия для реакций, которые при обычных условиях не протекают. Так, например, варьирование высокочастотного и постоянного напряжения на стержнях мультиполя позволяет придать ионам дополнительную энергию, чтобы они вступили в реакцию с газом, с которым при нормальных значениях энергий реакции не произошло бы.

Очевидно, что при использовании реакционного газа будет иметь место целый набор химических реакций. В реакцию с газом будут вступать не только ионы-интерференты, но и другие ионы, при этом наряду с устранением одних интерференций газо-ионные реакции будут способствовать образованию новых. Кроме того, ионы-интерференты, изменившие свою массу в результате реакции с газом, и более не мешающие определению одного иона, могут помешать определению другого. По этой причине необходимо предотвратить попадание продуктов реакции в систему детектирования. В квадрупольной реакционной ячейке это делается настройкой ее параметров на пропускание ионов в определенном диапазоне масс (bandpass tuning).

Столкновительная (коллизионная) ячейка в чистом виде использует физический принцип устранения интерференций. Подавление интерференций в столкновительной ячейке основано на том, что сталкиваясь с молекулами инертного газа, как правило, гелия, ионы теряют кинетическую энергию. Большее количество столкновений претерпевают объемные ионы (например, полиатомные или аргоновые), вследствие чего они теряют больше энергии, по сравнению с небольшими по размерам ионами аналитов. Отсев ионов-интерферентов происходит на стадии выхода ионного потока из ячейки. Разница потенциалов на выходе из ячейки установлена таким образом, что ионы с кинетической энергией ниже определенной не могут преодолеть созданный потенциальный барьер. Этот принцип известен как принцип дискриминации по кинетическим энергиям (kinetic energy discrimination, KED).

Если в столкновительную ячейку подать химически активный газ и оптимизировать его поток, то газо-ионная реакция также будет иметь место. Например, в некоторых масс-спектрометрах с индуктивно связанной плазмой применяется смесь реакционного и инертного газа (Н₂/Не, NH₃/He). Инертный газ служит буфером для приведения ионного потока к оптимальной кинетической энергии, необходимой для прохождения реакции ионов с газом. Продукты реакции отсекаются с использованием KED.

Реакционно-столкновительный интерфейс (Collision-reaction interface, CRI) кардинально отличается по конструкции от реакционной и столкновительной ячеек. Принцип действия этой системы заключается в том, что газ подается через каналы в скиммере, выходы которых расположены непосредственно у отверстия конуса. В результате подачи газа в канале конуса на пути ионного пучка возникает газовое облако, в котором происходит ряд процессов, аналогичных тем, которые имеют место в газонаполненных ячейках.

Эта технология имеет ряд серьезных недостатков и значительно уступает по эффективности реакционным и столкновительным ячейкам. Например, расход газа, необходимый для работы CRI составляет порядка 100 мл/мин, поэтому приборы с CRI, зачастую комплектуются генератором водорода. Кроме того, такая система не предусматривает отсекания продуктов реакции ионов с газом, в результате чего спектр значительно осложняется новыми интерференциями.

Некоторые аспекты применения систем устранения полиатомных интерференций

Очевидно, что в силу разнообразия ионов-интерферентов (оксиды, хлориды, аргиды и т. д.), возникающих в ИСП-МС, а также различия реакционной способности и других свойств ионов, системы устранения интерференций не могут одинаково эффективно удалять все наложения одновременно без подстройки некоторых параметров и/или использовании отдельно взятого газа.

Следует учитывать, что реакционные газы помимо устранения одних интерференций создают другие. В случае использования гетероатомных газов, например, аммиака или метана в качестве реактантов имеют место многостадийные процессы (образование кластерных ионов и т.д.), приводящие к возникновению значительного количества новых интерференций. Кроме того, рассеяние ионного пучка вследствие столкновения ионов с молекулами газа в ячейке способствует понижению чувствительности масс-спектрометра от нескольких раз до порядка.

Интересно, что газонаполненные ячейки могут при определенных условиях повышать чувствительность масс-спектрометров с индуктивно связанной плазмой. Происходит это вследствие выравнивания кинетической энергии ионов, за счет столкновительных процессов. Эффект называется столкновительной фокусировкой и имеет место при сравнительно небольшой подаче газа в ячейку. При дальнейшем нарастании давления газа в ячейке чувствительность, как и следовало ожидать, падает. В литературе есть сведения, что столкновительная фокусировка способна повысить чувствительность прибора на порядок. За счет выравнивания кинетической энергии потока столкновительная фокусировка также способствует повышению точности определения изотопных отношений элементов.

Использование систем устранения полиатомных интерференций привносит дополнительную сложность и элемент творчества в эксплуатацию оборудования. Наиболее эффективно эти системы используются для анализа элементов, страдающих от распространенных интерференций (Табл. 1). В целом, применение систем устранения интереференций оправдано если:

• уравнения математической коррекции громоздки и сложны;
• не может быть применен метод холодной плазмы;
• применение системы дает более точные результаты или облегчает процесс их получения.

Другие способы устранения интерференций

В литературе есть примеры использования других подходов к подавлению полиатомных интерференций. Одним из способов является добавление различных газов (азота, водорода, метана, этилена и др.) в плазмообразующий или распылительный газ. Также исследовалась возможность использования плазм, альтернативных аргоновой. Например, использование гелия в качестве плазмообразующего газа позволяет избавиться от аргоновых интерференций и проводить определение элементов с высоким потенциалом ионизации – серы, фосфора, галогенов. Однако для эффективного использования гелия плазменный блок требует значительного реконструирования.