ICP (Inductively Coupled Plasma): dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) đƣợc cung cấp bằng một máy phát RF.
Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích ra dạng ion [20, 21].
MS (Mass Spectrometry): phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/z).
Nguyên tắc chủ yếu của ICP-MS là tạo ra ion điện tích dương sử dụng nguồn plasma nhiệt độ cao. Mẫu lỏng đƣợc bơm vào trong hệ thống đƣa mẫu của thiết bị gồm: hệ thống tạo sol khí (nebulizer) và buồng phun (spray chamber). Mẫu chuyển sang thể sương (aerosol) và đưa đến plasma qua hệ thống bơm mẫu. Sau đó, mẫu đƣợc làm khô, bay hơi, nguyên tử hóa và ion
hóa trong các khu vực có nhiệt độ khác nhau của plasma. Ở vùng 6000 - 7000K nguyên tử bị kích thích, tồn tại dạng ion và các thành phần cơ bản khác của mẫu.
Các ion dương được tạo thành sau đó được vận chuyển và phát hiện. Mặc dù các ion âm cũng được tạo thành trong plasma cùng với các ion dương nhưng các ion âm được chuyển khỏi các ion dương và do đó chúng không được đo.
Khi nguyên tố có hơn một đồng vị, ion dương của từng đồng vị được tạo ra trong plasma, điều đó tạo ra phổ khối khác nhau. Do đó có thể phân tích thành phần đồng vị của các nguyên tố bằng ICP-MS.
Sơ đồ khối phổ và các bộ phận chính của máy ICP-MS đƣợc chỉ ra trên hình 1.1.
1- Bộ tạo soi khí; 2- Plasma; 3- Hệ lăng kính;
4- Van ngăn cách giữa vùng chân không cao của phổ kế và vùng ion;
5 - Lăng kính ion; 6- Bộ phân giải khối; 7- Detector
Hình 1.1. Sơ đồ khối của máy ICP-MS 1.4.2. Nguyên tắc của phương pháp ICP-MS
Phương pháp phân tích ICP-MS dựa trên nguyên tắc của sự hóa hơi, nguyên tử hóa, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng đƣợc đƣa vào môi
trường plasma, sau đó các ion này được tách ra khỏi nhau theo tỉ số m/z của chúng bằng thiết bị phân tách khối rồi đƣợc phát hiện khuyếch đại và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số.Trong phương pháp phân tích ICP-MS, hàm lượng các nguyên tố hay các đồng vị đƣợc xác định bằng cách đo phổ khối MS của các ion đƣợc đƣa vào vùng plasma Ar [20].
1.4.3. Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP
1. Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS:
Hóa hơi: MnXm(r) → MnXm(k)
Phân li: MnXm(k) → nM(k) + mX(k)
Ion hóa: M(k)
0 + Enhiệt → M(k) +
2. Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector, ghi lại phổ.
3. Đánh giá định tính, định lƣợng phổ thu đƣợc.
Nhƣ vậy thực chất phổ ICP-MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lƣợng cao tần ICP theo số khối các chất [20].
1.4.4. Ưu điểm của phương pháp ICP-MS
ICP-MS là một kỹ thuật phân tích hiện đại, đƣợc phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong những lĩnh vực khác nhau nhƣ: sản xuất nhiên liệu hạt nhân, phân tích nước uống, đất, bùn, phân tích hàm lượng kim loại trong nghiên cứu bảo vệ môi trường.
ICP là nguồn năng lƣợng kích thích phổ có năng lƣợng cao, cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li đến U với độ nhạy và độ chọn lọc rất cao.
Khả năng phân tích bán định lƣợng cũng rất tốt không cần dùng đến mẫu chuẩn nhƣng vẫn đạt đƣợc độ chính xác cao, có khả năng phân tích các đồng vị và tỉ lệ của chúng.
Nguồn ICP có độ nhạy cao nhưng là nguồn kích thích phổ tương đối ổn định, do vậy phép đo ICP-MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ.
Phổ ICP-MS có ít vạch hơn ICP-OES nên có độ chọn lọc cao, ảnh hưởng của thành phần nền gần nhƣ ít xuất hiện, nếu có cũng rất nhỏ và dễ loại trừ.
Vùng tuyến tính của phép đo ICP-MS lớn hơn hẳn các kỹ thuậ phân tích khác, gấp hàng trăm lần và khả năng phân tích bán định lƣợng tốt vì không cần dùng đến mẫu chuẩn mà kết quá cho vẫn khá chính xác.
ICP-MS với nhiều những ứng dụng vượt trội so với các phương pháp khác nên đƣợc ứng dụng rộng rãi đối với những đối tƣợng khác nhau [20].
1.4.5. Hạn chế của phương pháp ICP-MS
- Mẫu thường được chuyển về dạng dung dịch trước khi được phân tích bằng ICP-MS và một số khí nhƣ Ar đƣợc thêm vào cùng với mẫu đo nên các nguyên tố có trong thành phần của nước (H, O, N, C, ...) và khí bổ sung không thể phân tích được bằng phương pháp này.
- Các nguyên tố có thể bị ion hóa quá cao sẽ có độ nhạy phân tích rất kém:
P, S, Cl, Au, …
- Sự hình thành các ion đa nguyên tử dẫn đến hiện tƣợng che lấp phổ.
- Sự đóng cặn xảy ra trong bô phận cấp mẫu, trong nón và các bộ phận khác dẫn đến làm tăng nồng độ các nguyên tố trong mẫu trắng cũng nhƣ làm trôi kết quả đo.
- Giá thiết bị và chi phí vận hành cao. Cần tiêu tốn Ar với lưu lượng khoảng 10-12 L/phút để duy trì khi máy hoạt động [17, 20].
1.4.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo ICP-MS - Nồng độ muối ảnh hưởng từ 0,1 - 0,4%.
- Đồng vị của các nguyên tố khác nhau có số khối trùng nhau. Sự kết hợp giữa các nguyên tử tạo ra một phân tử mới có số khối trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích.
- Các nguyên tử khi ion hóa bậc 1 hoặc bậc 2 sẽ cho các số khối khác nhau trùng với số khối của nguyên tố cần phân tích.