ICP-MS: il plasma accoppiato alla spettrometria di massa

L’ICP-MS usa lo stesso plasma caldissimo dell’ICP-OES, ma non per generare luce: lo sfrutta come sorgente di ioni. Gli ioni prodotti vengono estratti dal plasma e separati da uno spettrometro di massa in base al rapporto massa/carica. Il risultato sono limiti di rivelabilita’ ultra-bassi, fino alle parti per trilione, e la capacita’ di distinguere i singoli isotopi.

Vediamo come il plasma diventa una sorgente di ioni, come avviene la rivelazione per massa/carica, perche’ i limiti scendono fino ai ppt e cosa permette l’analisi isotopica.

Il plasma come sorgente di ioni

La temperatura del plasma ad argon e’ cosi’ elevata da ionizzare efficacemente la maggior parte degli elementi: gli atomi perdono un elettrone e diventano ioni positivi (M⁺). Nell’ICP-MS questo e’ proprio l’obiettivo. Gli ioni formati nel plasma vengono aspirati attraverso una interfaccia di coni metallici (sampler e skimmer) che li porta dalla pressione atmosferica del plasma al vuoto spinto dello spettrometro di massa, dove vengono focalizzati da lenti ioniche e avviati all’analizzatore.

La rivelazione per massa/carica

Lo spettrometro di massa separa gli ioni in base al loro rapporto massa/carica (m/z). L’analizzatore piu’ diffuso e’ il quadrupolo, che lascia passare verso il rivelatore solo gli ioni di un determinato m/z alla volta, scansionando rapidamente tutta la gamma di masse. Il rivelatore (un moltiplicatore di elettroni) conta i singoli ioni: il segnale e’ in conteggi al secondo, ed e’ proporzionale alla concentrazione dell’elemento.

rivelazione per mz  ·  un picco per ogni rapporto massa/carica

A differenza dell’ottica, dove ogni elemento ha molte righe, in massa ogni isotopo dell’elemento da’ essenzialmente un picco, alla sua massa. Lo spettro di massa e’ percio’ relativamente semplice, fatto di picchi netti a masse intere: una caratteristica che ne facilita la lettura, salvo le interferenze isobariche e poliatomiche di cui ci si occupa separatamente.

Limiti di rivelabilita’ ultra-bassi

L’ICP-MS e’ la piu’ sensibile delle tecniche di routine per l’analisi elementare. Contando direttamente gli ioni, raggiunge limiti di rivelabilita’ nell’ordine delle parti per trilione (ng/L) per molti elementi, cioe’ diversi ordini di grandezza al di sotto dell’ICP-OES e ancora di piu’ della fiamma. Questo apre l’analisi a problemi altrimenti irraggiungibili: metalli in traccia in acque ultrapure, materiali per l’elettronica, controllo di contaminanti in farmaci e alimenti a livelli normati molto bassi.

L’analisi isotopica

Poiche’ lo spettrometro di massa separa gli ioni per massa, l’ICP-MS distingue i diversi isotopi di uno stesso elemento. Questo abilita applicazioni impossibili per le tecniche ottiche: misurare i rapporti isotopici (per geologia, datazioni, tracciabilita’, studi ambientali e forensi), usare la diluizione isotopica come metodo di quantificazione tra i piu’ accurati esistenti, e seguire traccianti isotopici in studi metabolici. E’ una dimensione di informazione completamente assente nelle altre tecniche atomiche.

Pregi e limiti

L’ICP-MS unisce sensibilita’ estrema, ampio multielemento e analisi isotopica, con un intervallo lineare anch’esso molto ampio. In cambio e’ lo strumento piu’ costoso e complesso della famiglia, richiede personale esperto, ambienti puliti (a livelli di ppt ogni contaminazione conta) e una gestione attenta delle interferenze isobariche, poliatomiche e degli effetti di matrice. E’ la scelta quando servono i limiti piu’ bassi o l’informazione isotopica; per i metalli a concentrazioni piu’ alte spesso bastano ICP-OES o FAAS.

Perche’ conta nella pratica

Per un tecnico, l’ICP-MS e’ lo strumento da impiegare quando i limiti normati sono cosi’ bassi che nessun’altra tecnica li raggiunge, o quando serve l’informazione isotopica. Capire che il plasma qui ionizza e non eccita, che si misurano masse e non lunghezze d’onda, e che la pulizia del laboratorio e il controllo delle interferenze poliatomiche sono determinanti, e’ essenziale per ottenere dati affidabili a livelli di traccia. Saper scegliere tra FAAS, GFAAS, ICP-OES e ICP-MS in base a sensibilita’, numero di elementi e budget e’ una competenza chiave del laboratorio moderno.

Domande frequenti

Che cos’e’ l’ICP-MS?

E’ una tecnica che usa il plasma ad argon come sorgente di ioni: gli ioni prodotti vengono estratti nel vuoto e separati da uno spettrometro di massa in base al rapporto massa/carica, poi contati da un rivelatore. Offre limiti di rivelabilita’ ultra-bassi, fino alle parti per trilione, analisi multielemento e l’informazione isotopica, assente nelle altre tecniche atomiche.

In cosa l’ICP-MS differisce dall’ICP-OES?

Entrambe usano lo stesso plasma ad argon, ma l’ICP-OES misura la luce emessa dagli atomi eccitati, mentre l’ICP-MS estrae gli ioni dal plasma e li separa per massa/carica con uno spettrometro di massa. L’ICP-MS e’ molto piu’ sensibile (fino ai ppt), distingue gli isotopi ed e’ piu’ costosa e complessa; l’ICP-OES e’ piu’ robusta sulle alte concentrazioni.

Perche’ l’ICP-MS raggiunge limiti cosi’ bassi?

Perche’ conta direttamente i singoli ioni con un rivelatore ad alta efficienza, anziche’ misurare luce. Questo le permette di rilevare quantita’ minime, nell’ordine delle parti per trilione (ng/L), diversi ordini di grandezza sotto l’ICP-OES. Per sfruttare questa sensibilita’ servono pero’ ambienti molto puliti, perche’ a quei livelli ogni contaminazione e’ significativa.

Che cos’e’ l’analisi isotopica in ICP-MS?

E’ la capacita’ di distinguere e misurare i diversi isotopi di uno stesso elemento, perche’ lo spettrometro di massa li separa per massa. Permette di determinare rapporti isotopici (utili in geologia, datazioni, tracciabilita’, studi ambientali e forensi) e di usare la diluizione isotopica come metodo di quantificazione molto accurato. E’ un’informazione che le tecniche ottiche non possono fornire.

Che cosa sono le interferenze poliatomiche?

Sono ioni formati da combinazioni di argon, ossigeno, azoto, idrogeno e componenti della matrice che cadono alla stessa massa di un analita, falsandone il segnale. Un esempio classico e’ ArO⁺ sul ferro a massa 56. Si combattono con le celle di collisione o di reazione, che usano un gas come elio o idrogeno per rimuovere o spostare gli ioni interferenti.