Přesné stanovení izotopu 129I ve vzorcích životního prostředí pomocí ICP-MS s trojitým kvadrupólem

Většina běžných metod regulující znečištění životního prostředí je zaměřena převážně na vysoce toxické látky jako jsou As, Cd, Hg nebo Pb. Ty jsou zpravidla přítomny jen jako stabilní izotopy. Avšak v některých případech je k přesnějšímu posouzení potenciálních rizik nutné stanovovat radioaktivní izotopy (nebo nuklidy), například v situacích spojených s výrobou energie pomocí jaderné technologie. Produkty jaderného štěpení uranu jsou převážně nuklidy, které mají hmotnosti v rozsahu 90 až 140 amu. Díky krátkému poločasu rozpadu podléhají mnohé jejich přímé fragmenty dalšímu rozpadu. Při vniku do životního prostředí jsou proto za nejrizikovější považovány izotopy ⁹⁰Sr, ¹³³Cs, nebo radioaktivní nuklidy jódu. Přičemž jód je zvláště kritický také proto, že souvisí s funkcí štítné žlázy a v případě jeho zvýšeného obsahu může způsobovat některá onemocnění. Jód má dva významné izotopy - ¹³¹I s poločasem rozpadu 8 dní,a radionuklid ¹²⁹I s dlouhým poločasem rozpadu 15,7 milionů let. Vnik radioaktivního jódu do životního prostředí je zapříčiněn primárně emisemi ze závodů zpracovávajícími jaderná paliva. Dalším zdrojem mohou být nehody jadrných elektráren či potenciální zkoušky jaderných zbraní.

Koncentrace izotopu ¹²⁹I je přirozeně velice malá, a proto může být stanovení pomocí ICP-MS celkem náročné. Většina radionuklidů lze stanovovat radiometrickými technikami, avšak ta pro zajištění správného výsledku obvykle vyžaduje dlouhé expoziční časy. Rychlost ICP-MS proto může pomoci dramaticky zkrátit dobu analýz vzorků, a tím také zkrátit reakční dobu na potenciální zdroje kontaminace.

Stejně jako všechny analytické metody, tak i technika ICP-MS je náchylná k interferencím, které mohou ovlivňovat výsledky. U většiny aplikací jsou nejběžnější polyatomické interference, které lze u ICP-MS účinně eliminovat díky diskriminaci kinetické energie (KED) pomocí kolizního plynu He v kolizní/reakční cele. Existují však i další interference, které nelze pomocí KED odstranit, a vyžadují použití reakčních plynů a následné chemické reakce v cele. Výběr správného reakčního plynu je v tomto případě kritický, neboť v cele může docházet souběžně také k nežádoucím reakcím, které mohou ovlivňovat výsledky.

ICP-MS s trojitým kvadrupólem má oproti klasickému ICP-MS s kolizní/reakční celou jeden kvadrupól navíc, který je umístěn ještě před celou. Tento kvadrupól umožňuje vstup do cely pouze specifickým iontům, zatímco ostatní jsou eliminovány. Toto „předfiltrování“ iontového svazku před vstupem do cely redukuje počet možných vedlejších reakcí, které by mohly v cele nastat. Dochází tak pouze k selektivní reakci s daným reakčním plynem.

V případě měření izotopu ¹²⁹I je potřeba překonat např. izobarickou interferenci s ¹²⁹Xe, která pochází jako nečistota z argonového plynu. Další problémové interference způsobuje potenciálně vysoký přirozený výskyt ¹²⁷I ve vzorku, nebo polyatomické interference ¹²⁷IH₂⁺ , dioxidy Mo⁺ , hydroxidy Sn⁺ , nebo jiné oxidové a hydridové formy.

ICP-MS s jednoduchým kvadrupólem za použití kyslíku jako rekčního plynu v kolizní/reakční cele výrazně redukuje izobarickou interferenci ¹²⁹Xe⁺ , avšak stále zůstává problém s chvostováním izotopu ¹²⁷I, a rovněž neodstraněny zůstávají   ¹²⁷IH₂ a polyatomické interference Mo⁺ a Sn⁺ .

Pro stanovení izotopu ¹²⁹I v ultrastopovém množství bez vlivů interferencí je nejvhodnějším analytickým přístrojem ICP-MS s trojitým kvadrupólem v reakčním módu za použití kyslíku, jako je např. přístroj ICP-MS iCAP TQ nebo iCAP TQe výrobce Thermo Scientific. Model iCAP TQe umožňuje vedle He-KED módu právě použití kyslíku jako reakčního plynu. Model iCAP TQ ICP-MS, má k dispozici He-KED a kyslík, ale i ostatní reakční plyny (NH₃, H₂) pro maximální analytickou flexibilitu.

Instrumentace

Pro všechna měření v modelovém experimentu byl použit Thermo Scientific ^TMiCAP TQ ^TMICP-MS. Přístroj je ovládán softwarem Thermo Scientific^TM Qtegra^TM Intelligent Scientific Data Solution (ISDS). Typické podmínky měření jsou uvedeny v Tabulce 1.

Tab. 1 - Typické parametry měření iCAP TQ ICP-MS (Thermo Scientific).

K nastavení optimálních podmínek měření (např. volba reakčního plynu, výběr m/z které má být transmitováno třetím kvadrupólem apod.) byla použita softwarová funkce „Reaction Finder Method Development Assistant“. Tato funkce umožňuje nastavení analytické metody bez předchozí detailní znalosti potenciálních reakčních mechanismů. Pro stanovení izotopu ¹²⁹I byl funkcí „Reaction Finder“ automaticky zvolen mód s trojitým kvadrupólem s reakčním plynem kyslíkem (mód TQ-O₂ ). Pro porovnání byl k tomuto navrhovanému způsobu měření manuálně přidán také mód s jednoduchým kvadrupólem s reakčním plynem kyslíkem (mód SQ-O₂ ), standardní mód bez použití plynu (mód SQ-STD), a s použitím He jako kolizního plynu (mód SQ-KED, též He-KED). Nastavení prvního kvadrupólu bylo optimalizováno pomocí funkce „intelligent Mass Selection“ (iMS). Tato funkce automaticky nastavuje první kvadrupól tak, aby nepropouštěl ionty, které by mohly způsobovat interference, ale zároveň aby umožňoval co možná nejvyšší transmisi analytu. Touto funkcí bylo např. vyhodnoceno, že použití vyššího rozlišení (1 amu či méně) na prvním kvadrupólu není pro měření v našem experimentu vyžadováno.

Mechanismus odstranění interferencí při stanovení jódu pomocí trojitého kvadrupólu a reakčního plynu kyslíku  

Interferent ¹²⁹Xe na izotopu ¹²⁹I lze velice účinně odstranit reakcí mezi Xe⁺ a O₂ , při níž dochází k přenosu náboje. ¹²⁹I přitom nereaguje a zůstává neovlivněn.

Pokud je ve vzorku přítomen Mo a Sn, vznikají v kolizní/reakční cele interferenty jako MoO₂⁺ , SnO⁺ nebo SnOH⁺ , které rovněž interferují se ¹²⁹I. U ICP-MS s jednoduchým kvadrupólem nelze zabránit vstupu Mo a Sn do kolizní/reakční cely společně s Xe a I, a tudíž nelze tyto interference odstranit. Reakční mód s kyslíkem (SQ-O₂ ) dokonce vykazuje horší výsledky, než při použití standardního (SQ-STD) nebo kolizního (He-KED) módu. Oproti tomu za použití trojitého kvadrupólu, jsou Mo a Sn odstraněny z iontového svazku ještě před vstupem do cely, a nemohou tak interferovat se ¹²⁹I. Interferující ionty MoO₂⁺ , SnO⁺ nebo SnOH⁺ jsou přítomny ve velice malém množství již v plazmatu. MoO ₂ ⁺ v cele ale dále reaguje s O ₂ a vytváří vyšší oxidy, které se ¹²⁹I neinterferují. Rovněž SnO a SnOH dále reagují na SnO₂ a SnO₂ H, a tím se tyto interference zcela eliminují.

Mechanismus odstranění interferencí na ¹²⁹I pomocí ICP-MS s trojitým kvadrupólem je ukázán na Obrázku 1.

Obr. 1 - Schéma mechanismu odstranění interferencí na izotopu ¹²⁹I.

Příprava vzorku  

Kalibrační roztoky ¹²⁹I byly připraveny v 0,5% roztoku (v/v) hydroxidu tetramethyl amonném (TMAH), namísto běžně používané HNO₃ , aby se zabránilo paměťovým efektům způsobených oxidací jodidů na jód kyselinou dusičnou. Stejná matrice byla použita pro přípravu všech blanků, kalibračních roztoků, vzorků a proplachového roztoku. Ve stejné matrici byl připraven také interferenční roztok obsahující I, Mo a Sn pro demonstrování odstranění interferencí a zvýraznění potenciálních problémů při měření vzorků ze životního prostředí. Dále byl připraven vzorek simulující svým složením vzorek půdy nebo povrchové vody. Vzorek obsahoval 20 mg.l^-1 Ca, Mg, Na; 5 mg.l^-1 Al, Fe, Mn, Cu; a také 1 mg.l^-1 Mo a Sn. Alikvótní podíly tohoto roztoku byly obohaceny známým množstvím ¹²⁹I k posouzení výtěžnosti.

Výsledky  

Pro dosažení maximální citlivosti byl iCAP TQ ICP-MS nejprve optimalizován pomocí ladícího roztoku. Poté byl nastaven optimální průtok kyslíku pro dosažení co možná nejlepšího odstranění interference ¹²⁹Xe⁺ při zachování dobré citlivosti pro ¹²⁹I.

Jak ukazuje Tabulka 2, průtok kyslíku stanovený přístrojem pomocí autoladící procedury stále ukazuje nízký signál na m/z 129, který vede k mírně zvýšené koncentraci ekvivalentní pozadí na ¹²⁹I (BEC, zdánlivá koncentrace ¹²⁹I způsobená signálem pozadí). Pro snížení BEC a zároveň udržení co možná nejnižšího poměru signálu k šumu, byla k nastavenému průtoku 0,34 ml.min^-1 přidána ještě hodnota offsetu 0,3 mil.min^-1 , což dohromady dává výsledný průtok plynu asi 0,6 ml.min^-1 . Tento průtok vykazuje optimální intenzitu signálu ¹²⁷I ve srovnání s pozadím ¹²⁹I, z čehož vyplývá velmi nízké BEC pro ¹²⁹I.

Tab. 2 – Intenzity signálu s průtokem O₂ nastaveném autoladící funkcí a optimalizovanou hodnotou průtoku.

Obr. 2 – Kalibrační křivky pro ¹²⁹I (0-100 ng.l^-1 ) v módech TQ-O₂ (nahoře) a SQ-O₂ (dole) po optimalizaci průtoku O₂ .

V Tabulce 3 jsou uvedeny vypočítané instrumentální limity detekce (IDL) pro všechny použité módy – SQ-STD, SQ-KED, SQ-O₂, TQ-O₂.

Tab. 3 – Srovnání módů SQ a TQ při analýze ¹²⁹I.

Potenciál použití trojitého kvadrupólového ICP-MS pro tuto aplikaci byl dále demonstrován na analýzách roztoků obsahujících prvky přímo interferující na m/z 129. V mnoha vzorcích životního prostředí, jako jsou půdy nebo rozklady rostlin, není neobvyklé, že mohou obsahovat vyšší množství Mo a Sn.

Tabulka 4 ukazuje výsledky zjištěných obsahů ¹²⁹I získaných při měření roztoků obsahujících 20 μg.l^-1 I, 1 mg.l^-1 Mo a 1 mg.l^-1 Sn. Z porovnání módů SQ-O₂ a TQ-O₂ jasně vyplývá, že kontrolou iontů, které vstupují do cely pomocí prvního kvadrupólu, se významně snižuje pozadí asociované s interferujícím ionty. Jak je vidět na Obrázku 3 i v Tabulce 4, dokonce i malé množství přírodního jódu (¹²⁷I) vede k významnému příspěvku na intenzitě signálu m/z 129, a to v důsledku tvorby ¹²⁷I¹H₂⁺ v SQ módu, pokud není ¹²⁷I odstraněn před vstupem do kolizní/reakční cely.

Tab. 4 – Vlivy interferencí v módech SQ-O₂ a TQ-O₂ při analýze ¹²⁹I.

Použití ICP-MS s trojitým kvadrupólem zeslabuje vlivy IH⁺ a IH₂⁺ a eliminuje problémy s ionty ⁹⁷Mo¹⁶O₂⁺ , ¹¹²Sn¹⁷O⁺ a ¹¹²Sn¹⁶O¹H⁺ , které vznikají z Mo a Sn přítomných v typických vzorcích z životního prostředí.

V Tabulce 5 jsou uvedeny výsledky výtěžnosti pro různé obsahy ¹²⁹I v simulovaném vzorku z životního prostředí. Tyto výsledky ukazují, že pomocí módu TQ-O₂ u přístroje iCAP TQ ICP-MS, lze kvantitativně měřit ¹²⁹I na ultrastopové úrovni, navzdory přítomnosti potenciálních interferentů ve vzorku.

Tab. 5 – Výsledky měření výtěžnosti ¹²⁹I.

Technologie ICP-MS s trojitým kvadrupólem (Obrázek 4) pomáhá při měření vzorků s velmi obtížnou matricí, kde její složky přispívají k tvorbě iontů interferujících s cílovým analytem. V této práci byl vyšší signál pozadí u ¹²⁹I, způsobený přítomností ¹²⁹Xe a tvorbou různých druhů interferentů Mo⁺ a Sn⁺ , výrazně oslaben při zachování vysoké citlivosti stanovení. To vše vedlo k dosažení velmi nízkých ultrastopových limitů detekce pro ¹²⁹I. Měření výtěžnosti ¹²⁹I u roztoků simulovaného vzorku z životního prostředí ukázala v módu TQ-O₂ vynikající výsledky.

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

Lucie Krajcarová ( krajcarova@pragolab.cz )