Hmotnostn spektrometrie s indukn vzanm plazmatem ICPMS Viktor

Hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ICP-MS Viktor Kanický Laboratoř atomové spektrochemie Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita v Brně 7. Škola hmotnostní spektrometrie

ICP-MS Princip ICP iontového zdroje o Instrumentace o Analytické vlastnosti o Aplikace o

Instrumentace RF Generátor Zavádění vzorku ICP výboj Hmotnostní spektrometr Autosampler PC Detektor

Inductively Coupled Plasma Analytická zóna Elektromagnetické pole 27 MHz, 40 MHz Indukční cívka Výkon 1 -2 k. W Iniciace výboje: Ionizace jiskrou Střední plazmový p. 0 -2 L/min Ar Plazmová hlavice - křemen 3 koncentrické trubice Vnější plazmový p. 15 L/min Ar Nosný plyn s aerosolem 1 L/min Ar

Princip indukčně vázaného plazmatu ICP m vysokofrekvenční generator 27 - 64 MHz m iniciace výboje jiskrou: ionizace – elektrony urychlovány elektromagnetickým polem m lavinovitá ionizace Ar + e- Ar+ + 2 em indukční cívka, 3 -5 závitů - primární vinutí transformátoru m elektrony v plazmatu – sekundární vinutí m ICP – vnější plazmový plyn 12 -15 L/min Ar m centrálně zaváděný nosný plyn s aerosolem 0. 6 - 1 L/min

Plazmové hlavice pro generování ICP A B A - argon/argonové plazma, B – argon/dusíkové plazma. Trubice: 1 – vnější (plazmová), 2 – prostřední, 3 – injektor. 4 – indukční cívka, 5 – chladicí voda. Konfigurační faktor plazmové hlavice = a/b, kde a je vnější průměr prostřední trubice, b je vnitřní průměr vnější (plazmové) trubice. Toky plynů: A: 5 – vnější plazmový (8 -15 l/min Ar), 6 – střední plazmový (0 -1 l/min Ar), 7 – nosný (0, 5 -1, 0 l/min Ar); B: 5 – chladicí (15 -20 l/min N 2), 6 – plazmový (5 -10 l/min Ar), 7 – nosný (1 -3 l/min Ar);

Vysokofrekvenční oscilátor ICP

ICP-MS Násobič elektronů Interface Plasma Spektrometr ICP hlavice Hmotnostní filtr Turbo pumpa Vzorek Iontové čočky Mlžná komora Argon Mechan. pumpa ICP-MS PC a řídící elektronika RF generátor

Zavádění vzorku do plazmatu Nejrozšířenější způsob - zmlžování 65 mm Vzorek Meinhardův koncentrický skleněný zmlžovač (CGN) Nosný Ar

Zavádění vzorku do plazmatu Nosný Ar Pravoúhlý zmlžovač (CFN) Vzorek

Zavádění vzorku do plazmatu ICP Vzorek Nosný Ar Mlžná komora dle Scotta Odpad

Observation height Tailflame Lateral viewing ionic lines Normal Analytical Zone atomic lines Initial Radiation Zone Preheating Zone

Axial viewing Light passing to spectrometer Longer optical path 3 -10 x better limits of detection

Fyzikální vlastnosti ICP 1. Anulární (toroidální) plazma 2. Indukční oblast (10 000 K), skin-efekt 3. Centrální analytický kanál (5000 -6000 K) 4. Vysoká teplota a dostatečná doba pobytu vzorku v plazmatu (3 ms) účinná atomizace 5. Vysoká koncentrace Ar+, Ar*, Arm účinná ionizace/excitace (Ei(Ar)= 15. 8 e. V) 6. Vysoká koncentrace elektronů 1020 -1021 m-3 (0. 1% ionizace Ar)>>v plameni (1014 -1017 m-3) malý vliv ionizace osnovy vzorku na posun ionizačních rovnováh

Zóny centrálního (analytického) kanálu ICP AXIÁLNÍ POZOROVÁNÍ (OES) A ODBĚR IONTŮ (MS) Laterální rozdělení Ar+ IRZ NAZ T 12 mm PHZ Laterální rozdělení Mn+ Preheating Zone – PHZ Směr pozorování Initial Radiation Zone – IRZ Normal Analytical Zone – NAZ AXIÁLNÍ POZOROVÁNÍ Tailflame T

Excitační a ionizační procesy v ICP • Ar+ + • Arm + • e- + X Ar X e- + + X+* E přenos náboje X+* Penningův efekt e- + X + srážková ionizace X* srážková excitace (X - atom analytu) supratermická koncentrace X+* a preferenční excitace iontových čar X+

Ionizace v ICP l Ionizační rovnováha je popsána Sahovou rovnicí kde Za a Zi jsou partiční funkce atomových a iontových stavů, ni, ne a na jsou koncentrace iontů, elektronů a neutrálních atomů, me – hmotnost elektronu, Tion – ionizační teplota a Ei ionizační energie. Stupeň ionizace je definován

Závislost stupně ionizace na ionizační energii Stupeň ionizace (%) 100 90% 80 ne = 1. 475 x 1014 cm-3 Tion (Ar) =6680 K 60 50% 40 20 Ar 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Ionizační energie (e. V) 20 22 24

Závislost stupně ionizace na ionizační energii

Ionizace v ICP výboji Ø Ionizace v Ar ICP je v určována Ei 1(Ar)=15. 76 e. V Ø Kromě F, Ne a He mají všechny prvky Ei 1< 16 e. V ICP produkuje ionty X+ pro všechny zájmové prvky Ø 87 prvků ze 103 má Ei 1< 10 e. V a tedy α > 50% Ø 69 prvků ze 103 má Ei 1< 8 e. V a tedy α > 95 (90)% Ø S výjimkou Ca, V, Sr, Y, Zr, Sn, Ba, Pb a lanthanoidů jsou ionizační energie do 2. stupně Ei 2 > 16 e. V; tvorba X 2+ je významná pouze v případě Sr, Ba (Pb)

Výhody ICP jako ionizačního zdroje ICP ionizuje téměř všechny prvky pouze do 1. stupně a polovina prvků periodické soustavy je ionizována téměř na 100% o ICP je současně účinným atomizačním zdrojem o Ionty zůstávají vymezeny v centrálním kanálu výboje, což usnadňuje jejich vzorkování do MS o

Proč ICP-MS ? o ICP-OES má některé nedostatky: 3 Některé prvky ( např. Cd, Pb, U, As, Se) nemají dostatečně nízké meze detekce pro stanovení jejich (i celkových) obsahů. 3 Meze detekce většiny prvků jsou příliš vysoké pro použití ICP-OES jako prvkově specifického detektoru pro separační techniky (HPLC, GC, CZE) včetně speciace chemických forem 3 Technika ICP-OES je zatížena četnými spektrálními interferencemi, zejména v případě osnovy, jako je U, W, Fe, Co, . . .

Meze detekce v ICP-OES/MS Technika ICP - AES ICP - MS Zmlžovaný roztok 1 g ml-1 Signál ( pulsy s-1) 6 106 fotonů /s 106 -107 iontů /s Pozadí ( pulsy s-1) 6 104 fotonů /s 10 iontů /s Šum pozadí (s-1) Nb 6 102 fotonů /s 1 ion/s S/Nb 104 106 -107 Meze detekce 0, 1 g l-1 ng l-1

Historie q 1964 – S. Greenfield, Ar/N 2 ICP-OES q 1965 - Wendt a V. Fassel, Ar/Ar ICP-OES q 1974 – A. Gray, ARL, DCP vzorkování do MS q 1976 - SCIEX Inc. , výzkum MIP q 1978 – R. S. Houk & Fassel na Iowa State University, ionty z ICP poprvé zachyceny v MS q 1979 - Gray z ARL přichází na Iowa State Univ. q 1980 - Gray se vrací do U. K. , Univ. of Surrey a společně s A. Date (Brit. Geol. Survey): první konstrukce ICP-MS o 1981 - Douglas & French vyvinuli první prakticky použitelný interface pro přestup iontů z ICP za atmosférického tlaku do MS (vakuum)

Historie o 1983 - SCIEX na Pittsburgh Conference: první komerční ICP-MS: ELAN 250 (kvadrupól) o 1989 - VG Elemental uvádí VG Plasma. Trace™, první ICP-MS s vysokým rozlišením o 1994: VG Elemental uvádí VG Plasma 54, první ICP- MS s hmotnostním analyzátorem s magnetickým sektorem pro měření izotopových poměrů. o Ročně se prodá celosvětově 450 – 500 ICP-MS

Výrobci ICP-MS o Kvadrupólový filtr 3 Agilent (HP) 3 Micromass 3 Perkin-Elmer-Sciex 3 Spectro Analytical 3 TJA Solutions (VG) 3 Varian 3 Japonsko (Seiko, Shimadzu, Hitachi) o o Sektorové analyzátory 3 Finnigan 3 JEOL 3 Micromass 3 Nu Instruments 3 TJA Solutions Průletové analyzátory 3 GBC 3 Leco

ICP-MS Násobič elektronů Interface Plasma Spektrometr ICP hlavice Hmotnostní filtr Turbo pumpa Vzorek Iontové čočky Mlžná komora Argon Mechan. pumpa ICP-MS PC a řídící elektronika RF generátor

Specifikace ICP-MS o Spojení (interface) zdroje ICP a hmotnostního spektrometru musí vykonávat následující funkce a splňovat tyto požadavky: 3 Vzorkovat ionty v místě jejich vzniku, tj. v ICP. 3 Převést ionty z oblasti atmosférického tlaku do vakua. 3 Snížit teplotu z 6000 K na laboratorní teplotu. 3 Zachovat stechiometrii analytů při transportu iontů.

Interface ICP - MS sampler PHZ IRZ skimmer NAZ XO, X X+ D 0 D 1 P 0 P 1 102 Pa Atm. d Sampling depth XE XM P 2 10 -2 Pa

Dvoustupňový interface o o o Zajišťuje přestup iontů vznikajících za atmosférického tlaku při vysoké teplotě do vakua při laboratorní teplotě. Interface zahrnuje prostor mezi ICP a MS vymezený dvěma kovovými kuželovými clonami, v němž je udržován mechanickou vakuovou pumpou tlak 1 až 2, 5 torr, tj. 102 Pa (1. stupeň) a dále prostor za vnitřní kuželovou clonou před iontovou optikou (2. stupeň), kde klesá tlak na 10 -4 torr (10 -2 Pa) čerpáním olejovou difusní nebo turbomolekulární pumpou. Vnější kužel (sampling cone, sampler, extraction cone) je vnořen do ICP a odebírá z kanálu v oblasti NAZ ionty. Průměr otvoru je cca 1 mm. Vzdálenost mezi otvorem a indukční cívkou se nazývá hloubka vzorkování (sampling depth) a je obdobou výšky pozorování u ICP-OES. Zde vstupuje iontový paprsek, který dále expanduje nadzvukovou rychlostí. Materiál sampleru je Ni, Cu, Pt; chlazení vodou, životnost 2 měsíce.

Dvoustupňový interface o o Vnitřní kužel (skimmer) je umístěn 2 -10 mm za vnějším kuželem. Průměr otvoru je 0. 4 -0. 9 mm. Mezi clonami je udržován tlak 133 Pa (1 torr). Tento kužel vzorkuje nadzvukový proud plynu vznikající při expanzi za sampling cone. Skimmer propustí do spektrometru cca 1% vzorku. Může být zhotoven podobně jako sampler z Ni, Al, Cu, Pt nebo z nerez. oceli a má životnost nejméně rok. Skimmer je oddělen od vlastního spektrometru clonou většího průměru, která odděluje prostor za skimmerem (10 -4 torr, 10 -2 Pa) od prostoru s iontovou optikou (105 až 10– 6 torr, 10 -3 až 10 -4 Pa). Za turbomolekulární pumpu je zařazována obvykle ještě rotační olejová pumpa.

Poloha skimmeru o Při expanzi plynu/plazmatu do vakua (102 Pa), se paprsek šíří nadzvukovou rychlostí (Mach 10) a plazma se ochlazuje. o Vznik Machova disku ve vzdálenosti XM: XM = 0. 67 D 0 (P 0/P 1)1/2 o Poloha skimmeru vzhledem k Machovu disku: XE = 2/3 XM což je 6 - 10 mm.

Vznik Machova disku P 0 P 1 D 0 Machův disk XM

Problém parazitního obloukového výboje ICP vykazuje vůči zemi napětí 100300 V (kapacitní pole), které může způsobit vznik obloukového výboje mezi ICP a samplerem s následkem eroze sampleru a produkce fotonů. o Uzemnění cívky: o 3 na sampler 3 cívka se středním vývodem

Uzemnění cívky HT HT

Iontová optika Paprsek vystupující ze skimmeru je divergentní (space charge effect). Před vstupem paprsku do vlastního spektrometru je třeba vytvořit kolineární paprsek, jehož ionty mají energii v úzkém pásmu. o Je třeba odstranit fotony, aby nevyvolávaly parazitní signál na detektoru. Toto řeší iontová optika. o

Různé typy iontové optiky PE Varian VG TJA Spectro

Photon stop: Bessel box ionty + fotony ionty + - -

Příklad interface: VG PQ 3 0. 8 mbar/ 1. 8 mbar clona čočky - čočky + Zarážka fotonů čočky + kolekce - extrakce -

Analyzátory pro ICP-MS o Statické analyzátory: analyzátory sektorové = současně disperse a zaostření (hranol + čočka). 3 Ionty zvoleného poměru m/z jsou přivedeny na centrální dráhu kombinací statických polí – použití zejména pro • spektrometrii vysokého rozlišení (s dvojí fokusací) • měření izotopových poměrů o Dynamické analyzátory: 3 stabilní dráhy iontu m/z mezi zdrojem a detektorem je dosaženo s využitím radiofrekvenčního pole (kvadrupólový filtr) 3 rozdělení iontů podle m/z se určí z doby letu mezi zdrojem a detektorem (analyzátor z doby letu)

MS používané s ICP zdrojem Tytéž systémy jako pro org. analýzu, jen rozsah hmotností je < 300 amu. o Kvadrupólový filtr (QMS) o Sektorový analyzátor (SFMS), single a multicollector o Průletový analyzátor (TOF-MS) o Iontová past (IT-MS)

Rozlišovací schopnost (resolving power) R = M M M se měří při 50% nebo 10% maximální intenzity píku

Praktická rozlišovací schopnost

Kvadrupólový spektrometr + - r 0 - + -U + V 0 cos t

Stabilitní diagram skenovací přímka:

Nier-Johnson electrostatický sektor magnetický sektor + + + - - Zaostření dle energie Zaostření m/z ionty Dvojitá fokusace

HR Axiom ICP-MS: E + B Optika ESA Magnet Detekční systém ICP zdroj

Finnigan Element: B + E

Rozlišovací schopnost Nízká Vvsoká Source Slit I Ion beam image Collector Slit Peak Profile 400 Rozlišovací schopnost 10 000

Propustnost vs rozlišovací schopnost (Axiom)

Separace Fe+/Ar. O+ Fe 56

Separace Ba. O+/Eu+ >10, 000 RP 1 ppb Eu, 5 ppm Ba Eu 153

Mattauch-Herzog magnetický sektor ionty electrostatický sektor ohnisková rovina

Multikolektor Zoom electron multiplier Faraday cups

TOF-MS s ortogonální extrakcí repelling plate ion extraction tube (L: length) acceleration zone (U: acceleration voltage) slit detector

ICP-TOF-MS reflectron HF generator ion optics Torch ion gate detector extraction

ICP time-of-flight MS (GBC) Schema orthogonálního uspořádní

RENAISSANCE ICP-TOF-MS axial extraction Detector 3 pressure stages 3 2 1 2 x 10 -6 torr 10 -4 torr 1 torr Time-of-flight tube Reflectron 2 acceleration zone 2 Turbopump 1 roughing pump 1 Turbopump roughing pump

RENAISSANCE ICP-TOF-MS 30000 spekter/s => modulace + + odběr 12 µs + + Simultánně vzorkované plazma Segment 12 µs urychlený pro separaci TOF odběr 12 µs rejection 38 µs

RENAISSANCE TOF ICP-MS repelling gate for unwanted ions, e. g. Ar-based ions time-of-flight tube T. R. I. P. “Transverse Rejected Ion Pulse” Acceleration Repeller Modulation device

RENAISSANCE TOF ICP-MS Ar+ NO+ O+, OH+ TRIP Ar+ NO+

RENAISSANCE ICP-TOF-MS resolution in the low mass range : 24 Mg+ m = 0. 073 amu and 25 Mg+

RENAISSANCE ICP-TOF-MS resolution in the mid mass range : 137 Ba+ and 137 Ba+ m = 0. 312 amu 138 Ba+

RENAISSANCE ICP-TOF-MS Resolution in the high mass range : 207 Pb+ and 207 Pb m 10% = 0. 432 amu 208 Pb+

RENAISSANCE ICP-TOF-MS

Analytické vlastnosti o o o o Spektra/molekulární ionty Dynamický rozsah Tolerovaní koncentrace solí Přesnost určení izotopových poměrů Správnost/izotopové ředění Meze detekce Aplikace

SPEKTRÁLNÍ INTERFERENCE Ø Izobarické překryvy I Interferent analyt korekce 48 Ca+ 48 Ti+ 44 Ca+ 58 Fe+ 58 Ni+ 56 Fe+ 64 Ni+ 64 Zn+ 60 Ni+

ØIsobarické překryvy II Prvky tvořící stabilní oxidy : Ca, Ti, Cr, Sr, Zr, Mo, Nb, Ba, Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Tb, Er, Ho, Yb, Tm, Hf, Lu, Ta, W, Th, U. o Prvky tvořící 2 x nabité ionty : Ca, Sc, Ti, Sr, Y, Zr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U. o

ØPřekryvy iontů oxidů

ØPřekryvy iontů oxidů, hydroxidů a iontů X 2+

Další polyatomické interference o o o Ar: monomer a dimer, kombinace mezi izotopy 36, 38 a 40. voda: O, OH, kombinace s Ar vzduch: N 2, N 2 H, N kyseliny, Cl, S, kombinace s Ar, O, H Další specie.

ØPřekryvy polyatomických iontů Interference pozadí: argon, voda, kyseliny

Isobarické interference - Ar molekulové ionty analyt 40 Ar Ca 42 Ar. H 2 Ca 52 Ar. C Cr 54 Ar. N Fe, Cr 55 Ar. NH Mn 56 Ar. O Fe 57 Ar. OH Fe 75 Ar. Cl As 77 Ar. Cl Se 80 Ar. Ar Se 91 Ar. OCl Zr 93 Ar. OCl Nb m/z

Spektrální překryvy - Se

Potlačení spektrálních interferencí Použitím lepšího rozlišení o Použitím « cold » podmínek v ICP pro snížení tvorby iontů s argonem. o Použitím reakční/kolizní cely pro disociaci/odstranění rušících iontů o

40 Ar 16 O+ vs 56 Fe+ o Cold plasma: Snížení tvorby Ar+ a tedy i Ar. O+ o High resolution: Separace píků Ar. O+ and Fe+ o Reakce v plynné fázi/kolize v cele: Ar. O+ + NH 3 Ar. O + NH 3+

ØRozlišení polyatomických interferencí

Podmínky „studeného (cold, cool)“ ICP o Nízký příkon, vysoký průtok nosného plynu. o Vhodné pro roztoky s malým obsahem rozpuštěných látek. o Eliminuje interference Ar+, Ar. O+, Ar. H+, Ar. Cl+, Ar. C+, C 2+. o Zvyšuje úroveň MO+ z <1% až na >20%. o Významné matrix efekty (nerobustní podmínky v ICP).

Separace signálů analytu a interferentu Quadrupole ICP-MS High Resolution ICP-MS 56 Fe/Ar. O Ar. N/54 Fe Ar. OH/ 57 Fe 55. 935 AMU 55. 957 AMU

Reakční/kolizní cely Reakce v rf-kvadrupólové cele (DRC, dynamic reaction cell, PE 6100), o Kolize v rf-hexapólové cele (Micromass Platform, TJA Ex. Cell). o

ELAN 6100 DRC sampler vent skimmer prefilter reaction cell lens mass analyzer detector Courtesy of S. Tanner

Kolizní cela, Micromass Platform He, H 2, Xe 10 -4 intermediate ion lens mbar hexapole exit lens conversion dynode pre-filters quadrupole 2 10 -5 mbar Daly PMT 250 L/s Turbo pump 70 L/s Turbo pump from JAAS, 14(1999)1067

Selektivita reakce: 40 Ar 16 O+ and 56 Fe+ Ar. O+ + NH 3 Ar. O + NH 3+ s rychlostní konstantou 1. 4 10 -9 cm-3 s-1. o Fe+ + NH 3 Fe + NH 3+ s rychlostní konstantou 0. 91 10 -11 cm-3 s-1. o Reakce je tedy selektivní. o

Meze detekce pro 56 Fe+ jako funkce průtoku NH 3 v reakční cele (S. Tanner)

Dynamický rozsah Zvýšení dynamického rozsahu kombinací čítání pulsů a analogového měření. o Použití dvoustupňového elektronového násobiče. o

Příklad dynamického rozsahu (Elan 6100)

Použitelné koncentrace rozpuštěného vzorku o Prakticky použitelné limitní koncentrace 3 3 3 o 0. 1% Al. Cl 3 0. 3% Na. Cl 20% ve vodě rozpustné organiky Postupné blokování konusů způsobuje drift; lze jej ovlivnit: 3 3 3 Minimalizovat vhodnou délkou proplachu zmlžovače Kompenzovat porovnávacím prvkem Eliminovat použitím Flow injection

Isotopové poměry QMS je sekvenční, kdežto. TOF-MS a multikolector SFMS jsou simultánní. o Nejlepší %RSD: 3 ICP-QMS: < 0. 1% 3 ICP-TOFMS: < 0. 1% 3 ICP-MC-SFMS: < 0. 01% o

Meze detekce ( g/L) pro Fe

Meze detekce ( g/L) pro Ni

Meze detekce ( g/L) pro Pb

Trend meze detekce U (ng/L) s vývojem nových technik

Snižování mezí detekce v ICP -MS Ztráty analytu v ICP - MS (účinnosti jednotlivých částí): * zmlžování 10 -2 * skimmer 10 -2 * ion. opt. +quad. 10 -4 faktor ztráty atomů analytu 107 až 108, m. d. = 107 -108 atomů q. Zvýšení účinnosti využití vzorku: ülaserová ablace in situ, 103 zvýšení signálu, 3 üelektrotermická vaporizace üultrazvukový zmlžovač üpneumat. zmlžovač, průtoky l min-1(„starvation“) üizolované kapky 4 , suchý monodispersní aerosol 5 3 Liu, X. R. , Horlick, G. , Spectrochim. Acta, Part B, 1995, 50, 537. 4 Bastiaans, G. J. , Hieftje, G. M. , Anal. Chem. , 1994, 45, 1973. 5 Olesik, J. W. , Hobbs, S. E. , Anal. Chem. , 1994, 66, 3371.

LA-ICP-MS Ar 0, 7 l/min lens sample Nd: YAG laser Excimer laser ablation cell positioning x-y 94

Zhodnocení instrumentace ICP-QMS je „workhorse“: spolehlivý, relativně levný, víceúčelový, cold plasma, kolizní / reakční cela. o ICP-SFMS: o 3 Při nízkém RP: bezkonkurenční LOD 3 Při vysokém RP: řešení polyatomických interferencí 3 multikolektor: nejpřesnější izotopové poměry. o ICP-TOFMS: ideální pro transientní signály.

ICP-MS: prvkově selektivní detektor q. Ideální analyzátor: maximum informací o vzorku – speciace: üoxidační číslo üstupeň komplexace üpočet a typ asociovaných atomů ütyp chemické vazby üprostorové rozložení atomů üizotopové složení nanotechnologie - charakterizace individuálních atomů ØHieftje, G. M. , J. Anal. At. Spectrom. , 1996, 11, 613 ØHieftje, G. M. , Plenární přednáška, 1996 Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Fort Lauderdale, FL, USA, 8. 1. - 13. 1. , 1996.

Speciace prvků pomocí ICP-MS Aplikace ICP-MS v analýze vzorků životního prostředí a v biologických materiálech

Prvková analýza l Prvková analýza znamená ä ä ověření přítomnosti prvku (analýza kvalitativní) stanovení obsahu prvku (analýza kvantitativní) identifikaci struktury (analýza strukturní) identifikaci sloučeniny, v níž je prvek obsažen (speciace) l tzv. „WHOWHO analysis“ ä ä l what (qualitative) how much (quantitative) where (structure) how bound (speciation) Cílem je nalezení vztahu mezi složením a vlastnostmi látek

Speciace prvků Stanovení celkového obsahu kovů (fg) – standardní možnosti anorganické prvkové analýzy: ä ä ä úroveň pozadí Pt v krvi Au v mořské vodě Pb z doby před 2000 lety v arktickém ledu a sněhu Realita – nikoli volné ionty, ale součást specií, které vystupují v biochemických a geochemických procesech

Celkové obsahy kovů – spektroskopické metody - specie způsobují nekvantitativní výsledky některých metod: ä Roztokové metody - chování volných iontů jiné než vázaných ä Elektrotermická atomizace pro AAS – nejednotné vypaření v atomizátoru ä Excitace/ionizace v plameni závisí na specii Specie je nositelem informace o biodostupnosti toxicita a esencialita (chemie ŽP, pracovní lékařství, eko- a klinická toxikologie, potraviny, farmacie, energetika)

Speciační analýza kovů a metaloidů – předřazení separace vlastní detekci (AS nebo MS). On-line spojení separační techniky s vysokým rozlišením s prvkově specifickou detekcí ä Chromatografie ä Elektroforéza ä Frakcionace ä Atomová absorpční spektrometrie ä Atomová emisní spektrometrie ä Plazmová hmotnostní spektrometrie

Kořeny speciační analýzy ä Biochemie-účinky esenciálních prvků (kovů) ve spojení s určitými ligandy ä Ekologické katastrofy: üBiomethylace rtuti: otrava rybami, 50 mrtvých, Japonsko, Minamata üButylcín z nátěrů lodních trupů: vyhynutí ústřic, pobřeží jižní Francie üTetraalkylolovo ve Středozemním moři: havárie M/S Cavtat ä Vývoj instrumentace: GC s prvkově selektivní detekcí v 60. letech: MIPOES pro stanovení organicky vázané síry a halogenů

ä Termín „speciace“zavedli spektroskopisté: hledání „nových“ analytů jako východisko z neuspokojivě malého počtu prvků periodického systému ☻ Speciace prvků äProč? äCo? äKde? äJak?

Proč speciace? Hodnocení rizik v životním prostředí ü Ekotoxikologie ü Potravinářský průmysl ü Hygiena a zdraví v pracovním prostředí ü Klinická chemie a medicína ü Průmyslová analýza ü

1. Hodnocení rizik v životním prostředí ä Monitorování složek životního prostředí (vzduch, voda, půdy, sedimenty, biota) z hlediska antropogenního znečištění toxickými speciemi: üOrganoolovem z dříve používaného benzínu üOrganocínem z nátěrů lodních trupů üToxickými redoxními stavy některých iontů: Cr(VI), Sb(III) ü produkty biometylace kovů (Hg, As, Se) ä Studium biogeochemických procesů, mechanismů transportu a interakcí org. látek s ionty kovů pro účely řízení skládek odpadů a remediace půd

2. Ekotoxikologie ä Sledování esenciálních (Zn, Cu) a toxických (Cd, Hg, As) prvků a jejich specií, zejména metalothioneinů ä Metylace rtuti ä Tvorba arsenobetainu a arsenocukrů v mořské fauně

3. Potravinářský průmysl ä Kontaminace potravin Hg, Sn, Pb: ü Ústřice a škeble organicky vázaným cínem ü Ryby organicky vázanou rtutí ü Vína alkylolovem z provozu motorových vozidel Legislativní opatření na základě speciace: ryby, měkkýši a víno jsou významné komodity. ä Arsen – v potravinách obsažen převážně ve formě netoxického arsenobetainu ä Arsen v aditivech v krmivech pro zvířata ä Organicky vázaný cín se uvolňuje z obalového materiálu PVC ä Biologická dostupnost Cu, Fe, Se z výživových zdrojů závisí na jejich speciaci

4. Hygiena a zdraví v pracovním prostředí ä Toxicita prvku závisí na jeho chemické formě ä Identifikace těkavých forem a vdechnutelných částic ä Příklad sledovaného parametru v průmyslové hygieně: Cr(VI) v prachových částicích při svařování oceli ä Studium kinetiky vylučování stopových prvků

5. Klinická chemie a medicína ä Nejslibnější obor pro speciační analýzu ä Metaloproteiny (regulace, ukládání, katalýza, transport): ü Ferritin (Fe, Cu, Zn), ß-amyláza (Cu), anhydráza kys. uhličité (Cu, Zn), alkoholdehydrogenáza (Cd, Zn) ü Oxidační stavy těchto prvků ä Esenciální prvky v mateřském mléce a v syntetické výživě ä Terapeutické preparáty: ü Tc-merkaptoacetyl glycin pro zobrazování (ledviny, srdce, mozek, rakovina) ü Cytostatika: na bázi Pt, Au: cis-platina, auranofin ü Antiarthritika: Au: aurithiomalat, aurothioglukóza ä Doplňky stravy: kontrola Co, Cr, Fe, Se, Zn ä Dialýza: Al, Cr nečistoty, vázané na malé molekuly

6. Průmyslová analýza ä Prvořadý zájem o ü geometaloporfyriny obsahující Fe, V, Co a Ni, jejichž chování je při destilaci a rafinaci ropy podstatně odlišné od chování jednoduchých anorganických iontů těchto prvků, což zvyšuje riziko otravy katalyzátorů ä Analytická kontrola uvolňování organických sloučenin cínu, které se používají jako: ü katalyzátory při výrobě farmak ü stabilizátory při výrobě polymerů.

ä Definice cílových specií je problematická, např. rtuť v biologických materiálech: Hg 2+ a CH 3 Hg+ jsou různé kationty, ale oba se mohou vázat v kovalentních sloučeninách a tvořit koordinační sloučeniny s aminokyselinami prostřednictvím –SH skupin, vázat se na cystein v metalothioneinech ä Termodynamická stabilita ä Kinetika ä Výpočty s využitím rovnovážných konstant

Speciace – jak? ä Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) ä Dostatečně nízká mez detekce ä Speciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt. , XPS, ESR, MS a MS/MS mají v přítomnosti matrice reálných vzorků nedostatečné meze detekce ä Nespecifické detektory separačních technik (UV, FID) mají malou citlivost a velký šum

Prvkově selektivní detektory ICP-OES/MS ä Jistota, že je stanovována určitá specie a ne jiná (selektivita) ä Dostatečně nízká mez detekce ä Speciačně selektivní techniky (Moessbauer spekt. , XPS, ESR, MS a MS/MS selhávají při stanovení ultrastop v reálné matrici

Děkuji Vám za pozornost

Market: Element (Finnigan)

Market: Perkin-Elmer

Prostorové rozdělení emise v ICP LATERÁLNÍ POZOROVÁNÍ Axiální rozdělení emise 30 mm Laterální rozdělení emise Výška pozorování T NAZ Intenzita čáry 4 mm Intenzita čáry IRZ 0 mm Intenzita pozadí Ar LATERÁLNÍ POZOROVÁNÍ cívka PHZ Směr pozorování Intenzita pozadí Ar

Stanovitelné prvky ICP-OES ICP-MS ETAAS FAAS 73 75 cca 30 67 S, P, X izotopy Meze detekce ICP-OES ICP-MS ETAAS FAAS ng/ml 1 -10 0, 01 -1 1 -100

Common molecular overlaps (with Cl) Molecular Ion 35 16 Abund. (%) Cl O 35 17 Cl O 35 18 Cl O 35 16 1 Cl O H 35 17 1 Cl O H 35 18 1 Cl O H 75. 3 0. 03 0. 15 37 24. 4 0. 01 16 Cl O 37 17 Cl O Interfered Isotope 51 V 52 Cr 53 Cr 54 Fe 54 Cr Abund. (%) 99. 76 83. 76 9. 55 5. 82 2. 38

Cold plasma sensitivity on 56 Fe+ (HP 4500) LOD < 1 ppt Courtesy of Agilent

Energetická bilance ICP ü Do plazmové hlavice 75 % energie z generátoru. ü 25 % je rozptýleno v podobě tepla v obvodech oscilátoru a v indukční cívce. ü Bilance příkonu do plazmové hlavice je 0, 75 Pg = Pt = Pp + Ps + Pc + Pw ü Pg – příkon generátoru 1000 W ü Pt – příkon do plazmové hlavice 750 W ü Pp – příkon na udržení kinetické teploty plynu 3500 K ü (65 W) a na spojité záření plazmatu (25 W) ü Ps – odpaření, disociace, atomizace, ionizace a ü excitace: 25 W vodné roztoky, 2 OO W org. roz. ü Pc – konvekce proudem Ar, 450 -600 W ü Pw – kondukce stěnou hlavice ü Teoreticky postačuje výkon generátoru 150 -400 W