Presné stanovenie izotopu 129I vo vzorkách životného prostredia pomocou ICP-MS s trojitým kvadrupólom

Väčšina bežných metód regulujúci znečistenie životného prostredia je zameraná prevažne na vysoko toxické látky ako sú As, Cd, Hg alebo Pb. Tie sú spravidla prítomné len ako stabilné izotopy. Avšak v niektorých prípadoch je k presnejšiemu posudzovaniu potenciálnych rizík nutné stanovovať rádioaktívne izotopy (alebo nuklidy), napríklad v situáciách súvisiacich s výrobou energie pomocou jadrovej technológie. Produkty jadrového štiepenia uránu sú prevažne nuklidy, ktoré majú hmotnosti v rozsahu 90 až 140 amu. Vďaka krátkemu polčasu rozpadu podliehajú mnohé ich priame fragmenty ďalšiemu rozpadu. Pri úniku do životného prostredia sú preto za najrizikovejšie považované izotopy ⁹⁰Sr, ¹³³Cs, alebo rádioaktívne nuklidy jódu. Pričom jód je obzvlášť kritický aj preto, že ovplyvňuje funkciu štítnej žľazy a v prípade jeho zvýšeného obsahu môže spôsobovať niektoré ochorenia. Jód má dva významné izotopy - ¹³¹I s polčasom rozpadu 8 dní, a rádionuklid ¹²⁹I s dlhým polčasom rozpadu 15,7 miliónov rokov. Únik rádioaktívneho jódu do životného prostredia je zapríčinený primárne emisiami zo závodov spracovávajúce jadrové palivá. Ďalším zdrojom môžu byť nehody jadrových elektrární či potenciálne skúšky jadrových zbraní.

Koncentrácia izotopu ¹²⁹I je prirodzene veľmi malá, a preto môže byť stanovenie pomocou ICP-MS celkom náročné. Väčšina rádionuklidov možno stanovovať rádiometrickými technikami, avšak tá pre zaistenie správneho výsledku zvyčajne vyžaduje dlhé expozičné časy. Rýchlosť ICP-MS preto môže pomôcť dramaticky skrátiť dobu analýz vzoriek, a tým taktiež skrátiť reakčný čas na potenciálne zdroje kontaminácie.

Rovnako ako všetky analytické metódy, tak aj technika ICP-MS je náchylná k interferenciám, ktoré môžu ovplyvňovať výsledky. U väčšiny aplikácií sú najbežnejšie polyatomické interferencie, ktoré možno u ICP-MS účinne eliminovať vďaka diskriminácii kinetickej energie (KED) pomocou kolízneho plynu He v kolíznej/reakčnej cele. Existujú však aj ďalšie interferencie, ktoré nemožno pomocou KED odstrániť, a vyžadujú použitie reakčných plynov a následné chemické reakcie v cele. Výber správneho reakčného plynu je v tomto prípade kritický, lebo v cele môže dochádzať súbežne tiež k nežiadúcim reakciám, ktoré môžu ovplyvňovať výsledky.

ICP-MS s trojitým kvadrupólom má oproti klasickému ICP-MS s kolíznou/reakčnou celou jeden kvadrupól navyše, ktorý je umiestnený ešte pred celou. Tento kvadrupól umožňuje vstup do cely len špecifickým iónom, zatiaľ čo ostatné sú eliminované. Toto „predfiltrovanie“ iónového zväzku pred vstupom do cely redukuje počet možných vedľajších reakcií, ktoré by mohli v cele nastať. Dochádza tak iba k selektívnej reakcii s daným reakčným plynom.

V prípade merania izotopu ¹²⁹I je nutné prekonať napr. izobarickú interferenciu s ¹²⁹Xe, ktorá pochádza ako nečistota z argónového plynu. Ďalšie problémové interferencie spôsobuje potenciálne vysoký prirodzený výskyt ¹²⁷I vo vzorke, alebo polyatomické interferencie ¹²⁷IH₂⁺, dioxidy Mo⁺, hydroxidy Sn⁺, alebo iné oxidové a hydridové formy.

ICP-MS s jednoduchým kvadrupólom za použitia kyslíka ako reakčného plynu v kolíznej/reakčnej cele výrazne redukuje izobarickú interferenciu ¹²⁹Xe⁺, avšak stále zostáva problém s chvostovaním izotopu ¹²⁷I, a takisto neodstránené zostávajú ¹²⁷IH₂ a polyatomické interferencie Mo⁺ a Sn⁺.

Pre stanovenie izotopu ¹²⁹I v ultrastopovom množstve bez vplyvov interferencií je najvhodnejším analytickým prístrojom ICP-MS s trojitým kvadrupólom v reakčnom móde za použitia kyslíka, ako je napr. prístroj ICP-MS iCAP TQ alebo iCAP TQe výrobcu Thermo Scientific. Model iCAP TQe umožňuje vedľa He-KED módu práve použitie kyslíka ako reakčného plynu. Model iCAP TQ ICP-MS má k dispozícii He-KED a kyslík, ale aj ostatné reakčné plyny (NH₃, H₂) pre maximálnu analytickú flexibilitu.

Inštrumentácia

Pre všetky merania v modelovom experimente bol použitý Thermo Scientific^TM iCAP TQ^TM ICP-MS. Prístroj je ovládaný softvérom Thermo Scientific^TM Qtegra^TM Intelligent Scientific Data Solution (ISDS). Typické podmienky merania sú uvedené v tabuľke 1.

Tab. 1 - Typické parametre merania iCAP TQ ICP-MS (Thermo Scientific)

K nastaveniu optimálnych podmienok merania (napr. voľba reakčného plynu, výber m/z, ktoré má byť transmitované tretím kvadrupólom a pod.) bola použitá softvérová funkcia „Reaction Finder Method Development Assistant“. Táto funkcia umožňuje nastavenie analytickej metódy bez predchádzajúcej detailnej znalosti potenciálnych reakčných mechanizmov. Pre stanovenie izotopu ¹²⁹I bol funkciou „Reaction Finder“ automaticky zvolený mód s trojitým kvadrupólom s reakčným plynom kyslíkom (mód TQ-O₂). Pre porovnanie bol k tomuto navrhovanému spôsobu merania manuálne pridaný tiež mód s jednoduchým kvadrupólom s reakčným plynom kyslíkom (mód SQ-O₂), štandardný mód bez použitia plynu (mód SQ-STD), a s použitím He ako kolízneho plynu (mód SQ-KED, tiež He-KED). Nastavenie prvého kvadrupólu bolo optimalizované pomocou funkcie „intelligent Mass Selection“ (iMS). Táto funkcia automaticky nastavuje prvý kvadrupól tak, aby neprepúšťal ióny, ktoré by mohli spôsobovať interferencie, ale zároveň aby umožňoval čo možno najvyššiu transmisiu analytu. Touto funkciou bolo napr. vyhodnotené, že použitie vyššieho rozlíšenia (1 amu či menej) na prvom kvadrupóle nie je pre meranie v našom experimente vyžadované.

Mechanizmus odstránenia interferencií pri stanovení jódu pomocou trojitého kvadrupólu a reakčného plynu kyslík  

Interferent ¹²⁹Xe na izotope ¹²⁹I možno veľmi účinne odstrániť reakciou medzi Xe⁺ a O₂, pri ktorej dochádza k prenosu náboja. ¹²⁹I pritom nereaguje a zostáva neovplyvnený.

Ak je vo vzorke prítomný Mo a Sn, vznikajú v kolíznej/reakčnej cele interferenty ako MoO₂⁺, SnO⁺ alebo SnOH⁺, ktoré tiež interferujú so ¹²⁹I. U ICP-MS s jednoduchým kvadrupólom sa nedá zabrániť vstupu Mo a Sn do kolíznej/reakčnej cely spoločne s Xe a I, a preto nemožno tieto interferencie odstrániť. Reakčný mód s kyslíkom (SQ-O₂) dokonca vykazuje horšie výsledky, než pri použití štandardného (SQ-STD) alebo kolízneho (He-KED) módu. Oproti tomu za použitia trojitého kvadrupólu sú Mo a Sn odstránené z iónového zväzku ešte pred vstupom do cely, a nemôžu tak interferovať s  ¹²⁹I. Interferujúce ióny MoO₂⁺, SnO alebo SnOH⁺ sú prítomné vo veľmi malom množstve už v plazme. MoO₂⁺ v cele ale ďalej reaguje s O₂ a vytvára vyššie oxidy, ktoré s  ¹²⁹I neinterferujú. Taktiež SnO a SnOH ďalej reagujú na SnO₂ a SnO₂ H, a tým sa tieto interferencie úplne eliminujú.

Mechanizmus odstránenia interferencií na ¹²⁹I pomocou ICP-MS s trojitým kvadrupólom je ukázaný na Obrázku 1.

Obr. 1 - Schéma mechanizmu odstránenia interferencií na izotope ¹²⁹I

Príprava vzorky  

Kalibračné roztoky ¹²⁹I boli pripravené v 0,5% roztoku (v/v) hydroxidu tetrametyl-amónneho (TMAH), namiesto bežne používanej HNO₃, aby sa zabránilo pamäťovým efektom spôsobených oxidáciou jodidov na jód kyselinou dusičnou. Rovnaká matrica bola použitá pre prípravu všetkých blankov, kalibračných roztokov, vzoriek aj preplachového roztoku. V rovnakej matrici bol pripravený tiež interferenčný roztok obsahujúci I, Mo a Sn pre demonštrovanie odstránenia interferencií a zvýraznenie potenciálnych problémov pri meraní vzoriek zo životného prostredia. Ďalej bola pripravená vzorka simulujúca svojím zložením vzorku pôdy alebo povrchovej vody. Vzorka obsahovala 20 mg.l^-1 Ca, Mg, Na; 5 mg.l^-1 Al, Fe, Mn, Cu; a tiež 1 mg.l^-1 Mo a Sn. Alikvotné podiely tohto roztoku boli obohatené známym množstvom ¹²⁹I na posúdenie výťažnosti.

Výsledky  

Pre dosiahnutie maximálnej citlivosti bol iCAP TQ ICP-MS najprv optimalizovaný pomocou ladiaceho roztoku. Potom bol nastavený optimálny prietok kyslíka pre dosiahnutie čo možno najlepšieho odstránenia interferencie ¹²⁹Xe⁺ pri zachovaní dobrej citlivosti pre ¹²⁹I.

Ako ukazuje Tabuľka 2, prietok kyslíka stanovený prístrojom pomocou autoladiacej procedúry stále ukazuje nízky signál na m/z 129, ktorý vedie k mierne zvýšenej koncentrácii ekvivalentnej pozadiu na ¹²⁹I (BEC, zdanlivá koncentrácia ¹²⁹I spôsobená signálom pozadia). Pre zníženie BEC a zároveň udržanie čo možno najnižšieho pomeru signálu k šumu, bola k nastavenému prietoku 0,34 ml.min^-1 pridaná ešte hodnota offsetu 0,3 mil.min^-1, čo dohromady dáva výsledný prietok plynu asi 0,6 ml.min^-1. Tento prietok vykazuje optimálnu intenzitu signálu ¹²⁷I v porovnaní s pozadím ¹²⁹I, z čoho vyplýva veľmi nízke BEC pre ¹²⁹I.

Tab. 2 – Intenzity signálu s prietokom O₂ nastavenom autoladiacou funkciou a optimalizovanou hodnotou prietoku

Obr. 2 – Kalibračné krivky pre ¹²⁹I (0-100 ng.l^-1) v módoch TQ-O₂ (hore) a SQ-O₂ (dole) po optimalizácii prietoku O₂

V Tabuľke 3 sú uvedené vypočítané inštrumentálne limity detekcie (IDL) pre všetky použité módy - SQ-STD, SQ-KED, SQ-O₂, TQ-O₂.

Tab. 3 – Porovnanie módov SQ a TQ pri analýze ¹²⁹I

Potenciál použitia trojitého kvadrupólového ICP-MS pre túto aplikáciu bol ďalej demonštrovaný na analýzach roztokov obsahujúcich prvky priamo interferujúce na m/z 129. V mnohých vzorkách životného prostredia, ako sú pôdy alebo rozklady rastlín, nie je nezvyčajné, že môžu obsahovať vyššie množstvo Mo a Sn.

Tabuľka 4 ukazuje výsledky zistených obsahov ¹²⁹I získaných pri meraní roztokov s obsahom 20 μg.l^-1 I, 1 mg.l^-1 Mo a 1 mg.l^-1 Sn. Z porovnania módov SQ-O₂ a TQ-O₂ jasne vyplýva, že kontrolou iónov, ktoré vstupujú do cely pomocou prvého kvadrupólu, sa významne znižuje pozadie asociované s interferujúcimi iónmi. Ako je vidieť na Obrázku 3 aj v Tabuľke 4, dokonca aj malé množstvo prírodného jódu (¹²⁷I) vedie k významnému príspevku na intenzite signálu m/z 129, a to v dôsledku tvorby ¹²⁷I¹H₂⁺ v SQ móde, pokiaľ nie je ¹²⁷I odstránený pred vstupom do kolíznej/reakčnej cely.

Tab. 4 – Vplyvy interferencií v módoch SQ-O ₂ a TQ-O ₂ pri analýze ¹²⁹ I

Použitie ICP-MS s trojitým kvadrupólom zoslabuje vplyvmi IH⁺ a IH₂⁺ a eliminuje problémy s iónmi ⁹⁷Mo¹⁶O₂⁺, ¹¹²Sn¹⁷O⁺ a ¹¹²Sn¹⁶O¹H⁺, ktoré vznikajú z Mo a Sn prítomných v typických vzorkách zo životného prostredia.

V Tabuľke 5 sú uvedené výsledky výťažnosti pre rôzne obsahy ¹²⁹I v simulovanej vzorke zo životného prostredia. Tieto výsledky ukazujú, že pomocou módu TQ-O₂ prístroja iCAP TQ ICP-MS, možno kvantitatívne merať ¹²⁹I na ultrastopovej úrovni, napriek prítomnosti potenciálnych interferentov vo vzorke.

Tab. 5 – Výsledky meraní výťažnosti ¹²⁹I

Technológia ICP-MS s trojitým kvadrupólom (Obrázok 4) pomáha pri meraní vzoriek s veľmi zložitou matricou, kde jej zložky prispievajú k tvorbe iónov interferujúcich s cieľovým analytom. V tejto práci bol vyšší signál pozadia u  ¹²⁹I, spôsobený prítomnosťou ¹²⁹Xe a tvorbou rôznych druhov interferentov Mo a Sn, výrazne oslabený pri zachovaní vysokej citlivosti stanovenia. To všetko viedlo k dosiahnutiu veľmi nízkych ultrastopových limitov detekcie pre ¹²⁹I. Meranie výťažnosti ¹²⁹I u roztokov simulovanej vzorky zo životného prostredia ukázalo v móde TQ-O₂ vynikajúce výsledky.

Obr. 4 – iCAP TQ ICP-MS s trojitým kvadrupólom (Thermo Scientific)