Analýza environmentálních vod metodou ICP-QQQ s dvoukomorovým systémem a diskrétním dávkováním vzorků

Rychlá a přesná měření pomocí Agilent 9500 ICP-QQQ v režimu Advanced Helium Mode

Přístroje Agilent ICP-MS se staly standardním vybavením mnoha environmentálních laboratoří, kde jsou ceněny především pro vysokou rychlost analýzy, citlivost, přesnost a robustnost. Jejich schopnost bezproblémové integrace s autosamplery vzorků, vysokorychlostními systémy diskrétního dávkování i automatickými ředicími systémy dále přispěla k jejich širokému rozšíření.¹^-³ Tyto vlastnosti mají zásadní význam zejména pro smluvní environmentální laboratoře, kde rostoucí konkurence a ekonomický tlak činí z produktivity a vysoké průchodnosti vzorků jednu z hlavních priorit.

Současně jsou laboratoře nuceny analyzovat stále větší počet vzorků v kratším čase, aniž by byla ohrožena kvalita dat nebo jednoduchost obsluhy. Na tyto požadavky reaguje trojitý kvadrupólový ICP-MS spektrometr Agilent 9500 ICP-QQQ, který je vybaven unikátním dvoukomorovým kolizně-reakčním systémem (Dual-Cell System, DCS). Při rutinní analýze velkého množství vzorků lze DCS provozovat v režimu Advanced Helium Mode (AHM) – revolučním režimu kolizní cely, který poskytuje vysoce kvalitní data pro široké spektrum analytů.

Režim AHM umožňuje vysoce citlivá měření a současně účinně odstraňuje spektrální interference prostřednictvím kombinace dvou mechanismů – kolizně indukované disociace (Collision-Induced Dissociation, CID) a diskriminace podle kinetické energie (Kinetic Energy Discrimination, KED). Díky tomu odpadá nutnost používat více různých režimů kolizní cely během jediné analýzy.

AHM – revoluce v odstraňování interferencí pomocí helia

Režim AHM představuje významný pokrok v technologii kolizní cely využívající helium a princip KED. Dynamicky optimalizuje podmínky v systému DCS pro prvky s nízkou i vysokou atomovou hmotností v reálném čase.

Výsledkem je přibližně:

• dvacetinásobné zvýšení citlivosti pro lehké prvky,
• přibližně dvojnásobné zvýšení citlivosti pro prvky se střední a vyšší atomovou hmotností.

Díky možnosti odstraňovat interference v celém rozsahu periodické tabulky pomocí jediného plynového režimu nahrazuje AHM dosud používané režimy:

• bez plynu,
• konvenční He,
• vysokoenergetické He.

Odstranění nutnosti přepínání mezi jednotlivými režimy kolizní cely výrazně zjednodušuje pracovní postup a současně urychluje měření na systému Agilent 9500 ICP-QQQ vybaveném dvoukomorovým systémem DCS.

Jak ukazuje obrázek 1, systém DCS využívá dvoustupňové vedení iontů (přední a zadní iontový vodič) společně s rychlou regulací napětí kolizní cely. Právě tyto konstrukční prvky stojí za výrazně lepšími parametry režimu AHM ve srovnání s klasickým režimem He-KED. Podrobnější technický popis systému DCS i režimu AHM je uveden v dalších publikacích.⁴

Agilent Technologies: Obrázek 1. Dvoukomorový kolizně-reakční systém Agilent Dual-Cell System (DCS) používaný ve spektrometru Agilent 9500 ICP-QQQ.

Diskrétní dávkování AVS MS – maximální průchodnost vzorků a minimální nároky na údržbu

Agilent 9500 ICP-QQQ lze doplnit volitelným příslušenstvím Agilent AVS MS pro diskrétní dávkování vzorků, které je ideální pro aplikace s vysokou průchodností. AVS MS významně zkracuje dobu zavádění vzorku i oplachu systému, čímž podstatně urychluje celý analytický cyklus.

Ve spojení s režimem AHM zkracuje systém 9500 ICP-QQQ s AVS MS nejen dobu analýzy jednotlivých vzorků, ale také omezuje dobu, po kterou jsou rozhraní přístroje vystavena komplexním matricím typickým pro environmentální vzorky.

AVS MS je automatický vícecestný přepínací ventil, který směruje vzorky a oplachové roztoky různými průtokovými cestami.¹˒² Vzorek je do ICP-MS přiváděn pouze během samotného měření, zatímco ve všech ostatních fázích je zmlžován čistý slepý roztok.

Tento přístup přináší několik významných výhod:

• zvyšuje průchodnost vzorků,
• snižuje množství vzorku vstupujícího do přístroje,
• omezuje zanášení rozhraní,
• snižuje potřebu čištění,
• zlepšuje dlouhodobou stabilitu systému.

Kombinací diskrétního dávkování AVS MS a jediného režimu kolizní cely AHM pro všechny prvky mohou laboratoře dosáhnout vyšší produktivity, nižší četnosti údržby a nižších provozních nákladů.

V této studii byly pomocí systému Agilent 9500 ICP-QQQ analyzovány certifikované referenční materiály (CRM), které reprezentují běžnou pracovní zátěž smluvních environmentálních laboratoří. Cílem bylo vyhodnotit přesnost, produktivitu i dlouhodobou stabilitu analytické metody.

Experimentální část

Přístrojové vybavení

Měření byla provedena na systému Agilent 9500 ICP-QQQ vybaveném standardními niklovými kónusy, koncentrickým skleněným zmlžovačem MicroMist a systémem Ultra High Matrix Introduction (UHMI). Přístroj byl současně osazen volitelným systémem Agilent AVS MS pro diskrétní dávkování vzorků.

Systém UHMI využívá ředění aerosolu, které zajišťuje vysokou odolnost vůči matricovým efektům při analýze různorodých vzorků. AVS MS tuto odolnost dále zvyšuje tím, že minimalizuje dobu kontaktu přístroje se vzorkem během jednotlivých měření.

Parametry přístroje zvýrazněné v tabulce 1 byly nastaveny automaticky po výběru obecné metody AHM-only a plazmových podmínek UHMI-4 určených pro vzorky s vyšším obsahem matrice v softwaru Agilent OpenLab ICP-MS.

Při použití režimu UHMI-4 lze analyzovat vzorky obsahující až 4 % celkových rozpuštěných látek (TDS), což umožňuje stabilní dlouhodobou analýzu vzorků s koncentrací rozpuštěných látek až 500 ppm.

Software po optimalizaci citlivosti automaticky načetl také optimální nastavení napětí iontové optiky.

Provozní podmínky systému Agilent 9500 ICP-QQQ a zařízení AVS MS jsou shrnuty v tabulkách 1 a 2.

Tabulka 1. Provozní podmínky Agilent 9500 ICP-QQQ v režimu Advanced Helium Mode (AHM)

• Režim plazmatu: UHMI-4
• VF výkon: 1600 W
• Hloubka odběru: 12 mm
• Průtok nebulizačního plynu: 0,92 L/min
• Průtok ředicího plynu: 0,16 L/min
• Nastavení iontové optiky: Autotune
• Průtok plynu v kolizní cele: 14 mL/min
• Přední diskriminace energie: 10 V
• Počet stanovovaných prvků: 26 analytů + 5 interních standardů
• Celková doba měření (3 opakování): 24,7 s

Výběr přednastavených plazmových podmínek UHMI-4 automaticky nastaví všechny zvýrazněné parametry.

Tabulka 2. Provozní podmínky systému Agilent AVS MS při použití smyčky o objemu 0,75 mL

• Naplňování vzorkové smyčky: 8 s; rychlost čerpadla 50 %
• Stabilizace: 7 s; rychlost čerpadla 5 %
• Oplach sondy: 14 s; rychlost čerpadla 5 %
• Oplach sondy 1: 5 s; rychlost čerpadla 50 %
• Oplach sondy 2: 11 s; rychlost čerpadla 0 %
• Volitelné promytí smyčky sondou: 7 s; rychlost čerpadla 50 %
• Volitelné promytí smyčky: 5 s

Vzorky a standardy

Pro ověření správnosti metody byly použity certifikované referenční materiály (CRM) reprezentující běžné environmentální matrice – vodu, půdu a sediment.

Použité referenční materiály zahrnovaly:

• NIST 1643e Trace Elements in Natural Water (Gaithersburg, Maryland, USA),
• HPS Soil B,
• HPS River Sediment A (High Purity Standards, Charleston, South Carolina, USA).

Každý referenční materiál byl zředěn v poměru 1 : 10 deionizovanou vodou. Referenční materiály půdy a sedimentu byly následně dále zředěny na 1 : 50, aby koncentrace analytů odpovídaly kalibračnímu rozsahu.

Pro simulaci podmínek běžné laboratorní praxe bylo dále připraveno pět neznámých vzorků environmentálních vod, které sloužily k ověření výkonnosti metody při analýze reálných vzorků.

Pro stanovení mezí stanovitelnosti (LOQ) byl připraven slepý vzorek obsahující:

• 1 % HNO₃,
• 0,5 % HCl.

Kalibrační standardy

Kalibrační standardy pro většinu stanovovaných prvků byly připraveny z vícesložkového Agilent Environmental Calibration Standard.

Standardy rtuti (Hg) byly připraveny samostatně ze zásobního roztoku elementární rtuti o koncentraci 1000 ppm (Kanto Chemical Co., Inc., Japonsko).

Všechny kalibrační standardy byly připraveny v matrici obsahující:

• 1 % HNO₃,
• 0,5 % HCl.

Koncentrační rozsahy šestibodových kalibračních křivek pro stopové i minerální prvky jsou uvedeny na obrázku 2.

Agilent Technologies: Obrázek 2. Posloupnost kalibračních standardů, roztoků pro kontrolu kvality a vzorků analyzovaných v dvouhodinové sekvenci. Blok „Vzorky“ se opakoval nepřetržitě s automatickým vložením bloku „Periodická kontrola kvality“ po každých 10 analýzách vzorků. Celkem bylo za 138 minut analyzováno 141 roztoků, což představuje v průměru méně než 1 minutu na vzorek.

Roztoky kontroly kvality

Roztoky pro kontrolu kvality (QC), zahrnující:

• Initial Calibration Verification (ICV),
• Continuing Calibration Verification (CCV),
• Continuing Calibration Blank (CCB),

byly připraveny stejným způsobem jako kalibrační standardy.

Všechny QC roztoky obsahovaly matrici tvořenou:

• 1 % HNO₃,
• 0,5 % HCl.

Pro všechny analyty kromě rtuti byl použit vícesložkový Agilent Environmental Calibration Standard.

Kontrolní roztoky rtuti byly připraveny ze zásobního roztoku elementární rtuti o koncentraci 1000 ppm (Kanto Chemical Co., Inc., Japonsko).

Analytická sekvence

Analytická sekvence znázorněná na obrázku 2 byla navržena tak, aby co nejlépe odpovídala typickým matricím analyzovaným ve smluvních environmentálních laboratořích.

Celá sekvence byla následně změřena na systému Agilent 9500 ICP-QQQ.

Soubor analyzovaných vzorků zahrnoval:

• certifikované referenční materiály vody,
• certifikované referenční materiály půdy,
• certifikované referenční materiály sedimentu,
• reálné vzorky environmentálních vod,
• roztoky pro kontrolu kvality.

Kalibrace byla provedena bez přizpůsobení matrice kalibračních standardů matrici vzorků (matrix matching) a během celé dvouhodinové analytické sekvence nebylo nutné provádět žádnou rekalibraci.

Výsledky a diskuse

Průchodnost vzorků

Pro stanovení všech prvků byl použit systém Agilent 9500 ICP-QQQ vybavený integrovaným zařízením AVS MS, přičemž dvoukomorový systém DCS pracoval výhradně v režimu Advanced Helium Mode (AHM).

Celkem bylo analyzováno 141 vzorků během 138 minut, přičemž analýza jednoho vzorku trvala méně než jednu minutu.

Pro srovnání – obdobná sekvence vzorků analyzovaná na jednopólovém systému Agilent ICP-MS vyžadovala přibližně 1 minutu a 30 sekund na vzorek.¹

Použitý pracovní postup proto představuje přibližně 50% zvýšení průchodnosti vzorků ve srovnání s metodou využívající jednopólový ICP-MS.

Meze stanovitelnosti

Meze stanovitelnosti (Limits of Quantitation, LOQ) byly vypočteny podle kritéria 10σ na základě deseti opakovaných měření slepého vzorku (tabulka 3).

Přestože takto stanovené LOQ nepředstavují nejnižší dosažitelné meze detekce (DL), jsou pro danou aplikaci zcela dostačující.

Ještě nižších mezí detekce by bylo možné dosáhnout například:

• prodloužením integrační doby,
• použitím činidel s vyšší čistotou,
• důslednějším omezením kontaminace slepých vzorků.

Taková opatření by však současně vedla ke zvýšení nákladů na analýzu.

Agilent Technologies: Tabulka 3. Hodnoty LOQ (mez detekce) na úrovni 10 sigma vypočítané z 10 měření slepého vzorku.

Analýza certifikovaných referenčních materiálů vody, půdy a sedimentu

Všechny tři certifikované referenční materiály byly během analytické sekvence měřeny opakovaně.

Pro simulaci nízkých koncentrací typických pro přírodní vody byl referenční materiál NIST 1643e analyzován po desetinásobném zředění, zatímco referenční materiály půdy a sedimentu byly analyzovány po desetinásobném a padesátinásobném zředění.

Pro každý analyt byly vypočteny:

• průměrná koncentrace,
• relativní směrodatná odchylka (%RSD),
• průměrná výtěžnost,

jak je uvedeno v tabulce 4.

Výsledky všech stanovovaných prvků vykázaly výbornou shodu s certifikovanými referenčními hodnotami.

Jedinou výjimkou byl kobalt (Co) v referenčním materiálu River Sediment A, jehož výtěžnost ležela mimo interval 100 ± 10 %.

Protože se tato odchylka objevila jak při desetinásobném, tak při padesátinásobném zředění, naznačují výsledky možnou kontaminaci samotného certifikovaného referenčního materiálu.

Agilent Technologies: Tabulka 4. Průměrné naměřené hodnoty, průměrné výtěžnosti a %RSD pro všechny certifikované prvky ve třech CRM, n=10. Prázdné buňky označují absenci certifikované hodnoty

Dlouhodobá stabilita

Pro ověření dlouhodobé stability metody bylo na systému Agilent 9500 ICP-QQQ s dvoukomorovým systémem DCS pracujícím v režimu AHM kontinuálně analyzováno 141 vzorků a roztoků kontroly kvality během více než dvou hodin.

Obrázek 3 ukazuje, že výtěžnosti interních standardů (ISTD) zůstávaly po celou dobu měření v rozmezí 80–110 %, což potvrzuje výbornou stabilitu analytické metody.

Graf současně zobrazuje hodnoty Total Matrix Solid (TMS) jednotlivých vzorků získané pomocí funkce IntelliQuant v softwaru Agilent OpenLab ICP-MS.

Funkce IntelliQuant provádí úplný hmotnostní sken přibližně během dvou sekund, čímž poskytuje rychlou semikvantitativní charakterizaci složení vzorku.⁵

Celkový obsah rozpuštěných látek (TDS) je odhadován jako dvojnásobek hodnoty TMS. Během experimentu proto byly do systému opakovaně zařazeny vzorky s obsahem TDS převyšujícím 1000 ppm.

Navzdory vysokému zatížení matricí zůstaly signály interních standardů po celou dobu stabilní, což potvrzuje vysokou robustnost systému Agilent 9500 ICP-QQQ vybaveného technologií UHMI i při analýze náročných matric.

Agilent Technologies: Obrázek 3. Výtěžnosti vnitřního standardu normalizované na kalibrační slepý vzorek pro všechny vzorky, včetně vzorků s vysokým obsahem TMS. Během 138minutové analýzy nedošlo k žádnému selhání vnitřního standardu.

Závěr

Studie prokázala, že systém Agilent 9500 ICP-QQQ vybavený dvoukomorovým systémem DCS, pracující v režimu Advanced Helium Mode (AHM) a doplněný o zařízení AVS MS pro diskrétní dávkování vzorků, poskytuje mimořádně vysoký výkon při rutinních environmentálních analýzách.

Během méně než 140 minut bylo analyzováno více než 140 vzorků, včetně reálných vzorků environmentálních vod, aniž bylo nutné používat matrix matching kalibračních standardů nebo provádět rekalibraci.

Ve srovnání s obdobnou metodou využívající jednopólový ICP-MS zvýšil pracovní postup založený na systému 9500 ICP-QQQ průchodnost vzorků přibližně o 50 %, což představuje významné zvýšení produktivity laboratoře.

Správnost metody byla ověřena opakovanou analýzou certifikovaných referenčních materiálů vody, půdy a sedimentu.

Každý vzorek byl analyzován za méně než jednu minutu, což potvrzuje schopnost metody zpracovávat velké série vzorků při současném zachování vysoké přesnosti. Ta byla doložena výtěžnostmi pohybujícími se v rozmezí 100 ± 10 %.

Výsledky testu dlouhodobé stability dále potvrdily robustnost systému Agilent 9500 ICP-QQQ vybaveného technologiemi UHMI a AVS MS při analýze vzorků s vysokým obsahem rozpuštěných látek. Během více než dvouhodinové analytické sekvence nedošlo ani k jedinému selhání interního standardu.

Studie potvrzuje, že kombinace rychlé analýzy, účinného potlačení spektrálních interferencí a vysoké dlouhodobé stability představuje zásadní výhodu při analýze vzorků s vysokým obsahem matrice, které jsou pro environmentální laboratoře typické.

V době rostoucí konkurence a tlaku na zvyšování produktivity bez kompromisů v kvalitě analytických dat představuje Agilent 9500 ICP-QQQ řízený softwarem Agilent OpenLab ICP-MS a pracující v jediném režimu kolizní cely výkonné řešení pro moderní environmentální laboratoře.

Režim Advanced Helium Mode zjednodušuje analytický workflow, snižuje nároky na údržbu přístroje a současně poskytuje robustní, reprodukovatelné a vysoce kvalitní výsledky, které přispívají ke zvýšení celkové efektivity laboratorního provozu.