МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ С ИНДУКТИВНО
СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ РЕСУРС

ПРОБЛЕМЫ МЕТОДА МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ

Как и любой другой метод количественного химического анализа, метод ИСП-МС не лишен проблем и ограничений. Две фундаметальные проблемы метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой – матричный эффект и спектральные наложения (интерференции).

Матричный эффект

Матричный эффект или матричные влияния иногда называют неспектральными интерференциями. Это собирательное понятие, объединяющее ряд явлений, приводящих к изменению сигнала в зависимости от качественного и количественного состава анализируемой пробы, а также дрейф сигнала во времени. Матричный эффект может проявляться на всех стадиях измерений, начиная от распыления образца, и заканчивая прохождением системы ионной оптики.

Матричный эффект на стадии распыления может проявляться, если вязкость и/или поверхностное натяжение анализируемого образца сильно отличаются от таковых для градуировочных растворов. В этом случае эффективность распыления и состав аэрозоля по размеру капель для градуировочного и анализируемого образца будет разным, что приведет к получению неправильных результатов.

Зачастую в масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой требуется определять микропримеси на фоне высоких концентраций основного вещества – матрицы или основы. При анализе растворов с высоким содержанием матрицы (более 0,1-0,5 г/л в зависимости от атомной массы элемента основы) может иметь место значительное (до 50% и более) понижение чувствительности прибора.

При повышении концентрации растворенного вещества в анализируемом растворе повышается кол-во энергии, требующееся для разложения этого вещества в плазме. Если концентрация основы велика, образец будет существенно охлаждать центральный канал плазмы, что приведет к снижению эффективности ионизации других элементов. Если матричный элемент является легкоионизирующимся – Li, Na, K, Rb, Cs (элементы, у которых первый потенциал ионизации не превышает 5,5 эВ), это приведет к образованию высокой электронной плотности в плазме. Большая концентрация электронов смещает равновесие ионизации других элементов в сторону атомарного состояния, уменьшая сигнал. Эффект легкоионизирующихся элементов особенно заметен для трудноионизирующихся элементов – Be, B, Si, P, Zn, As, Se, Br, Cd, Sb, Te, Hg.

Другой этап проявления влияния концентрации растворенного вещества 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 в анализируемом растворе заряд за скиммером состоит в основном из ионов Ar+. С нарастанием концентрации матрицы ионы элементов последней будут доминировать в заряде, повышая его плотность и, как следствие, будут увеличивать рассеивание ионного потока. Матричный эффект наиболее выражен для легких элементов и буде тем заметнее, чем легче ион аналита и чем выше атомная масса элемента основы.

Матричные эффекты могут быть смягчены разбавлением образца, если это позволяют сделать требования к пределам обнаружения. Практикуется также экстракция матрицы. Для учета и коррекции дрейфа чувствительности прибора в процессе анализа и изменения чувствительности, связанного с матричными влияниями, широко применяется метод внутреннего стандарта. С той же целью прибегают к подготовке калибровочных образцов со сходной матрицей, однако этот подход оправдан только в том случае, если основа анализируемых образцов не изменяется по количественному и качественному составу и не является сложной. Единственный метод анализа в ИСП-МС, который не страдает от матричных влияний – метод изотопного разбавления.

Для снижения влияния матрицы может быть использовано т.н. аэрозольное разбавление, заключающееся в добавлении аргона в аэрозоль образца, выходящий из распылительной камеры. Таким образом снижается общее количество вещества, попадающего в плазму и повышается кол-во энергии, подводимое к веществу, что в свою очередь повышает эффективность ионизации. Использование этого способа позволяет полностью исключить внесение загрязнений в анализируемую пробу в процессе обычного разбавления. Однако как и в случае обычного разбавления, аэрозольное разбавление приводит к пропорциональному снижению чувствительности анализа. Кроме того, при аэрозольном разбавлении возникают ошибки определения содержания элементов с высоким потенциалом ионизации (Cd, Zn и др.). Происходит это из-за того, что в плазме падает концентрация воды, которая играет важную роль в ионизации элементов за счет реакций переноса заряда. С целью обеспечения правильности результатов определения трудноионизирующихся элементов применяют увлажнение аргона, использующегося для разбавления, и/или добавляют в анализируемый образец органический углерод.

Еще один способ снижения матричных влияний - проточно-инжекционный ввод образца. Сущность метода заключается в том, что в процессе анализа образец подается в распылитель не непрерывно, а небольшой порцией, объема которой достаточно для определения заданных элементов. При небольшом количестве элементов измерение занимает короткое время, вследствие чего матричный эффект, обусловленный процессами образования ионов в плазме и их транспортом, не успевает оказать существенного влияния на сигнал. Также вследствие гораздо меньшего объема образца, поступающего в плазму в процессе анализа, уменьшается загрязнение конусов интерфейса. Такой способ не совсем подходит для многоэлементного (более 30 элементов) анализа, требующего длительного измерения, поскольку в этом случае возникает необходимость подавать в плазму большие объемы образца, которые будут способствовать появлению матричных влияний.

Для уменьшения влияния матричного эффекта в ИСП-МС также используют устойчивые (robust) настройки работы системы ввода образца и источника ионов. Эти настройки заключаются в снижении количества поступающего в плазму аэрозоля за счет уменьшения расхода образца и распылительного газа с одновременным увеличением мощности плазмы и расстояния между горелкой и пробоотборным конусом. Это приводит к увеличению времени пребывания образца в плазме и количества подводимой к нему энергии, что в свою очередь повышает степень ионизации атомов и снижает подавление ионизации в присутствии легкоионизирующихся элементов. В отличие от стандартных настроек спектрометра, ориентированных на достижение максимальной чувствительности, устойчивые настройки приводят к ее снижению, но позволяют уменьшить величину матричного эффекта.

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 близкой 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 редко представляют проблему при количественном определении стабильных элементов. В подавляющем числе случаев от таких наложений можно уйти путем выбора альтернативных изотопов. Изобарные интерференции вызывают трудности в геологическом анализе при определении соотношений 87Rb/87Sr и некоторых других.

Наложения двухзарядных ионов представляют проблему в основном в образцах с богатым качественным составом, например, горных породах или грунтовых водах. Высокие концентрации бария и редкоземельных элементов создают проблемы при определении Ga, Ge, As, Se на низком уровне из-за наложения двухзарядных ионов соответствующих изотопов Ва, Ce, Nd, Sm.

Полиатомные интерференции, представляющие наибольшую проблему, возникают в результате протекания ион-молекулярных реакций в плазменном разряде и газо-ионной струе. 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 (HnO+, 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 иона 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 учета спектральных интерференций и борьбы с ними.

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

ИонИнтерференты
32S+16O2+, 14N18O+, 15N16OH+
39К+38ArH+
40Ca+40Ar+
51V+35Cl16O+, 34S16OH+
52Cr+40Ar12C+, 35Cl16OH+, 34S18O+, 36Ar16O+
56Fe+40Ar16O+, 40Ca16O+
75As+40Ar35Cl+, 38Ar37Cl+, 40Ca35Cl+
80Se+40Ar2+, 79BrH+

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:

IA = IA+B – IB1 × AB2 / AB1

где: AB1 и АB2 – относительные распространенности изотопов В1 и В2.

В идеальном случае изотопное отношение AB2/AB1 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:

IAs = I75 – I75ArCl

где: IAs – истинная интенсивность сигнала мышьяка, I75 – наблюдаемая интенсивность сигнала на массе 75 а.е.м., I75ArCl – 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.:

I75ArCl = I77 × A75ArCl / A77ArCl

где: A75ArCl и A77ArCl – 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:

A75ArCl = A40Ar35Сl + A38Ar37Сl

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

AAB = (AA)n × (AB)m

В результате получаем: A75ArCl = 0,770, A77ArCl = 0,241. Общее уравнение коррекции будет выглядеть следующим образом:

IAs = 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:

I77Se = I82Se × A77Se / A82Se

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:

I82Kr = I83 × A82Kr / A83Kr

Отсюда:

I77Se = (I82 – I82Kr) × A77Se / A82Se

Таким образом:

IAs = I75 – (I77 – I77Se) × A75ArCl / A77ArCl

IAs = 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:

I151Eu = I151 – K × I135

где: I151Eu – истинная интенсивность сигнала 151Eu без вклада 135Ba16O.

Следует учитывать, что выход оксидов может существенно меняться в зависимости от состава образца. Например, измеренный уровень оксидов в 2%-ной HNO3 при переходе к раствору с высокой концентрацией геологической матрицы, особенно, если матрица содержит легкоионизирующиеся элементы, значительно понижающие температуру плазмы, уровень оксидов может существенно измениться. По этой причине для обеспечения большей точности учета интерференций можно измерять выход оксидов непосредственно в образце. Если в образец с измеренными интенсивностями сигналов бария (I0Ba) и европия (I0Eu) ввести добавку бария и снова измерить интенсивности сигналов этих изотопов (I1Ba, I1Eu), то коэффициент в уравнении коррекции интерференций примет вид:

K = (I1Eu – I0Eu) / (I1Ba – I0Ba)

Современное программное обеспечение к масс-спектрометрам с индуктивно связанной плазмой позволяет проводить математическую коррекцию интерференций непосредственно в процессе измерений, а уравнения для изобарных наложений 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 интерференций во избежание ошибок.

Охлаждение распылительной камеры

Охлаждение распылительной камеры позволяет снизить концентрацию паров воды (или органических растворителей) поступающих в плазму. При анализе водных растворов камеру обычно охлаждают до 2оС, вследствие чего большая часть паров воды конденсируется на стенках камеры. Таким образом, снижается выход оксидных и гидридных ионов (карбидов – в случае анализа органических веществ).

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, экстракции 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 (plasma screen, plasma shield), представляющий собой металлический кожух, одевающийся на горелку в районе сопла, и изолированный от прямого контакта с индуктором дополнительным кварцевым кожухом. Также применяется индуктор, сформированный из двух раздельных проводников с чередованием витков, ток по которым идет в противоположных направлениях. В других спектрометрах используются ВЧ-генераторы, формирующие электронейтральную плазму без дополнительных конструкционных ухищрений.

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 другие элементы, которые в стандартных условиях страдают от интенсивных аргоновых наложений.

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 усиливаются 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. В настоящее время метод холодной плазмы находит широкое применение только в полупродониковой промышленности для анализа деионизованной воды и особочистых кислот и реактивов.

Системы подавления интерференций (реакционно-столкновительные ячейки)

Системы подавления спектральных наложений позволяют снижать влияния аргоновых и полиатомных ионов и, в некоторых случаях, изобарных интерференций. В общем случае система располагается в вакуумной части масс-спектрометра между отклоняющей оптикой и масс-фильтром и представляет собой мультиполь (4, 6 или 8 стержней) небольшой длины, в пространство между стержнями которого подается газ. Расход газа через ячейку совсем небольшой 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 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 этих 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 (разогреть), 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 ион-молекулярны 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 мешающих продуктов реакции в систему детектирования. В квадрупольной реакционной ячейке это делается настройкой ее параметров на пропускание ионов в определенном диапазоне масс (bandpass tuning).

Столкновительная ячейка в чистом виде использует физический принцип устранения интерференций. Подавление наложений 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 относительно 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 кинетической энергии (kinetic energy discrimination, KED).

Если в столкновительную ячейку подать химически активный газ и оптимизировать его поток, то ион-молекулярная 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 наиболее полной конверсии.

Ионы-продукты реакции можно до определенной степени отфильтровать с использованием режима KED, однако эффективность этого подхода в большинстве случаев недостаточна. По этой причине использование реакционноспособных газов (NH3, O2, углеводороды) дает хорошие результаты только при наличии возможности ограничения полосы пропускания ячейки. Исключение составляет водород, который не дает разнообразных побочных реакций, но весьма эффективен для устранения аргоновых наложений при определении K, Ca, Fe, Se.

Реакционно-столкновительный интерфейс (collision-reaction interface, CRI) кардинально отличается по конструкции от реакционно-столкновительных ячеек. Принцип действия этой системы заключается в том, что газ подается через каналы в конусах интерфейса. Выходы каналов расположены непосредственно у вершин конусов. 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 реакционно-столкновительным ячейкам. В CRI как правило используется водород, расход которого составляет 50-100 мл/мин, поэтому приборы комплектуются генератором водорода. Возможности системы ограничены подавлением аргоновых наложений. В такой системе невозможно реализовать принцип дискриминации по кинетической энергии для эффективного подавления оксидных и гидроксидных наложений, представляющих наибольшую проблему. Использование других реакционных газов, например, кислорода или аммиака в CRI остается под большим вопросом из-за возможности повреждения конусов интерфейса и отсутствия механизма удаления нежелательных продуктов реакций, которые реализуются в реакционно-столкновительных ячейках.

Некоторые аспекты применения реакционно-столкновительных ячеек

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 подавления интерференций не могут одинаково эффективно устранять 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 вызывает снижение 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 (collisional focussing, collisional damping) и имеет место при сравнительно небольшом расходе газа ячейки. В литературе есть сведения, что столкновительная фокусировка способна повысить чувствительность прибора на порядок. За счет выравнивания кинетической энергии ионов столкновительная фокусировка способствует повышению точности определения изотопных отношений элементов.

Другие способы устранения интерференций

В литературе есть примеры использования других подходов к подавлению полиатомных наложений. 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 на низком уровне. Однако для эффективного использования гелия плазменный блок требует значительного изменения конструкции. Кроме того, гелий существенно дороже аргона, что сводит на нет выигрыш в аналитических характеристиках прибора.

 Copyright © 2009 Алексей Лейкин