ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ Ίσως η τεχνική με τη μεγαλύτερη ποικιλία εφαρμογών και την εντυπωσιακότερη ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία. Η τεχνική MS παρέχει πληροφορίες σχετικά με: Τη στοιχειακή σύσταση του δείγματος Τη δομή ανόργανων, οργανικών, οργανομεταλλικών και βιολογικών μορίων Την ποιοτική και ποσοτική σύσταση μιγμάτων Τη δομή και τη σύσταση επιφανειών Την αναλογία ισοτόπων στοιχείων ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ ΟΡΙΣΜΟΣ: Οικογένεια τεχνικών προσδιορισμού δομής και ποσοτικού προσδιορισμού ενώσεων και στοιχείων, οι οποίες βασίζονται στον ιοντισμό ατόμων ή μορίων ή την παραγωγή ιοντικών θραυσμάτων μορίων και την καταγραφή της σχετικής έντασης του ιοντικού ρεύματος που αντιστοιχεί σε κάθε λόγο μάζας προς φορτίο (m/z) 1
ΑTOMIKH & MOΡIAKH ΜΑΖΑ Μονάδα ατομικής μάζας (u ή Da) : To 1/12 της μάζας ενός ουδέτερου ατόμου 12 C 1 u = 1 Da = 1,66054 10-27 kg / άτομο 12 C Ακριβής μάζα (exact mass): Ατομική μάζα 35 Cl : 2,91407 12,0000 Da = 34,9688 Da Μοριακή μάζα 12 C 1 H 4 : 12,0000 1 + 1,007825 4 = 16,031 Da Ονομαστική (μονοϊσοτοπική) μάζα (nominal mass) Για το 12 C 1 H 4 :16u Μέση μάζα (average mass): συνδυασμός των ακριβών μαζών των ισοτόπων (ΑΒ) ή των μέσων ατομικών μαζών (ΜΒ) ΛΟΓΟΣ ΜΑΖΑ-ΠΡΟΣ ΠΡΟΣ-ΦΟΡΤΙΟ Ο λόγος μάζα-προς φορτίο (m/z) : Λαμβάνεται με διαίρεση της ατομικής ή μοριακής μάζας ενός ιόντος (m) με τον αριθμό (z) των φορτίων που φέρει 12 C 1 H 4+ : m/z = 16,035 / 1 = 16,035 12 C 1 H 4 2+ : m/z = 16,035 / 2 = 8,018 (χωρίς μονάδες) 2
Ισότοπα Ισοτοπικές κορυφές Διακριτική Ικανότητα Resolving Power, R Διακριτική ικανότητα φασματομέτρου μαζών: R = m/δm Η ικανότητα να διακρίνει δύο μόλις διαχωριζόμενες κορυφές, m και m+δm. Διάκριση μεταξύ ιόντων ίδιας ονομαστικής μάζας, πχ: Ν 2+ : 28,0061 CO + : 27,9949 } Δm = 28,0061 27,9949 = = 0,0112 Άρα: R = m/δm = 27,9949/0,0112 = 2500 3
ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΑΖΩΝ Αναλυτές μαγνητικού ή ηλεκτρικού τομέα Μαγνητικός Αναλυτής Σύστημα Εισαγωγής δείγματος Στερεά ΉΥγρά Με ICP, ESI, APCI, MALDI Αέρια ή πτητικά υγρά με EI, CI, ή FI Πηγή Ιόντων Στερεά με MALDI ή LSIMS Στο τμήμα αυτό λαμβάνει χώρα ο ιοντισμός του δείγματος ιόντα 10-3 έως 10-10 Torr Αναλυτής m/z Κενό ιόντα Ανιχνευτής Computer / υπολογιστικό σύστημα Πηγή Ιόντων Φασματόμετρα Απλής Εστίασης (Single focusing MS) [R 2000] Ανιχνευτής Ηλεκτροστατικός Αναλυτής Διαχωρισμός των ιόντων επιτυγχάνεται με σάρωση της έντασης του μαγνητικού πεδίου (V, r: σταθερά) Φάσμα Μαζών 4
Αναλυτές μαγνητικού τομέα διπλής εστίασης Αναλυτές μαγνητικού τομέα αντίστροφης διπλής εστίασης: (HR)-ICP-SFMS Ανιχνευτής Ηλεκτροστατικός Αναλυτής Αντλίες κενού Πλάσμα Μαγνήτης Ιοντικοί φακοί εστίασης Γεωμετρία Mattachuh - Herzog 5
ΤΕΤΡΑΠΟΛΙΚΟΣ ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΜΑΖΩΝ Μικρό μέγεθος Το μικρότερο κόστος Υψηλή ταχύτητα σάρωσης (<100ms) Ανθεκτικός αναλυτής Αναλυτές μαζών «Χρόνου Πτήσης» (Τime of Flight, TOF) Σωλήνας πορείας ή «πτήσης»: Τα ιόντα διαχωρίζονται λόγω διαφορετικών ταχυτήτων Παλμική λειτουργία Μόνο τα ιόντα με συγκεκριμένο m/z φτάνουν στον μεταλλάκτη ιόντων Χρόνοι πτήσης 1-30 μs Χαμηλή Διακριτική ικανότητα: ~1Da (u) Φίλτρο μαζών 6
Μεταλλάκτες: Ηλεκτρονιοπολλαπλασιαστές ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΜΑΖΩΝ H ανάλυση με φασματομετρία ατομικών μαζών περιλαμβάνει τα εξής στάδια: 1) Ατομοποίηση 2) Ιοντισμός, παράγοντας δέσμη μονοφορτισμένων θετικών ιόντων 3) Διαχωρισμός των ιόντων με βάση το λόγο m/z 4) Απαρίθμηση ιόντων ή μέτρηση του ρεύματος κατάλληλου μεταλλάκτη } Τα στάδια (1) + (2) πραγματοποιούνται στο ICP Tα στάδια(3) + (4) πραγματοποιούνται σε αναλυτή MS Συζευγμένη τεχνική : ICP-MS 7
Αρχή λειτουργίας ICP-MS Κώνοι: Α) sample cone B) skimmer cone Ιοντικοί φακοί Αναλυτής μάζας (τετράπολο) Σημείο διασύνδεσης του ICP με το MS Στάδιο διαστολής: Διασύνδεση ICP (ατμ. Πίεση) με QMS (υπό κενό) Κώνος δειγματοληψίας: Ni ή Pt Λόγω διαστολής το αέριο ψύχεται Πηγή ιοντισμού (πλάσμα Ar) A) Πυρσός B) Πηνίο Γ) Βοηθητικές παροχές αερίων Σύστημα εισαγωγής δείγματος : Α) Εκνεφωτής Β) Θάλαμος ψεκασμού Αντλίες κενού (Διάχυσης) Ανιχνευτής (Ηλεκτρονιοπολλαπλασια στής) Ένα τμήμα αερίου από τον αποκορυφωτή μεταφέρεται στους φακούς ιόντων. Τα θετικά ιόντα διαχωρίζονται από τα e, τα φωτόνια και τα ουδέτερα σωματίδια με εφαρμογή αρνητικού δυναμικού 8
60 50 40 30 20 10 0 Πλεονέκτημα ICP-MS: Απλότητα φάσματος Pb 24.1 22.1 1.4 52.4 90 80 70 60 50 40 30 20 10 83.789 Cr 9.501 4.345 2.365 0 204 206 207 208 50 52 53 54 ΠΑΡΕΜΠΟΔΙΣΕΙΣ Φασματικές παρεμποδίσεις: Ισοβαρικές παρεμποδίσεις: 40 Αr + στο 44 Ca + Παρεμποδίσεις πολυατομικών ιόντων: 40 Αr 16 Ο + στο 56 Fe + Παρεμποδίσεις από οξείδια και υδροξείδια: 40 Ca 16 O + στο 56 Fe + 9
Κοινές Μοριακές Ισοβαρικές Παρεμποδίσεις AΡΣH ΠΑΡΕΜΠΟΔΙΣΕΩΝ Κυψελίδες αντιδράσεων ή συγκρούσεων: Μοριακό Ιόν Αφθονία (%) 35 Cl 16 O 75.3 35 Cl 17 O 0.03 35 Cl 18 O 0.15 Ισότοπο αναλύτη Αφθονία (%) 51 V 99.76 52 Cr 83.76 53 Cr 9.55 Δραστικά αέρια NH 3, CH 4, H 2, αλλά και He, αντιδρούν με τα πολυατομικά ιόντα. 35 Cl 16 O 1 H 75.3 52 Cr 35 Cl 17 O 1 H 0.03 53 Cr 35 Cl 18 O 1 H 0.15 54 Fe 5.82 37 Cl 16 O 24.4 37 Cl 17 O 0.01 54 Cr 2.38 53 Cr 54 Fe 54 Cr Άρση παρεμπόδισης 40 Αr στο 40 Ca με ΝΗ 3 : Μείωση σήματος, αλλά βελτίωση λόγου S/N 10
(HR) ICP-SF-MS: R=10000 Κάλυψη στοιχείων ΠΠ από ICP-MS 40 Ar 35 Cl 75 As ~ 5 ppt 11
Ποσοτικές και ημιποσοτικές εφαρμογές της τεχνικής ICP-MS Πολυστοιχειακή ποσοτική ανάλυση: 73 στοιχεία (> 75% του Περιοδικού Πίνακα). Καμπύλες ταυτόχρονης βαθμονόμησης για ιχνοστοιχεία και κύρια στοιχεία. Ταχύτατη ημιποσοτική ανάλυση. Ισοτοπική ανάλυση. Τεχνική ισοτοπικής αραίωσης: υψηλή ακρίβεια και ανθεκτικότητα. Εφαρμογή μεθόδου Εσωτερικού Προτύπου (I.S.) στην τεχνική ICP-MS ΗμάζατουI.S. πρέπει να είναι παραπλήσια με αυτή των αναλυτών Το δυναμικό ιοντισμού του I.S. πρέπει να ταιριάζει με αυτό των αναλυτών Γενικές οδηγίες: Ένα με τρία I.S. Εύρη m/z: 6-50, 51-175, 176-238 Οικονομικά ασύμφορη για ανάλυση ενός μόνο στοιχείου ανά δείγμα (εκτός από ισοτοπική ανάλυση ή ανάλυση σπανίων γαιών). 12
Εφαρμογή μεθόδου Εσωτερικού Προτύπου (I.S.) στην τεχνική ICP-MS To I.S. δεν πρέπει να υπάρχει στο δείγμα Επιλέγουμε μονοϊσοτοπικό στοιχείο, αν είναι δυνατό Τυπική συγκέντρωση 10-50 μg/l Πιθανά ισότοπα για I.S.: 9 Be, 45 Sc, 59 Co, 89 Y, 103 Rh, 115 In, 175 Lu, 187 Re, 158 Tb, 165 Ho, 209 Bi 72 Ge (για As, Se, Zn σε δείγματα πλούσια σε Na) Πλεονεκτήματα της τεχνικής ICP-MS (σε σχέση με όλες τις άλλες τεχνικές) Το ICP-MS παρέχει: Τα χαμηλότερα όρια ανίχνευσης (<ppt) Τη μεγαλύτερη ταχύτητα: 150 δείγματα x 72 στοιχεία /8 ώρες = 10800 αναλύσεις ανά 8h Αποκλειστική δυνατότητα ισοτοπικής ανάλυσης Ανάλυση σπανίων γαιών Μηδενικές χημικές παρεμποδίσεις Τη μεγαλύτερη δυναμική περιοχή (8-9 τάξεις μεγέθους) Μειονέκτημα: Υψηλό κόστος λειτουργίας, εκτός αν εκτελούνται πολλοί προσδιορισμοί 13
Συγκριτική Παρουσίαση Τεχνικών Ατομικής Φασματομετρίας Συγκριτική Παρουσίαση Τεχνικών Ατομικής Φασματομετρίας Όρια Ανίχνευσης Δυναμική Περιοχή GFAAS Flame AAS Flame AAS ICP - AES ICP ΑES Hydride Gen. AAS GF - AAS ICP-MS ICP - MS 100 10 1 0.1 0.01 0.001 Περιοχή Ορίων Ανίχνευσης (μg/l) 1 2 3 4 5 6 7 8 Δυναμική Περιοχή 14
Συγκριτική Παρουσίαση Τεχνικών Ατομικής Φασματομετρίας Συγκριτική Παρουσίαση Τεχνικών Ατομικής Φασματομετρίας Κόστος Flame AAS GF - AAS ICP - AES ICP - MS Μικρή ---------- Ταχύτητα ---------- Μεγάλη FAAS ICP ΑES GFAAS ICP MS Ψηλό ------ Όριο Ανίχνευσης -------- Χαμηλό Χαμηλό--Σχετικό Κόστος Συστήματος--Ψηλό 15
Συγκριτικός πίνακας τεχνικών ΑΦ Σύγκριση τεχνικών Ατομικής Φασματομετρίας Κόστος LODs (ppb) Flame AAS: Υψηλή εκλεκτικότητα Ευκολία χειρισμού Χαμηλού κόστους RSDs0.3-1% Μόνο υγρά δ/τα GF AAS: Υψηλή εκλεκτικότητα Χαμηλά όρια ανίχνευσης Στερεά δείγματα Χημικές παρεμποδίσεις Αργή τεχνική Ταχύτητα ICP-AES ICP-MS FAAS GFAAS Ευαισθησία ICP OES: Υψηλή θερμοκρασία πλάσματος, προσδιορισμός «δύσκολων» στοιχείων Πολυστοιχειακή Μεγάλη δυναμική περιοχή RSDs 0.5-2% Ασφαλής, ταχεία και εύκολη ανάλυση Φασματικές παρεμποδίσεις ICP MS: Χαμηλότατα όρια ανίχνευσης Μεγάλη δυναμική περιοχή Πολυστοιχειακή Ταχεία ημιποσοτική ανάλυση Ισοτοπική ανάλυση Απλότητα φάσματος Ισοβαρικές παρεμποδίσεις Υψηλό κόστος 16