La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente ( ICP-MS ) es un tipo de espectrometría de masas que utiliza un plasma acoplado inductivamente para ionizar la muestra. Atomiza la muestra y crea iones atómicos y poliatómicos pequeños , que luego se detectan. Es conocida y utilizada por su capacidad para detectar metales y varios no metales en muestras líquidas a concentraciones muy bajas. Puede detectar diferentes isótopos del mismo elemento, lo que la convierte en una herramienta versátil en el marcaje isotópico .
En comparación con la espectroscopia de absorción atómica , la ICP-MS tiene mayor velocidad, precisión y sensibilidad. Sin embargo, en comparación con otros tipos de espectrometría de masas, como la espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS) y la espectrometría de masas por descarga luminiscente (GD-MS), la ICP-MS introduce muchas especies interferentes: argón del plasma, gases componentes del aire que se filtran a través de los orificios del cono y contaminación del material de vidrio y de los conos.
Un plasma acoplado inductivamente es un plasma que se energiza ( ioniza ) calentando inductivamente el gas con una bobina electromagnética , y contiene una concentración suficiente de iones y electrones para hacer que el gas sea eléctricamente conductor . No todo el gas necesita estar ionizado para que el gas tenga las características de un plasma; tan solo un 1% de ionización crea un plasma. [1] Los plasmas utilizados en el análisis espectroquímico son esencialmente eléctricamente neutros, con cada carga positiva en un ion equilibrada por un electrón libre. En estos plasmas, los iones positivos están casi todos cargados individualmente y hay pocos iones negativos, por lo que hay cantidades casi iguales de iones y electrones en cada unidad de volumen de plasma.
Los ICP tienen dos modos de operación, llamados modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma, y la transición del modo de calentamiento E a H ocurre con entradas externas. [2] La espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente se opera en el modo H.
Lo que hace que la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) sea única en comparación con otras formas de espectrometría de masas inorgánicas es su capacidad de tomar muestras del analito de forma continua, sin interrupción. Esto contrasta con otras formas de espectrometría de masas inorgánicas, como la espectrometría de masas por descarga luminiscente (GDMS) y la espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS), que requieren un proceso de dos etapas: insertar la(s) muestra(s) en una cámara de vacío, sellar la cámara de vacío, bombear para eliminar el vacío, energizar la muestra y, de este modo, enviar los iones al analizador de masas. Con la ICP-MS, la muestra que se va a analizar se encuentra a presión atmosférica. Mediante el uso eficaz del bombeo diferencial, múltiples etapas de vacío separadas por aberturas diferenciales (orificios), los iones creados en el plasma de argón se transmiten, con la ayuda de varias técnicas de enfoque electrostático, a través del analizador de masas al detector o detectores y se cuentan. Esto no solo permite al analista aumentar radicalmente el rendimiento de las muestras (cantidad de muestras a lo largo del tiempo), sino que también ha hecho posible hacer lo que se denomina "adquisición resuelta en el tiempo". Las técnicas combinadas como la cromatografía líquida ICP-MS (LC-ICP-MS), la ablación láser ICP-MS (LA-ICP-MS), la inyección de flujo ICP-MS (FIA-ICP-MS), etc. se han beneficiado de esta tecnología relativamente nueva. Ha estimulado el desarrollo de nuevas herramientas para la investigación, incluidas la geoquímica y la química forense, la bioquímica y la oceanografía. Además, el aumento en el rendimiento de las muestras, de docenas de muestras al día a cientos de muestras al día, ha revolucionado el análisis ambiental, reduciendo los costos. Fundamentalmente, todo esto se debe al hecho de que, mientras que la muestra se encuentra a presión ambiental, el analizador y el detector están a 1/10.000.000 de esa misma presión durante el funcionamiento normal.
Un plasma acoplado inductivamente (ICP) para espectrometría se sostiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente hechos de cuarzo , aunque el tubo interior (inyector) puede ser de zafiro si se utiliza ácido fluorhídrico . El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción alimentada con una corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (generalmente de 13 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos más externos de la antorcha y se aplica una chispa eléctrica durante un corto tiempo para introducir electrones libres en la corriente de gas. Estos electrones interactúan con el campo magnético de radiofrecuencia de la bobina de inducción y se aceleran primero en una dirección, luego en la otra, a medida que el campo cambia a alta frecuencia (generalmente 27,12 millones de ciclos por segundo). Los electrones acelerados chocan con átomos de argón y, a veces, una colisión hace que un átomo de argón se separe de uno de sus electrones. El electrón liberado es a su vez acelerado por el campo magnético que cambia rápidamente. El proceso continúa hasta que la velocidad de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la velocidad de recombinación de electrones con iones de argón (átomos que han perdido un electrón). Esto produce una "bola de fuego" que consiste principalmente en átomos de argón con una fracción bastante pequeña de electrones libres e iones de argón. La temperatura del plasma es muy alta, del orden de 10.000 K. El plasma también produce luz ultravioleta, por lo que, por seguridad, no se debe mirar directamente.
El ICP puede retenerse en la antorcha de cuarzo porque el flujo de gas entre los dos tubos más externos mantiene el plasma alejado de las paredes de la antorcha. Se suele introducir un segundo flujo de argón (alrededor de 1 litro por minuto) entre el tubo central y el tubo intermedio para mantener el plasma alejado del extremo del tubo central. Se introduce un tercer flujo (también normalmente alrededor de 1 litro por minuto) de gas en el tubo central de la antorcha. Este flujo de gas pasa por el centro del plasma, donde forma un canal que es más frío que el plasma circundante pero aún mucho más caliente que una llama química. Las muestras que se van a analizar se introducen en este canal central, normalmente como una niebla de líquido que se forma al pasar la muestra líquida por un nebulizador.
Para maximizar la temperatura del plasma (y, por lo tanto, la eficiencia de ionización) y la estabilidad, la muestra debe introducirse a través del tubo central con la menor cantidad posible de líquido (carga de disolvente) y con tamaños de gota constantes. Se puede utilizar un nebulizador para muestras líquidas, seguido de una cámara de pulverización para eliminar las gotas más grandes, o se puede utilizar un nebulizador desolvatador para evaporar la mayor parte del disolvente antes de que llegue a la antorcha. Las muestras sólidas también se pueden introducir mediante ablación láser. La muestra entra en el canal central del ICP, se evapora, las moléculas se separan y luego los átomos constituyentes se ionizan. A las temperaturas que prevalecen en el plasma, una proporción significativa de los átomos de muchos elementos químicos se ionizan, y cada átomo pierde su electrón más débilmente unido para formar un ion con una sola carga. La temperatura del plasma se selecciona para maximizar la eficiencia de ionización para elementos con una alta primera energía de ionización, al tiempo que se minimiza la segunda ionización (doble carga) para elementos que tienen una baja segunda energía de ionización.
Para acoplarlos a la espectrometría de masas , los iones del plasma se extraen a través de una serie de conos hacia un espectrómetro de masas, normalmente un cuadrupolo . Los iones se separan en función de su relación masa-carga y un detector recibe una señal iónica proporcional a la concentración.
La concentración de una muestra se puede determinar mediante calibración con material de referencia certificado , como estándares de referencia de un solo elemento o de múltiples elementos. La ICP-MS también se presta a determinaciones cuantitativas mediante dilución de isótopos , un método de punto único basado en un estándar enriquecido isotópicamente. Para aumentar la reproducibilidad y compensar los errores, pero la variación de la sensibilidad, se puede agregar un estándar interno .
Otros analizadores de masas acoplados a sistemas ICP incluyen sistemas sectoriales magnéticos-electrostáticos de doble enfoque con colectores simples y múltiples, así como sistemas de tiempo de vuelo ( se han utilizado aceleradores tanto axiales como ortogonales ).
Uno de los usos más importantes de la ICP-MS es en el campo médico y forense, específicamente en la toxicología. [ cita requerida ] Un médico puede solicitar un análisis de metales por diversas razones, como sospecha de intoxicación por metales pesados, problemas metabólicos e incluso problemas hepatológicos. Dependiendo de los parámetros específicos exclusivos del plan de diagnóstico de cada paciente, las muestras recogidas para el análisis pueden variar desde sangre completa, orina, plasma, suero e incluso glóbulos rojos concentrados. Otro uso principal de este instrumento se encuentra en el campo medioambiental. Dichas aplicaciones incluyen pruebas de agua para municipios o particulares hasta análisis de suelo, agua y otros materiales para fines industriales. [3]
En los últimos años, el control industrial y biológico ha presentado otra necesidad importante de análisis de metales mediante ICP-MS. Las personas que trabajan en fábricas donde la exposición a metales es probable e inevitable, como una fábrica de baterías, deben someterse a un análisis de sangre u orina para detectar la toxicidad de los metales de forma regular, según exige su empleador. Este control se ha convertido en una práctica obligatoria implementada por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los EE. UU. , en un esfuerzo por proteger a los trabajadores de su entorno laboral y garantizar una rotación adecuada de las tareas laborales (es decir, rotar a los empleados de un puesto de alta exposición a un puesto de baja exposición).
La espectrometría de masas por ionización inducida por corriente continua (ICP-MS) también se utiliza ampliamente en el campo de la geoquímica para la datación radiométrica, en el que se utiliza para analizar la abundancia relativa de diferentes isótopos, en particular el uranio y el plomo. La ICP-MS es más adecuada para esta aplicación que la espectrometría de masas por ionización térmica utilizada anteriormente , ya que las especies con alta energía de ionización, como el osmio y el tungsteno, se pueden ionizar fácilmente. Para el trabajo de relación de alta precisión, normalmente se utilizan instrumentos de colector múltiple para reducir el efecto del ruido en las relaciones calculadas.
En el campo de la citometría de flujo , una nueva técnica utiliza ICP-MS para reemplazar los fluorocromos tradicionales . En pocas palabras, en lugar de marcar anticuerpos (u otras sondas biológicas) con fluorocromos, cada anticuerpo se marca con una combinación distinta de lantánidos . Cuando la muestra de interés se analiza mediante ICP-MS en un citómetro de flujo especializado, cada anticuerpo puede identificarse y cuantificarse en virtud de una "huella" de ICP distinta. En teoría, se pueden analizar cientos de sondas biológicas diferentes en una célula individual, a una velocidad de aproximadamente 1000 células por segundo. Debido a que los elementos se distinguen fácilmente en ICP-MS, el problema de la compensación en la citometría de flujo multiplex se elimina de manera efectiva.
La espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por ablación láser (LA-ICP-MS) es una técnica poderosa para el análisis elemental de una amplia variedad de materiales encontrados en casos forenses. (LA-ICP-MS) ya se ha aplicado con éxito a aplicaciones forenses, metales, vidrios, suelos, pinturas de automóviles, huesos y dientes, tintas de impresión, trazas de elementos, huellas dactilares y papel. Entre estos, el análisis forense de vidrio se destaca como una aplicación para la que esta técnica tiene una gran utilidad para proporcionar un alto nivel de rendimiento. Los atropellos y fugas de automóviles, robos, asaltos, tiroteos desde vehículos en movimiento y atentados con bombas, como estas situaciones, pueden causar fragmentos de vidrio que podrían usarse como evidencia de asociación en condiciones de transferencia de vidrio. LA-ICP-MS se considera una de las mejores técnicas para el análisis de vidrio debido al corto tiempo para la preparación de la muestra y el pequeño tamaño de la muestra de menos de 250 nanogramos. Además, no hay necesidad de un procedimiento complejo y la manipulación de materiales peligrosos que se utilizan para la digestión de las muestras. Esto permite detectar elementos mayores, menores y trazas con un alto nivel de precisión y exactitud. Hay un conjunto de propiedades que se utilizan para medir muestras de vidrio, como propiedades físicas y ópticas, incluido el color, el espesor, la densidad, el índice de refracción (IR) y también, si es necesario, se puede realizar un análisis elemental para mejorar el valor de una asociación.
En la industria farmacéutica, la ICP-MS se utiliza para detectar impurezas inorgánicas en productos farmacéuticos y sus ingredientes. Los nuevos y reducidos niveles máximos de exposición permitidos de metales pesados de los suplementos dietéticos, introducidos en la USP ( Farmacopea de los Estados Unidos ) « 〈232〉Impurezas elementales: límites » [4] y la USP « 〈232〉Impurezas elementales: procedimientos » [5] , aumentarán la necesidad de la tecnología ICP-MS, donde, anteriormente, otros métodos analíticos han sido suficientes. [6] Los cosméticos, como el lápiz labial, recuperados de la escena de un crimen pueden proporcionar información forense valiosa. Las manchas de lápiz labial dejadas en colillas de cigarrillos, cristalería, ropa, ropa de cama; servilletas, papel, etc. pueden ser evidencia valiosa. El lápiz labial recuperado de la ropa o la piel también puede indicar contacto físico entre individuos. El análisis forense de la evidencia de manchas de lápiz labial recuperadas puede proporcionar información valiosa sobre las actividades recientes de una víctima o sospechoso. El análisis de elementos traza de manchas de lápiz labial podría usarse para complementar los procedimientos comparativos visuales existentes para determinar la marca y el color del lápiz labial.
La espectroscopia de masas con plasma acoplado inductivamente de una sola partícula (SP ICP-MS) fue diseñada para suspensiones de partículas en el año 2000 por Claude Degueldre. Probó por primera vez esta nueva metodología en el Instituto Forel de la Universidad de Ginebra y presentó este nuevo enfoque analítico en el simposio 'Colloid 2oo2' durante la reunión de primavera de 2002 del EMRS, y en las actas de 2003. [7] Este estudio presenta la teoría de SP ICP-MS y los resultados de pruebas realizadas en partículas de arcilla (montmorillonita), así como en otras suspensiones de coloides. Este método fue probado luego en nanopartículas de dióxido de torio por Degueldre y Favarger (2004), [8] dióxido de circonio por Degueldre et al (2004) [9] y nanopartículas de oro, que se utilizan como sustrato en nanofarmacia, y publicado por Degueldre et al (2006). [10] Posteriormente, el estudio de nano y micropartículas de dióxido de uranio dio lugar a una publicación detallada, Ref. Degueldre et al (2006). [11] Desde 2010, el interés por SP ICP-MS ha explotado.
Las técnicas forenses anteriores empleadas para el análisis orgánico de lápices labiales mediante comparación de composición incluyen cromatografía de capa fina (TLC), cromatografía de gases (GC) y cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). Estos métodos proporcionan información útil sobre la identificación de lápices labiales. Sin embargo, todos ellos requieren largos tiempos de preparación de la muestra y la destruyen. Las técnicas no destructivas para el análisis forense de manchas de lápiz labial incluyen la observación de fluorescencia UV combinada con cromatografía de gases de purga y trampa, microespectrofotometría y espectroscopia de energía dispersiva por microscopía electrónica de barrido (SEM-EDS) y espectroscopia Raman. [12]
Una tendencia creciente en el mundo del análisis elemental ha girado en torno a la especiación , o determinación del estado de oxidación de ciertos metales como el cromo y el arsénico . La toxicidad de esos elementos varía con el estado de oxidación, por lo que las nuevas regulaciones de las autoridades alimentarias requieren la especiación de algunos elementos. Una de las principales técnicas para lograr esto es separar las especies químicas con cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) o fraccionamiento de flujo de campo (FFF) y luego medir las concentraciones con ICP-MS.
Existe una tendencia creciente a utilizar la ICP-MS como herramienta en el análisis de especiación, que normalmente implica una separación cromatográfica inicial y un detector selectivo elemental, como AAS e ICP-MS. Por ejemplo, la ICP-MS se puede combinar con cromatografía de exclusión por tamaño y PAGE nativo preparativo para identificar y cuantificar metaloproteínas en biofluidos. También se puede analizar el estado de fosforilación de las proteínas.
En 2007, se introdujo un nuevo tipo de reactivos de marcado de proteínas llamados etiquetas de afinidad codificadas por metal (MeCAT) para marcar proteínas cuantitativamente con metales, especialmente lantánidos. [13] El marcado MeCAT permite la cuantificación relativa y absoluta de todo tipo de proteínas u otras biomoléculas como péptidos. MeCAT comprende un grupo de marcado de biomoléculas específico del sitio con al menos un grupo quelato fuerte que se une a los metales. Las proteínas marcadas con MeCAT se pueden cuantificar con precisión mediante ICP-MS hasta una cantidad baja de attomol de analito, que es al menos 2-3 órdenes de magnitud más sensible que otros métodos de cuantificación basados en espectrometría de masas. Al introducir varias etiquetas MeCAT en una biomolécula y optimizar aún más los límites de detección de LC-ICP-MS en el rango de zeptomoles están dentro del ámbito de lo posible. Mediante el uso de diferentes lantánidos, la multiplexación MeCAT se puede utilizar para la farmacocinética de proteínas y péptidos o el análisis de la expresión diferencial de proteínas ( proteómica ), por ejemplo, en fluidos biológicos. La electroforesis en gel bidimensional o la cromatografía se utilizan para la separación de proteínas marcadas con MeCAT mediante PAGE disoluble (DPAGE, PAGE disoluble) . El análisis ICP-MS por inyección de flujo de bandas o manchas de proteínas de geles DPAGE SDS-PAGE se puede realizar fácilmente disolviendo el gel DPAGE después de la electroforesis y la tinción del gel. Las proteínas marcadas con MeCAT se identifican y cuantifican relativamente a nivel de péptidos mediante MALDI-MS o ESI-MS.
El ICP-MS permite la determinación de elementos con rangos de masa atómica de 7 a 250 ( Li a U ), y a veces mayores. Algunas masas están prohibidas, como 40, debido a la abundancia de argón en la muestra. Otras regiones bloqueadas pueden incluir masa 80 (debido al dímero de argón) y masa 56 (debido a ArO), la última de las cuales dificulta en gran medida el análisis de Fe a menos que la instrumentación esté equipada con una cámara de reacción. Tales interferencias se pueden reducir utilizando un ICP-MS de alta resolución (HR-ICP-MS) que utiliza dos o más rendijas para restringir el haz y distinguir entre picos cercanos. Esto se produce a costa de la sensibilidad. Por ejemplo, distinguir el hierro del argón requiere un poder de resolución de aproximadamente 10.000, lo que puede reducir la sensibilidad del hierro en alrededor del 99%. Otra solución para algunas especies interferentes es el uso de una cámara de colisión, como se explica en el artículo sobre celdas de reacción de colisión .
Un ICP-MS de colector único puede utilizar un multiplicador en modo de conteo de pulsos para amplificar señales muy bajas, una rejilla de atenuación o un multiplicador en modo analógico para detectar señales medias y una cubeta o copa de Faraday para detectar señales más grandes. Un ICP-MS de colector múltiple puede tener más de uno de estos, normalmente cubetas de Faraday que son mucho más económicas. Con esta combinación, es posible un rango dinámico de 12 órdenes de magnitud, desde 1 ppq hasta 100 ppm.
La ICP-MS es un método de elección para la determinación de cadmio en muestras biológicas. [14]
A diferencia de la espectroscopia de absorción atómica , que solo puede medir un solo elemento a la vez, la ICP-MS tiene la capacidad de escanear todos los elementos simultáneamente. Esto permite un procesamiento rápido de las muestras. Una ICP-MS simultánea que puede registrar todo el espectro analítico desde el litio hasta el uranio en cada análisis ganó el Premio de Plata en los Premios de Editores de Pittcon de 2010. Una ICP-MS puede utilizar múltiples modos de escaneo, cada uno de los cuales logra un equilibrio diferente entre velocidad y precisión. Usar solo el imán para escanear es lento, debido a la histéresis, pero es preciso. Se pueden usar placas electrostáticas además del imán para aumentar la velocidad y esto, combinado con múltiples colectores, puede permitir un escaneo de cada elemento desde el litio 6 hasta el óxido de uranio 256 en menos de un cuarto de segundo. Para límites de detección bajos, especies interferentes y alta precisión, el tiempo de conteo puede aumentar sustancialmente. El escaneo rápido, el amplio rango dinámico y el amplio rango de masas son ideales para medir múltiples concentraciones desconocidas y proporciones de isótopos en muestras que han tenido una preparación mínima (una ventaja sobre TIMS), por ejemplo, agua de mar, orina y muestras de roca entera digerida. También es adecuado para muestras de roca extirpadas con láser, donde la velocidad de escaneo es tan rápida que es posible obtener un gráfico en tiempo real de cualquier número de isótopos. Esto también permite un fácil mapeo espacial de granos minerales.
En términos de entrada y salida , el instrumento ICP-MS consume material de muestra preparado y lo traduce en datos espectrales de masas. El procedimiento analítico real lleva algún tiempo; después de ese tiempo, el instrumento puede cambiarse para trabajar en la siguiente muestra. La serie de tales mediciones de muestra requiere que el instrumento tenga plasma encendido, mientras que una serie de parámetros técnicos deben ser estables para que los resultados obtenidos tengan una interpretación factible y precisa. Mantener el plasma requiere un suministro constante de gas portador (generalmente, argón puro) y un mayor consumo de energía del instrumento. Cuando estos costos de funcionamiento adicionales no se consideran justificados, el plasma y la mayoría de los sistemas auxiliares pueden apagarse. En dicho modo de espera, solo funcionan las bombas para mantener el vacío adecuado en el espectrómetro de masas.
Los componentes del instrumento ICP-MS están diseñados para permitir un funcionamiento reproducible y/o estable.
El primer paso del análisis es la introducción de la muestra. Esto se ha logrado en la ICP-MS a través de diversos medios.
El método más común es el uso de nebulizadores analíticos . El nebulizador convierte líquidos en un aerosol, y ese aerosol puede luego ser arrastrado hacia el plasma para crear los iones. Los nebulizadores funcionan mejor con muestras líquidas simples (es decir, soluciones). Sin embargo, ha habido casos de su uso con materiales más complejos como una suspensión . Se han acoplado muchas variedades de nebulizadores a ICP-MS, incluidos los tipos neumáticos, de flujo cruzado, Babington, ultrasónicos y desolvatantes. El aerosol generado a menudo se trata para limitarlo a solo gotas más pequeñas, comúnmente por medio de una cámara de pulverización ciclónica o de doble paso enfriada por Peltier. El uso de muestreadores automáticos hace que esto sea más fácil y rápido, especialmente para el trabajo de rutina y grandes cantidades de muestras. También se puede utilizar un nebulizador desolvatante (DSN); este utiliza un capilar largo calentado, recubierto con una membrana de fluoropolímero, para eliminar la mayor parte del solvente y reducir la carga en el plasma. Los sistemas de introducción por eliminación de matriz se utilizan a veces para muestras, como agua de mar, donde las especies de interés se encuentran en niveles traza y están rodeadas de contaminantes mucho más abundantes.
La ablación láser es otro método. Aunque era menos común en el pasado, se está volviendo rápidamente popular y se ha utilizado como un medio para introducir muestras, gracias al aumento de las velocidades de escaneo ICP-MS. En este método, un láser UV pulsado se enfoca en la muestra y crea una columna de material ablacionado que puede ser arrastrado hacia el plasma. Esto permite a los geoquímicos mapear espacialmente la composición isotópica en secciones transversales de muestras de roca, una herramienta que se pierde si la roca se digiere y se introduce como una muestra líquida. Los láseres para esta tarea están diseñados para tener salidas de potencia altamente controlables y distribuciones de potencia radiales uniformes, para producir cráteres que tienen un fondo plano y un diámetro y una profundidad elegidos.
Tanto para la ablación láser como para los nebulizadores desolvatantes, también se puede introducir un pequeño flujo de nitrógeno en el flujo de argón. El nitrógeno existe como un dímero, por lo que tiene más modos de vibración y es más eficiente para recibir energía de la bobina de RF alrededor de la antorcha.
También se utilizan otros métodos de introducción de muestras. La vaporización electrotérmica (ETV) y la vaporización con soplete (ITV) utilizan superficies calientes (grafito o metal, generalmente) para vaporizar las muestras para su introducción. Pueden utilizar cantidades muy pequeñas de líquidos, sólidos o lodos. También se conocen otros métodos como la generación de vapor.
El plasma utilizado en un ICP-MS se obtiene ionizando parcialmente el gas argón (Ar → Ar + + e − ). La energía necesaria para esta reacción se obtiene pulsando una corriente eléctrica alterna en la bobina de carga que rodea la antorcha de plasma con un flujo de gas argón.
Después de inyectar la muestra, la temperatura extrema del plasma hace que la muestra se separe en átomos individuales (atomización). A continuación, el plasma ioniza estos átomos (M → M + + e − ) para que puedan ser detectados por el espectrómetro de masas.
Un plasma acoplado inductivamente (ICP) para espectrometría se sostiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente hechos de cuarzo. Los dos diseños principales son las antorchas Fassel y Greenfield. [15] El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción alimentada con una corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (generalmente de 14 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos más externos de la antorcha y se aplica una chispa eléctrica durante un corto tiempo para introducir electrones libres en la corriente de gas. Estos electrones interactúan con el campo magnético de radiofrecuencia de la bobina de inducción y se aceleran primero en una dirección, luego en la otra, a medida que el campo cambia a alta frecuencia (generalmente 27,12 MHz o 40 MHz ). Los electrones acelerados chocan con átomos de argón y, a veces, una colisión hace que un átomo de argón se separe de uno de sus electrones. El electrón liberado es a su vez acelerado por el campo magnético que cambia rápidamente. El proceso continúa hasta que la velocidad de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la velocidad de recombinación de electrones con iones de argón (átomos que han perdido un electrón). Esto produce una "bola de fuego" que consta principalmente de átomos de argón con una fracción bastante pequeña de electrones libres e iones de argón.
La fabricación del plasma a partir de argón, en lugar de otros gases, tiene varias ventajas. En primer lugar, el argón es abundante (en la atmósfera, como resultado de la desintegración radiactiva del potasio ) y, por lo tanto, más barato que otros gases nobles . El argón también tiene un potencial de primera ionización más alto que todos los demás elementos, excepto He , F y Ne . Debido a esta alta energía de ionización, la reacción (Ar ++ e− → Ar) es energéticamente más favorable que la reacción (M ++ e− → M). Esto garantiza que la muestra permanezca ionizada (como M + ) para que el espectrómetro de masas pueda detectarla.
El argón se puede comprar para su uso con el ICP-MS en forma de líquido refrigerado o de gas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, independientemente de la forma de argón que se compre, debe tener una pureza garantizada de un mínimo del 99,9 %. Es importante determinar qué tipo de argón será el más adecuado para la situación específica. El argón líquido suele ser más barato y se puede almacenar en mayor cantidad que el gas, que es más caro y ocupa más espacio en el tanque. Si el instrumento se encuentra en un entorno en el que no se utiliza con frecuencia, lo más adecuado será comprar argón en estado gaseoso, ya que será más que suficiente para tiempos de funcionamiento más cortos y el gas en el cilindro permanecerá estable durante períodos de tiempo más prolongados, mientras que el argón líquido sufrirá pérdidas en el medio ambiente debido a la ventilación del tanque cuando se almacena durante períodos de tiempo prolongados. Sin embargo, si el ICP-MS se va a utilizar de forma rutinaria y está encendido y funcionando durante ocho o más horas cada día durante varios días a la semana, lo más adecuado será utilizar argón líquido. Si se deben utilizar varios instrumentos ICP-MS durante largos períodos de tiempo, lo más probable es que sea beneficioso para el laboratorio instalar un tanque de argón a granel o micro a granel que será mantenido por una empresa de suministro de gas, eliminando así la necesidad de cambiar los tanques con frecuencia y minimizando la pérdida de argón que queda en cada tanque usado, así como el tiempo de inactividad por cambio de tanque.
El helio se puede utilizar en lugar del argón o mezclado con él para la generación de plasma. [16] [17] La mayor energía de primera ionización del helio permite una mayor ionización y, por lo tanto, una mayor sensibilidad para los elementos difíciles de ionizar. El uso de helio puro también evita las interferencias basadas en argón, como ArO. [18] Sin embargo, muchas de las interferencias se pueden mitigar mediante el uso de una celda de colisión , y el mayor costo del helio ha impedido su uso en ICP-MS comercial. [ cita requerida ]
El gas portador se envía a través del canal central hasta el plasma muy caliente. Luego, la muestra se expone a una radiofrecuencia que convierte el gas en plasma . La alta temperatura del plasma es suficiente para hacer que una gran parte de la muestra forme iones. Esta fracción de ionización puede acercarse al 100 % para algunos elementos (por ejemplo, el sodio), pero esto depende del potencial de ionización. Una fracción de los iones formados pasa a través de un orificio de ~1 mm (cono muestreador) y luego a través de un orificio de ~0,4 mm (cono desnatador). El propósito de esto es permitir el vacío que requiere el espectrómetro de masas .
El vacío se crea y se mantiene mediante una serie de bombas. La primera etapa suele basarse en una bomba de vacío preliminar, normalmente una bomba de paletas rotativas estándar. Esta elimina la mayor parte del gas y normalmente alcanza una presión de alrededor de 133 Pa. Las etapas posteriores tienen su vacío generado por sistemas de vacío más potentes, normalmente bombas turbomoleculares. Los instrumentos más antiguos pueden haber utilizado bombas de difusión de aceite para regiones de alto vacío.
Antes de la separación de masas, se debe extraer un haz de iones positivos del plasma y enfocarlo hacia el analizador de masas. Es importante separar los iones de los fotones UV, los neutros energéticos y de cualquier partícula sólida que pueda haber sido transportada al instrumento desde el ICP. Tradicionalmente, los instrumentos ICP-MS han utilizado disposiciones de lentes de transmisión de iones para este propósito. Los ejemplos incluyen la lente Einzel, la lente Barrel, la lente Omega de Agilent [19] y el Shadow Stop de Perkin-Elmer. [20] Otro enfoque es utilizar guías de iones (cuadrupolos, hexapolos u octopolos) para guiar los iones hacia el analizador de masas a lo largo de un camino alejado de la trayectoria de los fotones o partículas neutras. Otro enfoque es la óptica "Ion Mirror" parabólica reflectora de 90 grados patentada por Varian utilizada por Analytik Jena ICP-MS [21] , que se afirma que proporciona un transporte de iones más eficiente hacia el analizador de masas, lo que da como resultado una mejor sensibilidad y un fondo reducido. El ICP-MS PQMS de Analytik Jena es el instrumento más sensible del mercado. [22] [23] [24] [ verificación fallida ]
Un ICP-MS sectorial tendrá comúnmente cuatro secciones: una región de aceleración de extracción, lentes de dirección, un sector electrostático y un sector magnético. La primera región toma iones del plasma y los acelera usando un alto voltaje. La segunda puede usar una combinación de placas paralelas, anillos, cuadrupolos, hexapolos y octopolos para dirigir, dar forma y enfocar el haz de modo que los picos resultantes sean simétricos, de cima plana y tengan alta transmisión. El sector electrostático puede estar antes o después del sector magnético dependiendo del instrumento en particular, y reduce la dispersión en energía cinética causada por el plasma. Esta dispersión es particularmente grande para ICP-MS, siendo más grande que la descarga luminiscente y mucho más grande que la TIMS. La geometría del instrumento se elige de modo que el punto focal combinado del instrumento de los sectores electrostático y magnético esté en el colector, conocido como Doble Enfoque (o Doble Enfoque).
Si la masa de interés tiene una sensibilidad baja y está justo debajo de un pico mucho más grande, la cola de masa baja de este pico más grande puede inmiscuirse en la masa de interés. Se puede utilizar un filtro de retardo para reducir esta cola. Este se ubica cerca del colector y aplica un voltaje igual pero opuesto al voltaje de aceleración; cualquier ion que haya perdido energía mientras volaba alrededor del instrumento será desacelerado hasta el reposo por el filtro.
La celda de colisión/reacción se utiliza para eliminar iones interferentes a través de reacciones ion/neutro. [25] Las celdas de colisión/reacción se conocen con varios nombres. La celda de reacción dinámica está ubicada antes del cuadrupolo en el dispositivo ICP-MS. [26] [27] [28] [29] La cámara tiene un cuadrupolo y se puede llenar con gases de reacción (o colisión) ( amoniaco , metano , oxígeno o hidrógeno ), con un tipo de gas a la vez o una mezcla de dos de ellos, que reacciona con la muestra introducida, eliminando parte de la interferencia.
La celda de reacción de colisión integrada (iCRC) utilizada por Analytik Jena ICP-MS es una mini celda de colisión instalada frente a la óptica del espejo de iones parabólico que elimina los iones interferentes inyectando un gas de colisión (He), o un gas reactivo (H 2 ), o una mezcla de los dos, directamente en el plasma a medida que fluye a través del cono desnatador y/o el cono muestreador. [30] [31] La iCRC eliminó los iones interferentes utilizando un fenómeno de discriminación de energía cinética de colisión (KED) [ cita requerida ] y reacciones químicas con iones interferentes de manera similar a las celdas de colisión más grandes utilizadas tradicionalmente.
Al igual que con cualquier instrumento o equipo, existen muchos aspectos del mantenimiento que deben abarcarse mediante procedimientos diarios, semanales y anuales. La frecuencia del mantenimiento suele estar determinada por el volumen de muestra y el tiempo de funcionamiento acumulado al que está sujeto el instrumento.
Una de las primeras cosas que se deben hacer antes de calibrar el ICP-MS es una comprobación y optimización de la sensibilidad. Esto garantiza que el operador esté al tanto de cualquier posible problema con el instrumento y, de ser así, pueda solucionarlo antes de comenzar la calibración. Los indicadores típicos de sensibilidad son los niveles de rodio, las relaciones de cerio/óxido y los blancos de agua desionizada. Una práctica estándar común es medir una solución de ajuste estándar proporcionada por el fabricante del ICP cada vez que se enciende la antorcha de plasma. Luego, el instrumento se calibra automáticamente para lograr una sensibilidad óptima y el operador obtiene un informe que proporciona ciertos parámetros como la sensibilidad, la resolución de masa y la cantidad estimada de especies oxidadas y especies con carga positiva doble.
Una de las formas más frecuentes de mantenimiento de rutina es reemplazar los tubos de muestra y desechos de la bomba peristáltica, ya que estos tubos pueden desgastarse con bastante rapidez, lo que provoca orificios y obstrucciones en la línea de muestra, lo que genera resultados sesgados. Otras piezas que necesitarán limpieza y/o reemplazo regular son las puntas de muestra, las puntas del nebulizador, los conos de muestra, los conos de skimmer, los tubos de inyección, las antorchas y las lentes. También puede ser necesario cambiar el aceite de la bomba de preaspiración de interfaz, así como de la bomba de respaldo de vacío, según la carga de trabajo a la que se someta el instrumento.
Para la mayoría de los métodos clínicos que utilizan ICP-MS, existe un proceso de preparación de muestra relativamente simple y rápido. El componente principal de la muestra es un estándar interno, que también sirve como diluyente. Este estándar interno consiste principalmente en agua desionizada , con ácido nítrico o clorhídrico , e indio y/o galio. La adición de ácidos volátiles permite que la muestra se descomponga en sus componentes gaseosos en el plasma, lo que minimiza la capacidad de las sales concentradas y las cargas de disolventes para obstruir los conos y contaminar el instrumento. [32] Dependiendo del tipo de muestra, normalmente se añaden 5 ml del estándar interno a un tubo de ensayo junto con 10–500 microlitros de muestra. A continuación, esta mezcla se agita durante varios segundos o hasta que se mezcle bien y luego se carga en la bandeja del muestreador automático. Para otras aplicaciones que pueden implicar muestras muy viscosas o muestras que tienen material particulado, puede que haya que llevar a cabo un proceso conocido como digestión de la muestra, antes de que pueda pipetearse y analizarse. Esto agrega un primer paso adicional al proceso anterior y, por lo tanto, hace que la preparación de la muestra sea más larga.
