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Agilent 7900 ICP-MS 的高盐基质分析性能

发布时间:2022-04-14   点击次数:450次

 

前言:自二十世纪八十年代第一代商用ICP-MS问世以来,就广泛应用于众多行业和应 用进行痕量元素分析。然而,在测定环境、临床、食品、核以及地质等典型应 用中的高基质样品时,仍然面临诸多挑战。如果使用 ICP-MS 直接分析总溶解态 固体 (TDS) 含量高的样品,基质可能会沉积到采样锥和截取锥孔,导致信号逐 渐降低。另外,在分析此类样品时,基质组分也可能会显著抑制(或者偶尔也 可能增强)分析物信号 [1]。感兴趣的高基质环境样品包括海洋生物、沉积物、 地下水、开放海域以及沿海海水 [2]。含盐量远高于海水的内湖和咸水湖(即高 配备 UHMI 的 Agilent 7900 ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪 的 高盐基质分析性能 应用简报 作者 Wim Proper1 、Ed McCurdy2 和 Junichi Takahashi3 1 Eurofins Analytico 公司,荷兰 2 安捷伦科技公司,英国 3 安捷伦科技公司,日本 环境、食品、化工 盐度湖泊)也是需要关注的对象,这些水体包括南极洲的 唐胡安池和万达湖、吉布提的阿萨勒湖、土库曼斯坦的卡 拉博加兹戈尔湾、位于以色列和约旦之间的死海以及美国的 莫诺湖和大盐湖。这些水体的盐度可能是海水的很多倍(唐 胡安池的盐度 >40%,最高可比海水高 12 倍)。


使用 ICP-MS测定高基质样品时,基质元素会以多种* 方式影响分析物信号。其中最公认的是信号会逐渐降低, 这主要是由于长时间测定高基质样品时基质沉积在 ICP-MS 接口部件(采样锥和截取锥)而引起的。一般公认传统 ICP-MS 仪器直接测定所能耐受的最大总溶解态固体 (TDS) 极限为 0.2%(2000 ppm 或 2 g/L),而此类信号漂移正是 设定该限值的最主要原因。许多 ICP-MS 标准方法中定义 的限值也是 0.2% TDS,例如 EN-ISO 17294-2(水质)、 US-EPA 6020B(水和废水)以及 EN 13805(食品中的痕量 元素)。基质不同,信号漂移也不同,一般来说难熔元素基 质会导致更严重的基质沉积累积,而且漂移对不同分析物的 影响也不同,通常元素质量数越低,信号损失也越多。 测定高溶解态固体样品时需要考虑的另一个重要因素是基质 对样品粘度、吸取速率、雾化、液滴形成以及蒸发速率等 物理参数的影响,这些参数都会影响生成的气溶胶的数量 和质量,并进而影响信号。


电离抑制也会影响分析物信号,因为等离子体中存在的高 浓度易电离(第一电离能 (IP) 低)原子会导致过量的自由 电子,从而抑制其他元素,尤其是常测的 As、Se、Cd 和 Hg 等痕量元素的电离。除了电离抑制外,提取离子束中高 浓度的基质元素还会使其他离子散焦,引发的空间电荷效 应会使得信号大大降低 [3]。 最后,Na、Ca、Cl 和 S 等常量元素会在质谱中生成多原 子离子,干扰痕量水平的 Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zn、As 以及其他元素的测定。因此,人们通常使用 ICP-OES 来分 析高盐水样 [4,5],但是 ICP-OES 的报告限比 ICP-MS 的报告限高得多。避免光谱干扰的另一个方法是使用在线螯 合 [6-8]、固相萃取 [9] 或共沉淀 [10,11] 等基质去除技术。 常规分析某些元素时可以采用上述技术,但是它们比较耗 时,而且对操作者的技术要求较高。而且,由于化学性质 相似,诸如 Br、Rb、I 和 Cs 等一些元素可能会随基质元 素一起被去除。


现在,我们有了配备诸如安捷伦八极杆反应池系统 (ORS) 一 类的碰撞/反应池 (CRC) 技术的 ICP-MS,它能显著降低海 水及其他高盐样品中主要成分引起的质谱干扰。安捷伦还 开发了专门用于将高基质样品直接引入 ICP-MS 的高基质进 样 (HMI) 系统。HMI 利用了传统的蠕动泵和雾化器,结合非 常稳定的等离子体条件,取样深度更深,载气流量更低。 在雾化室和炬管之间(即在雾化室出口处)加入第二路氩 气流(稀释气体),这样一来稀释气流能够在样品气溶胶 穿过炬管的时候将其稀释。蠕动泵以正常的约 0.4 mL/min 的吸取速率吸取样品溶液,而雾化器气体流速则降至不到 1 L/min。随着气体流速的降低,雾化器中产生的样品气溶 胶的体积也减小了。这样一来,进入到等离子体中的样品 量减少了,无需添加任何试剂或稀释溶液,也无需对样品 本身做任何人工处理。


现在,使用配备 HMI 和 ORS 的安捷伦 ICP-MS 即可实现 海水的常规直接分析。但是,有时候还对更高基质样品中 的痕量金属进行分析,比如说高盐度湖泊的湖水以及用于 透析、鱼运输以及油田开发过程的饱和盐水 (25% NaCl)。 本应用简报介绍了如何使用配备了新型超高基质进样 (UHMI) 选件的新型 Agilent 7900 ICP-MS 对高达 25% TDS 的超高 基质水平样品进行常规分析。以前人们认为 ICP-MS 不适用 于如此之高的盐基质水平,而在采用 UHMI 后显著增强了 ICP-MS 的基质耐受性,使其最高可耐受百分水平的 TDS, 从而克服了 ICP-MS 技术长期以来的限制因素。


实验部分 试剂和仪器 将试剂级 NaCl(Merck EMSURE,德国达姆斯塔特)溶解于 去离子水中,制得不同溶解态固体水平(最高为 25% w/w NaCl)的盐基质溶液,并加入 0.5% HNO3 和 0.6% HCl 稳 定。使用购自美国克里斯琴斯堡 Inorganic Ventures 公司 的定制混合以及单元素储备溶液制备校准标样,使用购自荷 兰阿姆斯特丹 CPI International 公司的混合 QC 储备溶液制 备加标混标,单元素 Hg 标样购自德国达姆斯塔特 Merck 公司。使用来自相同供应商的单元素储备液制备混合内标 (ISTD) 溶液,并使用标准 ISTD 混合三通接头在线添加混标 内标溶液。 使用配有标准镍采样锥和截取锥、标准玻璃雾化器、在 2 °C 冷却的石英雾化室以及带 2.5 mm 导入管的石英炬管 的 Agilent 7900 ICP-MS。7900 ICP-MS 拥有新型超高基 质进样 (UHMI) 选件,该选件将气溶胶的稀释范围扩展了 100 倍,可分析 TDS 水平高达 25% 的样品。可使用用户设 定的稀释倍数自动完成 UHMI 稀释,并可使用等离子体校正 软件算法校正,以确保操作条件始终如一。对于本文中的盐 基质样品,使用的条件为 UHMI-100(稀释约 100 倍)。与 分析高盐基质时相同,我们使用了安捷伦氩气加湿器附件 (G8412A)。7900 ICP-MS 还拥有第四代碰撞/反应池 ORS4 , 它含有标准 He 模式反应池气路。可选的 H2 反应池气路可 提高去除较强等离子体多原子重叠峰的能力,避免对某些待 测元素(较明显的有 Ca (m/z 40)、Fe (56) 和 Se (78))造 成干扰。使用 Agilent ASX-520 自动进样器进行样品输送。


优化 在采集参数中设置好批次的 UHMI 稀释倍数(基于预期的目 标样品最大基质水平)之后,ICP-MS MassHunter 自动调 谐功能即可自动优化其他仪器设置。自动调谐可在预定义 的仪器启动队列中自动运行,也可作为批采集的一部分独 立运行,所有调谐模式(本文中,大多数元素采用 He 模 式,Ca、Mn、Fe 和 Se 采用 H2 模式)的调谐设置也可独 立优化。这样可确保对于当前的仪器硬件以及样品类型而 言仪器条件始终是*的。 分析步骤 为了便于操作,Agilent ICP-MS MassHunter 软件有多种 预设等离子体模式,这些模式中包含了 UHMI 稀释倍数。 这样一来就可以始终调用并应用合适的条件,无需进行常规 的再调谐。为了测试仪器对高 NaCl 基质(高达 25% NaCl) 的性能,我们选择了 UHMI-100(气溶胶稀释约 100 倍), 因为该条件下稳定性最好,且能耐受*的基质水平。仪 器设置见表 1。使用仪器自动调谐功能对所有透镜电压进行 了优化。很明显,对于所使用的两种气体模式而言,大部 分参数都是一致的。

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对一系列目标痕量元素进行了分析,盐基质范围从 NaCl 零 添加到 25% NaCl 溶液。根据简单的水校准标样(无 NaCl 基质)对所有样品进行了测定,制备这些标样所采用的混 酸与样品的相同(0.5% HNO3 和 0.6% HCl)。


结果和讨论 UHMI 对高 NaCl 基质耐受性的评估 为了研究配有 UHMI 的 7900 ICP-MS 对高盐基质样品的 常规测定性能,我们进行了稳定性测试。在该测试中,对 25% NaCl 空白(未加标)溶液进行了重复测定,另外还交替 测定了含相同 NaCl 基质的加标样品。每个样品测定 25 次, 所以在 4 小时的序列中测定了 50 个含 25% NaCl 基质的样 品。图 1 给出了整个序列的内标 (ISTD) 信号,包括初始校 准标样以及不含 NaCl 基质的空白溶液。 NaCl 基质的影响非常明显,初始标样在含 NaCl 基质样品 中的信号显著低于在低基质标样以及空白中的信号。很显 然,物理的样品吸取和雾化效应,以及含和不含 25% NaCl 基质的溶液在气溶胶传输以及溶剂蒸发速率等方面的差异是 造成信号下降的主要原因。信号损失还有一部分原因可能是由于等离子体中高水平 Na 导致的电离抑制引起的;Ir 是 内标元素中最难电离的(第一电离势 (IP) 为 8.97 eV),在 所有 ISTD 中它的信号下降也最严重。但是,电离抑制无法 解释 NaCl 基质大部分的信号变化,因为 Ge 相对来说也难 电离(第一电离势为 7.90 eV),但是它仍保留了与其它更 易电离的元素相同比例的原始(无基质)信号。


但是值得注意的是,从图 1 的稳定性图来看,在 NaCl 基质 存在的情况下,所有 ISTD 元素的信号在初期下降之后,在 随后的 NaCl 基质样品中保持不变,而且 ISTD 信号都基本 上保持平行。这说明,首先,在 4 小时的序列中基质沉积 引起的灵敏度损失非常有限,其次,不存在受质量影响的 信号变化(质量歧视)。对电离势和质量数不同的元素能 获得稳定一致的响应,这一点对于准确的定量分析来说极 为重要,因为它确保了可以在宽的分析物范围内进行 ISTD 校正,而且可靠性和准确性更高。


 

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