Espectrometria de massa com fonte de plasma indutivamente

A espectrometria de massa com fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) foi desenvolvida a partir do trabalho de Gray, em 1975, mostrando que bons limites de detecção podem ser obtidos e razões isotópicas podem ser determinadas, quando uma solução é introduzida em um plasma de corrente direta (DCP) à pressão atmosférica e os íons formados são extraídos para um espectrômetro de massa. Em DCP, interferências significativas ocorrem, e para elementos com energia de ionização acima de 9 eV, o grau de ionização é baixo. O plasma indutivamente acoplado (ICP), contituiu-se em uma grande melhoria, pois é capaz de produzir altos campos de íons de carga +1 mesmo para elementos não-metálicos, que possuem uma energia de ionização alta.79 Por isso, o ICP estabeleceu-se como uma fonte dominante para a análise elementar em um período de tempo relativamente curto.80 A ICP-MS combina o plasma indutivamente acoplado à uma fonte de radiofreqüência de alta energia com um espectrômetro de massa para produzir, em um mesmo instrumento, um analisador elementar e isotópico.81 O trabalho pioneiro em ICP-MS foi conduzido em laboratórios de três países: o laboratório Ames da Universidade do Estado de lowa (USA), nos laboratórios da Sciex no Canadá e em laboratórios da Inglaterra (Universidade de Surrey, “British Geological Survey” e Instrumentos VG).80

O rápido desenvolvimento da ICP-MS é o resultado de três capacidades únicas de medida para a análise elementar. Primeiro, a técnica oferece baixos limites de detecção. Os limites de detecção para a análise direta de soluções de amostras estão no intervalo de 1 a 100 pg/mL para a maioria dos elementos. Na maioria dos casos, estes limites de detecção são 100 a 1000 vezes superiores àqueles que podem ser obtidos por ICP-AES e por espectrometria de fluorescência atômica com fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP-AFS).80

Segundo, os espectros de massa dos elementos são muito simples e únicos. O padrão espectral da abundância natural dos isótopos fornece uma evidência rápida e essencialmente imutável para a identificação qualitativa de um elemento. Isto tem facilitado o desenvolvimento da ICP-MS como uma técnica poderosa para uma análise elementar quantitativa, semi-quantitativa e qualitativa automática. Além disso, uma habilidade inerente à técnica é a possibilidade de se obter razões isotópicas dos elementos, permitindo, desta maneira, a utilização rotineira de dados de razão isotópica e da técnica de diluição isotópica para solucionar e estudar problemas analíticos.80 Assim, a possibilidade de aplicar protocolos de diluição isotópica, determinação de razões isotópicas rápidas, e a potencialidade de interfaceamento para sistemas de pré-concentração e especiação de elementos, e uma variedade de acessórios para introdução de amostra faz da ICP-MS uma ferramenta analítica poderosa para a avaliação de poluição por metais no ambiente, entre outras importantes aplicações.81

A Figura 2 é um diagrama esquemático dos principais componentes de um espectrômetro de massa quadrupolar com fonte de plasma indutivamente acoplado. A configuração básica do instrumento consiste de três componentes: (1) um ICP de argônio convencional operando a temperaturas de 6000 a 9000 K, (2) um espectrômetro de massa de quadrupolo convencional, e (3) a interface. A temperaturas, de 6000 a 9000 K, os efeitos de interferências químicas causadas por dissociação incompleta das espécies são insignificantes e, essencialmente, todos os átomos são ionizados em grande extensão.81

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Figura 2. Esquema de um instrumento de ICP-MS, mostrando: 1-os sistemas mais utilizados para a introdução da amostra no plasma, 2-ICP de argônio convencional, 3-interface, 4-espectrômetro de massa de quadrupolo. As linhas pontilhadas representam a amostra introduzida na forma de vapor e a linha cheia na forma de aerossol. Adaptada de Jarvis et a/.,199234 e Dressler,1999.85 Baseado no Elan 6000 da Perkin-Elmer.

Na análise convencional de soluções, a amostra é introduzida na região central do plasma à pressão atmosférica, onde a amostra é sequencialmente dissociada em átomos, e elementos com o primeiro potencial de ionização de < 10 a 12 eV são excitados e eficientemente ionizados. A tocha está horizontalmente posicionada a aproximadamente 1 cm do orifício de amostragem da interface.

A maior inovação no projeto dos espectrômetros de massa com fonte de ICP é a interface entre o espectrômetro de massa e o ICP. Na interface, os íons produzidos no plasma à pressão atmosférica são extraídos e transportados para o quadrupolo. Os projetos atuais minimizam o efeito espaço-carga34 no transporte de íons, que é observado nos primeiros estágios da extração de íons do plasma à alta temperatura, para o vácuo (10'5 torr) da região do quadrupolo do

espectrômetro de massa. A interface consiste de uma série de orifícios que separam o plasma da óptica iônica do espectrômetro de massa.

Existem duas regiões na interface:

1. A região atrás do cone de amostragem externo é mantida a uma pressão de cerca de 1 torr, estabelecida pelo vácuo produzido por uma bomba mecânica. O orifício mais externo (= 1 mm) é aberto para o plasma à pressão atmosférica. Este orifício amostrador está imerso na zona analítica do ICP. íons positivos produzidos no plasma de argônio são transportados através da abertura estreita, que não é tolerante a soluções contendo altas concentrações de sais e ácidos.

2. A segunda região é chamada zona do silêncio. Nesta, o feixe proveniente do plasma expande a velocidades supersônicas e é amostrado pelo segundo cone chamado de “skimmer". Os íons e gás do plasma passam para a região de vácuo mais alto através do “skimmer”. Na câmara de alto vácuo, a lente iônica focaliza os íons para o filtro de massa quadrupolar, de acordo com suas razões massa-carga. Após a separação de massas, os íons filtrados atingem o detector multiplicador de elétrons, que gera um sinal para cada íon que se choca contra sua superfície.81