Por inducción de plasma espectrometría de masas

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 conocido y utilizado por su capacidad para detectar metales y varios no metales en muestras líquidas en concentraciones muy bajas. Puede detectar diferentes isótopos del mismo elemento, lo que lo convierte en una herramienta versátil en el etiquetado de isótopos.

En comparación con la espectroscopia de absorción atómica, ICP-MS tiene mayor velocidad, precisión y sensibilidad. Sin embargo, en comparación con otros tipos de espectrometría de masas, como la espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) y la espectrometría de masas de descarga luminiscente (GD-MS), ICP-MS introduce muchas especies que interfieren: argón del plasma, gases componentes del aire que se filtran los orificios del cono y la contaminación de la cristalería y los conos.

Componentes

Plasma acoplado inductivamente

Un plasma acoplado inductivamente es un plasma que se energiza (ioniza) al calentar 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 es necesario ionizar todo el gas para que tenga las características de un plasma; tan solo un 1% de ionización crea un plasma. Los plasmas utilizados en el análisis espectroquímico son esencialmente eléctricamente neutros, con cada carga positiva en un ion balanceado por un electrón libre. En estos plasmas, casi todos los iones positivos tienen carga única y hay pocos iones negativos, por lo que hay un número casi igual 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 calefacción E a H ocurre con entradas externas. La espectrometría de masas de plasma de acoplamiento inductivo funciona en el modo H.

Lo que hace que la espectrometría de masas de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS) sea única frente a otras formas de espectrometría de masas inorgánicas es su capacidad para tomar muestras del analito de forma continua, sin interrupción. Esto contrasta con otras formas de espectrometría de masas inorgánicas; Espectrometría de masas de descarga luminiscente (GDMS) y espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS), que requieren un proceso de dos etapas: Inserte la(s) muestra(s) en una cámara de vacío, selle la cámara de vacío, bombee el vacío, energice la muestra y envíe iones en el analizador de masas. Con ICP-MS, la muestra a analizar se encuentra a presión atmosférica. Mediante el uso efectivo del bombeo diferencial; múltiples etapas de vacío separadas por aperturas diferenciales (agujeros), los iones creados en el plasma de argón son, con la ayuda de varias técnicas de enfoque electrostático, transmitidos a través del analizador de masas al detector(es) y contados. Esto no solo le permite al analista aumentar radicalmente el rendimiento de la muestra (cantidad de muestras a lo largo del tiempo), sino que también ha hecho posible lo que se denomina "adquisición resuelta en el tiempo". Técnicas con guión como la cromatografía líquida ICP-MS (LC-ICP-MS); ablación láser ICP-MS (LA-ICP-MS); Flow Injection ICP-MS (FIA-ICP-MS), etc. se han beneficiado de esta tecnología relativamente nueva. Ha estimulado el desarrollo de nuevas herramientas para la investigación, incluida la geoquímica y la química forense; bioquímica y oceanografía. Además, los aumentos en el rendimiento de muestras de docenas de muestras por día a cientos de muestras por día han revolucionado el análisis ambiental, reduciendo los costos. Fundamentalmente, todo esto se debe al hecho de que mientras la muestra reside a la 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 sustenta en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, normalmente 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 corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (normalmente de 13 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos exteriores del soplete y se aplica una chispa eléctrica durante un tiempo breve 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 y 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 los 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 tasa de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la tasa 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 los 10.000 K. El plasma también produce luz ultravioleta, por lo que por seguridad no debe verse directamente.

El ICP se puede retener en el soplete de cuarzo porque el flujo de gas entre los dos tubos más externos mantiene el plasma alejado de las paredes del soplete. 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 (generalmente 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 mucho más caliente que una llama química. Las muestras a analizar se introducen en este canal central, generalmente como una neblina de líquido formada al pasar la muestra líquida a 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 gotas de tamaño uniforme. Se puede usar un nebulizador para muestras líquidas, seguido de una cámara de pulverización para eliminar las gotas más grandes, o se puede usar un nebulizador de desolvatación para evaporar la mayor parte del solvente antes de que llegue a la antorcha. Las muestras sólidas también se pueden introducir mediante ablación con láser. La muestra ingresa al canal central del ICP, se evapora, las moléculas se rompen y luego los átomos constituyentes se ionizan. A las temperaturas que prevalecen en el plasma, se ioniza una proporción significativa de los átomos de muchos elementos químicos, 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 primera energía de ionización alta, mientras que se minimiza la segunda ionización (doble carga) para elementos que tienen una segunda energía de ionización baja.

Espectrometría de masas

Para el acoplamiento a la espectrometría de masas, los iones del plasma se extraen a través de una serie de conos en un espectrómetro de masas, generalmente un cuadrupolo. Los iones se separan en función de su relación masa-carga y un detector recibe una señal de iones proporcional a la concentración.

La concentración de una muestra se puede determinar mediante la calibración con material de referencia certificado, como estándares de referencia de uno o varios elementos. ICP-MS también se presta a determinaciones cuantitativas a través de la 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 patrón interno.

Otros analizadores de masas acoplados a sistemas ICP incluyen sistemas de sector magnético-electrostático de doble enfoque con colector único y múltiple, así como sistemas de tiempo de vuelo (se han utilizado aceleradores tanto axiales como ortogonales).

Aplicaciones

Uno de los usos de mayor volumen para ICP-MS es en el campo médico y forense, específicamente, toxicología. Un médico puede ordenar un análisis de metales por varias razones, como la sospecha de envenenamiento por metales pesados, problemas metabólicos e incluso problemas hepatológicos. Dependiendo de los parámetros específicos exclusivos del plan de diagnóstico de cada paciente, las muestras recolectadas para el análisis pueden variar desde sangre total, orina, plasma, suero e incluso concentrados de glóbulos rojos. Otro uso principal de este instrumento se encuentra en el campo ambiental. Dichas aplicaciones incluyen análisis de agua para municipios o particulares hasta análisis de suelo, agua y otros materiales para fines industriales.

En los últimos años, el control industrial y biológico ha presentado otra necesidad importante para el análisis de metales a través de ICP-MS. Las personas que trabajan en fábricas donde la exposición a metales es probable e inevitable, como una fábrica de baterías, están obligadas por su empleador a analizar periódicamente su sangre u orina para detectar la toxicidad de metales. Este control se ha convertido en una práctica obligatoria implementada por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU., en un esfuerzo por proteger a los trabajadores de su entorno de trabajo y garantizar la rotación adecuada de las tareas laborales (es decir, rotar a los empleados de un puesto de alta exposición a un puesto de baja exposición).

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. ICP-MS es más adecuado para esta aplicación que la espectrometría de masas de ionización térmica utilizada anteriormente, ya que las especies con alta energía de ionización, como el osmio y el tungsteno, se pueden ionizar fácilmente. Para trabajos de relación de alta precisión, normalmente se utilizan instrumentos de múltiples colectores para reducir el efecto de ruido en las relaciones calculadas.

En el campo de la citometría de flujo, una nueva técnica utiliza ICP-MS para reemplazar los fluorocromos tradicionales. Brevemente, en lugar de marcar anticuerpos (u otras sondas biológicas) con fluorocromos, cada anticuerpo se marca con distintas combinaciones de lantánidos. Cuando la muestra de interés se analiza mediante ICP-MS en un citómetro de flujo especializado, cada anticuerpo se puede identificar y cuantificar 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 aprox. 1.000 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 en medicina forense, metales, vidrios, suelos, pinturas para automóviles, huesos y dientes, tintas de impresión, trazas elementales, huellas dactilares y papel. Entre estos, el análisis forense de vidrios se destaca como una aplicación para la cual esta técnica tiene una gran utilidad para brindar altamente. Los choques y fugas de automóviles, los robos, los asaltos, los tiroteos desde vehículos en movimiento y los bombardeos 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 de preparación de la muestra y al tamaño de muestra pequeño de menos de 250 nanogramos. Además, no hay necesidad de procedimientos complejos y manejo de materiales peligrosos que se utilizan para la digestión de las muestras. Esto permite detectar elementos mayores, menores y trazantes con un alto nivel de precisión y exactitud. Hay un conjunto de propiedades que se utilizan para medir la muestra de vidrio, como las propiedades físicas y ópticas, incluido el color, el grosor, 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..

Industria farmacéutica

En la industria farmacéutica, ICP-MS se utiliza para detectar impurezas inorgánicas en productos farmacéuticos y sus ingredientes. Niveles de exposición máximos permitidos nuevos y reducidos de metales pesados de suplementos dietéticos, introducidos en la USP (Farmacopea de los Estados Unidos) «〈232〉Impurezas elementales—Límites» y la USP «〈232〉Impurezas elementales— Procedimientos», aumentará la necesidad de la tecnología ICP-MS, donde, anteriormente, otros métodos analíticos han sido suficientes. Los cosméticos, como el lápiz labial, recuperados de la escena del crimen pueden proporcionar información forense valiosa. Manchas de lápiz labial que quedan en colillas de cigarrillos, cristalería, ropa, ropa de cama; servilletas, papel, etc. pueden ser pruebas valiosas. El lápiz labial recuperado de la ropa o la piel también puede indicar contacto físico entre individuos. El análisis forense de las pruebas de frotis de lápiz labial recuperadas puede proporcionar información valiosa sobre las actividades recientes de una víctima o sospechoso. El análisis elemental de trazas de frotis 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 de plasma de acoplamiento inductivo de partículas individuales (SP ICP-MS) fue diseñada para suspensiones de partículas en el año 2000 por Claude Degueldre. Primero probó esta nueva metodología en el Instituto Forel de la Universidad de Ginebra y presentó este nuevo enfoque analítico en el 'Colloid 2oo2' simposio durante la reunión de primavera de 2002 del EMRS, y en las actas de 2003. Este estudio presenta la teoría de SP ICP-MS y los resultados de las pruebas realizadas en partículas de arcilla (montmorillonita), así como otras suspensiones de coloides. Este método fue luego probado en nanopartículas de dióxido de torio por Degueldre & Favarger (2004), dióxido de zirconio de Degueldre et al (2004) y nanopartículas de oro, que se utilizan como sustrato en nanofarmacia, y publicado por Degueldre et al (2006). Posteriormente, el estudio de las nano y micropartículas de dióxido de uranio dio lugar a una publicación detallada, Ref. Degueldre et al (2006). Desde 2010, el interés por SP ICP-MS se ha disparado.

Las técnicas forenses anteriores empleadas para el análisis orgánico de barras de labios por comparación de composición incluyen la cromatografía en capa fina (TLC), la cromatografía de gases (GC) y la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). Estos métodos proporcionan información útil sobre la identificación de barras de labios. Sin embargo, todos requieren largos tiempos de preparación de muestras y destruyen la muestra. Las técnicas no destructivas para el análisis forense de frotis de lápiz labial incluyen la observación de fluorescencia UV combinada con cromatografía de gases de purga y trampa, microespectrofotometría y microscopía electrónica de barrido-espectroscopía dispersiva de energía (SEM-EDS) y espectroscopía Raman.

Especiación de metales

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 técnicas principales para lograr esto es separar las especies químicas con cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) o fraccionamiento de flujo de campo (FFF) y luego medir las concentraciones con ICP-MS.

Cuantificación de proteínas y biomoléculas

Existe una tendencia creciente a utilizar ICP-MS como herramienta en el análisis de especiación, que normalmente implica una separación cromatográfica frontal y un detector selectivo elemental, como AAS e ICP-MS. Por ejemplo, ICP-MS puede combinarse con cromatografía de exclusión por tamaño y electroforesis en gel de poliacrilamida nativa continua preparativa cuantitativa (QPNC-PAGE) para identificar y cuantificar proteínas que contienen cofactor de metal nativo 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 denominado etiquetas de afinidad codificadas por metales (MeCAT) para marcar proteínas cuantitativamente con metales, especialmente lantánidos. El marcaje MeCAT permite la cuantificación relativa y absoluta de todo tipo de proteínas u otras biomoléculas como los péptidos. MeCAT comprende un grupo marcador 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 de analito de átomos bajos, 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 una mayor optimización de los límites de detección de LC-ICP-MS en el rango de zeptomol están dentro del ámbito de la posibilidad. Mediante el uso de diferentes lantánidos, la multiplexación de MeCAT se puede utilizar para la farmacocinética de proteínas y péptidos o el análisis de la expresión diferencial de proteínas (proteómica), p. en fluidos biológicos. PAGE rompible SDS-PAGE (DPAGE, PAGE soluble), electroforesis en gel bidimensional o cromatografía se utiliza para la separación de proteínas marcadas con MeCAT. El análisis ICP-MS de inyección de flujo de bandas o manchas de proteínas de los 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 péptido mediante MALDI-MS o ESI-MS.

Análisis elemental

El ICP-MS permite la determinación de elementos con rangos de masa atómica de 7 a 250 (Li a U) y, en ocasiones, más altos. Algunas masas están prohibidas, como la 40, debido a la abundancia de argón en la muestra. Otras regiones bloqueadas pueden incluir la masa 80 (debido al dímero de argón) y la masa 56 (debido al 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. Estas interferencias se pueden reducir mediante el uso de 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 viene a costa de la sensibilidad. Por ejemplo, distinguir el hierro del argón requiere un poder de resolución de alrededor de 10 000, lo que puede reducir la sensibilidad al hierro en un 99 % aproximadamente. Otra solución para algunas especies que interfieren es el uso de una cámara de colisión, como se explica en el artículo sobre celdas de reacción de colisión.

Un ICP-MS de un solo colector puede usar un multiplicador en modo de conteo de pulsos para amplificar señales muy bajas, una cuadrícula de atenuación o un multiplicador en modo analógico para detectar señales medias y una copa/cubo de Faraday para detectar señales más grandes. Un ICP-MS multicolector puede tener más de uno de estos, normalmente cubos de Faraday, que son mucho menos costosos. Con esta combinación, es posible un rango dinámico de 12 órdenes de magnitud, desde 1 ppq hasta 100 ppm.

ICP-MS es un método de elección para la determinación de cadmio en muestras biológicas.

A diferencia de la espectroscopia de absorción atómica, que solo puede medir un solo elemento a la vez, ICP-MS tiene la capacidad de escanear todos los elementos simultáneamente. Esto permite un procesamiento rápido de la muestra. Un ICP-MS simultáneo que puede registrar todo el espectro analítico desde el litio hasta el uranio en cada análisis ganó el Premio de Plata en el Pittcon Editors' Premios. Un ICP-MS puede utilizar varios modos de exploración, cada uno de los cuales logra un equilibrio diferente entre velocidad y precisión. Usar el imán solo 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 litio 6 hasta óxido de uranio 256 en menos de un cuarto de segundo. Para límites de detección bajos, especies que interfieren 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, muestras de agua de mar, orina y rocas enteras digeridas. También se presta bien a las muestras de rocas ablacionadas con láser, donde la velocidad de escaneo es tan rápida que es posible un gráfico en tiempo real de cualquier número de isótopos. Esto también permite un fácil mapeo espacial de granos minerales.

Hardware

En términos de entrada y salida, el instrumento ICP-MS consume material de muestra preparado y lo traduce en datos de espectro de masas. El procedimiento analítico real toma algún tiempo; después de ese tiempo, el instrumento se puede cambiar 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 precisa y precisa. El mantenimiento del plasma requiere un suministro constante de gas portador (por lo general, 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 se pueden apagar. 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 o estable.

Introducción de muestra

El primer paso en el análisis es la introducción de la muestra. Esto se ha logrado en ICP-MS a través de una variedad de medios.

El método más común es el uso de nebulizadores analíticos. El nebulizador convierte los líquidos en un aerosol, y ese aerosol luego se puede barrer 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 neumático, de flujo cruzado, Babington, ultrasónico y desolvatante. El aerosol generado a menudo se trata para limitarlo a las 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 trabajos de rutina y grandes cantidades de muestras. También se puede utilizar un nebulizador de desolvatación (DSN); este utiliza un largo capilar calentado, revestido con una membrana de fluoropolímero, para eliminar la mayor parte del solvente y reducir la carga en el plasma. Los sistemas de introducción de eliminación de matriz a veces se utilizan para muestras, como agua de mar, donde las especies de interés se encuentran en niveles de traza y están rodeadas de contaminantes mucho más abundantes.

La ablación con láser es otro método. Si bien era menos común en el pasado, se está volviendo popular rápidamente y se ha utilizado como un medio de introducción de muestras, gracias a las mayores velocidades de escaneo de ICP-MS. En este método, un láser UV pulsado se enfoca en la muestra y crea un penacho de material ablacionado que puede ser barrido hacia el plasma. Esto permite a los geoquímicos mapear espacialmente la composición de isótopos en secciones transversales de muestras de rocas, una herramienta que se pierde si la roca se digiere y se introduce como una muestra líquida. Los láseres para esta tarea están construidos para tener salidas de potencia altamente controlables y distribuciones de potencia radial uniformes, para producir cráteres que son de fondo plano y de un diámetro y profundidad elegidos.

Tanto para la ablación láser como para los nebulizadores de desolvatación, 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 en soplete (ITV) utilizan superficies calientes (grafito o metal, generalmente) para vaporizar las muestras para su introducción. Estos pueden usar cantidades muy pequeñas de líquidos, sólidos o lodos. También se conocen otros métodos como la generación de vapor.

Antorcha de plasma

El atomizador de un PCI

El plasma que se utiliza en un ICP-MS se fabrica ionizando parcialmente el gas argón (Ar → Ar⁺ + e⁻). La energía requerida para esta reacción se obtiene al pulsar 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 mantiene en una antorcha que consta de tres tubos concéntricos, generalmente hechos de cuarzo. Los dos diseños principales son las antorchas Fassel y Greenfield. El extremo de esta antorcha se coloca dentro de una bobina de inducción alimentada con corriente eléctrica de radiofrecuencia. Se introduce un flujo de gas argón (normalmente de 14 a 18 litros por minuto) entre los dos tubos exteriores del soplete y se aplica una chispa eléctrica durante un tiempo breve 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 y 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 los 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 tasa de liberación de nuevos electrones en las colisiones se equilibra con la tasa 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.

Ventaja del argón

Fabricar el 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 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 líquida o gaseosa refrigerada. Sin embargo, es importante tener en cuenta que cualquiera que sea la forma de argón que se compre, debe tener una pureza garantizada de 99,9 % de argón como mínimo. Es importante determinar qué tipo de argón será el más adecuado para la situación específica. El argón líquido suele ser más económico y puede almacenarse 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 se usa con poca frecuencia, lo más apropiado será comprar argón en estado gaseoso, ya que será más que suficiente para adaptarse a tiempos de ejecución 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 almacene durante períodos de tiempo prolongados. Sin embargo, si el ICP-MS se va a usar de forma rutinaria y está encendido y funcionando durante ocho horas o más todos los días durante varios días a la semana, lo más adecuado será usar argón líquido. Si va a haber varios instrumentos ICP-MS en funcionamiento durante largos períodos de tiempo, lo más probable es que sea beneficioso para el laboratorio instalar un tanque de argón a granel o microa granel que será mantenido por una empresa de suministro de gas, eliminando así la necesidad para cambiar los tanques con frecuencia y minimizar la pérdida de argón que queda en cada tanque usado, así como el tiempo de inactividad para el cambio de tanque.

El helio se puede usar en lugar del argón o mezclado con él para la generación de plasma. 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 interferencias basadas en argón como ArO. 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 comerciales.

Transferencia de iones al vacío

El gas portador se envía a través del canal central al plasma muy caliente. Luego, la muestra se expone a radiofrecuencia que convierte el gas en plasma. La alta temperatura del plasma es suficiente para que una gran parte de la muestra forme iones. Esta fracción de ionización puede acercarse al 100 % para algunos elementos (p. ej., sodio), pero depende del potencial de ionización. Una fracción de los iones formados pasa a través de un orificio de ~1 mm (cono de muestreo) y luego a través de un orificio de ~0,4 mm (cono de skimmer). El propósito del cual es permitir el vacío que requiere el espectrómetro de masas.

El vacío es creado y mantenido por una serie de bombas. La primera etapa generalmente se basa en una bomba de vacío preliminar, más comúnmente una bomba de paletas rotativas estándar. Esto elimina la mayor parte del gas y, por lo general, alcanza una presión de alrededor de 133 Pa. Las etapas posteriores tienen su vacío generado por sistemas de vacío más potentes, con mayor frecuencia bombas turbomoleculares. Los instrumentos más antiguos pueden haber usado bombas de difusión de aceite para regiones de alto vacío.

Óptica iónica

Antes de la separación de masas, se debe extraer un haz de iones positivos del plasma y enfocarlo en el analizador de masas. Es importante separar los iones de los fotones UV, los neutros energéticos y cualquier partícula sólida que pueda haber sido transportada al instrumento desde el ICP. Tradicionalmente, los instrumentos ICP-MS han utilizado arreglos de lentes de iones transmisores para este propósito. Los ejemplos incluyen la lente Einzel, la lente Barrel, la lente Omega de Agilent y Shadow Stop de Perkin-Elmer. Otro enfoque es usar guías de iones (cuadrupolos, hexapolos u octopolos) para guiar los iones hacia el analizador de masas a lo largo de un camino que se aleja de la trayectoria de los fotones o partículas neutras. Otro enfoque más es el patentado por Varian utilizado por Analytik Jena ICP-MS 90 grados que refleja el "Ion Mirror" óptica, que se afirma que proporciona un transporte de iones más eficiente al analizador de masas, lo que da como resultado una mejor sensibilidad y un fondo reducido. Analytik Jena ICP-MS PQMS es el instrumento más sensible del mercado.

Un ICP-MS de sector suele tener 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 utilizando un alto voltaje. Los segundos usos pueden 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, planos en la parte superior y tengan una alta transmisión. El sector electrostático puede estar antes o después del sector magnético dependiendo del instrumento en particular, y reduce la dispersión de energía cinética causada por el plasma. Esta dispersión es particularmente grande para ICP-MS, siendo mayor que Glow Discharge y mucho mayor que TIMS. La geometría del instrumento se elige de modo que el instrumento, el punto focal combinado de los sectores electrostático y magnético, esté en el colector, lo que se conoce 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 baja masa de este pico más grande puede entrometerse en la masa de interés. Se puede usar un filtro de retardo para reducir esta cola. Este se encuentra 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 para descansar por el filtro.

Célula de reacción de colisión e iCRC

La celda de colisión/reacción se utiliza para eliminar los iones que interfieren a través de reacciones ion/neutras. Las celdas de colisión/reacción se conocen con varios nombres. La celda de reacción dinámica se encuentra antes del cuadrupolo en el dispositivo ICP-MS. La cámara tiene un cuadrupolo y puede llenarse con gases de reacción (o colisión) (amoníaco, 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 algunos de la interferencia.

La celda de reacción de colisión integrada (iCRC) utilizada por Analytik Jena ICP-MS es una minicelda de colisión instalada frente a la óptica del espejo de iones parabólicos que elimina los iones que interfieren inyectando un gas de colisión (He) o un gas reactivo (H₂), o una mezcla de los dos, directamente en el plasma a medida que fluye a través del cono del skimmer y/o el cono del muestreador. El iCRC eliminó los iones de interferencia mediante un fenómeno de discriminación de energía cinética de colisión (KED) y reacciones químicas con iones de interferencia de manera similar a las celdas de colisión más grandes utilizadas tradicionalmente.

Mantenimiento de rutina

Al igual que con cualquier pieza de instrumentación o equipo, hay muchos aspectos del mantenimiento que deben abarcarse mediante procedimientos diarios, semanales y anuales. La frecuencia de mantenimiento suele estar determinada por el volumen de la muestra y el tiempo de ejecución acumulativo al que está sujeto el instrumento.

Una de las primeras cosas que debe llevarse a cabo antes de la calibración del ICP-MS es una verificación y optimización de la sensibilidad. Esto asegura que el operador esté al tanto de cualquier posible problema con el instrumento y, de ser así, puede abordarlo antes de comenzar una calibración. Los indicadores típicos de sensibilidad son los niveles de rodio, las proporciones de cerio/óxido y los blancos de agua desionizada. Una práctica estándar común es medir una solución de sintonización estándar proporcionada por el fabricante de ICP cada vez que se enciende la antorcha de plasma. Luego, el instrumento se calibra automáticamente para 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 doble carga positiva.

Una de las formas más frecuentes de mantenimiento de rutina es reemplazar los tubos de muestra y desechos en la bomba peristáltica, ya que estos tubos pueden desgastarse con bastante rapidez y provocar agujeros y obstrucciones en la línea de muestra, lo que genera resultados sesgados. Otras partes que necesitarán limpieza y/o reemplazo regulares son las puntas de muestra, puntas de nebulizador, conos de muestra, conos de skimmer, tubos inyectores, antorchas y lentes. También puede ser necesario cambiar el aceite en la bomba de vacío preliminar de la interfaz, así como en la bomba de respaldo de vacío, según la carga de trabajo puesta en el instrumento.

Preparación de muestras

Para la mayoría de los métodos clínicos que utilizan ICP-MS, existe un proceso de preparación de muestras relativamente simple y rápido. El componente principal de la muestra es un estándar interno, que también sirve como diluyente. Este patrón 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 sales concentradas y cargas de solventes para obstruir los conos y contaminar el instrumento. Según el tipo de muestra, generalmente se agregan 5 ml del estándar interno a un tubo de ensayo junto con 10 a 500 microlitros de muestra. Luego, esta mezcla se agita en un vórtex durante varios segundos o hasta que se mezcle bien y luego se carga en la bandeja del muestreador automático. Para otras aplicaciones que pueden involucrar muestras muy viscosas o muestras que tienen partículas, es posible que deba llevarse 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.