Принцип работы ИСП-МС простыми словами на примере HanSel iQuad2300
Масс-спектрометр с ИСП iQuad2300 - это прибор для широкой сферы применений, но основным является его использование в количественном анализе элементов периодической системы Менделеева от Li до U (и их изотопов) за короткое время: измерение одного образца в трёх репликах по всем элементам одновременно осуществляется быстрее, чем за одну минуту.
В ИСП-МС целевым аналитом является положительный однозарядный ион, сигналом же является импульс в секунду (cps) на определяемом масс-зарядном соотношении (m/z). Зная m/z, мы знаем, с каким ионом имеем дело (например, для иона Co+ (однозарядный ион) с массой 59 а.е.м. отношение m/z будет равно 59). Измеряя интенсивность сигнала на определенном значении m/z, мы можем узнать содержание соответствующего иона в пробе через калибровочную зависимость, связывающую сигнал с концентрацией.
Итак, откуда берётся однозарядный ион?
Растворенный в разбавленной азотной кислоте образец подаётся через многоканальный перистальтический насос к распылителю, который создаёт аэрозоль исследуемого образца в потоке аргона. Тяжёлые нелетучие капли аэрозоля отфильтровываются термостатируемой смесительной циклонной камерой и удаляются в слив через другой канал перистальтического насоса, а легколетучие капли поступают в индуктивно связанную плазму (ИСП), поддерживаемую потоком аргона и высокочастотным генератором магнитного поля. В аргонной плазме аэрозоль начинает разрушаться на положительные, нейтральные и отрицательные частицы, как правило, на одноатомные, хотя возможны и многоатомные объединения. К тому же, частицы могут быть однозарядными или двухзарядными.
Как из этой «каши», образовавшейся в плазме, прибор далее найдёт нужные нам элементы?
Для начала, убедимся, что это единственная «каша», с которой будет работать прибор. Для этого перед стартом анализа дальнейшие отсеки прибора вакуумируются, а «вратами» для входа обработанной плазмой пробы является интерфейс, состоящий из двух конусов: конуса скиммера и конуса сэмплера. На концах обоих конусов имеются узкие отверстия, через которые аэрозоль пробы, прошедший по центральному каналу плазменного факела, попадёт внутрь сперва слабовакуумированной (между конусами) части, а затем и более высоковакуумированной (10 -4 мм рт. ст.) части.
Чтобы предотвратить образование и попадание внутрь большого количества двухзарядных ионов, имеется возможность регулировки положения горелки относительно интерфейса в 3 плоскостях, а также регулировки мощности плазмы – так можно уменьшить количество двухзарядных частиц, попадающих внутрь высоковакуумной части. В высоковакуумированной части разложенный образец встречается с ионной оптикой – токопроводящими металлическими конструкциями разной формы, основная задача которых заключается в создании электрического поля определённой геометрии. Только положительные ионы способны преодолеть весь путь от начала до конца ионной оптики. Отрицательные же и нейтральные частицы уйдут с намеченной траектории, осядут и откачаются турбомолекулярным насосом. Теперь у нас имеется "каша" лишь из положительно заряженных частиц.
Но "каша" ли? Да. Ведь положительные ионы могут быть многоатомными или одноатомными, а нас в интересуют только одноатомные и однозарядные частицы. Чтобы избавиться от многоатомных частиц, удобным представляется режим работы прибора с гелием, так называемый KED (Kinetic Energy Distribution, прим. перевод: распределение по кинетической энергии). В режиме с гелием вся «каша» обстреливается маленькими по своей природе атомами гелия. Смысл процесса в том, что такой "обстрел" чаще попадёт в цель, если мишень крупная (многоатомная), и реже, если мишень мелкая (одноатомная). Таким образом, KED позволяет, лишь немного уменьшив чувствительность определяемых компонентов, сильно подавить влияние мешающих многоатомных соединений. Для подавления многоатомных помех есть также и другой способ – проведение направленной химической реакции (режим CCT) в гексапольной ячейке самого прибора, куда подается реакционный газ (водород, аммиак и т. п.) с целью убрать мешающие компоненты либо модифицировать анализируемый элемент до другого химического вещества, которое и будет определяться далее на детекторе.
Итак, вот от «каши» остался лишь пучок однозарядных положительных ионов разной массы. Ионная оптика направляет этот пучок в ещё более глубокий вакуум (10 -6 мм рт. ст.) на вход в квадруполь – масс-анализатор, "сердце" ИСП-МС. Квадруполь – это 4 длинных молибденовых стержня, расположенных параллельно друг другу, по углам воображаемого квадрата. Ионный пучок запускается в центр этого квадрата. Комбинация заданного переменного и постоянного напряжений на стержнях квадруполя создаёт условие для сквозного пролёта от начала и до конца квадруполя только для определённого иона в определённый момент времени (например m/z=7 для Li) – только ион заданного масс-заряда долетит до конца квадруполя и попадёт на детектор, все остальные отклонятся и будут откачаны вакуумом. При практически мгновенном изменении этих напряжений условие сквозного пролёта меняется, например, с m/z 7 (Li) на m/z 9 (Be), а затем на следующий анализируемый ион и так далее по всем элементам, которые нас интересуют.
Когда ионы заданного масс-заряда доходят до дискретного динодного детектора, детектор, в зависимости от концентрации, в режиме счёта импульсов либо в аналоговом режиме генерирует электронный сигнал в виде импульсов в секунду (cps) для обработки этого сигнала компьютером и выведения полученного результата в единицах концентрации на экран.