Масс спектрометры с двойной фокусировкой в масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой


Double-Focusing Mass Spectrometers in ICP-MS

Luc Moens, Ghent university (Belgium), Norbert Jakubowski, Institute fur Spektroschemie und angewandte Spectroskopie (Germany)

Перевод статьи из Analytical News & Features, April 1, 1998

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP/MS, ИСП/МС) развилась в один из наиболее успешных методов в атомной спектроскопии благодаря высокой чувствительности и возможности выполнения многоэлементного анализа. Тем не менее, с самых первых дней существования ИСП/МС Ахилесовой пятой этого метода было большое количество спектроскопических и неспектроскопических интерференций, которые лимитировали его аналитическтие достоинства.

Рассматривались многие методики понижения влияния этих интерференций, однако, ни одна из них не была способна решить проблему целиком. Все эти методики были ограничены воздействием на некоторые специфические интерференции или были приложимы только к ограниченному выбору элементов. Единственным общим методом преодоления ограничений, вызванных спектроскопическими интерференциями, является масс-спектрометрия высокого разрешения, которая с необходимостью требует использования приборов с двойной фокусировкой, комбинирующих магнитный и электростатический анализаторы. Этим определяется их основное отличие от приборов низкого разрешения, которые обходятся более дешовым и простым квадрупольным анализатором.

Хотя ИСП/МС приборы высокого разрешения появились на рынке аналитического оборудования с 1988 года, они не были широко приняты из-за их высокой стоимости. Относительно недавно цены на это оборудование значительно снизились с появлением приборов второго поколения. Великолепные характеристики этих приборов придали значительный импульс развитию аналитических приложений масс-спектрометрии высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой, что нашло отражение в увеличивающемся количестве публикаций.

Спектроскопические интерференции

С момента начала использования индуктивно-связанной плазмы для элементного анализа. этот метод ионизации развился в самый успешный из всех используемых. В начале он использовался как метод возбуждения в сочетании с эмиссионной спектроскопией. В последние 15 лет он широко используется в качестве источника ионов для масс-спектрометрии. Определенные технические проблемы, связанные с отбором ионов из плазмы, были успешно решены и комбинация источника с индуктивно-связанной плазмой и масс-спектрометра начала широко распространяться.

В индуктивно-связанной плазме ионы генерируются при атмосферном давлении, в то время как масс-спектрометр работает при давлении меньше чем 10-5 мБар. Между ИСП и МС используется интерфейс в виде «узкого горла», с помощью которого вытягиваются ионы из плазмы и осуществляется перепад давлений. В начале развития ИСП/МС в каечтве интерфейса просто использовалось вытянутое носиком отверстие диаметром всего 50-70 мкм, охлаждаемое водой. Проблема, связанная с такой конструкцией заключалась в том, что холодные пограничные слои впереди конуса способствовали генерации большого количества посторонних ионов. Эту проблему удалось преодолеть путем увеличения диаметра входного отверстия до 1 мм, что отодвигало пограничные слои и ионы напрямую входили в масс-спектрометр из плазмы. Эта методика известна как непрерывный отбор образца и, следовательно, конус называется конус образца.

Поскольку поток газа через этот конус образца намного больше, чем было ранее при использовании отверстий с меньшим диаметром, давление следует понижать путем использования дифференциальной вакуумной откачки в две или более стадий. По этой причине на пути потока газа был установлен второй конус и пространство между этим конусом и конусом образца откачивается форвакуумным насосом с высокой скоростью откачки. Поскольку существует большой перепад давлений между источником индуктивно-связанной плазмы и первой стадией откачки, ионы засасываются в в пространство интерфейса и ускоряются до сверхзвуковых скоростей.

Для того, чтобы избежать турбуленции на втором конусе, он выполняется с острыми краями для «срезания» (скимирования) ионов из сверхзвукового пучка и, следовательно, этот конус получил название «скимерный». Конструкция, состоящая из конуса образца и скимерного конуса с диаметрами около 1 мм получила название «интерфейс (рис. 1). Создание интерфейса означало прорыв в ИСП/МС технологии, обеспечивший более эффективную экстракцию ионов, улучшив пропускание ионов, а, следовательно, чувствительность метода, и снизив спектральные интерференции более чем на порядок по величине. Тем не менее, спектральные интерференции все еще оставались одним из главных ограничений метода элементного анализа.

Рис. 1. Упрощенная схема масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой:
1 — ИСП источник ионов; 2 — интерфейс с конусом образца и скимерным конусом; 3 — передающая и фокусирующая оптика; 4 — фокусировка пучка ионов и ускорение; 5 — входная щель; 6 — электромагнит; 7 — электростатический сектор; 8 — выходная щель; 9 — конверсионный динод; 10 — электронный умножитель

Спектроскопические интерференции вызываются атомными или молекулярными ионами, имеющими такую же номинальную массу, что и изотоп анализируемого элемента. Результирующий интерферирующий сигнал может исказить или полностью перекрыть истиный аналитический сигнал, таким образом, точность определения, равно как и предел обнаружения элемента, значительно ухудшается. источников, из которых происходят интерференции, множество. До сих пор не существует общепринятой модели для объяснения всех факторов, вносящих свой вклад в интерференции, но тот факт, что интерфейс играет большую роль в появлении молекулярных интерференций, признается практически всеми.

Спектроскопические интерференции могут быть подразделены на изобарные атомные ионы, многозарядные ионы, наложения больших сигналов и полиатомные ионы различного происхождения. Изобарные наложения существуют вследствие того, что изотопы различных элементов совпадают по их номинальной массе. Для каждого элемента, за исключением индия, может быть найден по крайней мере один изотоп, свободный от изобарного наложения, но беда в том, что эти изотопы не являются наиболее интенсивными. Многозарядные ионы располагаются в масс-спектре в соответствии с значением m/z. Вклад в масс-спектр дают, главным образом, двухзарядные ионы основных компонентов матрицы и многозарядные ионы, образующиеся в процессах перезарядки с участием аргона. Сигналы соседних ионов с очень большой интенсивностью, например, происходящих от элементов матрицы, вносят значительные искажения в аналитический сигнал за счет наложения хвостов на соседние пики тогда, когда изотопическая чувствительность недостаточна. Полиатомные ионы могут состоять из атомов аргона и его примесей плюс компоненты растворителя и матрицы.

Из всех этих различных групп спектроскопических интерференций полиатомные ионы создают наиболее серьезные проблемы. Интерференции полиатомных ионов может вызываться самим анализируемым образцом. Например, оксиды могут остаться неразрушенными после прохождения через горячую зону плазмы вследствие того, что энергии разрыва их связей очень велики. Они могут быть внесены как примеси в процессах химической подготовки пробы или из газа плазмы и воздуха, захватываемого плазмой. В принципе, спектроскопические интерференции этого типа могут быть отделены от анализируемого изотопа при использовании масс-спектрометрии высокого разрешения.

Разрешение

Можно ли отделить интерференции от аналитического сигнала зависит от разности их масс и разрешения прибора. Разрешение по массам R, вообще, определяется как m/Dm, гдеDm разность масс, необходимая для достижения впадины на 10 % высоте пика между двумя соседними пиками одинаковой интесивности на массе m и массе m + Dm.

Поскольку интенсивности соседних пиков редко бывают одинаковыми, альтернативное определение разрешения оказывается намного более полезным. По этому определению Dmсчитается как ширина пика в точке его профиля, которая соответствует 5 % его высоты. Этот подход приводит к тем же результатам, что и первое определение разрешения по 10%. Необходимо подчеркнуть, что в общем случае теоретическая величина является только приблизительной оценкой с занижением необходимого разрешения для отделения двух пиков, поскольку в большинстве случаев интенсивности интерферирующих сигналов превышают интенсивности анализируемых пиков по величине на порядки.

Типичные примеры спектроскопических интерференций приведены в таблице 1. Один из наиболее дискутируемых примеров спектральной интерференции это 56Fe и 40Ar16O+. Последний ион происходит вследствие взаимодействия аргона с кислородом, содержащемся в растворителе. В этом примере в качестве альтернативы для измерения железа можно воспользоваться изотопами 54Fe, 57Fe и 58Fe, но на 58Fe накладывается изобарная интерференция от изотопа 58Ni. В тоже время существуют другие интерференции, такие как40Ar14N+ или 40Ar16O1H+, что оставляет лучший альтернативный выбор за 57Fe. Однако, его природная распространенность всего 2.2 % и предел обнаружения для данного элемента по этому изотопу при использовании прибора низкого разрешения очень плох. При этом, разрешение менее чем 2500 достаточно для того, чтобы отделить спектральные интерференции от анализируемого изотопа на массе m/z 56.

Еще более проблематичным является анализ 75As в том случае, когда хлор присутсвует в анализируемом образце. Мышьяк является моноизотопным элементом, никакого альтернативного изотопа нельзя выбрать для проведения измерений, а необходимое для отстройки от интерференции разрешение должно быть увеличено до 7800, что реально лежит на верхнем коце шкалы разрешения, показанной в таблице 1 . Однако, разрешение 3000 оказывается достаточным для того, чтобы освободиться от 90 % случаев интерференций, вызванных полиатомными ионами. Коммерческие приборы высокого разрешения имеет максимальное разрешение в диапазоне от 7500 до 12,000, так что от большинства интерференций, приведенных в таблице 1 можно освободиться.

Тем не менее, высокое масс-спектральное разрешения не панацея от всех типов спектроскопических интерференций. Большинство изобарных интерференций не может быть разрешено с использованием коммерчески доступных приборов. Например, 58Fe, 58Ni и некоторые полиатомные соединения с аргоном, оксиды и гидриды требуют разрешения, которое лежит на самом пределе технически осуществимого сегодня или такого, которое вообще не может быть получено.

Приборы с двойной фокусировкой

Высокое масс-спектральное разрешение обычно достигается на приборах с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Эти приборы имеет даже более древнюю традицию в масс-спектрометрии чем квадрупольные, но технически они являются более изощренными и, следовательно, стоят дороже. Сердцем прибора с двойной фокусировкой является магнит. Если ионы, имеющие одинаковую энергию, но различающиеся по массам, входят в магнитное поле перпендикулярно его направлению, они пролетают через это поле круговым траекториям под действием силы Лоренца. Радиусы их траекторий зависят от массы иона, что ведет к дисперсии по массам.

Если пучок ионов проходит через щель с определенным углом, то фокус этого пучка лежит позади магнитного поля. Разделение по массам может быть реализовано путем помещения щели позади магнитного поля в точке фокуса, что приведет к четко определенным радиусам и вобору специфической массы. Уменьшение ширины щели может быть использовано для увеличения масс-спектрального разрешения, но только в том случае, если ионы являются моноэнергетичными, поскольку любое распределение по энергиям будет ухудшать разрешение. С этой точки зрения индуктивно-связанная плазма не является идеальным методом ионизации. Распределение ионов по энергием является слишким широким для того, чтобы быть приемлемым для работы магнитного масс-спектрометра в режиме высокого разрешения.

Для того, чтобы достичь высокого разрешения используется дисперсия энергии электрического поля, в точности компенсирующая дисперсию энергии магнита так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и электростатический анализаторы обладают свойством углового фокусирования и их комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам и по энергиям. По этой причине масс-спектрометры с такими анализаторами называют приборами с двойной фокусировкой.

Возможны различные типы геометрии при комбинировании электрического и магнитного анализаторов. Последовательность магнитного и электростатического анализаторов может быть взаимно-противоположной. Традиционно, электростатический анализатор помещался перед магнитом. Электростатический анализатор с отклонением 90о комбинировался с магнитным с отклонением 60о, что широко известно как геометрия Нира-Джонсона. В современных приборах используется так называемая «обратная геометрия» Нира-Джонсона с электростатическим анализатором позади магнитного, что рассматривается более выигрышным, поскольку большой ионный ток из источника сначала понижается магнитным анализатором и только потом выбранные им ионы подвергаются последовательному анализу по энергиям. Эта конфигурация помогает улучшать изотопическую чувствительность и снижать шумы.

При обычной геометрии геометрии анализаторов условия двойной фокусировки достигаются только в одной точке, там где помещена выходная щель. Разработаны некоторые специальные конфигурации, в которых гарантируется двойная фркусировка в во всей плоскости. Такие конфигурации используются для одновременного определения ионов на фотопластинах или в многоколлекторных приборах. Конфигурация с несколькими коллекторами Фарадея особенно выигрышна для высокопрецезионного анализа изотопных отношений, поскольку все изотопы элемента могут быть измерены одновременно. Следовательно, точность измерения не лимитируется флуктуациями в источнике, зависящими от времени. Точные изотопные измерения на приборах с двойной фокусировкой имеют ряд важнейших приложений, например, для датирования геологических образцов или измерений изотопного состава на ядерных станциях и т.д.

Схема масс-спектрометра высокого разрешения с ионизацией в индуктивно-связанной плазме показана на рис. 1. Источник ионов, интерфейс для их отбора, система линз ионной оптики необходимы в этом приборе так же как и в стандартном квадрупольном приборе низкого разрешения. Основное отличие лежит в необходимости применения ускоряющего напряжения до 8000 В. специальная система линз формирует пучок ионов и фокусирует его в масс-анализатор.

Результирующая искривленная геометрия прибора с двойной фокусировкой обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с прямой геометрией квадруполей, поскольку гарантирует высокую трансмиссию и низкий уровень шумов. В случае квадрупольных масс-спектрометров приходится применять системы линз для введения потенциала смещения и устройства для остановки фотонов, что неизбежно приводит к потерям ионов при трансмиссии. По этой причине максимальные чувствительности, достижимые на приборах низкого разрешения составляют 109 отсчетов в секунду на 1 мкг/мл, а шум 0.1 отсчетов в секунду. Понижение шумов и улучшение чувствительности может улучшить величины пределов обнаружения на порядки, даже тогда, когда прибор работает в режиме низкого разрешения.

Следует упомянуть о некоторых особенностях приборов с двойной фокусировкой. Прежде всего, форма пиков выглядит иначе. Квадруполи работают с постоянной шириной пиков и, следовательно, с линейным возрастанием разрешения по диапазону масс. В приборах с двойной фокусировкой для постоянного разрешения должна поддерживаться постоянная величина фиксированной щели и, следовательно, абсолютная ширина пика возрастает с ростом массы. При нормальных установках разрешения пики имеют трапециидальную форму с узкой плоской вершиной на низких массах и более широкой на высоких. Скорость сканирования, с которой масс-спектрометр записывает сигнал, ниже, даже в современных приборах с ламинированными магнитами, поскольку требуется больше времени для достижения условий стабильного магнитного поля. Это лимитирует число изотопов, которые могут быть измерены при исследованиях с применением специальных систем ввода пробы, таких как лазерная абляция.

Естественно, важным достижением масс-спектрометров с двойной фокусировкой является высокой масс-спектральное разрешение. Увеличение разрешения ведет к уменьшению ширины пика. Интерферирующие молекулы могут быть отделены от анализируемого изотопа без принесения в жертву чувствительности. Необходимо отметить, что увеличение разрешения от 400 до 4000 ведет к уменьшению чувствительности приблизительно на порядок. Но даже в этом случае, пределы обнаружения лучше чем для квадрупольных масс-спектрометров на порядки по величине.

Применения

Доступность ИСП приборов с двойной фокусировкой не только упростила проведение исследований, требующих более высокой разделительной способности и чувствительности, но и вызвало использование новых применений. Наиболее существенные достижения это освобождение от ряда спектральных интерференций, улучшение пределов обнаружения и возможность проводить довольно точные изотопные измерения. В таблице 2 приводятся выборка некоторых применений в биологии, геологии, исследовании объектов окружающей среды, сверхчистых материалов и долгоживущих радиоизотопов.

Измерение изотопных отношений с помощью квадрупольных масс-спектрометров с индуктивно-связанной плазмой обычно характеризуется точностью 0.1 — 1 % (Среднеквадратичная ошибка по 10 измерениям) для элементов, присутствующих в образце в достаточно высоких концентрациях. ИСП масс-спектрометры с двойной фокусировкой точность измерения изотопных отношений может быть улучшена до 0,05 — 0,2 %. При использовании вместо одноколлекторной системы детектирования многоколлекторной, точность может быть значительно улучшена до уровня, сравнимого с термо-ионизационной масс-спектрометрией.

Великолепные характеристики ИСП масс-спектрометров с двойной фокусировкой были продемонстрированы в целом ряде работ. Например, измерение изотопного состава свинца при концентрации 426 ppm в стандртном стекле NIST 610 при шести независимых измерениях, выполнявшихся в течение шести дней. Каждое измерение базировалось на 12 точках абляции, каждая абляция занимала 5 секунд, во время которых 40 лазерных импульсов выжигали кратер 40 мкм диаметром и 60-80 мкм глубиной. Результаты находятся в хорошем согласии с данными, полученными термоионизационной масс-спектрометрией на том же материале. Учитывая простоту использования лазерной абляции в сочетании с ИСП/МС и малое время подготовки пробы по сравнению с необходимым в термоионизационной масс-спектрометрии, преимущества этого метода очевидны.

При анализе плазмы человеческой крови в дополнение к полиатомным интерференциям, о которых говорилось ранее, возникает еще множество молекулярных ионов, базирующихся на соединениях и элементах в больших концентрациях присутствующих в образце, таких как углерод, натрий, сера, фосфор, хлор и калий. В таблице 3 приведены некоторые из этих интерференций. При использовании адекватной подготовки пробы и методов калибровки многие, но далеко не все, интерференции могут быть либо обойдены, либо скорректированы.

При разрешении 3000 или более большинство элементов могут быть измерены совершенно свободно без спектрального перекрывания с интерферирующими сигналами. Рисунок 2показывает фрагмент масс-спектра около массы 28 а.е.м. при снятии образца пятикратно разбавленной человеческой плазмы. Огромный пик СО+ четко отделен от анализируемого28Si+, благодаря чему можно точно определить концентрацию кремния.

Применение ИСП/МС высокого разрешения увеличивает число элементов, которые могут быть надежно и достоверно измерены, что демонстрируется данными в таблице 3 для анализа стандартного материала второго поколения — плазмы крови. Использование ИСП/МС высокого разрешения помогает снизить расходы и уменьшить усилия, предпринимаемые для сертификации стандартных материалов. В противном случае, требуется проводить черейзвычайно сложные и трудоемкие операции с использованием комплиментарных спектроскопических методик или нейтронно-активационного анализа. При комбинировании с методом изотопного разбавления ИСП/МС высокого разрешения может дать столь высокие точности характеризации эталонных стандартных образцов, которые недоступны никаким другим аналитическим методам и их комбинациям.

Шапка антарктического льда рассматривается как один из лучших архивных и детально сохраненных источников информации об изменениях химического состава атмосферы и, следовательно, может дать черейзвычайно ценные сведения для исследований, связанных с окружающей средой. Однако, измерение сверхследовых концентраций в льде и снеге оказалось предельно трудной задачей. Используемые для этих целей аналитические методы должны иметь очень низкие пределы обнаружения, не использовать концентрирования, характеризоваться очень малым расходом образца и давать возможность проводить многоэлементный анализ

ИСП масс-спектрометрия с двойной фокусировкой отвечает всем этим требованиям и была использована для определения элементного состава на сверхследовом уровне в образцах антарктического льда. На рис. 3 показаны концентрации кадмия, свинца и урана в снеге, взятом на глубине 10 м от поверхности. Этот слой представляет собой отложения 1968 года. Поскольку при столь низких концентрациях очень трудно избежать внесения загрязнений, образцы цилиндрической формы подразделялись на концентрические зоны. Рисунок 3показывает существенное загрязнение внешнего кольца, главным образом, за счет пробоотборного устройства. Хотя очевидно, что внешнее загрязнение мигрировало в толщу в сторону центра цилиндра, оно не достигло центральной зоны.

Точное многоэлементное определение концентраций на уровнях фемтограмм на грамм являлось беспрецендентным до появления ИСП масс-спектрометров высокого разрешения второго поколения. Простота и высокая эффективность анализа на ИСП масс-спектрометре с двойной фокусировкой открывает новые возможности реконструирования истории депозитов взвешенных воздушных частиц в Антарктике, давая импульс исследованиям в области экологии и процессов транспорта в атмосфере, что черезвычайно важно для климатических исследований.