Regina Célia Barbosa de Oliveira (Bolsista Pòs-Doc Capes )

Transcrição

1 Introdução à Técnica de Espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) Regina Célia Barbosa de Oliveira (Bolsista Pòs-Doc Capes )

2 Espectroscopia óptica Lyman ultravioleta Balmer vis Pachen infra

3 Espectrometria de massa A E X A X + m Z A X + m Z A Y +

4 Espectro de massas Interferências são mínimas Alguns elementos têm picos simples Alguns elementos mostram linhas múltiplas

5 Instrumentação 700 Toor Até K Sistema de introdução da amostra Argônio Figura 3. Esquema dos componentes de um ICP-MS

6

7 Tocha L min -1 1 L min -1 0,7 1,5 L min -1

8 Formação do plasma Figura. Formação do plasma. (A) (B) (C) (D) e (E)

9 Processos que ocorrem no plasma No plasma

10 Regiões do plasma Dessolvatação Atomização Excitação e Ionização

11 Ex.: Conversão de Cr 0 a Cr + Processo de ionização 24e- 23e-

12 Primeiro potencial de ionização e eficiência para formação de íons (%)

13 Elementos não determinados por ICP-MS H, N, O e C, porque estão presentes no ar; Cl, Bre I, porque têm alto potencial de ionização; Ar, porque é o gás do plasma; Elementos muito radioativos, porque têm tempo de vida curto

14 Condições de Operação Vazão do gás de nebulização: determina o tempo de residência das espécies analíticas no centro do plasma; Baixa vazão do gás de nebulização: alto tempo de residência Alta vazão do gás de nebulização: baixo tempo de residência Potência da radiofrequência Maior RF: espécies que requerem maior energia para ionização; Menor RF: espécies que necessitam de baixa energia de ionização

15 Sistemas de introdução de amostras no ICP-MS CG

16 Interface

17 Interface: dinâmica do fluxo de íons Lente iônica Vácuo 10-4 Toor Skimmer cone Elétrons difusos Íons carregados positivamente

18 Interface: dinâmica do fluxo de íons Lentes iônicas Interface Íons de massa alta Íons de massa média Íons de massa baixa

19 Extração dos íons Foton stop Photon-stop Lente Iônica Elétrons Difusos Skimmer cone

20 Extração dos íons

21 Duas bombas mecânicas Duas bombas turbumoleculares Bombas de vácuo

22 Analisadores de massa Quadrupolo Time of flight Double focusing magnetic sector

23 Separação de massas no quadrupolo Figura 5. Princípio de separação de massa no quadrupolo do ICP-MS Poder de resolução m m Resolução: largura do pico em 10% de sua altura 0,3 a 3,0 amu

24 Separação de massas no quadrupolo

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26 Sistema de detecção

27 Equipamento de alta resolução: double-focusing magnetic-sector design.

28 Equipamento de alta resolução: double-focusing magnetic-sector design.

29 Analisador por tempo de vôo TOF (Time of flight)

30 Interferências Uma interferência é qualquer coisa presente na solução da amostra que afete o sinal do analito, para mais ou para menos, em relação a uma solução de calibração com igual concentração do analito

31 Espectrais Interferências Relacionadas à resolução do equipamento. -sobreposição de massas: Não espectrais m/z do interferente = m/z do analito Relacionadas à composição da matriz da amostra: -variações nas propriedades do plasma -entupimento -efeito espaço carga

32 Interferências espectrais 1. Interferências Isobárica: m/zx + = m/za + 2. Íons Poliatômicos: m/zxx + = m/za + 3. Óxidos refratários: m/zxo + = m/za + 4. Íons de carga dupla: m/zx ++ = 2m/zA + X = interferente, elemento químico qualquer A = analito O = oxigênio

33 Interferências espectrais 1. Interferências Isobárica: mx + = ma + Sobreposição de massas entre isótopos de elementos diferentes Ex.: 40 Ca (96,941%) e 40 Ar (99,6%) 58 Fe (0,28%) e 58 Ni (68,077%) A maioria dos elementos tem pelo menos um isótopo livre de interferência isobárica! Exemplo de Isótopos livres de interferência 44 Ca (2,086%) 57 Fe (2,2%) 60 Ni (26,223%) Exceção: 113 In (4,3%) sobreposição com 113 Cd e 115 In (95,7%) sobreposição com 115 Sn

34 Interferências espectrais 1. Interferências Isobárica: mx + = ma + São corrigidas automaticamente pelo softwere, por equações matemáticas, usando a intensidade do isótopo livre de interferência e as abundâncias isotópicas Correção de interferência isobárica por equações Ex.: Sobreposição de 204 Pb (1,48%) com 204 Hg (6,85%) A correção utiliza o isótopo 201 Hg (13,22%): I( 204 Pb) = I(total204) I(total201) x abundâncias ( 204 Hg/ 201 Hg) I = intensidade do sinal

35 Interferências espectrais 2. Íons Poliatômicos: mxx + = ma + Espécies moleculares formadas por componentes do solvente e/ou da matriz Evitadas, utilizando-se isótopos alternativos Corrigidas, aplicando-se equações de correção Corrigidas, descontando-se o branco Reduzidas ou eliminadas, através de otimizações experimentais

36 Interferências poliatômicas Interferências espectrais Interferências espectrais em solução de HCl 10% Componente Massa Intensidade da Interferência Elemento Abundância ClN 51 Depende da quantidade de N V 99,75 ClO 51 Alta em HCl V 99,75 ClN 52 Baixa em HCl Cr 83,79 ClO 52 Muito baixa Cr 83,79 ClOH 52 Alta em HCl Cr 83,79 ClO 53 Muito baixa Cr 9,5 NaCl 60 Baixa em HCl puro Ni 26,1 ClO 2 69 Baixa Ga 60,1 ArCl 71 Muito baixa Ga 39,9 ArCl 75 Alta em HCl As 100 Cl 2 74 Muito baixa Ge 36,5

37 Interferências poliatômicas Interferências espectrais Concentrações aparentes dos analitos na presença de Cl 120 Concentrações / µg L Cl / mg L -1

38 Interferências espectrais Interferências poliatômicas : correções Uso de isótopos alternativos 40 Ar 16 O sobre 56 Fe (91,72%); 57 Fe (2,2%) Correção pelo branco Interferências devidas ao solvente ou gases do plasma Equações de correção Ex. 1: Interferência do 35 Cl 16 O sobre 51 V I( 51 V) = I(total51) I(total53) x abundâncias ( 35 Cl/ 37 Cl)

39 Interferências espectrais Interferências poliatômicas: correções Condições experimentais Otimização da potência RF e da vazão do gás do nebulizador Uso de gases mistos ou alternativos ; Sistemas alternativos de introdução de amostra (USN, LA, ETV, etc.); Conversão química prévia dos interferentes ou separação dos analitos da matriz ; Instrumentos com célula de colisão/reação ou instrumentos de alta resolução;

40 Célula de colisão/reação Interferências espectrais

41 Mecanismos de colisão-reação Transferência de próton 40 Ar 16 O + NH 3 O + Ar + NH ArH + + H 2 38 Ar + H K + H 2 não reage Transferência de átomo de hidrogênio Reações de associação molecular Fragmentação colisional Retardação colisional

42 Determinação de 56 Fe Célula de colisão/reação Transferência de próton Figura 6. Eliminação da interferência de ArO + com célula de reação dinâmica

43 Determinação DE 75 As Célula de colisão/reação Fragmentação colisional

44 Figura 5. Uso de mistura He/NH 3 em uma célula de colisão do tipo hexapolo para a determinação da razão 52 Cr/ 53 Cr.

45 Interferências espectrais 3. Óxidos refratários: mxo + = ma + Resultam da dissociação incompleta da matriz da amostra ou da recombinação dos elementos na região mais fria do plasma Interferem nas massas M + 16, M + 32 ou M + 48 Otimização da potência RF e da vazão do gás de nebulização Ex.: 40 Ar 16 O sobre 56 Fe (91,72%) Daily Performance (Ce/CeO < 0,03)

46 Interferências espectrais 4. Íons de carga dupla: 2mX ++ = ma + M M + M 2+ Analitos com segundo potencial de ionização < 16 ev (primeiro potencial de ionização do Ar) Diminuição da intensidade de M + Ex.: 138 Ba 2+ sobre 69 Ga Daily Performance (Ba 2+ /Ba < 0,03)

47 Interferências espectrais Efeito da RF Efeito da vazão do gás de nebulização Intensidade M + MO + M 2+ Intensidade M 2+ M + MO + RF Vazão do gás de nebulização

48 Interferências não espectrais 1. Interferências de transporte 2. Interferências de ionização 3. Discriminação de massa

49 Interferências de transporte Causadas por: Interferências não espectrais Diferença nas propriedades físico-químicas das soluções de calibração e amostra: viscosidade e tensão superficial afetam a vazão de aspiração e a nebulização das soluções Depósito de sólidos no orifício do cone amostrador Como minimizar: Diluição Injeção em fluxo Técnicas de calibração: padrão interno, simulação da matriz (matrix matching), adição do analito, diluição isotópica Separação do analito da matriz

50 Interferências não espectrais Interferências de ionização Também chamada de supressão de sinal. O grau de ionização do analito é diminuído pela presença de concomitantes da matriz. Como minimizar: Diluição isotópica Separação do analito da matriz

51 Interferências não espectrais Concentrações aparentes dos analitos (5µg L - 1 ) na presença de Na

52 Eliminação da matriz Bomba peristál tica Coluna de préconcentração Amostra

53

54 y = 0,000x + 0,003 R² = 0,956 y = 0,001x - 0,001 R² = 0,983 y = 0,025x + 0,138 R² = 0,995 y = 0,025x + 0,064 R² = 0,995 0,03 53 Cr 0,6 55 Mn 0,02 0,4 cps 0,01 0-0, CETAC TOYOPEARl cps 0, CETAC TOYPEARL Conc. / µg. L -1 Conc. / µg. L -1 y = 0,034x + 0,007 R² = 0,996 y = 0,032x + 0,003 R² = 0,999 y = 0,012x + 0,071 R² = 0,954 y = 0,017x + 0,01 R² = 0,992 0,6 59 Co 0,3 63 Cu cps 0,4 0,2 CETAC TOYOPEARL cps 0,2 0,1 CETAC TOYOPEARL Conc. / µg. L -1 Conc. / µg. L -1 Figura. Curva de calibração com adição do analito, após pré-concentração para Cr, Mn, Co e Cu

55 Tabela 1. Concentrações (µg L -1 ) dos elementos na amostra, calculadas pela extrapolação da curva de regressão Cr final Mn final Co final Cu final CETAC 1,0 2,5 0,1 0,58 Toyopearl 3,6 5,4 0,2 5,53 Os teores obtidos com a resina CETAC e Toyopearl apresentam-se Os teores obtidos com a resina CETAC e Toyopearl apresentam-se dentro da faixa de valores encontrados para Cu e Co por Maltez et al e para Cu e Pb encontrados por Ferrarello, et al., 2001

56 Quantificação 1. Análise semi-quantitativa 2. Análise quantitativa a) Calibração externa b) Calibração externa com padrão interno c) Adição do analito (sem ou com PI) d) Diluição isotópica

57 Análise semi-quantitativa 24 Mg, 103 Rh, 208 Pb

58 Análise quantitativa Calibração externa Preparação da curva de calibração Sn: solução de calibração com n incrementos do padrão do analito

59 Calibração externa Análise quantitativa Curva de calibração

60 Análise quantitativa Preparação da Calibração com padrão interno branco: branco + padrão interno Sn: solução de calibração com n incrementos do padrão do analito + padrão interno

61 Calibração com padrão interno Curva de calibração Análise quantitativa

62 Calibração com padrão interno Escolha do padrão interno: J Não deve sofrer interferência espectral J Não deve provocar interferência espectral sobre os analitos J Deve gerar sinal com intensidade adequada J Deve ter massa próxima à do analito J Deve ter potencial de ionização próximo ao do analito

63 Padrões internos freqüentemente usados: 103 Rh, 45 Sc, 115 In e 89 Y J Adequados para muitos analitos situam-se na parte central do espectro de massa J Raros em amostras naturais J Praticamente 100% ionizados no plasma J Não sofrem interferências espectrais J Monoisotópico ( 103 Rh, 89 Y e 45 SC) ou com um isótopo predominante ( 115 In: 95,7%)

64 Adição do analito Análise quantitativa Preparação da curva de calibração S 0 : solução da amostra Sn: solução da amostra + n incrementos da solução de calibração contendo o analito

65 Adição do analito Curva de calibração S 0 : solução da amostra S n : solução da amostra + n incrementos da solução de calibração contendo o analito

66 Limite de detecção (LD) Tradicional LD 3 SD = S ( n 10) dy dx contagens µ gl = S = = 1 Standard methods LD = n 3,14SD = ( 7) INMETRO LD = brancos + 3SD

67 Bibliografia Básica: Thomas R. Pratical Guide to ICP-MS: a tutorial for beginners. 2ªed. Taylor & Francis Group, Complementar: Thompson, M.; Walsh, J.N. A Handbook of Inductively Coupled Plasma Spectrometry, 2ªed., Blackie: Glasgow,1989, 340p. Nelms, S. M. Inductively Coupled Plasma mass Spectrometry Handbook, Blackwell Publishing: Oxford, 2005, 485p. Jarvis, K. E.; Gray, A. L.; Houk, R. S., Handbook of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, 1ª ed. London: Black & Son Ltd. 1992