Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS)

ICP-MS

Als robuste, hochpräzise und vielseitige Analysemethode hat die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry, ICP-MS) in der anorganischen Elementanalytik einen festen Platz. Das Analyseverfahren zeichnet sich nicht nur durch hervorragende Nachweisgrenzen aus, sondern besticht auch durch schnelle Messresultate, eine einzigartige Anwendungsvielfalt und eine robuste Performance.

Das ICP-MS Analyseverfahren hat sich in verschiedensten Branchen als leistungsstarke Methode zum Nachweis anorganischer Elemente wie Quecksilber, Blei oder Cadmium etabliert. Das Einsatzspektrum der Spurenanalyse ist vielseitig und reicht von Anwendungen in der Umweltanalytik wie der Überwachung der Trinkwasserqualität über die Analyse von klinischen Proben und der Bestimmung von Isotopenverhältnissen in der Lebensmittelanalytik bis zu Forschungsthemen wie der Messung von einzelnen Zellen und Nanopartikeln.

Dank der kontinuierlichen technischen Optimierung des ICP-MS Analyseverfahrens profitieren Anwender heute von immer besseren Nachweisgrenzen bei steigendem Probendurchsatz und sinkenden Betriebskosten. Gleichzeitig ist es gelungen, den Verbrauch des Edelgases Argon im Sinne der Nachhaltigkeit signifikant zu reduzieren.

Grundlagen zur Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma

Bei der ICP-MS Methode handelt es sich um ein massenspektrometrisches Analyseverfahren der anorganischen Elementanalytik. Es basiert – vereinfacht ausgedrückt – auf der spektrometrischen Analyse einer ionisierten Probe. Die zu untersuchende Probe wird dabei in einen Plasmastrom injiziert, wodurch chemische Bindungen gelöst und freie Atome ionisiert werden. Der Ionenstrahl wird anschließend zentriert und in das Massenspektrometer geleitet. Hier werden einzelne Ionen im Detektionssystem entsprechend des Verhältnisses von Masse zu Ladung (m/z) messtechnisch als Impulse erfasst und den Spurenelementen zugeordnet.

In der Praxis können – je nach Anwendung– verschiedene Lösungen und Produkte miteinander kombiniert werden. So ermöglicht beispielsweise die Kombination aus modernsten Autosamplern und Schaltventilen einen signifikant erhöhten Probendurchsatz, während die Kopplung der ICP-MS mit Flüssig-Chromatographie-Lösungen (HPLC) die Erschließung weiterer Anwendungsfelder ermöglicht.

Eine Reise durch die Geschichte der ICP-Massenspektrometrie

Der Zusammenhang zwischen Masse, Geschwindigkeit und Bahnradius eines Kathodenstrahls lässt sich mathematisch beschreiben und zur qualitativen und quantitativen Analyse von Elementen verwenden – zu dieser Erkenntnis kam der britische Physiker und Nobelpreisträger J.J. Thomson bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Bis die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma in der analytischen Chemie erstmals eingesetzt wurde, sollte es nach seiner Entdeckung allerdings noch mehr als 80 Jahre dauern. Erst 1983 kam das erste kommerzielle ICP-MS Gerät auf den Markt.

Der Weg zum marktreifen ICP-MS Produkt wurde vor allem dadurch gebremst, dass die Ionisierung der zu untersuchenden Probe technisch äußerst anspruchsvoll war. Erst Ende der siebziger Jahre gelang es, induktiv gekoppeltes Plasma mit einem Massenspektrometer zu kombinieren. Dabei half auch die parallele Entwicklung kommerzieller ICP-OES Analyseverfahren, bei denen induktiv gekoppeltes Plasma in Kombination mit einer optischen Emissionsspektrometrie zur Elementanalyse genutzt wurde.

Während sich die ICP-OES Technik nach ihrer Markteinführung schnell etablierte und in vielen Laboren zum neuen Standard der Elementanalyse wurde, hatte das ICP-MS Verfahren jahrelang mit Kinderkrankheiten zu kämpfen: Neben der Störempfindlichkeit durch Interferenzen ließen auch die Langzeitstabilität und der Probendurchsatz zu wünschen übrig. Durch die Einführung der Quadrupoltechnik schaffte die ICP-MS aber schließlich den Durchbruch in der Halbleiterindustrie, später wurde die Technik durch neu entwickelte Reaktionszellen schließlich auch für die Umweltanalytik hochinteressant. Heute hat sich das Verfahren dank seiner kurzen Analysezeiten, der Möglichkeit zur Multielementanalyse, den sinkenden Betriebskosten und der beeindruckenden Nachweisstärke in der Elementanalytik bewährt.

ICP-MS – Aufbau und Funktionsprinzip im Detail

Das Funktionsprinzip des ICP-MS Verfahrens basiert auf der massenspektrometrischen Analyse von in Plasma ionisierten Proben. Um dabei die gewünschten Nachweisgrenzen bei ausreichender Robustheit gegen Interferenzen und hoher Langzeitstabilität zu erzielen, ist ein ganz bestimmter Geräteaufbau erforderlich. Die folgenden Komponenten sind in einem ICP-MS Analysegerät unverzichtbar:

  • Hochfrequenz-Generator: Der Generator hat die Aufgabe, innerhalb der Plasmaspule ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen (induktiv), um somit Energie in einen Gasstrom einzukoppeln. Durch diesen Prozess wird das erzeugte Plasma versorgt.  Der Schwingkreis des Generators ist auf die Induktionsspule abgestimmt und arbeitet üblicherweise mit einer Frequenz von 27,12 oder 40,68 MHz.
  • Plasma-Torch (Fackel): Bei der Torch (Fackel) handelt es sich um ein mehrwandiges Quarzrohr, durch dessen äußeren Kanal das Edelgas Argon geleitet wird. Das offene Ende der Plasma-Torch ist von der Plasmaspule beziehungsweise Induktionsspule umgeben, die für die Energieübertragung auf den Argon-Strom verantwortlich ist.  
  • Plasmaspule: Die Plasmaspule ist ein Bestandteil des Hochfrequenz-Generators, durch sie fließt ein oszillierender Strom, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Dieses Feld beschleunigt geladene Partikel und überträgt dadurch Energie auf das Plasmagas Argon. Das Edelgas Argon wird dabei ionisiert und auf eine Temperatur von etwa 6.800 bis 10.000 K erhitzt.
  • Probeneinführung: Zur Einführung der Probe wird ein dünnes Injektor-Rohr aus Quarz, Korund oder Saphir verwendet. Dieses injiziert die Probe unter Zuhilfenahme von zusätzlichem Argon in das Plasma, wodurch chemische Bindungen in der Probe zerstört und freie Atome ionisiert werden. Die praktische Umsetzung der Probeninjektion unterscheidet sich je nach Aggregatzustand der Probe. Bei flüssigen Proben wird die Flüssigkeit zusammen mit Argon zu einem feinen Aerosol zerstäubt und dann in das Injektor-Rohr geleitet. Gasförmige Proben können üblicherweise direkt an das Injektor-Rohr angeschlossen werden, während Feststoffe zunächst vergast und mit einem Trägergasstrom aufgenommen werden.
  • Interface: Das Interface hat die Aufgabe, die ionisierte Probe aus dem Plasma in die Hochvakuumregion des Massenspektrometers zu transportieren. Gleichzeitig ist das Interface dafür verantwortlich, den Ionenstrahl auf die Ionenoptik zu leiten, wo dann mithilfe von Extraktionslinsen die Bündelung des Strahls erfolgt. Zur Trennung des Vakuums kommen zwei konisch geformte Lochblenden, sogenannte Cones, zum Einsatz.
  • Interferenzbeseitigung: Die Beseitigung von Interferenzen erfolgt bei der ICP-MS unter Verwendung von Kollisions- und / oder Reaktionsgasen. Im Kollisionsmodus werden polyatome Interferenzen durch Reduktion kinetischer Energie oder Dissoziation entfernt. Im Reaktionsmodus werden interferierende Ionen und Polyatome in neue, nicht störende konvertiert.
  • Ionenoptik: Bei der Ionenoptik handelt es sich um ein Linsensystem, das der Fokussierung des Ionenstrahls dient und diesen in das Massenspektrometer einleitet.
  • Massenfilter: Der Massenfilter wird meist als Quadrupol ausgeführt, er besteht aus vier parallel angeordneten Stäben, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen und die Ionen dadurch auf spiralförmige Flugbahnen lenken. Als maßgeblicher Performance-Parameter von ICP-MS Geräten gilt die Quadrupol-Scanrate, die Rückschlüsse über die Geschwindigkeit des Messvorgangs erlaubt. Leistungsstarke Geräte erzielen Scangeschwindigkeiten von mehr als 5.000 amu/s.
  • Detektionssystem: Am Ausgang des Massenfilters befindet sich das Detektionssystem, das ein Messsignal erzeugt, welches proportional zur Häufigkeit der detektierten Ionen ist. In der Praxis werden üblicherweise Sekundärelektronenvervielfacher und Faraday-Detektoren verwendet.

 

Abbildung 1 Schema ICP-MS (Quelle: Analytik Jena)

Durch den rasanten technischen Fortschritt ist es gelungen, die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma immer weiter zu optimieren. Leistungsstarke Geräte wie die PlasmaQuant MS Serie sind heute in der Lage, auch extrem niedrige Elementkonzentrationen zuverlässig zu analysieren.. Gleichzeitig profitieren Anwender dank optimierter Plasmaionisationsquellen von deutlich reduzierten Plasma-Betriebskosten und einer hohen Matrixtoleranz.

Moderne, volldigitale Detektionssysteme decken im Impulszählmodus heute einen sehr großen analytischen Bereich ab und können daher in der Multielementanalytik flexibel eingesetzt werden – in einer einzigen Messung lassen sich vom Ultraspurenbereich bis hin zu hohen Konzentrationen alle Anwendungsfälle abbilden.

Interferenzmanagement als Schlüssel zur Langzeitstabilität

Eine der großen technischen Herausforderungen bei der ICP-Massenspektrometrie ist das Auftreten von Interferenzen. Dabei handelt es sich um Störungen, die das Messergebnis potenziell verfälschen oder eine Probe sogar komplett unmessbar machen können. Zu den gängigsten Interferenzen bei der ICP-MS gehören beispielsweise molekulare (spektroskopische) Störeinflüsse, die nach der Zerstäubung der Probe auftreten. Dazu gehört beispielsweise die Bildung von Oxiden. Der Fokus des Interferenzmanagements liegt daher darauf, diese Störungen gezielt aus der Probe zu entfernen und somit die gewünschte Langzeitstabilität auch bei anspruchsvollen Proben sicherzustellen. Einer der maßgeblichen Parameter ist der Grad der Oxidbildung, der in % CeO+/Ce+ gemessen wird.

Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der ICP-MS

Die weitreichenden Vorteile und die flexible Einsatzfähigkeit des ICP-MS Analyseverfahrens haben dafür gesorgt, dass mittlerweile zahlreiche Branchen auf die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma vertrauen. Einige der wichtigsten Anwendungsfelder stellen wir Ihnen hier mit praxisnahen Beispielen kurz vor:

  • Umwelt: In der Umweltanalytik gelingt es durch das ICP-MS Verfahren, selbst geringste Mengen an toxischen Elementen in Proben festzustellen. Durch die präzise Bestimmung von Spurenelementen ist es heute möglich, schädliche Umwelteinflüsse frühzeitig zu identifizieren und gezielt zu eliminieren. Die ICP-MS Technik ermöglicht es, Umweltverschmutzung zu vermeiden und Ressourcen zu schonen. Das Einsatzspektrum reicht von der Messung toxischer Elemente in Filterstäuben bis zur Ultraspurenbestimmung von Quecksilber in Umweltgewässern.
  • Lebensmittel & Landwirtschaft: Die Produktion landwirtschaftlicher Erzeugnisse und Lebensmittel ist heute in vielen Bereichen industrialisiert und automatisiert. Umso wichtiger ist es, die Qualität der Endprodukte kontinuierlich zu überwachen – ICP-MS leistet hier einen wichtigen Beitrag, etwa durch die Überwachung der Trinkwasserqualität oder die Bestimmung des Strontium-Isotopen-Verhältnisses in Wein und Getreide.
  • Geologie, Bergbau & Metalle: Bei der Gewinnung von geologischen Materialien und der Verarbeitung von Metallen gelingt es mit dem ICP-MS Verfahren zuverlässig, auch geringste Mengen an Spurenelementen nachzuweisen. So können beispielsweise Spurenelemente in Kupfer entdeckt oder Metalllegierungen mittels LA-ICP-MS analysiert werden.
  • Pharma & Life Science: Durch den Einsatz in der pharmazeutischen Industrie trägt die ICP-MS Elementanalytik unmittelbar zu einem höheren Standard des Gesundheitssystems und somit auch zu einer höheren Lebensqualität bei. Das Verfahren wird beispielsweise dazu eingesetzt, um Spuren von Schwermetallen in Cannabisprodukten zu erkennen oder die Eisenisotopenverhältnisse im menschlichen Vollblut zu bestimmen.
  • Öl & Gas:In der Öl- und Gasindustrie gilt es, sehr hohe Reinheits- und Qualitätsstandards zu erfüllen. ICP-MS kommt unter anderem zum Einsatz, um Verunreinigungen in Naphtha gemäß ASTM D8110-17 zu identifizieren.
  • Chemie & Materialien: Spielzeug auf unerwünschte Spurenelemente untersuchen oder Glasproben analysieren – das sind nur zwei der zahlreichen Anwendungsgebiete des ICP-MS Verfahrens in der chemischen Industrie.
  • Energietechnik: Um die Lebensdauer hocheffizienter Kraftwerke zur Energieerzeugung zu optimieren, wird die ICP-MS Analyse beispielsweise zur Kontrolle der Kühlmittelqualität eingesetzt. Denn schon eine geringe Kontamination des Kühlmittels mit Natrium, Calcium oder Magnesium kann zu unerwünschten Begleiterscheinungen wie Korrosion oder Ablagerungen führen.

Bei den hier erläuterten Einsatzgebieten der ICP-Massenspektrometrie handelt es sich lediglich um Beispiele, die das breite Anwendungsspektrum des Verfahrens in der Praxis unterstreichen.

Nachhaltige Elementanalytik mit modernen ICP-MS-Lösungen

Moderne Labore müssen heute in der Lage sein, auch eine große Anzahl an Proben in kürzester Zeit unter Einhaltung höchster Präzisionsanforderungen zu analysieren. Gleichzeitig gilt es, den Verbrauch an Argon im Sinne der Nachhaltigkeit des Verfahrens und der Betriebskosten möglichst gering zu halten.

Analytik Jena ist es mit der Entwicklung der PlasmaQuant MS-Serie gelungen, diese Herausforderungen zu lösen und die ICP-Massenspektrometrie nachhaltiger, kostengünstiger und leistungsfähiger zu machen. Die hochmodernen Geräte verbrauchen bis zu 50 % weniger Argon im Vergleich zu anderen Geräten und erlauben geringe Analysezeiten ohne Abstriche bei der Präzision. So sind die ICP-MS-Systeme der PlasmaQuant MS-Serie beispielsweise in der Lage, den Durchsatz an Trinkwasserproben pro Stunde signifikant zu erhöhen und dabei weiterhin die Vorgaben internationaler Standards zu erfüllen.