Por inducción de plasma espectrometría de masas - Inductively coupled plasma mass spectrometry
 Instrumento ICP-MS
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| Acrónimo | ICP-MS |
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| Clasificación | Espectrometría de masas |
| Analitos | especies atómicas y poliatómicas en plasma, con excepciones; generalmente interpretado hacia concentraciones de elementos químicos en la muestra |
| Fabricantes | Skyray , Agilent , Analytik Jena , Horiba (solo ICP-OES), PerkinElmer , Shimadzu , Spectro , Thermo , GBC Scientific , Nu Instruments |
| Otras tecnicas | |
| Relacionado | Espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente |
| Con guión | Espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por cromatografía líquida (LC-ICP-MS), Espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por cromatografía de gases (GC-ICP-MS), Espectrometría de masas acoplada inductivamente por ablación láser (LA-ICP-MS) |
La espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente ( ICP-MS ) es un tipo de espectrometría de masas que utiliza un plasma acoplado inductivamente para ionizar la muestra. Atomiza la muestra y crea iones poliatómicos pequeños y atómicos , que luego se detectan. Es conocido y utilizado por su capacidad para detectar metales y varios no metales en muestras líquidas a concentraciones muy bajas. Puede detectar diferentes isótopos de un mismo elemento, lo que la convierte en una herramienta versátil en el etiquetado isotópico .
En comparación con la espectroscopia de absorción atómica , ICP-MS tiene mayor velocidad, precisión y sensibilidad. Sin embargo, en comparación con otros tipos de espectrometría de masas, como la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) y la espectrometría de masas de descarga luminiscente (GD-MS), ICP-MS introduce muchas especies interferentes: argón del plasma, gases componentes del aire que se filtran los orificios de los conos y la contaminación de la cristalería y los conos.
Componentes
Plasma acoplado inductivamente
Un plasma acoplado inductivamente es un plasma que se energiza ( ionizado ) calentando inductivamente el gas con una bobina electromagnética y contiene una concentración suficiente de iones y electrones para hacer que el gas sea eléctricamente conductor . No es necesario ionizar todo el gas para que tenga las características de un plasma; tan solo un 1% de ionización crea un plasma. Los plasmas utilizados en el análisis espectroquímico son esencialmente eléctricamente neutros, con cada carga positiva de un ion equilibrada por un electrón libre. En estos plasmas, los iones positivos están casi todos cargados individualmente y hay pocos iones negativos, por lo que hay cantidades casi iguales de iones y electrones en cada unidad de volumen de plasma.
Los ICP tienen dos modos de funcionamiento, llamado modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma, y la transición del modo de calentamiento E a H se produce con entradas externas. La espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente se opera en el modo H.
Lo que hace que la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) sea única para otras formas de espectrometría de masas inorgánicas es su capacidad para muestrear el analito de forma continua, sin interrupciones. Esto contrasta con otras formas de espectrometría de masas inorgánica; La espectrometría de masas de descarga luminiscente (GDMS) y la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS), que requieren un proceso de dos etapas: insertar muestras en una cámara de vacío, sellar la cámara de vacío, bombear el vacío, energizar la muestra y enviar iones en el analizador de masas. Con ICP-MS, la muestra a analizar se encuentra a presión atmosférica. Mediante el uso efectivo del bombeo diferencial; múltiples etapas de vacío separadas por aberturas diferenciales (orificios), los iones creados en el plasma de argón, con la ayuda de varias técnicas de enfoque electrostático, se transmiten a través del analizador de masas al detector o detectores y se cuentan. Esto no solo permite al analista aumentar radicalmente el rendimiento de la muestra (cantidad de muestras a lo largo del tiempo), sino que también ha hecho posible lo que se denomina "adquisición resuelta en el tiempo". Técnicas con guiones como Cromatografía líquida ICP-MS (LC-ICP-MS); ICP-MS de ablación con láser (LA-ICP-MS); Flow Injection ICP-MS (FIA-ICP-MS), etc. se han beneficiado de la calidad única de esta tecnología, que apenas tiene 35 años. No se puede exagerar el poder del análisis resuelto en el tiempo. Ha estimulado el desarrollo de nuevas y emocionantes herramientas para la investigación tan variada como la geoquímica y la química forense; bioquímica y oceanografía. Además, los aumentos en la producción de muestras de docenas de muestras por día a cientos de muestras por día han revolucionado el análisis ambiental, reduciendo costos. Básicamente, todo esto se debe al hecho de que mientras la muestra se encuentra a la presión ambiental, el analizador y el detector están a 1 / 10,000,000 de esa misma presión durante el funcionamiento normal.
Un plasma acoplado inductivamente (ICP) para espectrometría se sostiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente hechos de cuarzo , aunque el tubo interno (inyector) puede ser de zafiro si se usa ácido fluorhídrico. El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción alimentada con una corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (generalmente de 13 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos más externos del soplete y se aplica una chispa eléctrica durante un breve período de tiempo para introducir electrones libres en la corriente de gas. Estos electrones interactúan con el campo magnético de radiofrecuencia de la bobina de inducción y se aceleran primero en una dirección, luego en la otra, a medida que el campo cambia a alta frecuencia (generalmente 27,12 millones de ciclos por segundo). Los electrones acelerados chocan con los átomos de argón y, a veces, una colisión hace que un átomo de argón se separe de uno de sus electrones. El electrón liberado es a su vez acelerado por el campo magnético que cambia rápidamente. El proceso continúa hasta que la tasa de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la tasa de recombinación de electrones con iones de argón (átomos que han perdido un electrón). Esto produce una "bola de fuego" que consiste principalmente en átomos de argón con una fracción bastante pequeña de electrones e iones de argón libres. La temperatura del plasma es muy alta, del orden de 10.000 K. El plasma también produce luz ultravioleta, por lo que por seguridad no debe verse directamente.
El ICP se puede retener en el soplete de cuarzo porque el flujo de gas entre los dos tubos más externos mantiene el plasma alejado de las paredes del soplete. Normalmente se introduce un segundo flujo de argón (alrededor de 1 litro por minuto) entre el tubo central y el tubo intermedio para mantener el plasma alejado del extremo del tubo central. Se introduce un tercer flujo (normalmente alrededor de 1 litro por minuto) de gas en el tubo central del soplete. Este flujo de gas pasa por el centro del plasma, donde forma un canal que es más frío que el plasma circundante, pero aún mucho más caliente que una llama química. Las muestras a analizar se introducen en este canal central, generalmente como una niebla de líquido que se forma al pasar la muestra líquida a un nebulizador.
Para maximizar la temperatura del plasma (y por lo tanto la eficiencia de la ionización) y la estabilidad, la muestra debe introducirse a través del tubo central con la menor cantidad de líquido (carga de disolvente) posible y con tamaños de gota consistentes. Se puede usar un nebulizador para muestras líquidas, seguido de una cámara de rociado para eliminar las gotas más grandes, o se puede usar un nebulizador desolvante para evaporar la mayor parte del solvente antes de que llegue al soplete. También se pueden introducir muestras sólidas mediante ablación láser. La muestra ingresa al canal central del ICP, se evapora, las moléculas se rompen y luego los átomos constituyentes se ionizan. A las temperaturas que prevalecen en el plasma, una proporción significativa de los átomos de muchos elementos químicos se ioniza, y cada átomo pierde su electrón más débilmente unido para formar un ión con una sola carga. La temperatura del plasma se selecciona para maximizar la eficiencia de ionización para elementos con una alta energía de primera ionización, mientras que minimiza la segunda ionización (doble carga) para elementos que tienen una segunda energía de ionización baja.
Espectrometría de masas
Para acoplarse a la espectrometría de masas , los iones del plasma se extraen a través de una serie de conos en un espectrómetro de masas, generalmente un cuadrupolo . Los iones se separan en función de su relación masa / carga y un detector recibe una señal de iones proporcional a la concentración.
La concentración de una muestra se puede determinar mediante calibración con material de referencia certificado , como estándares de referencia de uno o varios elementos. ICP-MS también se presta a determinaciones cuantitativas a través de la dilución de isótopos , un método de un solo punto basado en un estándar enriquecido con isótopos.
Otros analizadores de masas acoplados a sistemas ICP incluyen sistemas de sector magnético-electrostático de doble enfoque con colector único y múltiple, así como sistemas de tiempo de vuelo ( se han utilizado aceleradores tanto axiales como ortogonales ).
Aplicaciones
Uno de los usos de mayor volumen para ICP-MS es en el campo médico y forense, específicamente, la toxicología. Un médico puede ordenar un análisis de metales por varias razones, como sospecha de intoxicación por metales pesados, problemas metabólicos e incluso problemas hepatológicos. Dependiendo de los parámetros específicos exclusivos del plan de diagnóstico de cada paciente, las muestras recolectadas para el análisis pueden variar desde sangre completa, orina, plasma, suero e incluso concentrado de glóbulos rojos. Otro uso principal de este instrumento se encuentra en el campo medioambiental. Dichas aplicaciones incluyen análisis de agua para municipios o particulares hasta análisis de suelo, agua y otros materiales para fines industriales. En el campo forense, el ICP-MS de vidrio es popular para el análisis de vidrio. Los oligoelementos en el vidrio se pueden detectar utilizando el LA-ICP-MS. Los oligoelementos del vidrio se pueden usar para hacer coincidir una muestra encontrada en la escena del crimen con un sospechoso.
En los últimos años, el monitoreo industrial y biológico ha presentado otra necesidad importante para el análisis de metales a través de ICP-MS. Las personas que trabajan en fábricas donde la exposición a metales es probable e inevitable, como una fábrica de baterías, deben ser analizadas regularmente por su sangre u orina para detectar toxicidad por metales. Este monitoreo se ha convertido en una práctica obligatoria implementada por OSHA , en un esfuerzo por proteger a los trabajadores de su ambiente de trabajo y asegurar la rotación apropiada de las tareas laborales (es decir, rotar a los empleados de una posición de alta exposición a una posición de baja exposición).
ICP-MS también se utiliza ampliamente en el campo de la geoquímica para la datación radiométrica, en el que se utiliza para analizar la abundancia relativa de diferentes isótopos, en particular uranio y plomo. ICP-MS es más adecuado para esta aplicación que la espectrometría de masas de ionización térmica utilizada anteriormente , ya que las especies con alta energía de ionización como el osmio y el tungsteno se pueden ionizar fácilmente. Para trabajos de relación de alta precisión, normalmente se utilizan varios instrumentos de colector para reducir el ruido de efecto en las relaciones calculadas.
En el campo de la citometría de flujo , una nueva técnica utiliza ICP-MS para reemplazar los fluorocromos tradicionales . Brevemente, en lugar de marcar anticuerpos (u otras sondas biológicas) con fluorocromos, cada anticuerpo se marca con combinaciones distintas de lantánidos . Cuando la muestra de interés se analiza mediante ICP-MS en un citómetro de flujo especializado, cada anticuerpo puede identificarse y cuantificarse en virtud de una "huella" de ICP distinta. En teoría, pueden analizarse cientos de sondas biológicas diferentes en una célula individual, a una velocidad de aprox. 1000 células por segundo. Debido a que los elementos se distinguen fácilmente en ICP-MS, el problema de la compensación en la citometría de flujo multiplex se elimina de manera efectiva.
En la industria farmacéutica, ICP-MS se utiliza para detectar impurezas inorgánicas en productos farmacéuticos y sus ingredientes. Los niveles de exposición máximos permitidos nuevos y reducidos de metales pesados de los suplementos dietéticos, introducidos en USP ( Farmacopea de los Estados Unidos ) <232> Impurezas elementales — Límites y USP <233> Impurezas elementales — Procedimientos, aumentarán la necesidad de tecnología ICP-MS, donde anteriormente, otros métodos analíticos han sido suficientes. La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente por ablación con láser (LA-ICP-MS) es una técnica poderosa para el análisis elemental de una amplia variedad de materiales que se encuentran en el trabajo de casos forenses. (LA-ICP-MS) ya se ha aplicado con éxito a aplicaciones en medicina forense, metales, vidrios, suelos, pinturas para automóviles, huesos y dientes, tintas de impresión, trazas elementales, huellas dactilares y papel. Entre estos, el análisis forense de vidrio destaca como una aplicación para la que esta técnica tiene una gran utilidad para proporcionar una alta calidad. Choques y carreras de autos, robos, asaltos, tiroteos desde vehículos y bombardeos como estas situaciones pueden causar fragmentos de vidrio que podrían usarse como evidencia de asociación en condiciones de transferencia de vidrio. LA-ICP-MS se considera una de las mejores técnicas para el análisis de vidrio debido al poco tiempo de preparación de la muestra y muestra, tamaño de muestra pequeño de menos de 250 nanogramos. Además, no hay necesidad de procedimientos complejos y manipulación de materiales peligrosos que se utilizan para la digestión de las muestras. Esto permite detectar elementos mayores, menores y de rastreo con un alto nivel de precisión y exactitud. Hay un conjunto de propiedades que se utilizan para medir la muestra de vidrio, como las propiedades físicas y ópticas, incluido el color, el grosor, la densidad, el índice de refracción (RI) y también, si es necesario, se puede realizar un análisis elemental para mejorar el valor de una asociación. . Los cosméticos, como el lápiz labial, recuperados de la escena del crimen pueden proporcionar información forense valiosa. Manchas de lápiz labial que quedan en colillas de cigarrillos, cristalería, ropa, ropa de cama; servilletas, papel, etc. pueden ser pruebas valiosas. El lápiz labial recuperado de la ropa o la piel también puede indicar contacto físico entre personas. El análisis forense de las pruebas de frotis de lápiz labial recuperadas puede proporcionar información valiosa sobre las actividades recientes de una víctima o sospechoso. El análisis elemental de trazas de los frotis de lápiz labial podría usarse para complementar los procedimientos comparativos visuales existentes para determinar la marca y el color del lápiz labial.
La espectroscopia de masas de plasma de acoplamiento inductivo de una sola partícula (SP ICP-MS) fue diseñada para suspensiones de partículas en 2000 por Claude Degueldre. Primero probó esta nueva metodología en el Instituto Forel de la Universidad de Ginebra y presentó este nuevo enfoque analítico en el simposio 'Colloid 2oo2' durante la reunión de primavera de 2002 del EMRS, y en las actas de 2003. Este estudio presenta la teoría de SP ICP-MS y los resultados de ensayos realizados sobre partículas de arcilla (montmorillonita) así como otras suspensiones de coloides. Este método fue luego probado en nanopartículas de dióxido de torio por Degueldre y Favarger (2004), dióxido de circonio por Degueldre et al (2004) y nanopartículas de oro, que se utilizan como sustrato en nanofarmacia, y publicado por Degueldre et al (2006). Posteriormente, el estudio de las nanopartículas y micropartículas de dióxido de uranio dio lugar a una publicación detallada, Ref. Degueldre et al (2006). Desde 2010, el interés por SP ICP-MS se ha disparado.
Las técnicas forenses anteriores empleadas para el análisis orgánico de lápices labiales por comparación de composición incluyen cromatografía en capa fina (TLC), cromatografía de gases (GC) y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). Estos métodos proporcionan información útil sobre la identificación de lápices labiales. Sin embargo, todos requieren largos tiempos de preparación de la muestra y destruyen la muestra. Las técnicas no destructivas para el análisis forense de frotis de lápiz labial incluyen la observación de fluorescencia UV combinada con cromatografía de gases de purga y trampa, microespectrofotometría y espectroscopía de dispersión de energía por microscopía electrónica de barrido (SEM-EDS) y espectroscopía Raman.
Especiación de metales
Una tendencia creciente en el mundo del análisis elemental ha girado en torno a la especiación o determinación del estado de oxidación de ciertos metales como el cromo y el arsénico . Una de las técnicas principales para lograr esto es separar las especies químicas con cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) o fraccionamiento de flujo de campo (FFF) y luego medir las concentraciones con ICP-MS.
Cuantificación de proteínas y biomoléculas
Existe una tendencia creciente a utilizar ICP-MS como herramienta en el análisis de especiación, que normalmente implica una separación cromatográfica frontal y un detector selectivo elemental , como AAS e ICP-MS. Por ejemplo, ICP-MS puede combinarse con cromatografía de exclusión por tamaño y electroforesis en gel de poliacrilamida continua nativa preparativa cuantitativa ( QPNC-PAGE ) para identificar y cuantificar el cofactor de metal nativo que contiene proteínas en biofluidos. También se puede analizar el estado de fosforilación de proteínas.
En 2007, se introdujo un nuevo tipo de reactivos de marcado de proteínas llamados etiquetas de afinidad codificadas por metales (MeCAT) para marcar proteínas cuantitativamente con metales, especialmente lantánidos. El etiquetado MeCAT permite la cuantificación relativa y absoluta de todo tipo de proteínas u otras biomoléculas como péptidos. MeCAT comprende un grupo de marcado de biomoléculas específico del sitio con al menos un grupo quelato fuerte que se une a los metales. Las proteínas marcadas con MeCAT pueden cuantificarse con precisión mediante ICP-MS hasta una cantidad baja de attomol de analito que es al menos 2-3 órdenes de magnitud más sensible que otros métodos de cuantificación basados en espectrometría de masas. La introducción de varios marcadores MeCAT en una biomolécula y la optimización adicional de los límites de detección de LC-ICP-MS en el rango de zeptomol están dentro del ámbito de las posibilidades. Mediante el uso de diferentes lantánidos, la multiplexación de MeCAT se puede usar para la farmacocinética de proteínas y péptidos o el análisis de la expresión diferencial de proteínas ( proteómica ), por ejemplo, en fluidos biológicos. PAGE SDS-PAGE rompible (DPAGE, PAGE soluble), electroforesis en gel bidimensional o cromatografía se utiliza para la separación de proteínas marcadas con MeCAT. El análisis ICP-MS de inyección de flujo de bandas o manchas de proteínas de los geles DPAGE SDS-PAGE se puede realizar fácilmente disolviendo el gel DPAGE después de la electroforesis y la tinción del gel. Las proteínas marcadas con MeCAT se identifican y cuantifican relativamente a nivel de péptido mediante MALDI-MS o ESI-MS.
Análisis elemental
El ICP-MS permite la determinación de elementos con rangos de masa atómica de 7 a 250 ( Li a U ) y, a veces, más. Algunas masas están prohibidas como 40 debido a la abundancia de argón en la muestra. Otras regiones bloqueadas pueden incluir masa 80 (debido al dímero de argón) y masa 56 (debido a ArO), la última de las cuales dificulta enormemente el análisis de Fe a menos que la instrumentación esté equipada con una cámara de reacción. Estas interferencias se pueden reducir utilizando un ICP-MS de alta resolución (HR-ICP-MS) que utiliza dos o más rendijas para estrechar el haz y distinguir entre picos cercanos. Esto tiene un costo de sensibilidad. Por ejemplo, distinguir el hierro del argón requiere un poder de resolución de aproximadamente 10.000, lo que puede reducir la sensibilidad al hierro en aproximadamente un 99%.
Un ICP-MS de colector único puede utilizar un multiplicador en el modo de conteo de pulsos para amplificar señales muy bajas, una cuadrícula de atenuación o un multiplicador en modo analógico para detectar señales medias y una taza / balde de Faraday para detectar señales más grandes. Un ICP-MS de colectores múltiples puede tener más de uno de estos, normalmente cubos de Faraday, que son mucho menos costosos. Con esta combinación, es posible un rango dinámico de 12 órdenes de magnitud, desde 1 ppq hasta 100 ppm.
ICP-MS es un método de elección para la determinación de cadmio en muestras biológicas.
A diferencia de la espectroscopia de absorción atómica , que solo puede medir un solo elemento a la vez, ICP-MS tiene la capacidad de escanear todos los elementos simultáneamente. Esto permite un procesamiento rápido de la muestra. Un ICP-MS simultáneo que puede registrar todo el espectro analítico, desde el litio al uranio en cada análisis, ganó el premio de plata en los premios Pittcon Editors 'Awards 2010 . Un ICP-MS puede usar múltiples modos de escaneo, cada uno con un equilibrio diferente entre velocidad y precisión. El uso del imán solo para escanear es lento, debido a la histéresis, pero es preciso. Se pueden usar placas electrostáticas además del imán para aumentar la velocidad, y esto, combinado con múltiples colectores, puede permitir un escaneo de cada elemento desde el litio 6 hasta el óxido de uranio 256 en menos de un cuarto de segundo. Para límites de detección bajos, especies interferentes y alta precisión, el tiempo de conteo puede aumentar sustancialmente. El escaneo rápido, el gran rango dinámico y el gran rango de masa son ideales para medir múltiples concentraciones desconocidas y proporciones de isótopos en muestras que han tenido una preparación mínima (una ventaja sobre TIMS), por ejemplo, muestras de agua de mar, orina y rocas enteras digeridas. También se presta bien a muestras de rocas sometidas a ablación con láser, donde la velocidad de exploración es tan rápida que es posible un gráfico en tiempo real de cualquier número de isótopos. Esto también permite un fácil mapeo espacial de granos minerales.
Hardware
En términos de entrada y salida , el instrumento ICP-MS consume material de muestra preparado y lo traduce en datos espectrales de masas. El procedimiento analítico real lleva algún tiempo; después de ese tiempo, el instrumento se puede cambiar para trabajar en la siguiente muestra. La serie de tales mediciones de muestra requiere que el instrumento tenga encendido con plasma, mientras que una serie de parámetros técnicos deben ser estables para que los resultados obtenidos tengan una interpretación precisa y factible. El mantenimiento del plasma requiere un suministro constante de gas portador (generalmente, argón puro) y un mayor consumo de energía del instrumento. Cuando estos costos de funcionamiento adicionales no se consideran justificados, el plasma y la mayoría de los sistemas auxiliares se pueden apagar. En tal modo de espera, solo las bombas funcionan para mantener el vacío adecuado en el espectrómetro de masas.
Los componentes del instrumento ICP-MS están diseñados para permitir un funcionamiento reproducible y / o estable.
Introducción de muestra
El primer paso del análisis es la introducción de la muestra. Esto se ha logrado en ICP-MS a través de una variedad de medios.
El método más común es el uso de nebulizadores analíticos . El nebulizador convierte los líquidos en un aerosol, y ese aerosol se puede barrer al plasma para crear los iones. Los nebulizadores funcionan mejor con muestras líquidas simples (es decir, soluciones). Sin embargo, ha habido casos de su uso con materiales más complejos como una lechada . Se han acoplado muchas variedades de nebulizadores a ICP-MS, incluidos los tipos neumáticos, de flujo cruzado, Babington, ultrasónicos y desolvantes. El aerosol generado a menudo se trata para limitarlo a solo las gotas más pequeñas, comúnmente por medio de una cámara de rociado ciclónica o de doble paso refrigerada por Peltier. El uso de muestreadores automáticos hace que esto sea más fácil y rápido, especialmente para trabajos de rutina y una gran cantidad de muestras. También se puede usar un nebulizador desolvante (DSN); esto utiliza un capilar largo calentado, recubierto con una membrana de fluoropolímero, para eliminar la mayor parte del solvente y reducir la carga en el plasma. Los sistemas de introducción de extracción de matriz se utilizan a veces para muestras, como el agua de mar, donde las especies de interés se encuentran en niveles de trazas y están rodeadas de contaminantes mucho más abundantes.
La ablación con láser es otro método. Si bien es menos común en el pasado, se está volviendo rápidamente popular y se ha utilizado como un medio de introducción de muestras, gracias al aumento de las velocidades de escaneo ICP-MS. En este método, un láser UV pulsado se enfoca en la muestra y crea una columna de material ablacionado que se puede barrer en el plasma. Esto permite a los geoquímicos mapear espacialmente la composición de isótopos en secciones transversales de muestras de roca, una herramienta que se pierde si la roca se digiere y se introduce como una muestra líquida. Los láseres para esta tarea están construidos para tener salidas de potencia altamente controlables y distribuciones de potencia radiales uniformes, para producir cráteres de fondo plano y de un diámetro y profundidad seleccionados.
Tanto para los nebulizadores de ablación con láser como para los de desolvatación, también se puede introducir un pequeño flujo de nitrógeno en el flujo de argón. El nitrógeno existe como un dímero, por lo que tiene más modos de vibración y es más eficiente para recibir energía de la bobina de RF alrededor de la antorcha.
También se utilizan otros métodos de introducción de muestras. La vaporización electrotérmica (ETV) y la vaporización con soplete (ITV) utilizan superficies calientes (grafito o metal, generalmente) para vaporizar las muestras para su introducción. Estos pueden usar cantidades muy pequeñas de líquidos, sólidos o lechadas. También se conocen otros métodos como la generación de vapor.
Antorcha de plasma
El plasma utilizado en un ICP-MS se elabora ionizando parcialmente gas argón (Ar → Ar + + e - ). La energía requerida para esta reacción se obtiene pulsando una corriente eléctrica alterna en la bobina de carga que rodea la antorcha de plasma con un flujo de gas argón.
Después de inyectar la muestra, la temperatura extrema del plasma hace que la muestra se separe en átomos individuales (atomización). A continuación, el plasma ioniza estos átomos (M → M + + e - ) para que puedan ser detectados por el espectrómetro de masas.
Un plasma acoplado inductivamente (ICP) para espectrometría se sostiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente hechos de cuarzo. Los dos diseños principales son las antorchas Fassel y Greenfield. El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción alimentada con una corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (generalmente de 14 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos más externos del soplete y se aplica una chispa eléctrica durante un breve período de tiempo para introducir electrones libres en la corriente de gas. Estos electrones interactúan con el campo magnético de radiofrecuencia de la bobina de inducción y se aceleran primero en una dirección, luego en la otra, a medida que el campo cambia a alta frecuencia (generalmente 27,12 MHz o 40 MHz ). Los electrones acelerados chocan con los átomos de argón y, a veces, una colisión hace que un átomo de argón se separe de uno de sus electrones. El electrón liberado es a su vez acelerado por el campo magnético que cambia rápidamente. El proceso continúa hasta que la tasa de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la tasa de recombinación de electrones con iones de argón (átomos que han perdido un electrón). Esto produce una "bola de fuego" que consiste principalmente en átomos de argón con una fracción bastante pequeña de electrones e iones de argón libres.
Ventaja del argón
Hacer el plasma a partir de argón, en lugar de otros gases, tiene varias ventajas. Primero, el argón es abundante (en la atmósfera, como resultado de la desintegración radiactiva del potasio ) y, por lo tanto, más barato que otros gases nobles . El argón también tiene un potencial de primera ionización más alto que todos los demás elementos, excepto He , F y Ne . Debido a esta alta energía de ionización, la reacción (Ar + + e - → Ar) es energéticamente más favorable que la reacción (M + + e - → M). Esto asegura que la muestra permanezca ionizada (como M + ) para que el espectrómetro de masas pueda detectarla.
El argón se puede comprar para usar con el ICP-MS en forma líquida o gaseosa refrigerada. Sin embargo, es importante tener en cuenta que cualquiera que sea la forma de argón comprada, debe tener una pureza garantizada de 99,9% de argón como mínimo. Es importante determinar qué tipo de argón será el más adecuado para la situación específica. El argón líquido es típicamente más barato y se puede almacenar en mayor cantidad en comparación con la forma gaseosa, que es más cara y ocupa más espacio en el tanque. Si el instrumento se encuentra en un entorno en el que se usa con poca frecuencia, entonces comprar argón en estado de gas será lo más apropiado, ya que será más que suficiente para adaptarse a tiempos de funcionamiento más pequeños y el gas en el cilindro permanecerá estable durante períodos de tiempo más largos. mientras que el argón líquido sufrirá pérdidas para el medio ambiente debido a la ventilación del tanque cuando se almacena durante períodos de tiempo prolongados. Sin embargo, si el ICP-MS se va a utilizar de forma rutinaria y está encendido y funcionando durante ocho horas o más cada día durante varios días a la semana, entonces lo más adecuado será utilizar argón líquido. Si va a haber varios instrumentos ICP-MS funcionando durante largos períodos de tiempo, lo más probable es que sea beneficioso para el laboratorio instalar un tanque de argón a granel o microgranel que será mantenido por una empresa de suministro de gas, eliminando así la necesidad para cambiar los tanques con frecuencia, así como para minimizar la pérdida de argón que queda en cada tanque usado, así como el tiempo de inactividad para el cambio de tanque.
El helio puede usarse en lugar de argón o mezclado con él para la generación de plasma. La mayor energía de primera ionización del helio permite una mayor ionización y, por lo tanto, una mayor sensibilidad para los elementos difíciles de ionizar. El uso de helio puro también evita las interreferencias basadas en argón como ArO. Sin embargo, muchas de las interferencias pueden mitigarse mediante el uso de una celda de colisión , y el mayor costo del helio ha impedido su uso en ICP-MS comerciales.
Transferencia de iones al vacío
El gas portador se envía a través del canal central hacia el plasma muy caliente. Luego, la muestra se expone a radiofrecuencia que convierte el gas en plasma . La alta temperatura del plasma es suficiente para provocar que una gran parte de la muestra forme iones. Esta fracción de ionización puede acercarse al 100% para algunos elementos (por ejemplo, sodio), pero esto depende del potencial de ionización. Una fracción de los iones formados pasa a través de un orificio de ~ 1 mm (cono de muestreo) y luego un orificio de ~ 0,4 mm (cono de espumado). El objetivo es permitir el vacío que requiere el espectrómetro de masas .
El vacío es creado y mantenido por una serie de bombas. La primera etapa generalmente se basa en una bomba de desbaste, más comúnmente una bomba de paletas rotativas estándar. Esto elimina la mayor parte del gas y generalmente alcanza una presión de alrededor de 133 Pa. Las etapas posteriores tienen su vacío generado por sistemas de vacío más potentes, la mayoría de las veces bombas turbomoleculares. Los instrumentos más antiguos pueden haber usado bombas de difusión de aceite para regiones de alto vacío.
Óptica de iones
Antes de la separación de masas, debe extraerse un haz de iones positivos del plasma y concentrarse en el analizador de masas. Es importante separar los iones de los fotones UV, los neutros energéticos y de cualquier partícula sólida que pueda haber sido transportada al instrumento desde el ICP. Tradicionalmente, los instrumentos ICP-MS han utilizado disposiciones de lentes de iones transmisores para este propósito. Los ejemplos incluyen la lente Einzel, la lente Barrel, la lente Omega de Agilent y la Shadow Stop de Perkin-Elmer. Otro enfoque consiste en utilizar guías de iones (cuadrupolos, hexapolos o pulpos) para guiar los iones hacia el analizador de masas a lo largo de un camino que se aleja de la trayectoria de los fotones o partículas neutras. Otro enfoque más es el patentado por Varian utilizado por Analytik Jena ICP-MS 90 grados que reflejan la óptica parabólica "Ion Mirror", que se afirma que proporciona un transporte de iones más eficiente al analizador de masas, lo que resulta en una mejor sensibilidad y un fondo reducido. Analytik Jena ICP-MS PQMS es el instrumento más sensible del mercado.
Un sector ICP-MS normalmente tendrá cuatro secciones: una región de aceleración de extracción, lentes de dirección, un sector electrostático y un sector magnético. La primera región toma iones del plasma y los acelera usando un alto voltaje. Los segundos usos pueden usar una combinación de placas paralelas, anillos, cuadripolos, hexapolos y pulpos para dirigir, dar forma y enfocar el haz de manera que los picos resultantes sean simétricos, planos y tengan alta transmisión. El sector electrostático puede estar antes o después del sector magnético dependiendo del instrumento en particular, y reduce la propagación de la energía cinética causada por el plasma. Esta extensión es particularmente grande para ICP-MS, siendo más grande que Glow Discharge y mucho más grande que TIMS. La geometría del instrumento se elige de modo que el instrumento, el punto focal combinado de los sectores electrostático y magnético, esté en el colector, conocido como Double Focussing (o Double Focussing).
Si la masa de interés tiene una sensibilidad baja y está justo por debajo de un pico mucho más grande, la cola de masa baja de este pico más grande puede inmiscuirse en la masa de interés. Se puede utilizar un filtro de retardo para reducir esta cola. Este se encuentra cerca del colector y aplica un voltaje igual pero opuesto al voltaje de aceleración; Cualquier ión que haya perdido energía mientras volaba alrededor del instrumento será desacelerado para descansar junto al filtro.
Celda de reacción de colisión e iCRC
La celda de colisión / reacción se utiliza para eliminar los iones que interfieren mediante reacciones iónicas / neutras. Las células de colisión / reacción se conocen con varios nombres. La celda de reacción dinámica está ubicada antes del cuadrupolo en el dispositivo ICP-MS. La cámara tiene un cuadrupolo y se puede llenar con gases de reacción (o colisión) ( amoniaco , metano , oxígeno o hidrógeno ), con un tipo de gas a la vez o una mezcla de dos de ellos, que reacciona con la muestra introducida, eliminando algunos de la interferencia.
La reacción de la pila colisional integrado (CICR) utilizado por Analytik Jena ICP-MS es una célula mini-colisión instalado delante de la óptica de espejo ion parabólicos que elimina interferir iones mediante la inyección de un gas de colisión (He), o un gas reactivo (H 2 ), o una mezcla de los dos, directamente en el plasma a medida que fluye a través del cono skimmer y / o el cono muestreador. El iCRC eliminó los iones interferentes mediante un fenómeno de discriminación de energía cinética por colisión (KED) y reacciones químicas con iones interferentes de forma similar a las células de colisión más grandes utilizadas tradicionalmente.
Mantenimiento de rutina
Al igual que con cualquier pieza de instrumentación o equipo, hay muchos aspectos del mantenimiento que deben incluirse en los procedimientos diarios, semanales y anuales. La frecuencia de mantenimiento suele estar determinada por el volumen de la muestra y el tiempo de funcionamiento acumulado al que está sometido el instrumento.
Una de las primeras cosas que debe llevarse a cabo antes de la calibración del ICP-MS es una verificación y optimización de la sensibilidad. Esto asegura que el operador esté al tanto de cualquier posible problema con el instrumento y, de ser así, puede solucionarlo antes de comenzar una calibración. Los indicadores típicos de sensibilidad son los niveles de rodio, las proporciones de cerio / óxido y los blancos de agua desionizada.
Una de las formas más frecuentes de mantenimiento de rutina es reemplazar la muestra y los tubos de desecho en la bomba peristáltica, ya que estos tubos pueden desgastarse con bastante rapidez y dar como resultado agujeros y obstrucciones en la línea de muestra, lo que da como resultado resultados sesgados. Otras partes que necesitarán limpieza y / o reemplazo regulares son puntas de muestra, puntas de nebulizador, conos de muestra, conos de skimmer, tubos de inyectores, sopletes y lentes. También puede ser necesario cambiar el aceite en la bomba de desbaste de interfaz así como en la bomba de respaldo de vacío, dependiendo de la carga de trabajo puesta en el instrumento.
preparación de la muestra
Para la mayoría de los métodos clínicos que utilizan ICP-MS, existe un proceso de preparación de muestras relativamente simple y rápido. El componente principal de la muestra es un patrón interno, que también sirve como diluyente. Este patrón interno consiste principalmente en agua desionizada , con ácido nítrico o clorhídrico e indio y / o galio. Dependiendo del tipo de muestra, generalmente se agregan 5 ml del estándar interno a un tubo de ensayo junto con 10 a 500 microlitros de muestra. Luego, esta mezcla se agita con vórtex durante varios segundos o hasta que se mezcle bien y luego se carga en la bandeja del muestreador automático. Para otras aplicaciones que pueden involucrar muestras muy viscosas o muestras que tienen material particulado, es posible que deba llevarse a cabo un proceso conocido como digestión de muestras, antes de que pueda pipetearse y analizarse. Esto agrega un primer paso adicional al proceso anterior y, por lo tanto, hace que la preparación de la muestra sea más larga.