Induktiivisesti kytketty plasmamassaspektrometria (ICP‑MS) — mitä se on?

Induktiivisesti kytketty plasmamassaspektrometria (ICP‑MS) on massaspektrometriatyyppi, joka on erittäin herkkä ja monipuolinen. Sillä voidaan havaita useita metalleja ja epämetalleja hyvin matalina pitoisuuksina, usein alle yhden osan 10⁻¹² (osa biljoonaa kohti, "ppt" eli ng/l‑tasot). Menetelmä yhdistää induktiivisesti kytketyn plasman näytteen ionisoijana (ionisaatio) ja massaspektrometrin ionien erottajana ja havaitsemismenetelmänä. Usein käytetään Argonia kantokaasuna plasman ylläpitämiseen. Laite muodostaa näytteestä aerosolipisaroita, jotka muutetaan atomeiksi ja ioneiksi plasmassa; nämä ionit ohjataan sitten massaspektrometrin korkeaan tyhjiöön pienten kartioiden (sampler‑ ja skimmer‑kartiot) kautta analysoitaviksi.

Periaate ja pääkomponentit

Näytteen sisäänvienti: Nestemäiset näytteet yleensä nebulisoidaan (nebulizer) ja aerosol keskitetään suodattimeen (spray chamber), jotta plasmassa syötetty aerosoli on tasalaatuista.
Plasma: Induktiivisesti kytketty plasma (usein ~6000–10000 K) hajottaa aerosolipisarat, atomisoi ja ionisoi alkuaineet. Argon on tavallisin kantokaasu.
Ionien poisto: Plasmasta eristetyt ionit kulkevat näytekartiosta massaspektrometrin tyhjiöön sampler‑ ja skimmer‑kartiokonfiguraation kautta.
Massan erotus ja detektio: Yleisimmät massanilmaisimet ovat kvadrupoli (nopea ja kustannustehokas), sektorikenttä (SF‑ICP‑MS, korkea massiresoluutio), aika‑lento (TOF) ja kaksivaiheiset järjestelmät (ICP‑MS/MS, triple‑quadrupole) parempaa interferenssien poistoa varten.

Interferenssit ja niiden hallinta

ICP‑MS on herkkä myös erilaisille häiriöille, jotka voivat vääristää analyysituloksia:

Isobariset interferenssit: eri alkuaineiden samanmassaiset isotoopit (esim. 58Ni ja 58Fe), joita on vaikea erottaa ilman korkeamman resoluution laitteistoa.
Polyatomiset tai adduktti‑ionit: kantokaasu‑, matriisi‑ tai reagensaationiumeista muodostuvat ionit (esim. 40Ar35Cl+ voi häiritä 75As‑määritystä).
Hapetus, oksidi‑ ja kaksinkertaiset varaukset: esimerkiksi CeO+ tai doubly‑charged ionit voivat näkyä väärällä massalla.

Interferenssejä hallitaan esimerkiksi käyttämällä collision/reaction‑solua (He, H2, O2) reaktiogaseina, valitsemalla toisista isotopiaan, käyttämällä korkean resoluution laitteistoa tai ICP‑MS/MS‑tekniikkaa, sekä optimoimalla näytteenotto‑ ja plasmaolosuhteet.

Näytteenotto ja valmistelu

Monet näytteet vaativat esikäsittelyn: happoliuotus, sulatus, mikro‑uuni‑digestio tai suodatus. Matriisi‑vaikutukset (esim. korkea suolapitoisuus) voivat vaimentaa signaalia ja vaatia laimennusta tai matriisinpoistoa. Laadunvarmistus sisältää kalibroinnin standardeilla, sisäisten standardien käytön (internal standards) ja blankkien kontrolloinnin.

Sovellukset

Ympäristöanalytiikka: raskasmetallit vesissä, maaperässä ja sedimentissä.
Elintarvike‑ ja biotutkimus: hivenaineet ja haitta‑aineet.
Geokemia ja kaivannaisteollisuus: alkuainepitoisuudet ja isotooppianalyysit.
Teollisuus ja semikonduktorit: puhtausanalyysit.
Lääketiede ja toksikologia: veri‑ ja virtsapitoisuuksien mittaukset.
Forensiikka ja arkeologia: epäpuhtauksien ja isotooppisignaalien tulkinta.
Isotooppianalyysit: esimerkiksi U‑isotooppien suhteiden määritys — tästä syystä eräisiin laitteisiin ja niiden vientiin sovelletaan sääntelyä.

Edut

Hyvä herkkyys ja alhaiset detektiorajat (usein ppt‑luokkaa eli ng/l, joidenkin alkuaineiden kohdalla vieläkin paremmat).
Nopea monialkainen määritys — useita alkuaineita samanaikaisesti.
Mahdollisuus isotooppien määritykseen ja suhteelliseen isotooppianalyysiin.

Rajoitukset ja haasteet

Matriisi‑ ja interferenssivaikutukset vaativat huolellista optimointia ja kvalitatiivisia korjauksia.
Jotkin alkuaineet tai matriisit voivat vaatia erityistoimenpiteitä tai eivät ole helposti mitattavissa ilman erityistekniikoita.
Korkealuokkaiset laitteistot (kuten SF‑ICP‑MS tai ICP‑MS/MS) ovat kalliita ja vaativat ammattitaitoista käyttöä.

Turvallisuus ja sääntely

ICP‑MS‑laitteistot käyttävät korkeaa lämpötilaa, korkeita jännitteitä ja painavia kaasuja (argonia), joten käyttöön liittyy laboratorioturvallisuusohjeet. Lisäksi jotkin instrumentit ja niiden tarkkuus isotooppimittauksissa voivat liittyä kansainväliseen vienti‑ ja tuontisääntelyyn, koska ne voivat tukea esimerkiksi ydinmateriaalien valvontaa ja analyysiä. Tästä syystä laitteiden kauppaan ja vientiin voidaan soveltaa erityisiä säännöksiä.

Laadunvarmistus

Luotettavat tulokset edellyttävät kalibrointia certifioiduilla standardeilla, sisäisten standardien käyttöä, blankkien ja kontrollinäytteiden seuranta, sekä säännöllinen huolto ja prosessien validointi. Tulosten varmistaminen voi edellyttää rinnakkaismenetelmiä tai lisätestauksia erityisesti, kun havainnot ovat hyvin matalissa pitoisuuksissa tai tulos vaikuttaa merkittävästi päätöksentekoon.

Yhteenveto: ICP‑MS on erittäin herkkä ja nopea menetelmä alkuaineiden ja isotooppien määritykseen monilla sovellusalueilla. Menetelmä vaatii kuitenkin huolellista näytteenvalmistelua, interferenssien hallintaa ja asianmukaista laadunvarmistusta, ja joissain tilanteissa korkearesoluutioinen tai monivaiheinen instrumentointi on tarpeen parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on ICP-MS?

V: ICP-MS tarkoittaa induktiivisesti kytkettyä plasman massaspektrometriaa, joka on erittäin herkkä massaspektrometriatyyppi.

K: Mitä ICP-MS voi havaita?

V: ICP-MS:llä voidaan havaita useita metalleja ja useita epämetalleja pitoisuuksina, jotka ovat alle yksi osa 1012:sta (osa biljoonaa kohti).

K: Miten ICP-MS toimii?

V: ICP-MS toimii yhdistämällä induktiivisesti kytketty plasma ionien tuottamismenetelmänä (ionisaatio) ja massaspektrometri ionien erottamis- ja havaitsemismenetelmänä.

K: Mitä kaasua käytetään yleisesti ICP-MS:n plasman kantokaasuna?

V: Argonia käytetään yleisesti kantokaasuna ICP-MS:n plasman valmistuksessa.

K: Mitkä ovat ICP-MS:n edut verrattuna atomiabsorptiotekniikkaan hivenaineanalyysissä?

V: ICP-MS:n etuja verrattuna atomiabsorptiotekniikoihin alkuaineiden hivenaineanalyysissä ovat suurempi nopeus, tarkkuus ja herkkyys.

K: Mitkä ovat ICP-MS:n rajoitukset?

V: Joitakin ICP-MS:n rajoituksia ovat muun muassa se, että menetelmä on altis häiriöille, jotka johtuvat laboratoriotarvikkeissa ja käytetyissä reagensseissa olevista epäpuhtauksista, ja jotkin analyytit eivät välttämättä toimi ICP-MS:n kanssa.

K: Mitä sääntelytoimenpiteitä ICP-MS-laitteistolle on asetettu?

V: ICP-MS-laitteistoihin sovelletaan erityisiä vientisäännöksiä, koska niiden avulla voidaan valmistaa atomipommeja.