Laboratorio di Spettrometria di Massa Dipartimento di Scienze

Laboratorio di Spettrometria di Massa Dipartimento di Scienze chimiche Università di Napoli Federico II

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Overview of Inorganic Analysis Techniques Atomic Absorption Spectrometry Light having a wavelength characteristic of the analyte is passed through the sample. The amount of light absorbed is proportional to concentration. ICP-Optical Emission Spectrometry Energy from the plasma promotes an electron to a higher energy level (excitation). Electron falls back and emits light at a characteristic wavelength. Light emission is proportional to concentration ICP-Mass Spectrometry Energy from the plasma ejects electron from shell (ionization). Result is a positively charged analyte ion. Ions are separated by the mass spectrometer and measured. Ions measured are directly proportional to analyte concentration. Sequential Simultaneous Criteria 1 GFAAS ICP-OES ICP-MS Detection Limits ppt ppb ppq-ppt Linear Range (orders) 2 -3 4 -6 8 -9* Moderate Many Few Speed Slow Fast Elemental Coverage Poor Excellent Good Excellent Multi-element No Yes Yes Simultaneous No No Yes Sample Size u. L m. L u. L or m. L Capital Cost $$ $$$ Operating Cost $$$ $$$ Interferences * Agilent 7500 Series only - (other ICP-MS - 8 orders) ICP-MS combines the sensitivity of GFAAS with the speed & flexibility of OES while offering a wider dynamic range and fewer interferences! 1 ICP-MS: The new standard for inorganic analysis American Laboratory News, Nov. 1998

Sorgenti di atomizzazione • Fiamma • Elettrotermica • Arco • Plasma (1500 -2500 K) (2500 -3000 K) (3000 -8000 K) (4000 -8000 K)

Il plasma Le tecniche ICP-AES e ICP-MS utilizzano un plasma come sorgente di atomizzazione ed eccitazione Il plasma è un gas elettricamente neutro con una certa percentuale di ionizzazione (~ 5 %). Il sole, i fulmini e l’aurora boreale sono esempi di plasma in natura L’energia che mantiene un plasma analitico deriva da un campo elettrico o magnetico. La maggior parte dei plasma analitici opera con argon o elio, cosa che rende la combustione impossibile.

Schema di un plasma ICP Il plasma ad accoppiamento induttivo (ICP) è un plasma indotto da una radiofrequenza nel quale una spira di induzione (RF coil) viene utilizzata per produrre un campo magnetico. La spira è posta attorno ad una torcia di quarzo all’interno della quale si genera il plasma; al suo interno scorre acqua a scopo di raffreddamento. La spira è placcata in oro o argento per fornire la minima resistenza elettrica alla radiofrequenza (non si formano ossidi)

La torcia ICP Le radiofrequenze utilizzate sono due: 27. 12 MHz o 40 MHz. La potenza dell’ICP è compresa tra 1 e 5 KW

La torcia (12– 30 mm OD) è formata da tre tubi circolari di quarzo concentrici. Essa ha tre inlet separati per il gas (di solito argon ad alta purezza): • Il gas principale entra nel plasma attraverso il canale esterno con un flusso tangenziale di 8– 20 L/min • Il gas ausiliario ha un tangenziale di 0. 5– 3 L/min flusso • Il gas nebulizzatore ha un flusso laminare di 0. 1 -1. 0 L/min e trasporta il campione nel plasma

Introduzione del campione Il campione è introdotto come soluzione Man mano che il campione è introdotto nel plasma, quattro processi si succedono

La sorgente ICP risulta idonea per la spettrometria di emissione atomica, di fluorescenza atomica e di massa. Nel caso della spettrometria di massa, diverse sono le possibili realizzazioni strumentali, sostanzialmente riconducibili a sistemi quadrupolari, a tempo di volo e a settore magnetico. 10

La nebulizzazione Il campione viene introdotto nel plasma tramite una pompa peristalstica che eroga un flusso costante compreso tra 0. 1 ml/min (ICP-MS) e 1 ml/min (ICP-AES) La maggior parte dei campioni analizzati sono soluzioni acquose. Per le soluzioni, un nebulizzatore è utilizzato per convertire il flusso di liquido in un aerosol che consiste di particelle dal diametro compreso tra 1 e 10 mm L’iniezione diretta di liquidi nel plasma ne causerebbe lo spegnimento, oppure si avrebbe una desolvatazione incompleta e quindi processi di eccitazione, ionizzazione ed emissione meno efficienti

Il plasma all’opera Plasma in funzione nell’analisi di una soluzione di Y 1000 mg/l I colori segnalano l’esistenza di zone a temperatura diversa: “Coda” del plasma Zona di misura analitica Ricombinazione con O (YO) (5. 000 -8. 000 K) es. fiamma gialla di Na Presenza di Y* e Y+ Zona iniziale di radiazione “a pallottola” Zona di induzione (10. 000 K) Presenza di Y e YO Qui si ha l’interazione massima con il campo magnetico della radiofrequenza Zona di preriscaldamento Qui avvengono i fenomeni di desolvatazione, evaporazione e dissociazione in atomi

Interfaccia plasma-MS Il plasma lavora a pressione ambiente, mentre l’analizzatore di massa lavora in alto vuoto. Questo è stato il punto critico nello sviluppo degli strumenti ICP-MS L’interfaccia consiste di due coni (sampler e skimmer) con la punta rivolta verso il plasma. I coni hanno un orifizio in punta

Campionamento e focalizzazione degli ioni I Gli ioni generati nel plasma sono estratti attraverso il dispositivo formato da sampler cone e skimmer cone Le lenti ioniche focalizzano e ottimizzano la trasmissione degli ioni all’analizzatore quadrupolare Il foro del sampler cone ha un diametro di circa 1 mm, quindi è necessario pretrattare i campioni per evitare occlusioni • sciogliere e diluire a ~ 0. 2% w/v • ottimale ~ 5% acido nitrico • max ~ 5% acido cloridrico • max ~ 1% acido fluoridrico, fosforico o solforico

Spettrometro di massa

MS a quadrupolo La separazione dei picchi o risoluzione è proporzionale alla lunghezza delle barre La risoluzione è normalmente 1 unità u. m. a. Un buon sistema di vuoto è necessario per evitare il peak broadening

Stadi critici in un ICP-MS • Interfaccia tra il plasma (opera a pressione ambiente) e lo spettrometro di massa (necessita di alto vuoto) • Introduzione del campione (deve essere ottimizzata la resa in ioni elementari da parte del plasma e deve essere minimizzata la formazione di ossidi che possono occludere parzialmente l’orifizio del cono di campionamento) • Sistema di trasferimento degli ioni nello spettrometro MS (deve fornire all’analizzatore un fascio ben collimato di ioni elementari permettere un’adeguata risoluzione di massa allo spettrometro)

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Calibrazione • Quantitativa • Calibrazione esterna multielementare • Calibrazione con addizione standard • Calibrazione con standard interno • Semiquantitativa • Sulla base della risposta di alcuni analiti

Analisi quantitativa • La calibrazione esterna viene fatta • Il campione viene addizionato con • • • preliminarmente ai campioni La risposta delle soluzioni standard è diagrammata contro la concentrazione La concentrazione dei campioni incogniti è ricavata tramite la curva di calibrazione Gli effetti matrice non sono compensati Necessario matrix matching • • quantità note di analita La concentrazione incognita viene rilevata attraverso l’intercetta sull’asse x della retta di regressione (n/m) In questo modo gli effetti matrice vengono compensati La curva di addizione può essere impiegata come nuova curva di calibrazione esterna

Interferenze dal background Ioni molecolari del fondo formati dal plasma (Ar), dall’acqua e dall’aria HNO 3 è l’acido più adatto da usare perché non introduce altre specie molecolari diverse da quelle già presenti nel background

Interferenze dalla matrice Ioni molecolari formati da componenti della matrice In caso di interferenze come queste, può essere utile effettuare un pretrattamento del campione per rimuovere le specie interferenti (es. scambio ionico)

Plasma freddo Le condizioni Cool Plasma si ottengono abbassando la potenza RF a 550 -650 W; in questo modo il plasma ha una temperatura di 2500 -3000 K, che riduce significativamente la ionizzazione dell’argon La tecnica Cool Plasma riduce l’interferenza di 56 Ar. O+ su 56 Fe+, permettendo un DL di 5 ppt. Inoltre, è ridotta anche l’interferenza di 40 Ar+ su 40 Ca+ Per ottimizzare le condizioni con il Cool Plasma, devono essere modificati anche i flussi di gas e la plasma sampling depth. Tutte queste caratteristiche sono gestibili via PC, quindi possono essere selezionate automaticamente

Collision/reaction cell the mass defect 24

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CCT - principi Fascio ionico iniettato nella CCT (Cell Collision Technology) pressurizzata He, H 2, He/H 2 o He/NH 3 Gli ioni poliatomici collidono con il gas della cella e vengono dissociati in atomi o ioni più semplici o in specie non interferenti 38 Ar 1 H+, 40 Ar 12 C+, 40 Ar 23 Na+, 40 Ar 16 O+, 40 Ar 2+, 40 Ar 35 Cl+ La transmissione degli ioni analiti attraverso la cella non è influenzata

CCT – schema

Selezione degli isotopi Quando si imposta un programma per l’analisi quali-quantitativa, è necessario selezionare correttamente gli isotopi per gli analiti che si vuole determinare (tenendo conto che il range di masse determinabili è 3 -250 u. m. a. ), in base a questi principi: • l’isotopo ad abbondanza relativa maggiore (o un isotopo ad abbondanza minore se ci sono problemi di saturazione) • isotopi che non presentano interferenze isobariche da parte di altri elementi • isotopi che non presentano interferenze poliatomiche da parte di specie presenti nel campione • in casi dubbi è buona norma selezionare più isotopi dello stesso analita e confrontare poi i risultati di concentrazione • il confronto ottimale si ha analizzando un materiale certificato

Figure di merito • Precisione: > 2% • Accuratezza: elevata • Sensibilità: elevatissima, in particolare per elementi monoisotopici (forniscono il 100% del segnale disponibile per un elemento) • Limiti di rivelabilità: ng/l o frazioni • Range dinamico lineare: > 8 ordini di grandezza grazie al dual mode

Limiti di rivelabilità

• Metalli, Materiali e Reagenti • Leghe per temperatura alta • Metalli ad alta purezza • Scienze della Terra • Rocce ignee • Climatologia • Ambientale • Acqua potabile • Terreni e scarichi • Semiconduttori • Reattivi di processo • Composti Organici, Gas • Nucleare • Sedimenti, acqua di mare • Biologico (piante) • Scienze Naturali • Sangue, urina • Composti farmaceutici • Tessuti, Cibi/Agricoltura • Nucleare-Ambientale • Scarichi • Acqua di falda, terreni e aria • Combustibile all’uranio • Urina e sangue

Connecting an LC to an ICP-MS

Speciazione di elementi volatili Se, As, Sb, Te, Hg, (Sn) formano idruri volatili LC-HG-AFS Separazione di composti organoarsenici

GC-ICP-MS • solo per elementi che formano composti volatili • necessita di derivatizzazione (HG o etilazione) • 100 % di campione introdotto nel detector (sensibilità elevata) • nessun problema di interfaccia (carrier

Speciazione di organometalli Speciazione di composti organostannici (5 ppb)

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Analysis IEAE Soil - 7 standard Values marked with an asterix * are not fully certified and for information only

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Regolamento Ce 466/2001 Il regolamento Ce 466/2001 definisce i tenori massimi di taluni contaminanti contenuti nella derrate alimentari. I tenori massimi e l’elenco dei prodotti non è esaustivo e infatti a tutt’oggi tale regolamento è stato modificato ed integrato con altri regolamenti Anche i metalli pesanti (cadmio, piombo, mercurio) sono stati regolamentati a livello europeo. Alimenti Piombo mg/Kg peso fresco Cadmio mg/Kg peso fresco Muscolo di pesce 0, 2 0, 05 Muscolo di sogliola, anguilla 0, 4 0, 1 Crostacei (no granchio) 0, 5 Molluschi bivali 1, 5 1, 0 Cefalopodi (no visceri) 1, 0

Determinazione di metalli ed elementi in tracce Ø Liofilizzazione dei tessuti Ø Mineralizzazione (I campioni liofilizzati sono mineralizzati mediante acido nitrico ed acqua ossigenata in un sistema chiuso in grado di raggiungere elevate pressioni e . Ø Quantificazione degli analiti di di interesse temperature

Metalli tossici Nel 1999 l’Agenzia per le Sostanze Tossiche (ATSDR) degli Stati Uniti d’America pubblicò una lista di 275 sostanze organiche ed inorganiche pericolose per l’uomo e l’ambiente. Nella lista delle 20 sostanze più pericolose figuravano 5 metalli pesanti. Arsenico, piombo, mercurio, cadmio e cromo occupavano rispettivamente la 1 a, 2 a, 3 a, 7 a, e 16 a posizione. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità (WHO), il 60 -70% di tutte le malattie croniche ed acute è da ricondurre alle intossicazioni da metalli pesanti. 43

Arsenico negli alimenti Piombo negli alimenti Valori di piombo nel sangue sotto i 30 g/100 m. L sono considerati normali; meno di 20 g/100 m. L probabilmente sarebbero l’ideale. 44

Assunzione di PIOMBO ( g/giorno) attraverso la dieta alimento vegetali dieta uomo donna (g/giorno) 202. 3 3, 68 3, 30 legumi 22. 6 0, 18 0, 17 cereali 138. 3 4, 94 3, 32 tuberi 57 1, 92 1, 48 frutta 226. 6 3, 01 2, 86 pesci e molluschi 79. 3 4, 71 4, 06 carne 125 4, 44 3, 00 uova 23. 3 0, 51 0, 35 prodotti lattiero-caseari 91. 3 2, 44 2, 10 latte 253. 3 1, 30 1, 52 olio 31 1, 23 0, 93 totale 28, 36 23, 09 45

Mercurio Il mercurio è l’unico metallo che si trova allo stato liquido a temperatura ambiente, per questo motivo è molto volatile. Il mercurio liquido non è molto tossico mentre lo sono i suoi vapori. Il mercurio metallico presente nell’atmosfera rappresenta la principale fonte di trasporto del mercurio. Questi viene ossidato a Hg++ e successivamente metilato o trasformato in altri composti organomercuriali. Il metil mercurio è di notevole importanza dal punto di vista tossicologico in quanto è molto tossico. Il metil mercurio tende ad accumularsi nei pesci ed in particolare nei pesci predatori che sono all’apice della catena alimentare acquatica. 46

Mercurio Il principale effetto sulla salute umana è la neurotossicità negli adulti e la tossicità fetale per le donne in gravidanza. 47

Assunzione di MERCURIO (mg /giorno) attraverso la dieta alimento vegetali dieta uomo donna (g/giorno) 202. 3 0, 11 0, 10 legumi 22. 6 0, 01 cereali 138. 3 6, 18 4, 15 tuberi 57 0, 22 0, 17 frutta 226. 6 0, 12 0, 11 pesci e molluschi 79. 3 8, 92 7, 69 carne 125 2, 22 1, 50 uova 23. 3 0, 27 0, 19 prodotti lattiero-caseari 91. 3 1, 27 1, 10 latte 253. 3 0, 65 0, 76 olio 31 1, 23 0, 93 totale 21, 20 16, 71 48