Marine Klimaforschung

ICP-MS: Messprinzip und Geräteausstattung

In einem Massenspektrometer (MS) werden die verschiedenen Elemente bzw. ihre in der Natur vorkommenden Isotope durch ihr Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) unterschieden, voneinander getrennt und quantitativ nachgewiesen. Proben werden als wässrige Lösungen oder – z.B. nach Laser Ablation – als trockene Aerosole zugeführt. Die in der Probe vorkommenden Elemente werden im Argon-Plasma (ICP) bei ∼6000 K ionisiert, das ICP ist die Ionenquelle des Massenspektrometers. Die Ionen werden dann durch das Interface (sampler und skimmer) aus dem Plasma ins Hochvakuum des Massenspektrometers überführt und durch eine Ionenoptik fokussiert. Durch den nachfolgenden Massenfilter gelangen nur Ionen mit einem bestimmten Masse/ Ladung-Verhältnis (m/z) auf einer stabilen Flugbahn bis zum Detektor (single detector). Als Massenfilter dient entweder ein Quadrupol oder ein Magnet mit nachfolgendem Elektrostaten (im hochauflösenden Sektorfeld-MS). Jedes Ion wird im Detektor in einen elektrischen Impuls bzw. Strom umgewandelt, der dann registriert und im PC weiterverarbeitet werden kann. Die Anzahl der Impulse pro Zeit (cps) steht in direktem Zusammenhang zur Konzentration in der Probe (Kalibrierfunktion). In einem Sektorfeld-MS werden die Ionen nach dem Interface durch eine Ionenoptik zu einem elliptischen Ionenstrahl geformt und mit Hochspannung (8000V) durch einen variablen Eingangsspalt auf eine gekrümmte Flugbahn beschleunigt. Beim Passieren eines magnetischen und elektrostatischen Sektors werden die Ionen nach ihrer Masse bzw. ihrer kinetischen Energie fokussiert und gelangen durch einen Ausgangsspalt auf den Multiplier (SEM) bzw. Faraday Detektor.

Mit diesen Multielement-Analysenverfahren können fast alle Elemente des PSE (nicht: H, C, O, N, Edelgase) mit Nachweisgrenzen im sub-ppt-Konzentrationsbereich in kurzer Zeit (<10min pro Probe) gemessen werden. Während der Analyse kommt es je nach gewählten Messbedingungen zu Störungen (Interferenzen), welche die Richtigkeit des Messergebnisses verfälschen können, wenn sie nicht erkannt und korrigiert werden. Zur Vermeidung von Interferenzen wird am Quadrupol-MS eine Kollisions- bzw. Reaktionszelle eingesetzt oder ein hochauflösendes MS verwendet, in dem Interferenzen im Massenspektrum erkannt und bei der Analyse vermieden werden können. Mit alternativen Probeneinführungssystemen können kleinste Probenmengen analysiert (Mikrozerstäuber, desolvatisierende Zerstäuber) und/oder störende Bestandteile der Probenmatrix während der Messung durch on-line Säulenchromatographie (seaFAST, prepFAST) abgetrennt werden.

AGILENT 7500cs (Agilent Technologies) (in Betrieb seit 2001)

Dieses Bild zeigt den Agilent 7500cs

Quadrupol-Massenspektrometer mit Octopol-Reaktionssystem (ORS) und zweiter Vakuumpumpe zur Verbesserung der Nachweisgrenzen. Routinemäßig eingesetzt zum Nachweis von 40-50 verschiedenen Spuren- und Ultraspurenelementen bis in den sub-ppt Bereich bei Fehlern < 1-3 %RSD.

Das ORS wird bei uns im H2-Reaction Mode zur Verbesserung der Nachweisgrenzen besonders von Fe, As und Se eingesetzt.
Für die automatische Probeneinführung findet ein SC-4 DX (Elemental Scientific) Probenwechsler mit zwei Spülstationen (5 % (v/v) HNO3+ Spuren HF und 2 % (v/v) HNO3 ) Verwendung. Außerdem setzen wir das seaFAST (Elemental Scientific) System ein, das die online-Matrixabtrennung und Voranreicherung zur Analyse von Ultraspurenelementen in für Meerwasser ermöglicht. Zudem steht ein desolvatisierender Zerstäuber (apex, Elemental Scientific) zur Verfügung.

AGILENT 7900 (Agilent Technologies) (in Betrieb seit 2017)
 

Dieses Bild zeigt den Agilent 7900.Dieses Bild zeigt den Innenaufbau vom Agilent 7900.

Quadrupol-Massenspektrometer mit Octopol-Reaktionssystem (ORS)

Das ORS ersetzt unser bisheriges Agilent 7500 (Baujahr 2001) für die Kopplung am GeoLas Laser Ablation System. Die verbesserte ORS Reaktionszelle und neue Detektortechnologie verbessern den Untergrund und den dynamischen Messbereich. Außerdem wird durch die extrem schnelle Reaktionszeit des Detektors der quantitative Nachweis von Nanopartikeln möglich.

 

 

ELEMENT XR (THERMO Scientific) (in Betrieb seit 2014)
 

DIeses Bild zeigt den Element XR
Der Element XR

Hierbei handelt es sich um ein hochauflösendes, doppelt-fokussierendes Sektorfeld-Massenspektrometer mit 3 verschieden Detektor-Modi (pulse counting und analog SEM, Faraday) zur Erweiterung des dynamischen Messbereichs auf 12 Dekaden. Mit Festspalten können wahlweise Massenauflösungen von 300, 4.000 oder 10.000 erreicht werden, um massenspektrale Interferenzen sicher abzutrennen (siehe Abb.). Die Nachweisgrenzen sind für viele Elemente mit <10-15 extrem niedrig. Einsatzgebiete bei uns sind der Nachweis von Ultraspurenelementen im subb-ppt Konzentrationsbereich oder Analysen von kleinsten Probenmengen, und Analysen von Proben mit komplexen Matrices (Meerwasser, Hydrothermalfluide, biologische und pharmazeutische/ medizinische Proben. Das ELEMENT XR ersetzt unser PlasmaTrace 2 (VG Elemental, Baujahr 1995).

Dieses Bild zeigt Daten aus dem Messergebnis des Element XRDaten aus dem Messergebnis des Element XR