Maximální produktivita a robustnost při ICP-MS analýze vzorků se složitou matricí s využitím pokročilého systému diskrétního vzorkování – Agilent ISIS 3

S vývojem kolizně reakčních cel a s tím spojenou možností snadné analýzy i komplexnějších vzorků s využitím pouze helia jako kolizního plynu a představením modulu pro možnost automatického ředění aerosolu před vstupem do torche se stala analýza i velice složitých matric, jako jsou půdy nebo kaly, rutinní záležitosti (1). V poslední době se ale ve většině nejen komerčních laboratoří zvyšuje tlak také na ekonomiku provozu a tím také efektivitu využívání analytické instrumentace – schopnost analyzovat maximální množství vzorků, minimalizovat množství spotřebního materiálu, nutné údržby a tím i potřeby systém odstavit. Zároveň je ale nutné zajistit, že kvalita naměřených výsledků nebo jednoduchost obsluhy nebude těmito potřebami nijak ovlivněna. Aby byla společnost Agilent Technologies schopna veškeré tyto nelehké požadavky splnit, vyvinula a optimalizovala novou generaci systému pro možnost diskrétního vzorkování (tzv. Integrated Sample Introduction System, ISIS 3), který uživatelům všech ICP-MS systémů Agilent Technologies (7850, 7900, 8900) umožňuje rychlé dávkování vzorků přinášející několik zásadních výhod.

Kombinací unikátních možností ICP-MS systémů Agilent Technologies, jako jsou systém ISIS 3 pro diskrétní vzorkování, možnost ředění aerosolu před vstupem do torche pomocí modulů HMI/UHMI (High Matrix Introduction) a efektivní odstraňování interferencí pomocí již 4. generace kolizně reakční cely využívající pouze kolizní plyn helium vzniká rychlý a robustní systém umožňující rutinní a spolehlivou analýzu i velice problematických a komplexních vzorků, jakými jsou půdy, kaly, i například biologické matrice jako plná krev, neředěná moč i další velice komplexní matrice z oblasti analýzy potravin.

V této publikaci si ukážeme a potvrdíme na reálných vzorcích měřených v aplikačních laboratořích, ale také vzorcích měřených v rutinních laboratořích v ČR výhody kombinace diskrétního vzorkování, UHMI modulů pro ředění aerosolu a „He“ módu pro odstraňováni interferencí pro dosažení maximální možné produktivity, robustnosti, dlouhodobé stability a kvality výsledků.

V běžných nejen environmentálních laboratořích jsou pro úspěšné provozování analytické instrumentace důležité následující faktory:

• Správnost (jak se náš výsledek odchyluje od skutečné hodnoty - je tedy správný?)

• Přesnost (jaká je reprodukovatelnost celé analýzy?)

• Splnění norem a předpisů (bude výsledek dále hodnocen, kontrolován?)

• Náklady (kolik bude ve finále celá analýza stát?)

Vzhledem k rostoucímu tlaku především na produktivitu, jakožto klíčový parametr pro výpočet celkových nákladů na analýzu, je zřejmé, že rychlejší analýza vzorků při současném dosažení potřebných detekčních limitů je jedním z primárních cílů dnešních kapacitně velmi vytížených laboratoří. Díky rychlému přepínání měřících módů v kolizně-reakční cele je možné použití diskrétního vzorkování pro optimální měření jak prvků trpících interferencemi, tak prvků, které jsou měřeny velice lehce. Vysoká citlivost detektorů ICP-MS systémů Agilent Technologies dovoluje také použití velice krátkých integračních časů bez zásadního vlivu.

Instrumentace

Dávkovací systém ISIS 3 funguje na velice jednoduchém principu diskrétního vzorkování přes dávkovací smyčku. Ta má dvě pozice – plnící a dávkovací, mezi kterými se automaticky přepíná pomocí ventilu. Smyčka se v plnící pozici velice rychle propláchne a naplní vzorkem z autosampleru, zatímco se do zmlžovače ICP-MS plynule nasává pomocný roztok a vnitřní standard. Po naplnění smyčky vzorkem se ventil automaticky přepne do pozice dávkování a smyčka se začne plynule vyplachovat v protisměru pomocným roztokem do zmlžovače ICP-MS společně s vnitřním standardem. Současně s dávkováním vzorku ze smyčky se naprosto nezávisle proplachuje vzorkovací kapilára autosampleru do odpadu.

Altium: Obrázek 1 - Schéma dávkovacího systému ISIS 3 v pozicích plnění (Load) a dávkování (Inject)

Plnění smyčky vzorkem v plnící pozici a proplach kapiláry v dávkovací pozici ventilu jsou zajištovány velmi rychlou externí pístovou pumpou umístěnou až na konci celého systému, takže je vyloučena jakákoliv kontaminace standardních roztoků a vzorků mezi sebou či od proplachovacích roztoků. V ovládacím software je navíc možné nastavit pestré oplachové schéma skládající se až ze 3 různých oplachových pozic, které může probíhat již během měření vzorku.

Dávkovací smyčka má obvykle kapacitu 1000 μl, což je více něž dostatečný objem pro měření 30 izotopů ve 3 replikách ve dvou modech kolizní cely i s objemem vzorku nutným pro stabilizaci před měřením. Objem smyčky je nicméně vhodné upravit na míru danému počtu prvků a měřících modů. Takovou optimalizací je možné docílit významné úspory spotřeby vzorku a také času plnění smyčky.

Za zmínku stojí také přídavný ventil ve větvi vnitřního standardu, který automaticky přepíná nasávání ladícího roztoku během ladění či generování ladícího roztoku a nasávání vnitřního standardu během měření sekvence. Tato automatizace výrazně usnadňuje manipulaci s ladícím roztokem a vnitřním standardem a zároveň zajišťuje dostatečný výplach a stabilizaci při přepínání mezi roztoky navzájem.

Schéma dávkovacího systému ISIS 3 v obou pozicích je uvedeno na Obrázku 1.

Číslovka 3 v názvu dávkovacího systému napovídá, že se jedná již o třetí generaci takového zařízení. Největším vylepšením oproti předchozí verzi je použití vysokorychlostní externí pístové pumpy pro plnění smyčky a proplachy kapilár a také zkrácení cesty vzorku mezi dávkovacím ventilem a zmlžovačem na úplné minimum. Tato konstrukční opatření vedou k bezkonkurenčnímu snížení celkového času potřebného na proplach kapilár dávkovacího systému po předchozím vzorku, proplach smyčky a nasátí a stabilizaci nového vzorku před dalším měřením na méně než 30 sekund, a to i v případě měření vzorků s nezanedbatelným obsahem solí a dalších matričních komponent.

Rozpis parametrů dávkovacího zařízení ISIS 3 pro jeden typický cyklus naplnění smyčky, stabilizace, měření a proplachů je uveden v Tabulce 1. Kroky „Sample load“ a „Stabilize“ předcházejí samotnému měření vzorku, dále následují kroky proplachů kapilár během měření vzorku „Probe rinse“, „Rinse 1“ a „Rinse 2“, a celé schéma uzavírají oplachy dávkovací smyčky „Loop probe wash“ a „Loop wash“. Hodnoty ve sloupečku „Time“ značí délku trvání každého kroku v sekundách, hodnoty ve sloupečku „Uptake pump speed“ značí rychlost otáček vysokorychlostní externí pumpy pro každý cyklus s tím, že hodnota 100% odpovídá průtoku přibližně 100 ml/min.

Altium: Tabulka 1 - Parametry dávkovacího zařízení ISIS 3 v jednom měřícím cyklu

Z tabulky lze vyčíst, že čas pro vstup vzorku z autosampleru a jeho stabilizaci je stlačen na pouhých 27 sekund. Proplachy kapilár probíhají během měření, proto s nimi vůbec v časovém schématu nemusíme počítat. Po doměření vzorku následuje oplach smyčky v trvání celkem 20 sekund. Přičtením celkové doby akvizice signálu, v této studii rovných 41 sekund, získáme výsledný čas potřebný pro analýzu jednoho vzorku dosahující bezkonkurenčních 88 sekund.

Časový záznam signálu ukázkového izotopu během jednoho cyklu dávkování vzorku, stabilizace, měření a výplachu je uveden na Obrázku 2.

Altium: Obrázek 2 - Časový záznam signálu během jednoho cyklu měření

Výsledky

Předmětem popisované studie bylo ověření přesnosti, správnosti a dlouhodobé stability měření sekvence typických environmentálních vzorků na systému ICP-MS 7900 osazeném dávkovacím modulem ISIS 3 a zřeďovacím systémem v plynné fázi UHMI a dále stanovení prostupnosti systému, tedy počtu vzorků, které je možné za hodinu změřit. V sekvenci byly postupně měřeny kalibrační standardy, ověření kalibrace pomocí rozotů ICV a CCV, nezávislé roztoky QC v souladu se specifikacemi metody dle regulace EPA 6020 a blok vzorků obsahující certifikované referenční materiály vod, půd a sedimentů a spikované vzorky. Blok vzorků se periodicky opakoval s tím, že po každých 10 měřeních byl automaticky změřen blok výše popsaných kontrolních roztoků. Měření celé sekvence zabralo 9 hodin a 35 minut a za tuto dobu bylo celkem naměřeno 383 analýz. To odpovídá v průměru bezmála 40 analýzám za hodinu. Kalibrační standardy byly připraveny ve směsi 1 % HNO₃ a 0.5 % HCl a byly měřené pouze na začátku celé sekvence bez nutnosti kalibrace a použití funkce reslope kalibračním standardem.

Tabulka 3 shrnuje 3σ detekční limity vypočtené z výsledků 10 opakování ICV roztoku na koncentrační úrovni nejnižšího kalibračního standardu (0.01 ppb pro rtuť, 0.1 ppb pro stopové prvky, 10 ppb pro makroprvky). Berylium se měřilo v „no gas“ módu a všechny ostatní prvky v kolizním „he“ módu. Integrační časy byly nastavené co nejkratší s ohledem na dosažení co nejkratšího akvizičního času. Tomuto kritériu odpovídají i vypočtené detekční limity, které by s delšími integračními časy jistě klesly k nižším hodnotám. Nicméně dosažené limity jsou více než dostačující pro potřeby environmentálních vzorků.

Altium: Tabulka 3 - Koncentrace a výtěžnosti roztoků LLICV a ICV měřené bezprostředně po kalibraci

Současná verze metody EPA 6020 (02/2007) požaduje vyhodnocení výtěžnosti kontrolního roztoku o nízké koncentraci ihned po kalibrační sadě (LLICV – Low Level Initial Calibration Verification). Ten by měl mít koncentrace prvků řádově na úrovni mezí stanovení metody s tím, že by se naměřené hodnoty neměly odchýlit o více než ± 30 %. Obdobně je definován kontrolní roztok po kalibraci (ICV - Initial Calibration Verification) s koncentracemi prvků kolem poloviny kalibračního rozsahu a doporučenou maximální odchylkou ± 10%.

V Tabulce 4 jsou uvedené koncentrace a výtěžnosti roztoků LLICV a ICV měřené bezprostředně po kalibraci. Žádný z prvků měřených v LLICV či v ICV nepřekročil 30% respektive 10% limit, přestože tyto roztoky byly měřené ihned po kalibračních standardech s nejvyššími koncentracemi. Výsledky tak velmi dobře demonstrují vynikající proplachovací schopnosti dávkovacího systému ISIS 3 dosažen již během 20 sekund trvajícího výplachu.

Altium: Tabulka 4 - 3σ detekční limity vypočtené z výsledků 10 opakování ICV roztoku na koncentrační úrovni nejnižšího kalibračního standardu

Stejný roztok jako ICV byl pak měřen periodicky po odměření každých 10 reálných vzorků a označen jako průběžné ověření kalibrace (CCV – Continuing Calibration Verification) se stejnou maximální odchylkou ±10 %. Všechny prvky svou výtěžností spadaly do doporučeného limitu 90-110 %. Ojedinělá překročení jsou vidět pouze u sodíku, hliníku a hořčíku a byla způsobena kontaminací z předešlého vzorku, který svým obsahem překračoval kalibrační rozsah. Výtěžnosti měření prvků v CCV roztocích v průběhu celé sekvence jsou znázorněné na Obrázku 5.

Altium: Obrázek 5 - Graf výtěžnosti CCV vzorků během celé sekvence

Důležitým parametrem pro posouzení robustnosti a stability metody je výtěžnost interních standardů. Ta během celé sekvence dosahovala téměř ideálních profilů kolem 100 % výtěžností, což dokazuje, že nedocházelo k žádnému poklesu citlivosti vlivem zanášení oblasti interface a iontové optiky matričními komponenty ze vzorků. Během celé sekvence navíc nebyl zaznamenán žádný dramatičtější pokles nebo výkyv výtěžnosti interních standardů, a to ani po kalibraci, což opět dokazuje výbornou robustnost a matricovou toleranci systému ICP-MS 7900 osazeného modulem pro online zřeďování v plynné fázi UHMI. Graf výtěžnosti interních standardů je znázorněn na Obrázku 6.

Altium: Obrázek 6 - Graf výtěžnosti interních standardů v průběhu celé sekvence

Měření reálných vzorků v laboratořích v ČR

Stejný systém ICP-MS 7900 s dávkovací jednotkou ISIS 3 a zřeďovacím modulem pro ředění v plynné fázi UHMI jako v popisované studii byl instalován například v laboratoři Povodí Ohře s.p. v Teplicích v červnu 2017 jako náhrada za dříve používaný starší systém ICP-MS 7500ce Agilent Technologies. Systém je využíván zejména pro měření prvků ve vzorcích povrchových vod a výjimečně odpadních vod a půd. Na pracovišti byla zavedena výše popsaná metoda stanovení prvků v environmentálních matricích na ICP-MS. S drobnými úpravami rozsahu měřených prvků, integračních časů a způsobu nastavení detektoru dosahuje celkový čas měření 90 sekund, s přičtením časů na plnění smyčky a stabilizaci a závěrečné proplachy celkem na jeden vzorek připadají necelé 2 minuty. Použití dávkovacího modulu ISIS 3 s novým modelem ICP-MS 7900 přineslo zkrácení času potřebného pro manipulaci a měření jednoho vzorku na méně než polovinu v porovnání s modelem 7500ce, což v objemu měřených vzorků v laboratoři znamená výrazné urychlení a usnadnění práce ruku v ruce jdoucí s úsporou provozních nákladů nejen za spotřebovaný argon.

Na systému v době přípravy této publikace probíhala testovací měření a přípravy na validaci metody. Předběžné výkonnostní parametry však hravě splňují legislativní požadavky na měření obsahů prvků v pitných a povrchových vodách.

Na Obrázku 7 je systém ICP-MS 7900 s ISIS 3 a UHMI instalovaný v laboratoři Povodí Ohře s.p. v Teplicích.

Altium: Obrázek 7 - ICP-MS 7900 s ISIS 3 a UHMI Povodí Ohře v Teplicích

Závěr

Tato studie nám tedy potvrzuje, že s použitím moderních technologií je možné analyzovat také dlouhé sekvence komplexních vysoce zasolených vzorků, a to s vysokou přesností a správnosti analýzy a vynikající dlouhodobou stabilitou. Toho bylo dosaženo především díky kombinaci modul ISIS 3 pro diskrétní vzorkování, použití HMI pro robustní a stabilní plasma a efektivního fungování „he“ módu pro odstraňování polyatomických interferencí. ISIS 3 tedy pro veškeré ICP-MS systémy Agilent Technologies přináší:

• Možnost využití konstantního průtoku pro zmlžování vzorků, a tak eliminaci potřeby stabilizace po standardním rychlém nasávání vzorků, což zkracuje čas analýzy až o 1 minutu.

• ISIS 3 zcela odděluje větev nasávání vzorků a větev pro jeho analýzu a systém tak může být nezávisle proplachován ještě v průběhu samotné analýzy vzorků. Úspora času se tak opět blíží 1 minutě.

• ISIS 3 umožňuje dávkování vzorků v množství potřebném pouze pro samotné měření/sběr dat. Ve zbylém čase je do systému přiváděn pouze čistý nosný roztok/blank. Celkové množství vzorku, který se do samotného ICP-MS systému dostane je tak 3-5x nižší a snižují se tak dramaticky požadavky na údržbu a čištění systému.

• ISIS 3 díky automatickému selekčnímu ventilu pro ladící roztok a roztok interních standardů plně automatizuje celý proces analýzy od samotné optimalizace/ladění, měření až po vyhodnocení výsledků bez nutnosti manuálního zásahu operátora.

• Rychlý proplach systému je možné také díky optimalizovanému umístnění dávkovacího ventilu modulu ISIS 3, zmlžovače a HMI modulu, což zkracuje čas proplachu.

• Využití HMI/UHMI pro automatické, přesné a reprodukovatelné ředění aerosolu před vstupem do samotné torche snižuje celkové množství jak samotného vzorku, tak nosného roztoku vstupující do plasmatu. Plasma je tak stabilnější, robustnější a eliminuje nákladné potřeby případného přeměřování vzorků nesplňujících kritéria kontroly kvality a celkově také nároky na čištění a údržbu.

• Rychlá kolizně-reakční cela umožňuje použití univerzálního heliového módu a citlivého „no gas“ módu společně se systémem disktrétního vzorkování a tak optimalizaci podmínek měření nezávislé na komplexnosti vzorku a bez reálného dopadu na celkový čas analýzy.

Celkově je tak provozování ICP-MS systému jednodušší, průchodnost vzorků/produktivita výrazně vyšší a zlepšila se také dlouhodobá stabilita systému.