Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
J. Knecht

Plasma-Massenspektrometrie

Plasma-Massenspektrometrie
Synonym(e)
ICP-MS; ICP-Massenspektrometrie
Englischer Begriff
plasma mass spectrometry; ICP-MS
Definition
Bei der Plasma-Massenspektrometrie wird die Probe (meist eine Flüssigkeit) durch ein induktiv gekoppeltes Plasma in die Atome bzw. Ionen gespalten. Diese werden durch differenzielles Pumpen in ein Massenspektrometer gesaugt und dort gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis gemessen.
Beschreibung
Die induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (s. Massenspektrometrie) („inductively coupled plasma mass spectrometry“) ist eine relativ neue Technik, welche die gleichzeitige Bestimmung von nahezu allen Elementen des Periodensystems und ihrer Isotope erlaubt. Die Hauptvorteile dieser Technik sind die niedrigen Nachweisgrenzen und die geringen benötigten Probenmengen. Deshalb hat sich die ICP-MS-Technik in den letzten Jahren zu einer der wichtigsten Methoden der Spurenanalytik entwickelt.
Das ICP-MS besteht aus:
  • Probeneinbringungsvorrichtung
  • Anregungsquelle (induktiv gekoppeltes Plasma: 6000–8000 K)
  • Trennsystem (Massenanalysator)
  • Detektionssystem (Elektronenvervielfacher)
Normalerweise werden flüssige Proben direkt mithilfe eines Zerstäubersystems in das Plasma eingebracht. Der Flüssigkeitstransport zum Zerstäubersystem kann entweder durch freies Ansaugen oder mittels einer Pumpe erfolgen. Um ein möglichst gleichmäßiges Volumen an Probenlösung zu gewährleisten, werden hauptsächlich Pumpen verwendet.
Allgemein besteht ein Zerstäubersystem aus folgenden Bestandteilen: Pumpe, Zerstäuber, Sprühkammer mit Abflussvorrichtung. Die Aufgabe des Zerstäubersystems ist es, ein möglichst feines Aerosol mit einem homogenen Tröpfchenverhältnis und einer geringen Tröpfchengröße (<10 μm Durchmesser) zu erzeugen.
Dazu wird die flüssige Probe in den Zerstäuber gepumpt und dort mithilfe eines Zerstäubergases in ein Aerosol überführt. Der Zerstäuber befindet sich in einer Sprühkammer, die dazu dient, große Tröpfchen vom Gasstrom abzuscheiden und in den Abfluss zu transportieren. Daher gelangt nur ein sehr feines Aerosol mit dem Zerstäubergasstrom ins Plasma. Der überwiegende Teil des Aerosols scheidet sich in der Sprühkammer ab, ins Plasma gelangen nur ca. 2–5 % des gebildeten Aerosols. Der Weg zwischen Probe und Plasma lässt sich demnach in 3 Phasen einteilen: Flüssigkeitstransport, Zerstäubung und Aerosoltransport.
Als Anregungsquelle dient ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP). Beim ICP sind die geladenen Teilchen durch Ionisierung in der Induktionsspule eines Hochfrequenzgenerators entstanden. Das verwendete Gas ist meist Argon, da es relativ leicht ionisiert werden kann und chemisch inert ist. Das Plasma wird in einem Plasmabrenner aus Quarzglas erzeugt. Dieser Plasmabrenner besteht meist aus 3 konzentrischen Quarzrohren. Das Probenaerosol wird im Zerstäubergas durch das innerste Rohr in das Plasma eingebracht. Das Plasma wird durch den Funken einer Teslaspule gezündet. Durch die Energie eines Radiofrequenzfeldes, das durch eine um den Plasmabrenner gewickelte Kupferspule induziert wird, wird das Plasma aufrechterhalten. Das Zünden des Plasmas liefert freie Elektronen, die mit dem Magnetfeld koppeln können. Wenn das Probenaerosol das Plasma erreicht, wird die Probe bei Temperaturen zwischen 6000 und 8000 K unter Normaldruck verdampft, atomisiert und ionisiert, wobei einfach positiv geladene Ionen, aber auch mehrfach geladene Ionen und Molekülionen entstehen können.
Die gebildeten Ionen werden in einem Massenanalysator getrennt, der unter Hochvakuum arbeitet. Dazu müssen die gebildeten Ionen aus dem Normaldruckbereich in den Hochvakuumbereich extrahiert werden (Ionenextraktion). Die gebildeten Ionen gelangen über eine Blende über ein differenzielles Pumpensystem in den Hochvakuumbereich (ca. 10−6 bar). Hinter der Einlassvorrichtung befinden sich negativ geladene Ionenlinsen, welche die positiv geladenen Probeionen in den Massenanalysator leiten. Die meisten ICP-MS-Spektrometer arbeiten mit einem Quadrupol als Massenanalysator. Der Massenanalysator besteht aus 4 parallel und in gleichen Abständen um die Achse angeordneten Metallstäben, an denen Gleichstrom und Radiofrequenzspannungen angelegt sind, und trennt die Ionen nach ihrem Masse-Ladungs-(m/z-)Verhältnis auf. Die Ionen treten mit einer von ihrer Energie und Masse abhängigen Geschwindigkeit in den Massenanalysator ein. Dort oszillieren sie zwischen den Stäben. Bei bestimmten Gleichstrom- und Radiofrequenzspannungen haben nur Ionen mit entsprechenden m/z-Verhältnissen stabile Bahnen im Massenanalysator und treten aus diesem aus. Alle anderen Ionen kollidieren mit den Stäben.
Die aus dem Quadrupol austretenden Ionen werden durch einen Elektronenvervielfacher detektiert.
In der ICP-MS Technik kann es zu verschiedenen Arten von Interferenzen (Störungen) kommen:
  • Isobare Interferenzen: Elemente haben gleiche Massen (z. B. 115In und 115Sn)
  • Molekulare Interferenzen: Molekülionen (Argide, Oxide) mit dem gleichen m/z-Verhältnis wie das zu bestimmende Element (z. B. 40Ar35Cl und 75As) oder Interferenzen von zweifach geladenen Ionen, die ein Signal bei ihrer halben Masse geben (z. B. 68Zn+ und 136Ba2+).
Literatur
Broekaert JAC (2005) Analytical atomic spectrometry with flames and plasmas, 2. Aufl. Wiley-VCH Weinheim Deutschland
Montaser A (Hrsg) (1998) Inductively coupled plasma mass spectrometry: from A-Z. Wiley-VCH Weinheim Deutschland
Uttam G (2016) Clinical applications of mass spectrometry in biomolecular analysis: methods and protocols, Methods in molecular biology, 1. Aufl. Humana Press New York City USA