ICP-MS: Khái niệm, Cấu tạo, Ưu điểm và Ứng dụng

Phương pháp Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ, ICP-MS là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để xác định nguyên tố.

Ngay từ khi được thương mại hóa cách đây 20 năm, ICP-MS đã trở thành một thiết bị được sử dụng rộng rãi, trong cả những phân tích thường ngày và cho nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau. ICP-MS là một kỹ thuật linh động có nhiều điểm mạnh hơn so với các kỹ thuật phân tích nguyên tố truyền thống, kể cả Quang phổ Phát xạ Nguyên tử nguồn cảm ứng cao tần Plasma (ICP-AES) và Quang phổ Hấp thụ Nguyên tử (AAS). Giới hạn phát hiện tương đương hoặc nhỏ hơn giới hạn phát hiện của AAS Lò Graphite nhưng có nhiều ưu điểm hơn. ICP-MS là một kỹ thuật nhanh, đa nguyên tố và thường có công suất như ICP-AES nhưng có khả năng phát hiện tốt (thấp) hơn nhiều.

* Ưu điểm:

• Giới hạn phát hiện đối với hầu hết các nguyên tố đều tương đương hoặc nhỏ hơn giới hạn phát hiện của phương pháp Quang phổ Hấp thụ Nguyên tử Lò Graphite (GFAAS)
• Năng suất lớn hơn GFAAS
• Khả năng xử lý cả nền đơn giản lẫn phức tạp với nhiễu nền tối thiểu nhờ nhiệt độ cao của nguồn ICP
• Khả năng phát hiện cao hơn ICP-AES với cùng một lượng mẫu
• Khả năng nhận được các thông tin đồng vị

* Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Hệ thống ICP-MS bao gồm một nguồn ICP (nguồn cảm ứng cao tần plasma) nhiệt độ cao và một khối phổ kế. Nguồn ICP chuyển các nguyên tử của nguyên tố trong mẫu thành các ion. Sau đó, nhưng ion này được phân tách và phát hiện bằng thiết bị khối phổ.

Hình 1. Đuốc ICP cho thấy sự biến đổi của mẫu (PerkinElmer, Inc.)

Hình 1 biểu diễn sơ đồ của nguồn ICP trong hệ thống ICP-MS. Khí Argon được bơm qua rãnh đồng tâm của đuốc ICP. Cuộn cao tần RF được nối với một bộ phát cao tần (RF). Khi dòng điện được cấp cho cuộn cao tần từ bộ phát cao tần, dao động điện trường và từ trường sẽ được tạo thành ở cuối đuốc ICP. Khi dòng khí argon được đánh lửa qua đuốc ICP, các điện tử sẽ được tách khỏi nguyên tử Argon, để tạo thành ion Argon. Những ion này bị bắt lại trong các trường dao động và va chạm với các nguyên tử Argon khác tạo thành plasma.

Mẫu được đưa vào đuốc plasma ICP dưới dạng sol khí bằng cách hút mẫu lỏng hoặc rắn hòa tan vào ống phun hoặc sử dụng laser để chuyển trực tiếp mẫu rắn thành dạng sol khí. Khi mẫu dưới dạng sol khí được đưa vào đuốc ICP, mẫu sẽ bị đề solvat và các nguyên tố trong sol khí sẽ được chuyển thành các nguyên tử khí rồi được ion hóa tại phần cuối của đuốc plasma.

Khi các nguyên tố trong mẫu được chuyển thành các ion, những ion này được đưa vào thiết bị khối phổ qua vùng trung gian hình nón. Vùng này trong thiết bị ICP-MS chuyển các ion trong dòng mẫu argon ở áp suất không khí (1 – 2 torr) vào vùng có áp suất thấp (<10 x 10^-5 torr) của thiết bị khối phổ. Hiện tượng này xảy ra trong vùng chân không trung gian được tạo bởi 2 nón trung gian, là nón thu và nón tách (xem Hình 2). Nón thu và nón tách là 2 đĩa kim loại có một lỗ nhỏ (~1mm) ở trung tâm. Những đĩa này có tác dụng gom phần lõi của chùm ion phát ra từ đuốc ICP. Một gương chắn tối màu (xem Hình 2) hoặc thiết bị tương tự sẽ ngăn các photon phát ra từ đuốc ICP, cũng là một nguồn sáng mạnh.

Hình 2. Vùng trung gian của thiết bị ICP-MS (PerkinElmer, Inc.)

Do lỗ của nón thu và nón tách có đường kính nhỏ, ICP-MS có một số hạn chế về tổng lượng chất rắn hòa tan trong mẫu. Nói chung, mẫu chỉ nên chứa không quá 0,2% tổng chất rắn hòa tan (TDS) để thiết bị có thể hoạt động tốt và ổn định nhất. Nếu chạy các mẫu có hàm lượng TDS quá lớn, các lỗ xuyên tâm của nón sẽ bị tắc, làm giảm độ nhạy và khả năng phát hiện dẫn đến việc phải ngừng hệ thống để bảo trì. Đây là lý do tại sao nhiều loại mẫu, bao gồm các mẫu đất và đá sau khi phá mẫu vẫn cần được pha loãng trước khi đưa vào chạy trên hệ thống ICP-MS.

Các ion từ nguồn ICP sau đó được hội tụ lại bởi các thấu kính tĩnh điện trong hệ thống. Lưu ý, các ion đi ra từ hệ thống mang điện tích dương, nên các thấu kính tĩnh điện, cũng mang điện tích dương, có tác dụng chuẩn trực chùm ion và hội tụ vào khe hoặc lỗ nhận của thiết bị khối phổ. Các hệ thống ICP-MS khác nhau có các hệ thống thấu kính khác nhau. Hệ thống đơn giản nhất có một thấu kính đơn, còn các hệ thống phức tạp hơn có thể có đến 12 thấu kính ion. Mỗi hệ thống quang ion được thiết kế riêng để hoạt động với một hệ thống khối phổ và bộ phận kết nối khác nhau.

Khi các ion đi vào thiết bị khối phổ, chúng được phân tách theo tỷ lệ khối lượng – điện tích (m/z). Loại thiết bị khối phổ phổ thông nhất là bộ lọc khối tứ cực quadrupole. Thiết bị này có 4 thanh (đường kính khoảng 1cm và dài khoảng 15 – 20cm) được bố trí như trong Hình 3. Trong bộ lọc khối tứ cực, điện thế một chiều và xoay chiều được áp vào xen kẽ cho các cặp đối diện của các thanh này. Điện áp này sau đó nhanh chóng được chuyển dọc theo một trường RF, tạo ra một trường lọc tĩnh điện chỉ cho các ion có cùng tỷ lệ khối lượng – điện tích (m/e) đi qua các thanh này tới đầu dò tại thời điểm tức thời. Như vậy, bộ lọc khối tứ cực thực ra là một bộ lọc nối tiếp, có khả năng điều chỉnh cho mỗi tỷ lệ m/e tại một thời điểm. Tuy nhiên, điện áp trên các thanh có thể được chuyển với tốc độ rất nhanh. Kết quả là bộ lọc khối tứ cực có thể phân tách đến 2.400 amu (đơn vị khối lượng nguyên tử) trong một giây. Tốc độ này giải thích cho việc hệ thống ICP-MS tứ cực thường được coi là có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Khả năng lọc ion dựa trên tỷ lệ khối lượng – điện tích cho phép ICP-MS cho ra các kết quả của đồng vị vì các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố có các khối lượng khác nhau

Hình 3. Sơ đồ bộ lọc khối tứ cực (PerkinElmer, Inc.)

Khối phổ tứ cực điển hình dùng trong ICP-MS có độ phân giải từ 0,7 – 1,0amu. Độ phân giải này là đủ cho các ứng dụng thông thường. Tuy nhiên, có một số trường hợp độ phân giải này không đủ để phân tách các phân tử giao thoa nhau hoặc nhiễu đồng vị của các đồng vị của nguyên tố đang phân tích. Bảng 1 chỉ ra một số nhiễu phổ biến gây khó khăn khi phân tích siêu vết của nhiều nguyên tố quan trọng, đặc biệt là trong chất nền cụ thể. Độ phân giải (R) của một thiết bị khối phổ được tính theo công thức R = m/(ǀm1 – m2ǀ) = m/∆m, trong đó m1 là khối lượng của một loại hoặc đồng vị, m2 là khối lượng của thành phần hoặc đồng vị cần phân tách, m là khối lượng phân tử.

Bảng 1. Ví dụ các nhiễu và độ phân giải cần thiết

* Một số điều hết sức quan trọng cần lưu ý về nguồn plasma Argon trong ICP là:

• Phát xạ Argon với nhiệt độ khoảng 6.000 – 10.000K là một nguồn tạo ion tuyệt vời;
• Các ion hình thành bởi quá trình phóng điện ICP thường là các ion dương, M⁺ hoặc M⁺², do vậy, các nguyên tố tạo ra ion âm như Cl, I, F,.v.v. rất khó được xác định bằng phương pháp ICP-MS;
• Khả năng phát hiện của kỹ thuật này có thể thay đổi bởi kỹ thuật bơm mẫu, do các kỹ thuật bơm khác nhau sẽ cho lượng mẫu khác nhau đi vào đuốc ICP plasma;
• Khả năng phát hiện sẽ thay đổi theo mẫu nền do ảnh hưởng đến mức độ ion hóa trong plasma hoặc tạo ra các chất làm nhiễu quá trình phân tích.

* Khối phổ phân giải cao HR-ICP-MS

Việc sử dụng khối phổ phân giải cao hoặc khối phổ từ trường ngày càng trở nên phổ biến trong ICP-MS, cho phép người sử dụng hạn chế hoặc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu do giao thoa khối lượng. Hình 5 biểu diễn sơ đồ thiết bị điển hình được sử dụng trong ICP-MS phân giải cao (HR). Ở thiết bị này, cả từ trường và điện trường được sử dụng để phân tách và hội tụ ion. Từ trường có tính phân tán với cả năng lượng và khối lượng ion và hội tụ tất cả ion theo một góc lệch so với chuyển động từ lối vào của phổ kế. Điện trường chỉ có tính phân tán với năng lượng ion và hội tụ các ion tại lối ra. Kiểu bố trí này được gọi là khối phổ hội tụ kép mật độ cao. Trong ICP-MS, thiết kế đảo ngược của Nier-Johnson – từ trường được đặt trước điện trường – thường được sử dụng để tách điện trường trong vùng điện trường khỏi các điện trường phát sinh từ bộ phát ICP-RF.

Độ phân giải của thiết bị phân giải cao có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng của khe vào và khe ra của phổ kế. Thiết bị HR-ICP-MS điển hình có độ phân giải lên đến 10.000 và thường hoạt động ở chế độ cài đặt sẵn: phân giải thấp, trung bình và cao để dễ dàng hơn cho người sử dụng. Như có thể thấy trong Bảng 1, việc sử dụng HR-ICP-MS có thể giải quyết được nhiều nhưng không phải tất cả các vấn đề do nhiễu.

Các thiết bị phân giải cao cũng có một số hạn chế.

– Giá thành các thiết bị này đắt gấp 2 – 3 lần thiết bị ICP-MS tứ cực.

– Việc sử dụng và bảo trì cũng phức tạp hơn.

– Cứ tăng độ phân giải lên 10 lần thì tín hiệu lại giảm đi 1 lần. Điều này làm giảm khả năng phát hiện thực tế nếu nồng độ của chất phân tích rất thấp.

– Cuối cũng, thiết bị này cũng chậm hơn thiết bị tứ cực. Do thời gian cài đặt nam châm khi điều chỉnh điện áp cho bước nhảy khối lượng lớn lâu hơn nên thiết bị HR-ICP-MS thường chậm hơn 4 – 5 lần thiết bị tứ cực.

Điều này làm chúng không phù hợp với những phân tích nhanh, công suất cao, đa nguyên tố thường được thực hiện trong các phòng thí nghiệm sản xuất. Chúng cũng không phải là thiết bị dùng cho phân tích tín hiệu chuyển tiếp, bao gồm những thí nghiệm sử dụng kỹ thuật cắt laser để phân tách sắc ký hoặc nhận dạng nguyên tố do tốc độ quét của chúng quá chậm để phân tích nhiều hơn 1 – 3 nguyên tố có cùng khối lượng trong một thí nghiệm. Do vậy, nhìn chung thiết bị này thường được sử dụng ở cơ sở nghiên cứu và trong những phòng thí nghiệm có yêu cầu đặc thù cao với số lượng mẫu ít.

Có một loại thiết bị HR-ICP-MS nữa sử dụng nhiều đầu dò – loại thiết bị này được gọi là HR-ICP-MS nhiều đầu thu hoặc MC-ICP-MS. Những thiết bị này thường được thiết kế và phát triển để dùng cho những phân tích đồng vị có độ chính xác cao. Do một dãy 5 – 10 đầu dò có thể được đặt xung quanh khe ra của hệ thống hội tụ kép, các đồng vị của một nguyên tố có thể được đồng thời xác định mang lại độ chính xác cao cho kỹ thuật này. Điểm không thuận lợi của hệ thống này là các đồng vị phải nằm trong khoảng khối lượng hẹp (± 15-20% khối lượng phân tử) do vùng từ trường được đặt cố định trong khi điện trường được cài đặt ở chế độ quét. Điều này nghĩa là mỗi một hệ thống đồng vị phải được đo trong một thí nghiệm phân tích phân tách. Loại thiết bị này nhìn chung không phù hợp cho phân tích thường xuyên đa nguyên tố của các thành phần chính và phụ và chỉ được dùng cho các thí nghiệm đo tỷ lệ đồng vị.

Khi các ion được tách dựa trên tỷ lệ khối lượng – điện tích, chúng được phát hiện và đếm bằng một đầu dò phù hợp. Mục đích cơ bản của đầu dò là chuyển số lượng ion va đập vào đầu dò thành tín hiệu điện đo được và mối liên quan tới số lượng nguyên tử của nguyên tố đó trong mẫu bằng các tiêu chuẩn hiệu chuẩn. Hầu hết các đầu dò sử dụng điện áp âm cường độ cao ở mặt trước để hút các ion mang điện tích dương vào đầu dò. Khi ion va đật vào bề mặt hoạt động của đầu dò, một số lượng điện tử được giải phóng rồi đập vào bề mặt kế tiếp của đầu dò làm khuếch đại tín hiệu. Trong những năm trở lại đây, bộ nhân điện (CEM), được sử dụng trong các thiết bị ICP-MS cũ đã được thay thế bằng các đầu dò dynode không liên tục. Đầu dò dynode không liên tục có dải động học tuyến tính rộng hơn CEM, có vai trò quan trọng trong ICP-MS do nồng độ phân tích có thể thay đổi từ dưới-ppt đến trên ppm. Đầu dò dạng dynode không liên tục cũng có thể hoạt động dưới 2 chế độ là đếm xung và tín hiệu tương tự, do vậy càng mở rộng khoảng tuyến tính của thiết bị và có thể được sử dụng để bảo vệ đầu dò khỏi tình trạng vượt tín hiệu.

Các thiết bị MC-ICP-MS có xu hướng sử dụng các đầu dò dạng chén Faraday đơn giản và rẻ tiền hơn do chúng có khả năng xử lý tốc độ đếm vượt cao thường có ở các thiết bị sử dụng từ trường. Tuy nhiên, những đầu dò này không có tính linh động cần thiết cho các thiết bị ICP-MS tứ cực.

Một số điều cần lưu ý về đầu dò ICP-MS:

• Đây là bộ phận có tính hao mòn. Khi các ion va đập vào bề mặt đầu dò và chuyển thành điện tử, màng phim hoạt tính bọc trên bề mặt đầu dò sẽ bị hao mòn. Tùy thuộc vào sự sử dụng, một đầu dò dynode phân tán trong thiết bị ICP-MS có tuổi thọ từ 6 – 18 tháng.
• Bộ phận này cần được bảo vệ khỏi tốc độ đếm tín hiệu vượt cao. Phần lớn nhà sản xuất thiết kế mạch đầu dò sao cho có thể bảo vệ đầu dò khỏi tốc độ đếm ion đến mức phá hủy. Tuy nhiên, người sử dụng có thể bảo vệ thêm bằng cách pha loãng mẫu có nồng độ cao hoặc chọn số lượng đồng vị nhỏ hơn cho thí nghiệm phân tích.
• Giá thành cao: Một đầu dò mới có giá từ 1.500 – 2.500$ tùy loại.
• Tính nhạy sáng. Hầu hết các đầu dò nhạy với photon vì chúng bị chuyển thành ion. Cần bảo quản cận thận đầu dò trong bóng tối và không được để đầu dò tiếp xúc ánh sáng khi đang bật nguồn cao áp.

* Giới hạn phát hiện

Hình 4 giới thiệu các nguyên tố được được xác định bằng phương pháp ICP-MS truyền thống và Giới hạn Phát hiện Thiết bị (IDL) tương đối. Cần chú ý rằng IDL được tính bằng 3 lần độ lệch chuẩn so với mẫu trắng và đại diện cho khả năng có thể phát hiện tốt nhất của thiết bị. Trong thực tế Giới hạn Phát hiện Phương pháp (MDL) hoặc Giới hạn Định lượng Thực tế thường cao từ 2 – 10 lần so với IDL và phụ thuộc vào nhiều nhân tố bao gồm: nền tảng thiết bị và phòng thí nghiệm, mẫu nền, phương pháp thu thập và chuẩn bị mẫu và kỹ năng của kỹ thuật viên. Tuy nhiên, IDL có thể được sử dụng như một chỉ dẫn về khả năng tương đối của kỹ thuật ICP-MS so với các kỹ thuật phân tích khác.

Cần lưu ý rằng nhiều nguyên tố bao gồm S, Se, B, Si, P, Br, I, K và Ca có giới hạn phát hiện tương đối cao trên thiết bị ICP-MS. Trong trường hợp I và Br, nguyên nhân là do có rất ít ion dương của những nguyên tố này được hình thành trong ICP plasma.Với những nguyên tố S, Se, P, K và Ca, nhiễu đồng vị và nhiễu phân tử từ mẫu nền hoặc nhiễu từ nguồn tạo plasma làm nhiễu đồng vị chính. Điều này có nghĩa là cần sử dụng lượng đồng vị nhỏ hơn cùng với nhiễu ít hơn (nếu có thể) để xác định những nguyên tố này bởi các yếu tố này làm giảm khả năng phát hiện của chúng.

Nói chung, phân tích bằng ICP-MS với kỹ thuật thực hành tốt cho người sử dụng các dữ liệu phân tích của mẫu để thảo luận về bản chất của mẫu và chất lượng dữ liệu mong muốn từ đó có thể lựa chọn đúng đồng vị và/hoặc phương pháp chuẩn bị mẫu để đạt được kết quả mong muốn cho người sử dụng.

Hình 4. Khả năng phát hiện tương đối của Máy ICP-MS tứ cực model ELAN 6000/6100 (PerkinElmer Inc.)

Tác giả: Ruth E. Wolf, Ph.D., Nhà Hóa học, USGS/CR/CICT

Dịch giả: CTV. Nguyễn Công Minh


 

Để biết thêm thông tin chi tiết và được hỗ trợ tối đa về những thắc mắc cũng như nhu cầu của quý khách về phân tích, kiểm nghiệm chất lượng nước, thực phẩm, quan trắc môi trường, hãy liên hệ ngay cho PTN trọng điểm về An toàn thực phẩm và Môi trường theo thông tin bên dưới để được tư vấn MIỄN PHÍ.
 

Mọi thông tin xin liên hệ:

PTN trọng điểm về An toàn thực phẩm và Môi trường
Tầng 5, nhà A28, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Số 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu giấy, Hà Nội.
Thời gian nhận mẫu từ 8h30 đến 11h30 và 13h30 đến 17h30 mỗi ngày từ thứ 2 đến thứ 6
Hotline: 024.3791.0212

Tags: Xét nghiệm nước ở đâu ? Địa chỉ xét nghiệm nước uy tín tại Hà Nội, Xét nghiệm nước sinh hoạt ô nhiễm, kiểm tra chất lượng nước ở đâu, kiểm tra chất lượng nước sinh hoạt, Nên xét nghiệm nước ở đâu, Tại Hà Nội có những nơi nào xét nghiệm nước, Vậy xét nghiệm nước sinh hoạt ở đâu chuẩn nhất hiện nay để biết được nguồn nước nhà bạn đang an toàn, Địa chỉ xét nghiệm nước uy tín tại Hà Nội, địa chỉ xét nghiệm mẫu nước cho gia đình bạn tại Hà Nội, Trước tình trạng nguồn nước đang bị ô nhiễm trầm trọng, đặc biệt là ở những quận huyện tại Hà Nội, Xét nghiệm nước sinh hoạt ở đâu tại Hà Nội, Dưới đây sẽ là một vài nơi xét nghiệm nước sinh hoạt ở Hà Nội, Nhận kết quả xét nghiệm nước, Xét nghiệm nước khu vực Quận Đống Đa, Thanh Xuân, Từ Liêm, Ba Đình, Hà Đông, Cầu Giấy, địa chỉ xét nghiệm mẫu nước uy tín, Số 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội, Lấy mẫu xét nghiệm Tại Hà Nội, bạn có thể mang mẫu nước tới xét nghiệm tại, Địa chỉ xét nghiệm nước uy tín tại Hà Nội, lấy mẫu xét nghiệm BOD, vi sinh, nitrat, Tại Hà Nội, bạn có thể lấy mẫu nước để kiểm tra, xét nghiệm asen miễn phí nước sinh hoạt ở Hà Nội, Xét nghiệm nước sinh hoạt ở đâu, bao lâu, Nếu bạn ở Hà Nội thì có thể tới các địa chỉ sau, Xét nghiệm nước sinh hoạt ở đâu tại Hà Nội, ở đâu xét nghiệm mẫu nước sinh hoạt, ở Hà Nội, Bảng Giá Xét Nghiệm Nước Theo QCVN BYT.
Tags: quan trắc môi trường định kỳ khu vực Quận Đống Đa, Thanh Xuân, Từ Liêm, Ba Đình, Hà Đông, Cầu Giấy, địa chỉ xét nghiệm mẫu nước uy tín, Số 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội, bảo vệ môi trường cụm công nghiệp, khu kinh doanh, dịch vụ tập trung, làng nghề và cơ sở sản xuất, Hướng dẫn lập quan trắc môi trường định kỳ cho doanh nghiệp, báo cáo về chất lượng môi trường, với tần suất định kỳ theo quy định, quan trắc môi trường lao động, quan trắc môi trường làm việc, môi trường. Quan trắc môi trường là gì? Các quy định về quan trắc... Môi trường là gì? Lập báo cáo quan trắc giám sát chất lượng môi trường tại Hà Nội và trên Toàn Quốc. ... giám sát môi trường, quan trắc giám sát môi trường, giám sát môi trường.
#kiemnghiemthucpham #kiemnghiemnuocsinhhoat #kiemnghiemnuoc #nuocsinhhoat #onhiemnuoc 
#nuocban #nuoctam #treem #kiemnghiemnuocchotruonghoc #kiemnghiemnuocanuong
#quantracmoitruong #giamdinh #QuanTracGiaRe #QuanTracTuDong #QuanTracnhanh 
#Quantrackhithai #Tuvanmoitruong #phantichmoitruong #quantracdinhky