Geliştirilmiş ICP-OES ve ICP-MS Analiz Teknikleri

Numune Hazırlamada Kontaminasyonu En Aza İndirerek ICP-OES ve ICP-MS ile Mümkün Olan En Düşük Tespit Limitlerine Ulaşmak

Daha düşük ve daha düşük tespit limitlerine yönelik artan talep, eser metal analizi yapan tüm laboratuvarlar için önemli bir husustur. ICP-OES ve ICP-MS gibi sofistike cihazların geliştirilmesi, daha önce diğer atomik spektroskopi teknikleriyle elde edilemeyen çok elementli tespit limitlerine ulaşma olanağı sağlamaktadır. Ancak analitik cihaz, plazma spektrokimyası kullanılarak en düşük tespit limitlerine ulaşılmasında sadece bir bileşendir. Bir laboratuvarın genel tespit kapasitesine önemli talepler getiren diğer kritik alan, numune hazırlama prosedürünün herhangi bir ek kontaminasyon kaynağına katkıda bulunmamasını sağlamaktır. Plazma spektrokimyası ile analiz için numune hazırlarken kontaminasyonu en aza indirmek ve blank seviyelerini düşürmek için çeşitli faktörler göz önünde bulundurulmalıdır. Bu faktörler arasında laboratuvar temizliği, reaktif seçimi ve saflığı, kullanılan malzemelerin kalitesi ve sindirim prosedürünün kendisi yer alır. Bu numune işleme faktörlerini değerlendirmeden önce, arka plan (BG) seviyelerinin genel analitik metot algılama kapasitesi üzerindeki etkisini daha iyi anlayabilmemiz için ilk olarak algılama limitlerinin nasıl ölçüldüğünü inceleyelim.

Tespit Limitleri

Bir cihazın tespit kapasitesi, cihaz tespit limiti (IDL), yöntem tespit limiti (MDL), miktar belirleme limiti (LOQ) ve arka plan eşdeğer konsantrasyonu (BEC) dahil olmak üzere birkaç farklı kriterle tanımlanabilir. Bu terimlerin her biri biraz farklı tanımlanır, ancak dördü de analit sinyalinden, BG yoğunluğundan ve BG gürültüsünden etkilenir. Genel olarak, analit kütlesi/dalga boyundaki kalibrasyon boşluğunun BG gürültüsünün standart sapmasının (SD) üç katı kadar bir sinyal yoğunluğu oluşturan analit konsantrasyonu olarak tanımlanan cihaz tespit limitine (IDL) bir göz atalım. IDL tipik olarak aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır:

IDL = 3 x pikin BG gürültüsünün SD’si x analit konsantrasyonu. analit sinyali – blank’in BG sinyali

Şekil 1 – Tespit limitini ölçerken analit yoğunluğuna (mavi) kıyasla boşluğun (kırmızı) arka plan sinyalinin önemi.

BG gürültüsü, boşluğun BG sinyalinin karekökü (√) olarak ifade edilir ve SD, kullanılan metodolojiye bağlı olarak genellikle boşluğun 7-10 tekrarına dayanır. Şekil 1, blank’in BG sinyalinin (kırmızı çizgi) önemini ve bunun yapısal spektral BG mi yoksa kontamine bir blank’ten mi kaynaklandığını örneklemektedir. Görüldüğü üzere 1 ppb analit konsantrasyonu (mavi) saniyede 10.000 sayımlık (cps) bir sinyal üretirken, blank sinyalinin yoğunluğu 1.000 cps’dir.Yukarıdaki denklemi uygularsak, aşağıda gösterildiği gibi 0,011 ppb’lik bir IDL elde ederiz:

IDL = 3 x √1,000 x 1 ppb = 0,011 ppb 10,000 – 1,000

Ancak, BG sinyali 1.000 cps yerine 10 cps olsaydı, IDL aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi 0,0009 ppb, yani yaklaşık 12 kat daha düşük olurdu:

IDL = 3 x √10 x 1 ppb = 0.0009 ppb 10,000 – 10

Açıkçası, BG seviyesi ve gürültü, plazma spektrokimyasal teknikler kullanılarak elde edilebilen tespit limiti üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, kontaminasyon kaynaklarını azaltmak için yapılabilecek her şey, yöntemin tespit kapasitesini geliştirmede faydalı bir etkiye sahip olacaktır. Bunu akılda tutarak, Milestone’un eser element analizi için numune hazırlama sürecinin her aşamasında kontaminasyonu azaltabilecek “Temiz Kimya” araçlarını inceleyelim.

Numune Hazırlama Kontaminasyonunu Azaltma Stratejileri

Bir laboratuvarda genel temizlik, yüksek veya tutarsız blank seviyelerinden kaynaklanan kontaminasyonu ve analitik hataları önlemek için önemlidir. Kontaminasyon çeşitli kaynaklardan gelebilir, ancak izlenmesi gereken iki temel alan analiz sürecinde kullanılan reaktifler ve malzemelerdir. Tipik bir eser metal laboratuvarında asitler temizlik, standartların ve blanklerin hazırlanması ve numunelerin sindirilmesi gibi işlemlerde kullanılır. Satın alınabilecek farklı kalitelerde asitler mevcuttur, ancak uygun kaliteyi seçerken dikkatli olunması gerekir. Tespit limiti ve analitik gereklilikler gerekli asit derecesini belirleyecektir, ancak kirletici seviyeleri düştükçe asit maliyeti oldukça dramatik bir şekilde artabilir. Bu sorunu çözmenin bir yolu, laboratuvar sınıfı asitleri ve reaktifleri kurum içinde saflaştırmak için duoPUR alt kaynatma distilasyon sistemi gibi teknolojilere yatırım yapmaktır; böylece kontaminant seviyeleri, laboratuvarın önemli ölçüde daha yüksek fiyatlı asitler satın almasını gerektirmeden daha yüksek saflıktaki reaktiflerle daha uyumlu hale gelir. Ek kontaminasyon kaynakları, özellikle çok sayıda numunenin işlendiği yüksek verimli laboratuvarlarda numune hazırlamada kullanılan cam ve plastik kaplardan da gelebilir. Konteynerler ve kaplar iyice temizlenmezse, yüksek blank seviyeleriyle sonuçlanan kontaminasyona katkıda bulunabilirler.

Bu nedenle, tam otomatik traceCLEAN kapalı kap asit reflü temizleme sistemi gibi teknolojiler, yüksek verimli ICP-OES/ICPMS numune alma ortamının talepleri için çok uygundur. Son olarak, göz önünde bulundurulması gereken önemli bir husus da numune sindirim prosedürünün kendisidir. Numunelerin tamamen çözünmüş olması ve ilgilenilen tüm elementlerin kontaminasyon riski olmaksızın çözelti içinde bulunması önemlidir. Birçok numune türü için, sıcak plakalar veya sıcak bloklar gibi açık bir kapta ısıtma, elde edilen mütevazı sıcaklıklar nedeniyle tutarlı bir çözünme sağlamak için yetersizdir. Bu sindirim yöntemleri aynı zamanda çok zaman alıcı, yoğun emek gerektiren ve yüksek kontaminasyon riski taşıyan yöntemlerdir. Modern mikrodalga numune hazırlama sistemlerinde kullanılanlar gibi kapalı kaplarda sindirim tekniklerinin kullanılmaya başlanmasıyla, kaplar içinde yüksek basınçlar kullanılarak yüksek sıcaklıklar elde edilebilmektedir. Ayrıca, mikrodalga ısıtmanın kullanıldığı yüksek sıcaklık ve basınç kombinasyonu, çapraz kontaminasyona maruz kalmayı ortadan kaldıran kapalı bir kapta kısaltılmış numune hazırlama döngüleri sağlar. ETHOS UP ve ultraWAVE gibi gelişmiş mikrodalga parçalama sistemleri, eser metal analizi için mükemmel numune hazırlığı sağlar ve diğer mikrodalga parçalama sistemleri için son derece zor olan numune bileşenlerinden kaynaklanan kontaminasyonu ve numuneler arasındaki çapraz kontaminasyonu en aza indirmeye yardımcı olur. Milestone tarafından sunulan ve numune hazırlama kontaminasyonunu en aza indirmek için kullanılan asit saflaştırma, asit reflü temizleme ve gelişmiş mikrodalga sindirim numune alma bileşenleri ve aksesuarları dahil olmak üzere çeşitli yaklaşımları inceleyelim.

Asit Saflaştırma

Analiz sırasında kullanılan kimyasal reaktifler analitik boşluğun önemli bir kaynağıdır. DuoPUR gibi alt kaynama distilasyonu, alt kaynama distilasyonu sırasında sprey veya damlacık oluşumunu önlediği ve çok yüksek saflıkta bir asit verdiği gösterilmiştir. Şekil 2’de gösterilen duoPUR alt kaynama distilasyon sistemi iki kuvars distilasyon ünitesinden oluşmaktadır. Her ünite iki kızılötesi ısıtma elemanı (1), su soğutmalı bir kondansatör (2), yüksek saflıkta bir PFA toplama şişesi (3) ve tam otomatik bir asit yükleme/boşaltma sistemi içerir. Buharlaşan sıvı eğimli su soğutmalı kondansatörde toplanır ve toplama şişesine damlar.

Şekil 2. duoPUR asit saflaştırma sistemi

Alt kaynatma distilasyonu sırasında sprey veya damlacık oluşumu önlenir ve çok yüksek saflıkta asit elde edilir. Şekil 2’de gösterilen duoPUR alt kaynama distilasyon sistemi iki kuvars distilasyon ünitesinden oluşmaktadır. Her ünite iki kızılötesi ısıtma elemanı (1), su soğutmalı bir kondansatör (2), yüksek saflıkta bir PFA toplama şişesi (3) ve tam otomatik bir asit yükleme/boşaltma sistemi içerir. Buharlaşan sıvı eğimli su soğutmalı kondansatörde toplanır ve toplama şişesine damlar.Çift distilasyon prosesi mikroişlemci kontrollüdür ve kullanıcının distilasyon süresini ve gücünü ayarlamasına olanak tanıyarak güç ayarına ve soğutma suyunun sıcaklığına bağlı olarak saatte 200 mL’ye kadar distilasyon hızı sağlar.duoPUR sisteminin saflaştırma kapasitesi, J.T. Baker’ın Ultrex II nitrik asidi ile reaktif sınıfı nitrik asidin çift distilasyonunu gerçekleştiren iki laboratuvardan elde edilen eser element sonuçlarının karşılaştırıldığı Tablo 1’de örneklendirilmiştir. DuoPUR verilerinin ultra yüksek saflıktaki asitle karşılaştırılabilir sonuçlar verdiği açıkça görülebilir.

Tablo 1. duoPUR kullanılarak çift damıtılmış HNO3’ün kontaminasyon seviyelerinin Ultrex II (J.T. Baker) ultra yüksek saflıkta nitrik asit ile karşılaştırılması.

Milestone ayrıca HF’nin yanı sıra HNO3 ve HCl’nin saflaştırılması için uygun olan, kuvars yerine yüksek saflıkta floropolimerlerden yapılmış bir asit saflaştırma sistemi olan subCLEAN’i de sunmaktadır. Asit otomatik olarak distilasyon kabına yüklenir ve burada daha önce açıklandığı gibi kaynama sıcaklığının altında hafifçe ısıtılır. Buna ek olarak, subCLEAN soğutma suyu veya soğutucu gerektirmez, çünkü asit buharları cebri hava soğutması ile bir toplama şişesinde hızla yoğunlaşır.

Yüksek saflıkta reaktiflerin satın alınmasıyla karşılaştırıldığında duoPUR kullanıldığında önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlandığını da belirtmekte fayda var. Bu, aşağıdaki örnekte gösterilmektedir (tüm maliyetler yalnızca örnek amaçlı olarak tahmin olarak verilmiştir): Bir laboratuvar, numune başına 30 mL ultra saf nitrik asit (J.T. Baker Ultrex II) kullanarak ayda 200 numune işlerse, 6 L kullanacaktır. Ultra saf asitin maliyeti ayda yaklaşık 5.500 dolar veya litre başına 920 dolar. Altı litre reaktif dereceli asidin (Sigma Aldrich) maliyeti ayda yalnızca yaklaşık 250 ABD doları veya litre başına ayda 40 ABD dolarıdır. Bu düşük dereceli asidin damıtılmasıyla her ay 5.300 $ tasarruf sağlanacak ve bu da duoPUR’un dört aydan kısa bir sürede kendi masrafını çıkarması anlamına geliyor. Bu, hem nitrik hem de hidroklorik asit için maliyet tasarrufunu gösteren Tablo 2’de gösterilmektedir.

Tablo 2: Ultra saf dereceli nitrik ve hidroklorik asit (J.T. Baker Ultrex II) arasındaki litre başına yaklaşık maliyetin karşılaştırılması ve duoPUR alt kaynatma damıtma sistemi kullanılarak bunun dereceli reaktiflerden (Sigma Aldrich) üretilmesi.

Asit Reflü Temizleme

Ultra-iz analiz çalışmalarında kullanılan çeşitli malzemelerin temizlenmesi kritik öneme sahip bir laboratuvar rutinidir. Kontaminasyonu en aza indirmek için, geleneksel temizleme yöntemleri, genellikle birkaç saat boyunca sıcak asitlerde bekletmeyi gerektirir. Etkili olması için, büyük miktarlarda asit tüketilir ve düzenli olarak değiştirilmesi gerekir. Ayrıca, geleneksel ıslatma teknikleri kullanılarak sıcak asitlere ve asit buharlarına maruz kalma riski de vardır. Bu durum özellikle mikrodalga yakma prosedürleri kullanılırken yüksek kaliteli boşluklar elde etmeye çalışırken söz konusudur, çünkü kapların önceden temizlenmesi kritik öneme sahiptir. Ancak, kap astarlarını sadece seyreltik asit içinde yıkamak veya ıslatmak yeterli değildir. PTFE’nin yüzeyi gözeneklidir ve yüksek sıcaklıklarda, özellikle de sürekli kullanımla “yaşlandıkça” eser miktarda sindirim çözeltisi alacaktır. Daha önce numune parçalamak için kullanılmış bir kapta, iyice temizlenmeden boş numune çalıştırılması ciddi boş numune kontaminasyonuna yol açacaktır.

Asitle ıslatmayla ilgili sorunları aşmak ve mikrodalga parçalama kaplarını daha derinlemesine temizlemek için laboratuvarlar her numune parçalama işleminden önce mikrodalgada ayrı bir temizleme işlemi (boş asitle) gerçekleştirmeyi tercih edebilir. Bunun dezavantajı, mikrodalga sisteminin numune işleme kapasitesini önemli ölçüde azaltması ve kabın kullanım ömrünü etkilemesidir. Milestone, bu sorunların üstesinden gelmek amacıyla, sadece mikrodalga yakma numune kaplarının ve konteynerlerinin temizlenmesi için değil, aynı zamanda ICP-OES ve ICP-MS enstrümantasyonuyla kullanılan diğer aksesuarlar, cam eşyalar ve bileşenler için de kullanılabilen tam otomatik, bağımsız, asit buharlı temizleme sistemi olan traceCLEAN’i geliştirmiştir.

Peki sistem nasıl çalışıyor? Temizlenecek maddeler traceCLEAN’e yerleştirilir, burada taze damıtılmış asit buharları kapalı ünite içinde sürekli olarak geri akar ve metal kirleticileri maddelerden iyice süzer. Şişeler, mikrodalga parçalama kapları, şişeler, cam eşyalar ve torçlar, nebülizerler veya sprey odaları gibi ICP numune giriş bileşenleri için çeşitli tutucular mevcuttur. Nitrik asit buharları ile buharlı temizleme, kapların ve aparatların ön koşullandırılması ve rutin temizliği için oldukça etkili bir temizleme yöntemidir Temizlenecek bileşen PTFE kaplı bir cam çubuk üzerine yerleştirilir. Alt haznedeki asit ısıtılır ve saflaştırılmış asit buharı cam çubuktan yukarı doğru hareket eder ve Şekil 3’te gösterildiği gibi yüzey kirliliğini gidererek kap üzerinde yoğunlaşır.

“Temizlenecek öğeler, taze damıtılmış asit buharlarının kapalı ünite içinde sürekli olarak geri aktığı ve metal kirleticileri öğelerden tamamen arındırdığı TRACECLEAN’e yerleştirilir.”

Şekil 3: traceCLEAN asit reflü temizliğinin şeması

Mikrodalga Parçalama Bileşenleri

ETHOS UP ve ultraWAVE Tek Reaksiyon Odası (SRC) sistemi gibi geleneksel, son teknoloji kapalı kap mikrodalgada parçalama cihazlarının tümü “Temiz Kimya” teknolojisi göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır. Yakma kabı malzemesi, temiz kimya numunesi hazırlama için önemli bir husustur. Milestone tüm sindirim kaplarını cam, kuvars veya PTFE’nin yüksek yoğunluklu ve termal olarak dayanıklı bir formu olan ve daha yüksek sıcaklıklara (300 °C’ye kadar) dayanabilen TFM’den üretir. TFM, çoğu çözündürme reaktifine karşı kimyasal olarak inerttir ve ultra eser metal analizi için kirletici olmayan bir ortam sağlar.SK-15 yüksek basınçlı rotor ve MAXI-44 yüksek verimli rotor dahil olmak üzere tüm ETHOS UP rotorları, yüksek saflıkta TFM’den üretilmiş astarlı kaplara sahiptir ve zamanla buharların ve sıvıların emilimini en aza indirerek parçalama pikini olumsuz yönde etkileyebilir. Buna ek olarak, daha küçük numuneleri yerleştirmek veya seyreltme faktörünü ve temas yüzeyini en aza indirmek için standart 100 mL TFM kaplarının içinde daha küçük TFM uçları kullanılabilir.

Quartz Parçalar

Bununla birlikte, düşük parçalama pikleri üretmek için nihai kap malzemesi kuvarstır. Kuvars, çok düşük seviyelerde metal safsızlıkları ile mevcuttur, buhar sıvısını emmez ve temizlenmesi kolaydır. Yüksek basınçlı YSK rotoru genellikle standart TFM kaplarının içine uyan 35 mL’lik kuvars uçlarla kullanılır. Numune kuvars insert içine tartılır ve asit eklenir. Daha küçük hacim nedeniyle, daha az parçalama asidi kullanılabilir (sadece 2-4 mL), bu da parçalama piklerini azaltır. Numune kuvars parçanın içinde parçalandığında, TFM kabının temizlenmesi gerekmez ve daha uzun ömürlü olur. Kuvars insert kullanmanın ek bir avantajı da daha yüksek ağırlıkta organik numune kullanabilmektir. Uç, 10 mL su/H2O2 karışımının içine yerleştirilir. Isıtma döngüsü sırasında H2O2, parçalama sırasında üretilen CO2 ve NOx gazlarıyla reaksiyona girerek kaptaki basınç oluşumunu büyük ölçüde azaltır. Bu, özellikle petrol ve kömür numuneleri gibi karmaşık matrislerde daha yüksek ağırlıktaki organik numunelerin parçalanmasını sağlar.

Tüm ETHOS UP rotorları, ultra eser analizi için ideal olan yüksek saflıkta kuvars kapları barındırabilir. Daha düşük asit hacmi, kap duvarları tarafından buhar ve sıvı emiliminin ortadan kaldırılması ve kolay temizleme avantajlarının tümü, farklı rotor konfigürasyonları için eşit derecede geçerlidir, çünkü tüm kaplar bir IR sensörü (Milestone’s seasyTEMP) aracılığıyla dolaylı sıcaklık kontrolüne sahiptir ve kuvars şeffaf olduğundan ve mükemmel ısı iletim özelliklerine sahip olduğundan, IR sıcaklık izleme hem çok doğru hem de hızlıdır.

Tek Reaksiyon Odası Teknolojili Mikrodalga Yakma Vialleri

Temiz Kimya teknolojisi, örnek şişelerinin tasarımı yoluyla ultraWAVE’e dahil edilmiştir. Numunelerin ayrı ayrı basınçlı kaplarda parçalandığı rotor tabanlı kapalı kap parçalamanın aksine, ultraWAVE’nin Tek Reaksiyon Haznesi basınçlı kabın kendisidir. Numuneler, cam, TFM veya kuvars olarak temin edilebilen basit otomatik örnekleyici tipi şişelere tartılır ve bir rafa yerleştirilir. Raf hazneye indirilir ve tüm numuneler birlikte parçalanır. Camın avantajı tek kullanımlık olmasıdır, ancak en düşük parçalama pikleri için, her ikisi de son derece düşük pikler veren TFM veya kuvars kullanılmalıdır. Sadece 1-4 mL’lik parçalama asidi hacimleri parçalama piklerini daha da azaltır. Viallerdeki basınç ana hazne ile aynı olduğundan, TFM vialinin duvarları tarafından buhar veya sıvı emilimi neredeyse tamamen ortadan kaldırılmıştır. UltraWAVE şişelerinin çok kolay kullanım sağlayan gevşek TFM kapaklarına sahip olduğu unutulmamalıdır. Bu mümkündür, çünkü şişeleri tutan daha büyük kap, mikrodalga programının başlamasından önce 40 bar nitrojen ile önceden basınçlandırılmıştır. Bu nitrojen yükü bir “gaz kapağı” görevi görür ve tüm şişeleri bağımsız olarak kapalı tutar. Basınç arttıkça, tek tek şişelerin hem içinde hem de dışında denge sağlanır. Sonuç olarak, tek kullanımlık cam, kuvars, TFM veya bunların herhangi bir kombinasyonu dahil olmak üzere çeşitli şişe tipleri kullanılabilir.

TFM’nin son derece düşük parçalama piki, cam, kuvars ve TFM şişelerinde 26 element için elde edilen son derece düşük parçalama piklerini (DIW ile 20 mL’ye seyreltilmiş 4 mL yüksek saflıktaHNO3) gösteren Şekil 4’te örneklenmiştir. Tüm parçalama ve ölçümler temiz oda dışı koşullarda bir Agilent ICP-MS sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Parçalama piklerinin trasemetal içeriği asit ve/veya sudaki safsızlıklardan, şişelerden gelen katkılardan, havadaki çapraz kontaminasyondan veya ICP-MS numune giriş sisteminden kaynaklanabilir. Sadece dört elementin 1 ppb’den yüksek olduğu bulunmuştur. En yüksek seviyeler, her iki şişede de bulunan B ve K içindi, bu da kaynağın alüvyonlu malzeme olmadığını düşündürmektedir.

Şekil 4: Cam, kuvars ve TFM numune şişelerinde 26 element için elde edilen ultraWAVE mikrodalga parçalama pikleri (DIW ile 20 mL’ye seyreltilmiş 4 mL yüksek saflıkta HNO3), ultra-iz analizlerimizi gerçekleştirmek için TFM kullanmanın faydalarını açıkça göstermektedir (tüm veriler bir ICPMS sistemi ile oluşturulmuştur).

Son

Numune işleme ve hazırlamanın, plazmaspektrokimyasal enstrümantal tekniklerle aynı yüksek standartları karşılamak için gelişmesi ve iyileştirilmesi gerektiği yaygın olarak kabul edilmektedir. Reaktif saflığı, numune hazırlama metodolojisi, numuneyi hazırlamak için kullanılan malzemeler, numunelerin hazırlandığı ortam ve numuneden numuneye çapraz kontaminasyon dahil olmak üzere çeşitli dış faktörler verilerin kalitesini kritik bir şekilde etkileyebilir. Eser metallerin belirlenmesinde analitik boş numunenin önemli rolü bu nedenle fazla vurgulanamaz, bu da numune hazırlama prosedürlerinin en az ölçüm sürecinde kullanılan enstrümantasyon kadar sofistike olması gerektiği anlamına gelir. Bu çalışma, ultratrace analizinin, analizi gerçekleştiren cihazın doğruluğu ve hassasiyeti kadar kontaminasyonu en aza indirmeye ve analitik piki kontrol etmeye de bağlı olduğunu göstermiştir.ICP-OES veya ICP-MS kullanarak ppb ve ppt seviyelerinde çalışırken, pik ne kadar yüksekse ve BG gürültüsü ne kadar kötüyse, algılama yeteneği de o kadar zayıftır. Milestone, bu sorunları ele almak için temiz kimya numunesi hazırlamayı desteklemek ve ultra eser element analizi yaparken modern analitik laboratuvarın karşılaştığı çok sayıda zorluğu ele almak için çok çeşitli ürünler, aksesuarlar ve sarf malzemeleri geliştirmiştir.

Kaynak: Milestone SRL