Anwendung
3-1 Infinitesimal-Konzentrationsanalyse
Ein Problem bei der ICP-MS ist die spektrale Interferenz, die auftritt, wenn sich die Spektren von Ionen oder Molekülionen mit der gleichen Massenzahl wie das Ziel-Element überschneiden und stören. Spektrale Interferenzen können wie folgt kategorisiert werden:
Vor allem im Fall von 1., wo Argon (Ar), das im Plasmagas enthalten ist, eine Hauptursache ist, interferiert es gleichmäßig mit jeder Probe. Dementsprechend wird die Messung von Elementen, die durch Ar-Molekülionen gestört werden, unter hohen Hintergrundbedingungen durchgeführt, was Messungen von infinitesimalen Konzentrationen extrem schwierig macht.
Tabelle 1: Die wichtigsten Ar-Molekülionen
Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Elemente, die von Argon-Molekülionen betroffen sind. K, Ca und Fe sind besonders betroffen, da die Ar-Molekülionenwerte für diese Elemente im Bereich von einigen Dutzend bis einigen Hundert ppb liegen, wenn man sie in die Konzentration für jedes Element umrechnet, und eine Analyse nach ppt-Regeln unter diesen Bedingungen fast unmöglich ist. Die Cool-Plasma-Messung befasst sich mit dem Problem der infinitesimalen Konzentrationsanalyse für Elemente, die von Ar-Molekularionen betroffen sind. Wie der Name schon sagt, bezieht sich „Cool Plasma“ auf die niedrigere Temperatur des Plasmas als normal. Ar-Molekülionen können in einem kühlen Plasmazustand nur schwer erzeugt werden, und der Hintergrund wird so gering wie möglich. Infolgedessen verbessert sich die untere Nachweisgrenze. Abbildung 2 zeigt die Nachweisgrenze (DL) und die Hintergrund-Äquivalentkonzentration (BEC) unter kühlen Plasmabedingungen. Der Hintergrund wird auf 1 ppt oder weniger reduziert, wodurch eine Analyse nach ppt möglich wird.
| Element | Massenzahl | DL(ppt) | BEC(ppt) |
|---|---|---|---|
| Na | 23 | 0.05 | 0.07 |
| Al | 27 | 0.05 | 0.03 |
| K | 39 | 0.18 | 0.57 |
| Ca | 40 | 0.19 | 0.71 |
| Fe | 56 | 0.28 | 0.54 |
| Cu | 63 | 0.09 | 0.08 |
DL: Concentration calculated by multiplying the repeated measurement result of the blank by 3
BEC: The blank value converted to concentration
Chart 2: Detection Limit and Background with Cool Plasma
3-2 Application in Environmental Sample Measurement
Environmental samples such as stream water and lake water contain many matrix components in addition to the measured elements. Therefore, many problems occur when measuring these matrix components with ICP-MS.
One is the spectral interference mentioned in the Cool Plasma description. Ein kühles Plasma kann die Molekülionen des Argonursprungs reduzieren, erhöht aber gleichzeitig die Molekülionen der in der Probe enthaltenen Elemente. Außerdem kann es wegen des starken Desensibilisierungseffekts durch die Matrix praktisch nicht für Umweltproben verwendet werden. Daher muss die spektrale Interferenz mit anderen Methoden reduziert werden. Es gibt verschiedene Formen von Molekül-Ionen, und Molekül-Ionen von Oxiden haben eine besonders große Wirkung. Ein großer Prozentsatz der Oxidionen wird aus dem Sauerstoff des in der Probe enthaltenen Wassers (H2O) gebildet. Daher kann eine Verringerung des Wassergehalts einer Probe die Produktion von Oxiden erheblich verringern. Auch die Plasmabedingungen und die Form der Probenahmeschnittstelle in der Vakuumeinheit können die Produktionsrate von Oxiden drastisch verändern, so dass eine Optimierung dieser Bedingungen die Produktion von Oxiden verringern kann.
SPQ9000 verwendet einen Spurenmengenzerstäuber (senkt den Wassergehalt), eine Sprühkammerkühlung (führt Wasser ab), einen Plasmabrenner für Umweltproben (stellt die Plasmabedingungen so ein, dass die Produktion von Ionen erschwert wird) und Kegel für Umweltproben (verringert die Produktion von Molekülionen), um Messungen mit geringen spektralen Störungen zu ermöglichen.
Abbildung 3: Flusswasseranalyse
Abbildung 3 zeigt eine Standardflusswassermessung, die von der Japan Society for Analytical Chemistry angeboten wird
3-3 Kombination mit Chromatographie
Gefährliche Elemente wie Arsen, Chrom und Brom haben je nach ihrer chemischen Form eine unterschiedliche Toxizität. Die Messung mit ICP-MS kann nur Informationen über die Gesamtkonzentration, nicht aber über die Toxizität liefern. In letzter Zeit haben Techniken, bei denen ICP-MS mit Chromatographiegeräten wie Ionenchromatographie (IC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) kombiniert wird, an Bedeutung gewonnen. In diesen Fällen wird die ICP-MS als Detektor für die Chromatographiegeräte verwendet, was eine höhere Empfindlichkeit als bei der Verwendung von Chromatographiegeräten allein ermöglicht. Hier stellen wir ein Beispiel für die gleichzeitige Analyse von Bromat- und Bromionen in Leitungswasser vor, bei der eine Kombination mit IC verwendet wird.
Bromionen selbst sind nicht gefährlich, aber wenn Leitungswasser durch Ozonbehandlung desinfiziert wird, entsteht ein Nebenprodukt, das Bromat-Ion. Bromat-Ionen sind gefährlich, daher ist es wichtig zu bestimmen, wie viel Brom in Form von Bromat-Ionen enthalten ist. Als IC wurde das DX-500 der Dionex Corporation verwendet.
Abbildung 2 zeigt die Messergebnisse von Brom- und Bromat-Ionen, wenn ICP-MS mit IC kombiniert wird.
Abbildung 2: Measurement Results of Bromic and Bromate Ions When Combined with IC
| IC | IC+ICP-MS | IC+ICP-MS | |
|---|---|---|---|
| Injection Rate (µL) | 200 | 200 | 500 |
| Bromic Ions | 0.8 | 0.09 | 0.02 |
| Bromate Ions | 0.5 | 0.11 | 0.02 |
unit: µg/L
* Detection in IC technique using conductivity detection.
Chart 4: Detection Limit When IC and ICP-MS Are Connected
When the injection rate was increased to 500uL, the detection limit was over 20 times better when compared to using IC alone.