ICP-MS – Hệ thống Khối phổ Plasma ghép cặp cảm ứng

Là một phương pháp phân tích mạnh mẽ, linh hoạt và có độ chính xác cao, khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng (ICP-MS) đã khẳng định được vị trí của mình trong lĩnh vực phân tích nguyên tố vô cơ. Không chỉ nổi bật với giới hạn phát hiện vượt trội, phương pháp phân tích này còn được ưa chuộng nhờ tốc độ đo nhanh, sự đa dạng ứng dụng độc đáo và hiệu suất mạnh mẽ.

 

Quy trình phân tích ICP-MS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như một phương pháp hiệu quả để phát hiện các nguyên tố vô cơ như thủy ngân, chì và cadmium. Phạm vi ứng dụng của phân tích nguyên tố vi lượng rất rộng, từ các ứng dụng trong phân tích môi trường như giám sát chất lượng nước uống, phân tích mẫu lâm sàng, đo tỷ lệ đồng vị trong phân tích thực phẩm, đến các chủ đề nghiên cứu như đo lường tế bào đơn lẻ và hạt nano.

 

Nhờ sự tối ưu hóa kỹ thuật liên tục của phương pháp phân tích ICP-MS, người dùng ngày nay có thể hưởng lợi từ giới hạn phát hiện ngày càng được cải thiện cùng với thông lượng mẫu tăng lên và chi phí vận hành giảm. Đồng thời, việc sử dụng khí argon quý hiếm đã được giảm thành công, mang lại lợi ích cho tính bền vững.

 

Nguyên lý cơ bản của khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng

Phương pháp ICP-MS là một phương pháp phân tích dựa trên khối phổ kế trong lĩnh vực phân tích nguyên tố vô cơ. Nói một cách đơn giản, nó dựa trên phân tích phổ của một mẫu được ion hóa. Mẫu được thử nghiệm được đưa vào dòng plasma, phá vỡ các liên kết hóa học và ion hóa các nguyên tử tự do. Sau đó, chùm ion được định tâm và gửi vào khối phổ kế. Tại đây, thiết bị của hệ thống phát hiện sẽ phát hiện các ion đơn lẻ dưới dạng xung dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của chúng, sau đó khớp các đặc trưng của chúng với các nguyên tố vi lượng.

 

Trong thực tế, nhiều giải pháp và sản phẩm có thể được kết hợp tùy thuộc vào ứng dụng. Ví dụ, kết hợp bộ lấy mẫu tự động tiên tiến và van điều khiển cho phép thông lượng mẫu cao hơn đáng kể, trong khi ghép nối ICP-MS với sắc ký lỏng hiệu năng cao mở ra khả năng trong các lĩnh vực ứng dụng mới.

 

Lịch sử phát triển của khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng

Mối quan hệ giữa khối lượng, vận tốc và độ cong của tia catốt có thể được mô tả bằng toán học và được sử dụng để phân tích định tính và định lượng các nguyên tố. Đây là phát hiện của nhà vật lý người Anh và người đoạt giải Nobel J.J. Thomson vào cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên, phải mất hơn 80 năm kể từ ngày phát hiện ra nó trước khi khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng được sử dụng lần đầu tiên trong hóa học phân tích. Thiết bị ICP-MS thương mại đầu tiên chỉ xuất hiện trên thị trường vào năm 1983.

 

Trở ngại chính đối với một sản phẩm ICP-MS sẵn sàng đưa ra thị trường là khó khăn kỹ thuật cực độ trong việc ion hóa mẫu. Chỉ vào cuối những năm bảy mươi, lần đầu tiên người ta mới có thể kết hợp plasma ghép cặp cảm ứng với khối phổ kế. Hỗ trợ cho điều này là sự phát triển song song của các phương pháp phân tích ICP-OES thương mại sử dụng plasma ghép cặp cảm ứng kết hợp với quang phổ phát xạ để phân tích nguyên tố.

 

Trong khi kỹ thuật ICP-OES nhanh chóng khẳng định được vị thế của mình sau khi xuất hiện trên thị trường và trở thành tiêu chuẩn mới cho phân tích nguyên tố trong nhiều phòng thí nghiệm, thì phương pháp ICP-MS đã phải vật lộn với các vấn đề ban đầu trong nhiều năm: Bên cạnh tính nhạy cảm với nhiễu, độ ổn định lâu dài và thông lượng mẫu cũng còn nhiều điều đáng mong đợi. Tuy nhiên, với việc giới thiệu công nghệ tứ cực, ICP-MS cuối cùng đã đạt được bước đột phá trong ngành công nghiệp bán dẫn. Công nghệ này sau đó đã trở nên rất được quan tâm đối với phân tích môi trường nhờ các tế bào phản ứng mới được phát triển. Ngày nay, nhờ thời gian phân tích ngắn, khả năng phân tích đa nguyên tố, chi phí vận hành giảm và độ nhạy phát hiện ấn tượng, phương pháp này đã chứng minh được hiệu quả của mình trong phân tích nguyên tố.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động chi tiết của ICP-MS

Nguyên lý hoạt động của phương pháp ICP-MS dựa trên phân tích khối phổ của các mẫu được ion hóa trong plasma. Việc đạt được giới hạn phát hiện mong muốn trong khi vẫn duy trì độ ổn định lâu dài cao và khả năng chống nhiễu đòi hỏi một bố trí thiết bị rất cụ thể. Các thành phần sau đây là thiết yếu trong một thiết bị phân tích ICP-MS:

 

• Máy phát tần số cao: Nhiệm vụ của máy phát là (cảm ứng) tạo ra từ trường xoay chiều bên trong cuộn dây plasma để ghép nối với năng lượng trong dòng khí. Quá trình này cung cấp plasma cần thiết. Mạch cộng hưởng của máy phát được khớp với cuộn cảm ứng và thường hoạt động với tần số 27,12 hoặc 40,68 MHz.

• Đèn plasma: Đèn là một ống thạch anh nhiều lớp có kênh ngoài chứa khí argon quý hiếm. Đầu hở của đèn plasma được bao quanh bởi cuộn dây plasma hoặc cuộn cảm ứng, chịu trách nhiệm truyền năng lượng đến dòng argon.

• Cuộn dây plasma: Cuộn dây plasma là một phần của máy phát tần số cao. Nó dẫn dòng điện dao động tạo ra từ trường điện từ. Trường này làm tăng tốc các hạt tích điện, do đó truyền năng lượng cho plasma argon. Khí argon quý hiếm bị ion hóa trong quá trình này và được nung nóng đến nhiệt độ từ khoảng 6.800 đến 10.000 K.

• Đưa mẫu vào: Một ống tiêm mỏng làm bằng thạch anh, corundum hoặc sapphire được sử dụng để đưa mẫu vào. Nó đưa mẫu vào plasma với sự trợ giúp của argon bổ sung, phá hủy các liên kết hóa học trong mẫu và ion hóa các nguyên tử tự do. Việc thực hiện đưa mẫu vào khác nhau tùy thuộc vào trạng thái vật chất của mẫu. Với các mẫu lỏng, chất lỏng được nguyên tử hóa cùng với argon thành một sol khí mịn, sau đó được đưa vào ống tiêm. Các mẫu khí nói chung có thể được kết nối trực tiếp với ống tiêm, trong khi chất rắn trước tiên được chuyển thành khí và đưa vào bằng dòng khí mang.

• Giao diện: Giao diện phải vận chuyển mẫu bị ion hóa từ plasma vào vùng chân không cao của khối phổ kế. Đồng thời, giao diện chịu trách nhiệm hướng chùm ion đến quang học ion, nơi các thấu kính trích xuất chuẩn trực chùm tia. Hai khẩu độ hình nón, được gọi là “nón”, được sử dụng để phân tách các vùng chân không.

• Quản lý nhiễu: Trong ICP-MS, nhiễu được xử lý thông qua việc sử dụng khí va chạm và/hoặc khí phản ứng. Ở chế độ va chạm, nhiễu đa nguyên tử được loại bỏ thông qua việc giảm động năng hoặc bằng cách phân ly. Ở chế độ phản ứng, các ion gây nhiễu và các ion đa nguyên tử được chuyển đổi thành các sản phẩm mới, không gây nhiễu.

• Quang học ion: Quang học ion là một hệ thống thấu kính có tác dụng hội tụ chùm ion và hướng nó vào khối phổ kế.

• Bộ lọc khối lượng: Bộ lọc khối lượng thường có dạng tứ cực bao gồm bốn thanh được sắp xếp song song. Chúng tạo ra từ trường xoay chiều dẫn hướng các ion dọc theo quỹ đạo xoắn ốc. Một tham số hiệu suất chính của thiết bị ICP-MS là tốc độ quét tứ cực. Nó thể hiện tốc độ của quá trình đo. Các thiết bị hiệu suất cao đạt tốc độ quét trên 5.000 amu/s.

• Hệ thống phát hiện: Ở đầu ra của bộ lọc khối lượng có một hệ thống phát hiện tạo ra tín hiệu đo tỷ lệ với tần số của các ion được phát hiện. Trong thực tế, người ta thường sử dụng bộ nhân điện tử thứ cấp và bộ dò Faraday.

Sự tiến bộ công nghệ nhanh chóng đã tạo ra sự tối ưu hóa liên tục của khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng. Ngày nay, các thiết bị hiệu suất cao như PlasmaQuant MS Series có khả năng phân tích nồng độ nguyên tố cực kỳ thấp. Nhờ các nguồn ion hóa plasma được tối ưu hóa, người dùng cũng được hưởng lợi từ chi phí vận hành liên quan đến plasma giảm đáng kể và khả năng chịu đựng ma trận cao.

 

Các hệ thống phát hiện hiện đại và hoàn toàn kỹ thuật số ngày nay bao phủ phạm vi phân tích cực kỳ rộng ở chế độ đếm xung, cho phép chúng được sử dụng linh hoạt trong phân tích đa nguyên tố. Tất cả các ứng dụng – từ phạm vi siêu vi lượng cho đến nồng độ cao – đều có thể được bao phủ trong một phép đo duy nhất.

Quản lý nhiễu là chìa khóa cho độ ổn định lâu dài

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn trong khối phổ kế ICP là sự hiện diện của nhiễu. Nhiễu đề cập đến các nhiễu loạn có khả năng làm sai lệch kết quả đo lường hoặc thậm chí làm cho mẫu hoàn toàn không thể đọc được. Các nguồn nhiễu phổ biến nhất trong ICP-MS bao gồm nhiễu phân tử (quang phổ) xảy ra sau khi mẫu được nguyên tử hóa, chẳng hạn. Một ví dụ là sự hình thành các oxit. Do đó, quản lý nhiễu tập trung vào việc loại bỏ mục tiêu các nhiễu loạn này khỏi mẫu, do đó đảm bảo độ ổn định lâu dài mong muốn ngay cả với các mẫu khó. Một trong những thông số quan trọng nhất là mức độ hình thành oxit, được đo bằng % CeO+/Ce+.

Ứng dụng đa dạng của ICP-MS

Những ưu điểm sâu rộng và khả năng sử dụng linh hoạt của phương pháp phân tích ICP-MS đã khiến nhiều ngành công nghiệp tin tưởng vào khối phổ kế plasma ghép cặp cảm ứng. Dưới đây, chúng tôi muốn trình bày một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất cùng với các ví dụ thực tế:

 

• Bảo tồn: Nhờ kỹ thuật ICP-MS trong phân tích môi trường, có thể phát hiện ngay cả những lượng nhỏ nhất của các nguyên tố độc hại trong mẫu. Ngày nay, việc đo lường chính xác các nguyên tố vi lượng cho phép xác định sớm các tác động nguy hiểm đến môi trường và loại bỏ chúng một cách có mục tiêu. Công nghệ ICP-MS giúp bảo tồn tài nguyên và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường. Phạm vi ứng dụng của nó bao gồm mọi thứ, từ việc đo các nguyên tố độc hại trong bụi lọc đến việc đo siêu vi lượng thủy ngân trong nước tự nhiên.

• Thực phẩm và nông nghiệp: Sản xuất hàng hóa nông nghiệp và thực phẩm được công nghiệp hóa và tự động hóa trong nhiều ngành công nghiệp ngày nay. Do đó, điều quan trọng hơn là phải liên tục theo dõi các sản phẩm cuối cùng. ICP-MS đóng góp quan trọng ở đây, ví dụ như trong việc giám sát chất lượng nước uống hoặc đo tỷ lệ đồng vị stronti trong rượu vang và ngũ cốc.

• Địa chất, khai thác mỏ và kim loại: Trong việc khai thác vật liệu địa chất và trong quá trình chế biến kim loại, phương pháp ICP-MS cung cấp năng lượng đáng tin cậy cho việc phát hiện ngay cả những lượng nhỏ nhất của các nguyên tố vi lượng. Ví dụ, các nguyên tố vi lượng có thể được phát hiện trong đồng theo cách này, hoặc các hợp kim kim loại được phân tích bằng LA-ICP-MS.

• Dược phẩm và khoa học đời sống: Thông qua việc sử dụng trong ngành dược phẩm, phân tích nguyên tố ICP-MS đóng góp trực tiếp vào tiêu chuẩn cao trong hệ thống chăm sóc sức khỏe và cuối cùng là chất lượng cuộc sống cao hơn. Ví dụ, phương pháp này được sử dụng để phát hiện dấu vết của kim loại nặng trong các sản phẩm cần sa hoặc đo tỷ lệ đồng vị sắt trong máu người.

• Dầu khí: Ngành dầu khí đặt ra các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về độ tinh khiết và chất lượng. Một ứng dụng của ICP-MS là xác định tạp chất trong naphtha theo ASTM D8110-17.

• Hóa học và khoa học vật liệu: Kiểm tra đồ chơi xem có nguyên tố vi lượng không mong muốn và phân tích mẫu thủy tinh: Đây chỉ là hai trong số rất nhiều ứng dụng của phương pháp ICP-MS trong ngành hóa chất.

• Ngành năng lượng: Một ví dụ về việc sử dụng phân tích ICP-MS là kiểm tra chất lượng chất làm mát để tối ưu hóa tuổi thọ của các nhà máy điện hiệu suất cao. Ngay cả ô nhiễm ở mức độ thấp của chất làm mát với natri, canxi hoặc magie cũng có thể gây ra các tác dụng phụ không mong muốn như ăn mòn hoặc lắng đọng.

 

Các lĩnh vực ứng dụng của khối phổ kế ICP được mô tả ở đây chỉ là một số trường hợp minh họa cho phổ ứng dụng rộng rãi mà phương pháp này được sử dụng.

Phân tích nguyên tố bền vững với các giải pháp ICP-MS hiện đại

Các phòng thí nghiệm tiên tiến ngày nay phải có khả năng phân tích một lượng lớn mẫu trong thời gian kỷ lục, đồng thời đáp ứng các yêu cầu chính xác nghiêm ngặt nhất. Đồng thời, có áp lực liên tục trong việc giảm mức tiêu thụ argon để cải thiện tính bền vững của quy trình và giảm thiểu chi phí vận hành.

Với sự phát triển của PlasmaQuant MS Series, Analytik Jena đã giải quyết thành công những thách thức này và làm cho khối phổ kế ICP bền vững hơn, tiết kiệm chi phí hơn và mạnh mẽ hơn. Các thiết bị tiên tiến này tiêu thụ ít hơn tới 50% argon so với các thiết bị khác và cho phép thời gian phân tích ngắn mà không làm giảm độ chính xác. Điều này đã cho phép các hệ thống ICP-MS từ PlasmaQuant MS Series tăng đáng kể thông lượng của các mẫu nước uống, chẳng hạn, trong khi vẫn tiếp tục đáp ứng các yêu cầu của các tiêu chuẩn quốc tế.