Isotopen Verdunning ICP-MS, Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v.
advertisement
Isotopen Verdunning ICP-MS, Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. metaalanalyses Naam Stagebedrijf Datum : Simone Morelis : Rijkswaterstaat - RIZA : Juni 2005 Werkdocumentnr : 2005.083x Simone Morelis Juni 2005 Gegevens Auteur Klas Simone Morelis VC8L Opleidingsinstelling Hogeschool van Utrecht Faculteit Natuur & Techniek Institute of Life Sciences & Chemistry F.C. Donderstraat 65 3572 JE Utrecht Opleiding Afstudeerrichting HBO - Chemie Labmanagement Stagebegeleider Drs. A.S. van Ginkel Afstudeerbedrijf Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling / RIZA Zuiderwagenplein 2 8224 AD Lelystad Afdeling Waterkwaliteit en Informatie, Laboratorium voor Anorganische Analyse /WILA Begeleider WILA Drs. Ing C.J.H. Miermans Stageperiode 8 november 2004 t/m 30 juni 2005 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 2 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Voorwoord Voor u ligt mijn afstudeerverslag ‘Isotopen Verdunning ICP-MS, Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses’. Dit afstudeerverslag is geschreven naar aanleiding van mijn afstudeeronderzoek bij het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA). Deze afstudeerperiode werd uitgevoerd ter afronding van de opleiding HBO – Chemie, afstudeerrichting Labmanagement aan de Hogeschool van Utrecht, Faculteit Natuur & Techniek, Institute of Life Sciences & Chemistry, te Utrecht. Na 8 maanden van hard werken is mijn afstudeerperiode weer tot zijn eind gekomen. Iets wat ik mij heel erg goed realiseer is dat zonder een ieders hulp dit verslag niet tot stand was gekomen. Dit voorwoord zal ik dan ook gebruiken om een ieder te bedanken die zijn of haar steentje bijgedragen heeft om mij dichter bij dat felbegeerde papiertje te brengen! Als eerste wil ik mijn ouders bedanken voor het feit dat zij mij in de gelegenheid gesteld hebben deze opleiding te kunnen volgen, hiervoor ben ik hen heel erg dankbaar. Ook hun steun tijdens mijn afstudeerperiode, was van grote waarde, jullie hebben ervoor gezorgd dat ik ook daadwerkelijk de eindstreep gehaald heb!! Mijn collega’s wil ik bedanken voor de gezellige tijd die ik bij het RIZA gehad heb, zij hebben ervoor gezorgd dat ik altijd met veel plezier kwam werken. Mijn medestudenten, Arnaud Abee en Sonja Echteld, wil ik bedanken voor de gezellig tijd die we met z’n drieën hadden. Ton van Ginkel wil ik bedanken voor de begeleiding tijdens mijn afstudeerperiode, bij hem kon ik altijd terecht, bedankt hiervoor! En last but not least wil ik mijn stagebegeleider Kees Miermans bedanken voor zijn chemische kennis, hulp, steun en gezelligheid tijdens mijn afstudeerperiode. Bedankt!! Simone Morelis Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 3 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Samenvatting Het doel van de afstudeeropdracht is: Methode afronden om Boor (B) te bepalen in Oppervlaktewater (OW) m.b.v ID -ICPMS (LR-ICP-MS); Het ontwikkelen van een methode om IJzer (Fe) te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS (HR-ICP-MS); Mogelijkheden onderzoeken voor bepalen van meerdere elementen m.b.v. ID-ICPMS. Isotopen Verdunningen analyse is een kwantitatieve techniek om elementconcentraties te meten op basis van isotoopverhoudingen in het monster. Door het monster te spiken met een verrijkt isotoop van hetzelfde element, zal de isotoopverhouding veranderen. Deze verandering is een maat voor het gehalte. Om de methode om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS af te ronden, zijn de volgende prestatiekenmerken bepaald: Lineariteit; Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens; Herhaalbaarheid; Binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout (MTF). Deze bepaalde prestatiekenmerken voldoen aan de gestelde eisen, hiermee kan geconcludeerd worden dat Boor kwantitatief bepaald kan worden m.b.v. ID-ICP-MS, gebruikmakend van een Quadrupool. Aan de hand van het uitgevoerde literatuuronderzoek, is er gekozen om een methode te ontwikkelen voor de elementen Chroom, Koper, Cadmium en Zilver. Deze methodes zijn ontwikkeld, net als de methode om IJzer te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS. Om de meting zo nauwkeurig mogelijk te laten verlopen, is de Mass Bias factor bepaald voor de elementen, om zo te corrigeren voor verschuiving van de isotoopverhoudingen. De Mass Bias factor is een factor die de verhouding aangeeft tussen de ware, gecertificeerde isotoopverhouding en de gemeten isotoopverhouding. Na het bepalen van de Mass Bias factor, kunnen de isotoopverhoudingen gecorrigeerd worden door deze te vermenigvuldigen met de berekende factor. Tevens zijn van de 5 elementen (IJzer, Chroom, Koper, Cadmium en Zilver), de Aantoonbaarheidsgrens, Bepalingsgrens en de herhaalbaarheid bepaald. Gestreefd werd naar een RSD van <5%. De elementen IJzer, Koper en Cadmium voldoen aan deze eis, Chroom en Zilver voldoen hier niet aan. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 4 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Abstract The purpose of the project during the traineeship is: Validate the method to analyse Boron in surfacewater with Low Resolution Isotope Dilution ICP-MS (LR-ICP-MS); Develop a method to analyse Iron in surfacewater with High Resolution Isotope Dilution ICP-MS (HR-ICP-MS); Study the opportunities to analyse more elements in surfacewater with Isotope Dilution ICP-MS. Isotope Dilution Analysis is a technique for the quantitative determination of elemental concentrations in a sample on the basis of measured isotope ratio’s. Spiking the sample with an enriched isotope of the same element, will give a change in the isotope ratio. This change is a measure for the elemental concentration in the sample. To validate the method of Boron, the following performance characterizations are determined: Linearity; Lack of detection (LOD) and the Lack of quantitation (LOQ); Repeatability; The inner laboratory reproducibility, Recovery and the Maximal Total Fault (MTF). The performance characterizations meet the made requirements. The final conclusion is that Boron can be determined quantitative in surfacewater using ID-ICP-MS, combined with a Quadrupole. After the literature search, there is chosen to develop a method for the following elements: Chromium, Copper, Cadmium and Silver. The methods are all developed, also the method to analyse Iron in surfacewater using ID-ICP-MS. To analyze very accurate, the Mass Bias factor has been determined for the elements, to correct for shifting of the isotope ratio’s. The Mass Bias factor is the proportion between the true value and the measured value. When the Mass Bias factor is determined, the isotope ratio can correct to multiply the isotope ratio with the calculated factor. The Lack of detection, lack of quantitation and the repeatability are determined of the five elements (Iron, Chromium, Cadmium, Copper and Silver). There was strived for an RSD r of <5%. The elements Iron, Copper and Cadmium meet this requirement, Chromium and Silver not. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 5 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Inhoudsopgave Voorwoord ............................................................................................................................ 3 Samenvatting ........................................................................................................................ 4 Abstract ................................................................................................................................. 5 Inhoudsopgave ...................................................................................................................... 6 Afkortingen ........................................................................................................................... 8 1 Inleiding ........................................................................................................................ 9 1.1 RIZA ....................................................................................................................... 9 1.2 Afstudeeronderzoek ............................................................................................. 10 1.2.1 Titel .............................................................................................................. 10 1.2.2 Doel.............................................................................................................. 10 2 Theorie ........................................................................................................................ 11 2.1 Isotoop Verdunningen Analyse ............................................................................. 11 2.1.1 Principe......................................................................................................... 11 2.1.2 Concentratieberekeningen ............................................................................ 12 2.1.3 Mass Bias factor............................................................................................ 12 2.1.4 Massa Discriminatie factor ............................................................................ 12 2.1.5 Dead-time .................................................................................................... 13 2.1.6 Mass Offset .................................................................................................. 13 2.1.7 De Voor- en Nadelen van ID-ICP-MS ........................................................... 14 2.2 ICP-MS ................................................................................................................ 15 2.2.1 Inleiding........................................................................................................ 15 2.3 Prestatiekenmerken .............................................................................................. 18 2.3.1 Lineariteit...................................................................................................... 19 2.3.2 Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens .......................................................... 19 2.3.3 Herhaalbaarheid ........................................................................................... 19 2.3.4 Binnen-laboratorium reproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout (MTF) ........................................................................................................... 19 3 Experimenteel .............................................................................................................. 21 3.1 Materialen ............................................................................................................ 21 3.1.1 Apparatuur ................................................................................................... 21 3.1.2 Chemicaliën .................................................................................................. 21 3.1.3 Standaardoplossingen................................................................................... 22 3.2 De methode ......................................................................................................... 22 3.2.1 Spiken van het monster ................................................................................ 22 3.2.2 Kalibratie ...................................................................................................... 23 3.2.3 Mass Window............................................................................................... 23 4 Resultaten en Discussie ............................................................................................... 24 4.1 Afronding van de methode om Boor te bepalen m.b.v. ID-ICP-MS ...................... 24 4.1.1 Lineariteit...................................................................................................... 24 4.1.2 Aantoonbaarheids- en bepalingsgrens .......................................................... 24 4.1.3 Herhaalbaarheid ........................................................................................... 25 4.1.4 Binnen laboratoriumreproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout25 4.1.5 Overzetten van de methode op de Element2 (HR-ICP-MS) .......................... 26 4.2 Ontwikkeling van een methode om IJzer te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS .... 26 4.3 Onderzoek naar de mogelijkheid om meerdere elementen te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS ........................................................................................................... 27 4.3.1 Het ontwikkelen van een methode om de elementen Cr, Cd, Cu en Ag te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS ................................................................ 28 5 Conclusie..................................................................................................................... 30 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 6 van 40 Simone Morelis Juni 2005 6 Aanbevelingen............................................................................................................. 32 Literatuurverwijzingen......................................................................................................... 33 Bijlagen ............................................................................................................................... 34 Bijlage I ............................................................................................................................ 35 Bijlage II ........................................................................................................................... 36 Bijlage III .......................................................................................................................... 39 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 7 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Afkortingen AG Aantoonbaarheidsgrens BG BV BZV Bepalingsgrens Directie Bedrijfsvoering Biologisch Zuurstofverbruik CRM CZV Certified Reference Material Chemisch Zuurstofverbruik HR-ICP-MS High Resolution – Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry ICP-MS ID IDA IRMM Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Isotope Dilution Isotope Dilution Analyses Institute for Reference Materials and Measurements LIMS LR-ICP-MS Laboratorium Informatie Management Systeem Low Resolution – Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry MTF Maximale Totale Fout NIST National Institute of Standards and Technology OCB Organochloorbestrijdingsmiddelen PAK’s PCB Poly Aromatische Koolwaterstoffen Polychloorbifenyl RIZA RSD RWS Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling Relatieve standaarddeviatie Rijkswaterstaat UGD Uiterste Gebruiksdatum WI WIL WILA WILB Directie Waterkwaliteit en Informatie Directie Waterkwaliteit en Informatie, Afdeling Laboratoria Waterkwaliteit en Informatie, Laboratorium voor Anorganische analyse Waterkwaliteit en Informatie, Laboratorium voor Hydrobiologische analyse Waterkwaliteit en Informatie, Laboratorium voor Organische analyse Waterkwaliteit en Informatie, Laboratorium voor Inklaring en Uitbesteding Directie Waterkwantiteit en Water WILO WILU WR Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 8 van 40 Simone Morelis Juni 2005 1 Inleiding 1.1 RIZA De afkorting RIZA staat voor Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling. Het RIZA is een adviesdienst van Rijkswaterstaat (RWS) op het gebied van zoetwater in Nederland en een vooraanstaand internationaal kenniscentrum voor integraal waterbeheer. Het instituut verzamelt gegevens over en doet onderzoek naar waterkwaliteit en waterkwantiteit. Op basis hiervan geeft het RIZA adviezen over het beheer van zoetwater in Nederland en daarbuiten. Het RIZA bestaat uit 4 hoofdafdelingen: - Stafafdeling; - Directie Bedrijfsvoering (BV); - Directie Waterkwantiteit en Ruimte (WR); - Directie Waterkwaliteit en Informatie (WI). De laboratoria vallen onder de afdeling WIL, die weer valt onder de directie WI (Waterkwaliteit en Informatie). Er zijn 4 verschillende soorten laboratoria: - WILO, Laboratorium voor Organische analyse; o Deze afdeling is onderverdeeld in een cluster voor vloeistofchromatografie en een cluster gaschromatografie. De parameters die hier bepaald worden zijn onder andere: OCB’s, PCB’s en PAK’s. - WILU, Laboratoriumafdeling voor Inklaring en Uitbesteding; o De taken van WILU zijn onder andere: logistiek, gegevensbeheer, advisering en begeleiding en functioneel beheer van het Laboratorium Informatie Management Systeem (LIMS). - WILA, Laboratorium voor Anorganische analyse; o Het werk op de afdeling WILA kan onderverdeeld worden in 3 groepen, te weten: Algemene parameters, bijvoorbeeld Chemisch/Biologisch Zuurstofverbruik (CZV/BZV); Radioactiviteit, zoals Alfa, Bèta en Gammastraling; Metalen, er wordt een zeer uitgebreid pakket metalen gemeten in verschillende matrices. - WILB, Laboratorium voor Hydrobiologische analyse; o Bijvoorbeeld determinaties van Fytoplankton en Zoöplankton in oppervlaktewater. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 9 van 40 Simone Morelis 1.2 Juni 2005 Afstudeeronderzoek 1.2.1 Titel Isotopen Verdunning ICP-MS, Juistheid en nauwkeurigheid t.b.v. metaalanalyses. 1.2.2 Doel (1) Methode afronden om Boor (B) te bepalen in Oppervlaktewater (OW) m.b.v ID -ICPMS (LR-ICP-MS). (2) Het ontwikkelen van een methode om IJzer (Fe) te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS (HR-ICP-MS). (3) Mogelijkheden onderzoeken voor bepalen van meerdere elementen m.b.v. ID-ICPMS. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 10 van 40 Simone Morelis Juni 2005 2 Theorie 2.1 Isotoop Verdunningen Analyse Bekend is dat ICP-MS gebruikt kan worden om isotoopverhoudingen te bepalen en om isotoop verdunningen analyses uit te voeren.[1, 2] De stabiele Isotoop Verdunningen (ID) analysetechniek is de meest nauwkeurige kalibratietechniek op het gebied van ICP-MS. [3] De meting berust op het bepalen van isotoopverhoudingen in een monster. Door toevoeging van hetzelfde element als verrijkt isotoop, verandert de isotoopverhouding. Aan de hand van deze verandering kan de concentratie van het te bepalen element in het monster berekend worden. 2.1.1 Principe Isotoop Verdunning Analyse (IDA) is een techniek voor de kwantitatieve bepaling van elementconcentraties in een monster op basis van de gemeten isotoopverhoudingen. [4] Isotope Dilution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ID-ICP-MS) is een techniek om elementen kwantitatief te bepalen met behulp van ICP-MS. Door het monster te spiken met een verrijkt isotoop, zal de isotoopverhouding veranderen. Deze verandering van de isotoopverhouding is een maat voor het gehalte van het te onderzoeken element. Alleen elementen met 2 of meer isotopen, die vrij zijn van spectroscopische interferenties kunnen geanalyseerd worden met behulp van ID-ICP-MS. [3] Figuur 2.1 geeft het principe weer van Isotoop Verdunning Analyse Figuur 2.1, Het principe van Isotoop Verdunning Analyse Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 11 van 40 Simone Morelis Juni 2005 2.1.2 Concentratieberekeningen Het gehalte van het te bepalen element wordt uitgerekend met behulp van de volgende formule: [15] C C Spike * Waarin: C C Spike M Spike M Sample ai RATW M Spike M Sample a 1 Spike a 2 Spike * R Meas * R ATW * 1 a 2 Sample * R a Sample Meas Concentratie van het element in het monster (µg/l); Concentratie van de Spike-oplossing; Massa van de toegevoegde spike; Massa van het monster; Abundantie van isotoop i (in de spike of in het monster); Verhouding van de molmassa’s (Sample/Spike). 2.1.3 Mass Bias factor De Mass Bias factor is een factor die gebruikt wordt om de Mass Bias te corrigeren van de gemeten isotoopverhoudingen. [17] De Mass Bias factor wordt bepaald om zo te corrigeren voor de verschuiving van de isotoopverhoudingen. Het is een verhouding tussen de ware, gecertificeerde waarde en de gemeten waarde. De Mass Bias factor wordt uitgerekend met de volgende formule: Mass bias factor = Rt / Rm Waarin: Rt De gecertificeerde isotoopverhouding (True Ratio) van de standaarden; Rm De gemeten isotoopverhouding (Measured Ratio) van de standaarden. De isotoopverhoudingen van de monsters, kunnen gecorrigeerd worden door midd el van de volgende formule: [17] Rc = mass bias factor * Rm Waarin: Rc De gecorrigeerde isotoopverhouding (Corrected Ratio); Rm De gemeten dead-time gecorrigeerde (Measured Ratio) van de monsters. 2.1.4 Massa Discriminatie factor De Massa Discriminatie factor (K) is een factor die de massa fluctuaties van het instrument corrigeert. [17] Hierdoor worden lage massa’s onderdrukt door hogere massa’s. [5] Als er experimenteel een Massa Discriminatiefactor bestaat bij 1 van de 2 isotopen, is het normaal dat de werkelijke isotoopverhouding niet teruggevonden wordt. [17] Als de Mass Bias factor met standaard referentiemateriaal bepaald is, kan de Massa Discriminatie factor berekend worden met dezelfde data als waar de Mass Bias factor mee bepaald is. [17] Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 12 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Aangenomen wordt dat de Massa Discriminatie constant is, kan de Massa Discriminatie factor berekend worden met de volgende formule: [4] R’ = KR = N 2 / N1 Waarin: R’ De werkelijke isotoopverhouding; R De gemeten isotoopverhouding; K De massa discriminatie factor; N De isotopische abundantie. 2.1.5 Dead-time De dead-time kan bepaald worden door het meten van de isotoopverhouding van een bepaald element op verschillende concentraties. [4] m ≈n ( 1-nτ ) Waarin: m Gecorrigeerde counts; n Aantal counts; τ Dead-time. Met deze gecorrigeerde counts wordt de isotoopverhouding berekend op elke concentratie. Deze isotoopverhouding wordt berekend met de volgende formule: [17] Isotope 1 Rm Isotope 2 S Sample / Std Isotope 1S Background S Sample / Std Isotope 2 S Background Waarin: Rm De dead-time gecorrigeerde isotoopverhouding; Isotope 1 S Sample/Std en Isotope 2S Sample/Std Dead-time gecorrigeerde counts voor het monster of standaard, respectievelijk in isotoop 1 en in isotoop 2; Isotope 1 S Background en Isotope 2S Background Dead-time gecorrigeerde counts voor de achtergrond voor respectievelijk isotoop 1 en isotoop 2. Bij een optimale dead-time blijft de isotoopverhouding constant, deze dead-time kan dan ingesteld worden voor de meting. 2.1.6 Mass Offset De Mass Offset corrigeert de verandering in de piekpositie die veroorzaakt wordt door het hysteresis-effect van de magneet. Hysteresis is de vertraging van de magneet als hij naar zijn beginstand en/of volgende stand gaat. De Mass-Offset is methode- en istoopafhankelijk. Bij het ontwikkelen van een methode zal de Mass-Offset bepaald moeten worden en bij iedere verandering in die methode, zal deze weer aangepast moeten worden. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 13 van 40 Simone Morelis Juni 2005 2.1.7 De Voor- en Nadelen van ID-ICP-MS Enkele voordelen van ID-ICP-MS zijn: - Hoge nauwkeurigheid; - Kalibratie en interne standaardisatie wordt uitgevoerd met een isotoop van hetzelfde element; - Automatische compensatie van analytverlies tijdens de monstervoorbewerking; - Automatische compensatie van chemische en fysische interferenties; - Geen klassieke externe kalibratie vereist. [7] Er hangen echter ook enkele nadelen aan, te weten: - Stabiele Isotoopstandaarden moeten exact gecertificeerd worden; - De verrijkte isotopen en de isotopen in het monster, moeten beiden vrij zijn van spectroscopische interferenties; - De methode is niet toepasbaar op monoisotopische elementen, het element moet tenminste 2 stabiele isotopen hebben. [7] Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 14 van 40 Simone Morelis Juni 2005 2.2 ICP-MS 2.2.1 Inleiding Sinds het begin van de jaren 80 is de analysetechniek Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) uitgegroeid tot een van de belangrijkste technieken voor elementanalyses, vanwege de lage detectiegrenzen voor de meeste elementen, de hoge selectiviteit en de goede precisie en nauwkeurigheid. [12] Figuur 2.2, Opbouw van de ICP-MS Een ICP-MS bestaat uit de volgende belangrijke onderdelen: - Monsterintroductiesysteem; - ICP; - De Interface; - Massa Analyzer; - Detector. 2.2.1.1 Het monsterintroductiesysteem Via een peristaltische pomp komt het waterige monster terecht in de verstuiver, alwaar het monster verstoven wordt. Een verstuiver zet het waterige monster om in een fijne nevel, ook wel aërosol genoemd. [12] Na het verstuiven van het monster, komen de fijne druppeltjes in de verstuiverkamer terecht. In de verstuiverkamer worden de te grote druppels afgevoerd via een drain, de overige druppels worden geïntroduceerd in het plasma. 2.2.1.2 De ICP Nadat het monster verstoven is, wordt het monster geïntroduceerd in de ICP (Inductively Coupled Plasma). In het plasma zullen bijna alle elementen uit het monster ioniseren. Figuur 2.3 geeft schematisch weer hoe ionen gevormd worden. [16] Figuur 2.3, Het proces dat doorlopen wordt om een ion te vormen Als een druppel in het plasma geïntroduceerd wordt, doorloopt het achtereenvolgens de volgende stadia: - De moleculen worden gedehydrateerd; - De moleculen verdampen in het plasma; Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 15 van 40 Simone Morelis - Juni 2005 De moleculen atomiseren in het plasma; Het atoom botst met argonelektronen die voldoende energetische waarde hebben om het atoom eenwaardig te ioniseren. [16] Nadat de ionen gevormd zijn, worden deze via de interface geïntroduceerd in de MS. 2.2.1.3 De interface De interface, een belangrijk onderdeel van de ICP-MS, koppelt de ICP-toorts (welke werkt bij een atmosferische druk) met de Massaspectrometer (MS). Deze werkt bij een druk van minder dan 10-4 Torr. [12] De interface heeft als functie om de druk van de ICP-toorts (atmosferische druk) te verlagen in de druk waarbij de MS werkt (vacuüm). De drukverandering wordt veroorzaakt door 2 cones, de skimmercone en de samplercone. Nadat de ionen gegenereerd zijn in het plasma, worden ze door de opening van de samplercone gezogen. Deze opening heeft een interne diameter van 0.8-1.2 mm. Vanaf daar volgt een kleine afstand naar de skimmercone, die spitser is en die een interne diameter van 0.4-0.8 mm heeft. [13] 2.2.1.4 De Massa-analyzer Het “hart” van een Quadrupool Massa-Analyzer bestaat uit 4 parallelle cilindrische staven die fungeren als electroden (zie figuur 2.4). Figuur 2.4, De Quadrupool Massa Analyzer De Quadrupool bestaat uit een negatief paar en een positief paar (tegenoverliggend) elektroden. Door op de paren een wisselspanning en een gelijkspanning te zetten, en deze te variëren, worden alleen ionen met de geselecteerde massa/ladingverhouding doorgelaten. 2.2.1.5 De detector Channel Electron Multipliers zijn de meest gebruikte detectoren bij ICP-MS. [7] Figuur 2.5, Werkingsprincipe Electron Multiplier Wanneer een ion uit de quadrupool komt, botst deze tegen de eerste dynode van de Electron Multiplier, tijdens deze botsing worden er elektronen vrijgemaakt. Deze botsen weer tegen de volgende dynode, waardoor er nog meer elektronen vrijgemaakt worden. Dit proces herhaalt Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 16 van 40 Simone Morelis Juni 2005 zich bij iedere dynode, waarnaar de elektronenpuls opgevangen wordt door de multiplier collector of de anode. [15] 2.2.1.6 Hoge-Resolutie ICP-MS De opbouw van de Element2 (HR-ICP-MS) ziet er als volgt uit: Figuur 2.6, Schematische opbouw HR-ICP-MS De HR-ICP-MS bestaat uit de volgende onderdelen: - Monsterintroductiesysteem; - Interface; - Ion Transfer Optics; - Magnetisch sector veld; - Electrostatic Analyzer (ESA); - Detectiesysteem. Monsterintroductiesysteem Het monster wordt opgezogen via een peristaltische pomp. Vervolgens wordt het monster verstoven, waarna de aërosol geïntroduceerd wordt in de verstuiverkamer. In de verstuiverkamer worden de te grote druppels door middel van zwaartekracht afgevoerd via een drain. De andere druppels worden geïntroduceerd in het plasma. Interface De interface, een belangrijk onderdeel van de ICP-MS, koppelt de ICP-toorts (welke werkt bij een atmosferische druk) met de MS. De MS werkt bij een druk van minder dan 10 -4 Torr. [12] Deze drukverandering wordt mogelijk gemaakt door de sampler- en de skimmercone. Ion Transfer Optics De functie van de Ion Transfer Optics is het versnellen van de ionen die vanuit de interface komen en het focusseren van de ionenbundel in de entrance slit. De ionen worden versneld door middel van kinetische energie (=1/2mv 2). Magnetisch Sector Veld De ionen komen in de vluchtbuis terecht tussen de polen van de magneet. Hier worden de ionen geselecteerd op impuls. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 17 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Electrostatic Analyzer In de Electrostatic Analyzer worden de ionen geselecteerd op kinetische energie. Ieder ion krijgt dezelfde hoeveelheid kinetische energie. Daarna worden de ionen gefocusseerd naar de exitslit. Daar worden de ionen opgevangen door de detector, die deze detecteert. Detectiesysteem Als detector is een Discreet Dynode Secondary Electron Multiplier (SEM) gekozen. Omdat de ionen allemaal dezelfde kinetische energie bevatten, bereiken de lichtere ionen als eerste de detector en de zwaardere ionen als laatste. 2.2.1.7 Resolutie Met de Quadrupool Massa Analyzer kan een resolutie ingesteld worden. Resolutie (ook wel oplossend vermogen genoemd) is het vermogen om 2 pieken van elkaar te scheiden. Hoe hoger de resolutie, hoe beter de pieken gescheiden kunnen worden en hoe beter de interferenties van het analyt gescheiden kunnen worden. In de Massaspectrometrie wordt de resolutie R als volgt gedefinieerd: m R m Waarin: R Δm m De resolutie; Het verschil tussen 2 pieken die gescheiden moeten worden; Nominale massa van de piek. Bij de HR-ICP-MS kan de resolutie ingesteld worden door het variëren van de positie van de ingangs- en uitgangsslit, de resolutie kan ingesteld worden in 3 modes, te weten: - Low Resolution, R=300 - Medium Resolution, R=4000 - High Resolution, R=10.000 Een hoge resolutie wordt verkregen door het instellen van een smalle ingangs-/uitgangsslit. Bij LR-ICP-MS en HR-ICP-MS doen zich in het plasma allerlei interferenties voor. Het voordeel van HR-ICP-MS t.o.v. LR-ICP-MS is dat deze interferenties gescheiden kunnen worden van het analyt. 2.3 Prestatiekenmerken Om een methode te valideren moeten de volgende prestatiekenmerken bepaald worden: - Lineariteit; - Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens; - Herhaalbaarheid; - Binnen-laboratorium reproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout (MTF). Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 18 van 40 [6] Simone Morelis Juni 2005 2.3.1 Lineariteit De lineariteit wordt gedefinieerd als het rechtlijnige verband tussen het meetsignaal en de hoeveelheid te bepalen component. De invloed van de spike op de isotopenverhouding is bepalend voor de meting. Hoe hoger de concentratie, hoe minder invloed de spike heeft. De lineariteit wordt gemeten aan de hand van enkele standaarden, deze worden gekozen aan de hand van het gemiddelde meetbereik van het desbetreffende element. Na het meten van deze standaarden wordt de afwijking hiervan bepaald, aan de hand van deze afwijking, wordt er een bovengrens bepaald voor de methode. 2.3.2 Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens Onder de aantoonbaarheidsgrens wordt verstaan het laagste gehalte van een analyt in een praktijkmonster dat met een onzekerheid van 1% volgens een vastgelegde procedure kan worden onderscheiden van een soortgelijk monster waarin het analyt afwezig is. De aantoonbaarheidsgrens AG wordt berekend uit: [6] AG = 3 sMDL Onder bepalingsgrens wordt verstaan het laagste gehalte van een analyt in een praktijkmonster waarvan de relatieve standaarddeviatie van de meetwaarden kleiner is dan 10%. De bepalingsgrens wordt berekend uit: [6] BG = 10 sMDL 2.3.3 Herhaalbaarheid De herhaalbaarheid is een maat voor de spreiding tussen meetwaarden met dezelfde meetmethode op identieke monsters onder dezelfde omstandigheden binnen hetzelfde laboratorium. De herhaalbaarheid wordt bepaald door het concentratieniveau en de matrix. [6] De herhaalbaarheid r wordt berekend met: [6] r = 2 2 sr De herhaalbaarheid wordt vastgesteld in een (gecertificeerd) referentiemateriaal met een minimale concentratie van 20 maal de aantoonbaarheidsgrens. 2.3.4 Binnen-laboratorium reproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout (MTF) De binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid is de maat voor de spreiding tussen meetwaarden verkregen met dezelfde methode op identiek materiaal onder verschillende omstandigheden. De binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid W wordt berekend met: [6] W = 2 2 sW Juistheid is de mate van overeenstemming tussen de meetverwachting en de ware waarde. De meetverwachting is de waarde tot welke de gemiddelde meetwaarde nadert bij een toenemend aantal meetwaarden. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 19 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Het percentage juistheid %J w wordt uitgedrukt door: [6] % Jw= Waarbij: C CRM 100 x w cCRM De ware waarde volgens het certificaat bij het CRM De Maximale Totale Fout (MTF) is de maat voor meetonzekerheid en geeft de mate, waarin de met een bepaalde meetmethode verkregen meetwaarde, afwijkt van de ware waarde. De MTF wordt als volgt uitgedrukt: [6] MTF w,%J = 100 - % J w + 2 RSD w De Maximale Totale Fout (MTF) mag nooit boven de 50% uitstijgen. Methoden met een MTF beneden de 25% worden als uitstekend beschouwd. Methoden met een MTF tussen de 25% en 50% zijn acceptabel. [6] Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 20 van 40 Simone Morelis Juni 2005 3 Experimenteel 3.1 Materialen 3.1.1 Apparatuur Elan6000 ICPMS (LR-ICP-MS) Argon flow : 15 l/min; Verstuiver : Cross-flow verstuiver; RF power : ca 1100 W; Nebulizer flow : ca. 0,9 ml/min; Number of replicates : 5; Snelheid peristaltische pomp : 24 rounds per minute. Thermo Finnigan, Element 2 (HR-ICP-MS) Argon flow : ca 18 l/min; Verstuiver : Concentrische verstuiver; RF power : ca 1250 W; Nebulizer flow : ca 0,1 ml/min Runs : 1; Passes : 300; Snelheid peristaltische pomp : 4 rounds per minute. 3.1.2 Chemicaliën - IRMM-610, Verrijkte Booroplossing; o Boorgehalte = 39.0357 mg/l IRMM-620, Verrijkte IJzeroplossing; o IJzergehalte = 10.3683 mg/l Merck, 1.70276.0050, Spike-solution Fe-57; o IJzergehalte = 10.0517 mg/l Merck, 1.70270.0050, Spike-solution Ag-109; o Zilvergehalte = 10.0017 mg/l Merck, 1.70273.0050, Spike-solution Cd-111; o Cadmiumgehalte = 9.8915 mg/l Merck, 1.70274.0050 Spike-solution Cr-53; o Chroomgehalte = 9.4415 mg/l Merck, 1.70275.0050, Spike-solution Cu-65; o Kopergehalte = 9.8716 mg/l Spoelzuur, 1M Salpeterzuur; Merck, 4.80323.0500, Multi Element standard for mass calibration; Merck, 1.10580.0100, ICP VI Multi Element Standaard; NIST 1640, Gecertificeerd referentiemonster. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 21 van 40 Simone Morelis Juni 2005 3.1.3 Standaardoplossingen Boor spike-oplossing in water Boorgehalte 1.9518 mg/l Breng de verrijkte boorisotopen oplossing geheel over in een maatkolf van 100 ml, vul aan met Milli-Q water en homogeniseer. Breng de oplossing over in Greiner buizen van 50 ml. UGD 1 jaar Bewaarconditie kamertemperatuur Standaardoplossing Fe, B Bevat 100 µg/l Fe en B Pipetteer 100 µl van de Merck ICP VI multi-element standaard in een maatkolf van 100 ml, vul aan met Milli-Q water en homogeniseer. Breng de oplossing over in Greiner buizen van 50 ml. Standaardoplossing Cu, Cd, Cr en Ag Bevat 100 µg/l Cu, Cd, Cr, Ag Pipetteer 1 ml van de Merck ICP VI multi-element standaard in een polyethyleen of glazen maatkolf van 100 ml, vul aan met Milli-Q water en homogeniseer. Breng de oplossing over in Greiner buizen van 50 ml. De Standaardoplossingen (Fe, B, Cu, Cd, Cr en Ag) zijn 1 week houdbaar en worden bij kamertemperatuur bewaard. Spike-Standaard B, Fe, Cu, Cd, Cr en Ag Pipetteer 9.9 ml van de Standaardoplossing met een concentratie van 100 µg/l in een Greiner buis van 50 ml, voeg 100 µl Spike-oplossing van het desbetreffende element toe en homogeniseer. Spike-monster Pipetteer 9.9 ml van het reeds gedestrueerde monster in een Greiner buis van 50 ml, voeg 100 µl Spike-oplossing van het desbetreffende element toe en homogeniseer. De Spike-standaard B, Fe, Cu, Cd, Cr en Ag en het Spike-monster zijn 1 dag houdbaar en worden bewaard bij kamertemperatuur. 3.2 De methode 3.2.1 Spiken van het monster Het monster zal voor ieder element gespiked worden met dezelfde hoeveelheid spikeoplossing. 9.9 ml monster wordt gespiked met 100 µl spike-oplossing van het te bepalen element. Deze hoeveelheid is ruim voldoende om de isotoopverhouding van de desbetreffende elementen te veranderen. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 22 van 40 Simone Morelis Juni 2005 3.2.2 Kalibratie Bij Isotopen Verdunningen Analyse, wordt er geen gebruik gemaakt van een kalibratielijn. Omdat alle abundanties in de spike-oplossing gecertificeerd zijn, is de spike-oplossing als het ware de kalibratie. Ter controle van de spike-oplossing wordt er een standaard van 100 µg/l gemeten, deze wordt gemaakt uit de Merck ICP VI Multi Element Standard. Als deze standaard meer dan 10% afwijkt, mag de meting niet worden voortgezet. 3.2.3 Mass Window Om de nauwkeurigheid van de metingen te vergroten, wordt de Mass Window tijdens de metingen ingesteld op 5%. Dit houdt in dat er maar 5% van de oorspronkelijke piek gemeten wordt en er precies in het midden van de piek gemeten word. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 23 van 40 Simone Morelis Juni 2005 4 Resultaten en Discussie 4.1 Afronding van de methode om Boor te bepalen m.b.v. ID-ICP-MS Boor heeft 2 isotopen en is een bi-isotopisch element, Boor heeft de volgende natuurlijke en verrijkte isotopen: Isotoop 10 B 11 B Natuurlijke abundantie (%) 19.9 80.1 Verrijkte abundantie (%) 94.9495 5.0505 Tabel 4.1, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van Boor De methode om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS, is ontwikkeld op de Elan6000 ICPMS (LR-ICP-MS). Deze dient nog afgerond te worden. De validatie wordt afgerond door het bepalen en beoordelen van de volgende prestatiekenmerken: - Lineariteit; - Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens; - Herhaalbaarheid; - Binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout (MTF). 4.1.1 Lineariteit De lineariteit wordt bepaald aan de hand van 3 hoge standaarden met concentratie van 500, 1000 en 2000 µg/l. Het boorgehalte in de oppervlaktewatermonsters ligt tussen de 50-100 µg/l. Ondanks het kleine werkgebied zal er wel een bovengrens vastgesteld moeten worden. De meetresultaten voor de bepaling van de lineariteit zijn opgenomen in tabel 4.2: Standaard (µg/l) Meting (µg/l) Afwijking (%) 500 579 16 1000 1353 35 2000 4309 115 Tabel 4.2, Meetresultaten voor de bepaling van de lineariteit Omdat er vanaf een concentratie van 500 µg/l een afwijking te zien is van meer dan 10%, zal deze concentratie gebruikt worden als bovengrens voor de bepaling van Boor m.b.v. ID-ICPMS. 4.1.2 Aantoonbaarheids- en bepalingsgrens De aantoonbaarheids- en bepalingsgrens worden bepaald door middel van een oppervlaktewatermonster. Het monster wordt minimaal zeven keer gemeten onder herhaalbaarheidscondities (alle metingen op één dag). Alle praktijkmonsters bevatten een concentratie die ruim boven de verwachte detectie- en bepalingsgrens ligt. Daarom wordt het praktijkmonster verdund gemeten. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 24 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Voor de bepaling van de aantoonbaarheidsgrens en de bepalingsgrens zijn 2 metingen uitgevoerd. De eerste meting is uitgevoerd volgens W 8141.001 (versie 4) [6], en levert de volgende resultaten: AG = 0.13 µg/l BG = 0.46 µg/l De ruwe data van de meting van de detectiegrens en bepalingsgrens zijn weergegeven in bijlage I. Ter controle worden er bij de tweede meting lage boorstandaarden gemeten. Standaard (µg/l) 1 2 5 Meting standaard (µg/l) 1.11 2.03 5.07 Afwijking (%) 11 1.5 1.4 Tabel 4.3, Meting lage boorstandaarden Uit tabel 4.3 blijkt dat een concentratie van 1 µg/l een te grote afwijking oplevert. Een bepalingsgrens van 0,46 µg/l wordt niet gehaald. Met de resultaten uit tabel 4.4 worden de definitieve grenzen vastgesteld: Element B AG (µg/l) 0.6 BG (µg/l) 2 Tabel 4.4, Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrens 4.1.3 Herhaalbaarheid Bij het bepalen van de herhaalbaarheid wordt het praktijkmonster (locatie Eefde) onverdund gemeten. De mate van spreiding van de resultaten wordt bepaald door de relatieve standaardafwijking van de herhaalbaarheid (RSD r). Gestreefd wordt naar een RSDr lager dan 5%. [6] De meetresultaten voor de bepaling van de herhaalbaarheid zijn weergegeven in tabel 4.5, de ruwe data is te vinden in bijlage I. Element B Gem. 91.24 Sr 1.13 RSDr (%) 1.2 Tabel 4.5, Meetresultaten herhaalbaarheid 4.1.4 Binnen laboratoriumreproduceerbaarheid, Juistheid en Maximale Totale Fout Het gecertificeerde referentiemonster NIST 1640 wordt zeven keer opgewerkt op zeven verschillende dagen. De juistheid is de mate van terugvinding van het referentiemonster en wordt in procenten uitgedrukt. Er wordt gestreefd naar een terugvinding tussen 70 -120%. [6] De RSD van de Binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid moet kleiner zijn dan 10%. De meetresultaten van de Juistheid, Binnen-laboratorium reproduceerbaarheid en de MTF zijn weergegeven in tabel 4.6, de ruwe data is te vinden in bijlage I. Element B Gem. 282.77 SR 3.06 RSDR (%) 1.08 R 8.66 J (%) 93.91 MTF 8.25 Tabel 4.6, Juistheid, Binnen-laboratorium reproduceerbaarheid en MTF Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 25 van 40 Simone Morelis Juni 2005 4.1.5 Overzetten van de methode op de Element2 (HR-ICP-MS) Na het valideren van de betreffende methode, die uitgevoerd is op een LR-ICP-MS, is er gekeken naar de mogelijkheid om de methode over te zetten op de Element2, een HR-ICPMS. De bedoeling is om op de langere termijn alle analyses uit te voeren op de HR-ICP-MS. Er is een poging gedaan om een goed werkende methode te ontwikkelen om Boor te bepalen in OW m.b.v. HR-ICP-MS. Ter controle wordt er een onafhankelijke standaard gemeten, om zo de spike-oplossing te controleren. De resultaten van deze metingen weken teveel af van de ware waarde van de standaarden. Gestreefd werd naar een afwijking van 10%, maar deze afwijking fluctueerde in hoge mate en liep op tot zelfs 30%. De reden waarom de methode niet overgezet kan worden op een HR-ICP-MS, heeft waarschijnlijk te maken met de lage gevoeligheid en het memory-effect van Boor. Om de methode toch succesvol over te zetten op de HR-ICP-MS, kan er gekozen worden voor langere spoeltijden, om zo het memory-effect van Boor te minimaliseren. Tevens kan de snelheid van de peristaltische pomp verhoogd worden, om zo een hogere plasmabelasting te creëren. Dit zou een mogelijk zijn om de gevoeligheid de vergroten. Tevens kan het probleem voorgelegd worden aan de fabrikant van de HR-ICP-MS. In overleg met de fabrikant kan er dan gekeken worden naar de overgebleven mogelijkheden om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS. 4.2 Ontwikkeling van een methode om IJzer te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS IJzer heeft 4 isotopen en is daarmee een Poly -isotopisch element. IJzer heeft de volgende natuurlijke en verrijkte isotopen, met de daarbij behorende abundanties: Isotoop 54 Fe 56 Fe 57 Fe 58 Fe Natuurlijke abundantie (%) 5.8 91.72 2.2 0.28 Verrijkte abundantie (%) <0.01 2.417 95.188 2.395 Tabel 4.7, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van IJzer De Mass Bias factor wordt bepaald aan de hand van het meten van 10 standaarden zonder spike-toevoeging. Aan de hand hiervan kan gekeken worden naar de gemeten isotoopverhoudingen en de theoretische isotoopverhoudingen. De Mass Bias factor voor IJzer is 0.9945. De ruwe data van de metingen is te vinden in bijlage II. Voor het bepalen van de aantoonbaarheids- en de bepalingsgrens en de herhaalbaarheid dient een oppervlaktewatermonster minimaal 7 keer gedestrueerd te worden. Na het toevoegen van de spike aan het reeds gedestrueerde monster, worden de monsters gemeten op de ICP-MS. IJzer heeft de volgende aantoonbaarheids- en bepalingsgrens en herhaalbaarheid, de ruwe data is te vinden in Bijlage III. AG = 12.52 µg/l; Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 26 van 40 Simone Morelis Juni 2005 BG = 41.74 µg/l; r = 11.80. De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 1.89%, gestreefd werd naar een RSDr van <5%. IJzer voldoet aan deze eis. 4.3 Onderzoek naar de mogelijkheid om meerdere elementen te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS Naar aanleiding van het literatuuronderzoek is er gekeken naar relevante artikelen. Gekozen is om deze 4 artikelen die hier beschreven staan, te bespreken. Er waren veel artikelen te vinden over ID-ICP-MS. Na een selectie van deze artikelen is de keuze gevallen op deze 4 artikelen voor verder literatuuronderzoek. De keuze is gevallen op deze artikelen omdat de matrices waarin de elementen bepaald worden het beste overeen komen met de matrix waarvoor de methodes ontwikkeld moeten worden. De resultaten betreffende het literatuuronderzoek zijn weergegeven in tabel 4.8: Literatuur 1 [8[ Literatuur 2 Literatuur 3 [10] Literatuur 4 [11] [9] Elementen B Cd Cu Mg Pb Isotoopverhoudingen 10 B/11B 110 Cd/111Cd 63 Cu/65 Cu 24 Mg/26 Mg 206 Pb/ 208Pb As Cd Cr Hg Pb Cd Cu As, Hg (niet bepaald met ID) 111 Cd/112Cd, 111 Cd/114Cd 52 Cr/ 53Cr Standaard referentie materiaal 206 65 Matrix Synthetisch watermonster Conclusie Voor alle bepaalde elementen is de overeenkomst tussen de metingen zeer goed. As, Cd, Cr en Hg kunnen succesvol bepaald worden m.b.v. HRICP-MS Opmerkingen Mogelijke interferenties: 204 Pb 204Hg Mogelijke interferenties: 50 Cr 50V, 50 Ti 54 Cr 54Fe 75 As 40 Ar 35Cl Pb/208 Pb Cd/111Cd 110 Standaard referentie materiaal (Sediment, Water) Pb en Cd kunnen nauwkeurig bepaald worden in het referentiemateriaal Cu/ 65Cu Watermonster De resultaten van de metingen van de isotoopverhoudingen op de 3 verschillende apparaten en instrumentele instellingen, komen overeen met hun onzekerheden. In dit artikel worden 3 verschillende soorten ICP-MS apparaten met elkaar vergeleken Tabel 4.8, Resultaten van het literatuuronderzoek om meerdere elementen te bepalen m.b.v. ID-ICP-MS Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 27 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Aan de hand van de bestudeerde artikelen, is een keuze gemaakt om Koper (Cu), Cadmium (Cd) en Chroom (Cr) te gaan bepalen m.b.v. ID-ICP-MS. Getracht wordt om hier een methode voor aan te maken. Omdat Zilver de laatste tijd moeilijk te bepalen was met ICP-MS, is er gekeken naar de mogelijkheden om dit element te bepalen m.b.v. ID-ICP-MS. Omdat Zilver een Bi-isotopisch element is, kan dit element geanalyseerd worden m.b.v ID-ICP-MS. Getracht wordt om hier een methode voor te ontwikkelen. 4.3.1 Het ontwikkelen van een methode om de elementen Cr, Cd, Cu en Ag te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS Aan de hand van de bestudeerde literatuurartikelen, zullen er een vijftal methoden ontwikkeld worden om respectievelijk Chroom, Cadmium, Koper en Zilver te bepalen in OW m.b.v. IDICP-MS. Chroom, Cadmium, Koper en Zilver hebben de volgende natuurlijke en verrijkte isotopen: Isotoop 50 Cr 52 Cr 53 Cr 54 Cr Natuurlijke abundantie (%) 4.345 83.789 9.501 2.365 Verrijkte abundantie (%) 0.2673 3.987 95.469 0.2769 Tabel 4.9, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van Chroom Isotoop 106 Cd 108 Cd 110 Cd 111 Cd 112 Cd 113 Cd 114 Cd 116 Cd Natuurlijke abundantie (%) 1.25 0.89 12.49 12.80 24.13 12.22 28.73 7.49 Verrijkte abundantie (%) 0.0080 0.0097 0.5984 96.496 1.789 0.422 0.587 0.089 Tabel 4.10, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van Cadmium Isotoop 63 Cu 65 Cu Natuurlijke abundantie (%) 69.17 30.83 Verrijkte abundantie (%) 0.2926 99.7074 Tabel 4.11, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van Koper Isotoop 107 Ag 109 Ag Natuurlijke abundantie (%) 51.839% 48.161% Verrijkte abundantie (%) 1.389% 98.611% Tabel 4.12, De natuurlijke en verrijkte abundanties van de isotopen van Zilver De Mass Bias factor wordt bepaald aan de hand van het meten van 10 standaarden zonder spike-toevoeging. Aan de hand hiervan kan gekeken worden naar de gemeten isotoopverhoudingen en de theoretische isotoopverhoudingen. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 28 van 40 Simone Morelis Juni 2005 De volgende Mass Bias factoren zijn berekend voor de elementen: Isotoop Mass Bias factor Chroom 1.015 Cadmium 1.007 Koper 1.031 Zilver 0.956 Tabel 4.13, Mass Bias factoren De ruwe data van de bepaling van de mass bias factoren is te vinden in bijlage II. Voor het bepalen van de aantoonbaarheidsgrens en de bepalingsgrens, dient een oppervlaktewatermonster minimaal 7 keer gedestrueerd te worden. Na het spiken van het gedestrueerde monster, kan het monster gemeten worden op de ICP-MS. De meetresultaten van de aantoonbaarheids- en bepalingsgrenzen zijn weergegeven in tabel 4.14, de ruwe data is te vinden in Bijlage III. Aantoonbaarheidsgrens Bepalingsgrens Herhaalbaarheid RSDr (µg/l) (µg/l) (r) Chroom 0.28 0.94 0.27 7.07 Cadmium 0.095 0.32 0.09 2.04 Koper 0.54 1.79 0.51 4.66 Zilver 0.23 0.77 0.22 44.63 Tabel 4.14, Aantoonbaarheids-, bepalingsgrenzen, herhaalbaarheid en RSDr van Cr, Cd, Cu en Ag Gestreefd werd naar een RSD van de herhaalbaarheid (RSD r) van <5%. Te zien is dat Cadmium en Koper hieraan voldoen en Chroom en Zilver niet. De reden dat Zilver een hoge RSD r heeft is te wijten aan de lage concentratie Zilver in het oppervlaktewatermonster. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 29 van 40 Simone Morelis Juni 2005 5 Conclusie Boor LR-ID-ICP-MS Naar aanleiding van de afronding van de methode om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID -ICPMS, kan het volgende geconcludeerd worden: - 500 µg/l is de bovengrens voor de bepaling van Boor m.b.v. ID-ICP-MS; - De bepalingsgrens voor de methode is 0.6 µg/l; - De aantoonbaarheidsgrens voor de methode is 2 µg/l; - De herhaalbaarheid is 3.19%; - De juistheid is 93.91%; - De MTF is 8.25%; - De RSD van de binnen-laboratoriumreproduceerbaarheid (RSDR) is 1.08%; - Alle bepaalde prestatiekenmerken voldoen aan de gestelde eisen; Boor kan kwantitatief gemeten worden in OW m.b.v. LR-ID-ICP-MS. HR-ID-ICP-MS - De methode om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS is niet succesvol overgezet van LR-ICP-MS naar HR-ICP-MS. IJzer - De methode om IJzer te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS is ontwikkeld; De Mass Bias factor voor IJzer is 0.995; De Aantoonbaarheidsgrens van IJzer is 12.52 µg/l; De Bepalingsgrens van IJzer is 41.74 µg/l; De herhaalbaarheid is 11.80; De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 1.89%, gestreefd werd naar een RSDr van <5%, IJzer voldoet aan deze eis. Literatuuronderzoek Naar aanleiding van de bestudeerde artikelen is er gekozen om een methode te ontwikkelen voor de volgende elementen: - Chroom, Cr; - Cadmium, Cd; - Koper, Cu; - Zilver, Ag. Chroom - De methode om Chroom te bepalen te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS, is niet succesvol ontwikkeld; De Mass Bias factor voor Chroom is 1.015; De Aantoonbaarheidsgrens van Chroom is 0.28 µg/l; De Bepalingsgrens van Chroom is 0.94 µg/l; De herhaalbaarheid is 0.27; De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 7.07%, gestreefd werd naar een RSDr van <5%, Chroom voldoet hier niet aan. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 30 van 40 Simone Morelis Cadmium Koper Juni 2005 Er is een methode ontwikkeld om Cadmium te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS; De Mass Bias factor voor Cadmium is 1.007; De Aantoonbaarheidsgrens van Cadmium is 0.095 µg/l; De Bepalingsgrens van Cadmium is 0.32 µg/l; De herhaalbaarheid is 0.09; De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 2.04%, gestreefd werd naar een RSDr van <5%, Cadmium voldoet aan deze eis. - De methode om Koper te bepaling in OW m.b.v. ID-ICP-MS is ontwikkeld; De Mass Bias factor voor Koper is 1.03; De Aantoonbaarheidsgrens van Koper is 0.54 µg/l; De Bepalingsgrens van Koper is 1.79 µg/l; De herhaalbaarheid is 0.51; De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 4.66%, gestreefd werd naar een RSDr van <5%, Koper voldoet hier aan. - De methode om Zilver te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS is niet succesvol ontwikkeld; De Mass Bias factor voor Zilver is 0.96; De Aantoonbaarheidsgrens van Zilver is 0.23 µg/l; De Bepalingsgrens van Zilver is 0.77 µg/l; De herhaalbaarheid is 0.22; De RSD van de herhaalbaarheid (RSDr ) is 44.63, gestreefd werd naar een RSDr van <5%, Zilver voldoet niet aan deze eis. De reden hiervan is dat Zilver in lage concentraties voorkomt in het oppervlaktewatermonster, waardoor de RSD te hoog uitkomt. Zilver - Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 31 van 40 Simone Morelis Juni 2005 6 Aanbevelingen Naar aanleiding van de verkregen resultaten en de daaruit getrokken conclusies, kunnen de volgende aanbevelingen geformuleerd worden voor verder onderzoek: Het overzetten van de methode om Boor te bepalen in OW m.b.v. ID-ICP-MS van een LR-ICP-MS naar een HR-ICP-MS, is nog niet gelukt. Vanwege de lage gevoeligheid en het memory-effect van Boor, kan er getracht worden om de snelheid van de peristaltische pomp te verhogen of om de opneemtijd te verlengen, zo kan er een hogere plasmabelasting gecreëerd worden. Ook kan er gekozen worden voor langere spoeltijden, om zo het memory-effect van Boor te verminderen; Om een nog hogere betrouwbaarheid te verkrijgen, moet er bij de ontwikkelde methodes een correctie plaatsvinden voor 2 experimentele aspecten: o Dead-time De dead-time is de tijd dat de detector niet meet, meestal bedraagt de dead-time enkele nanoseconden. De dead-time zal bepaald moeten worden aan de hand van het meten van standaarden met verschillende concentraties. Aan de hand hiervan, kan gekeken worden naar de isotoopverhoudingen. Bij een optimale dead-time, zal de isotoopverhouding constant blijven. o Massa Discriminatie De Massa Discriminatie kan gecorrigeerd worden aan de hand van het bepalen van de Massa Discriminatie factor. Deze factor corrigeert de massa fluctuaties van het instrument; Als er op den duur meerdere elementen gemeten worden in OW m.b.v. ID-ICP-MS, zal er gekeken moeten worden naar de invloed van de verschillende spike-oplossingen op elkaar. Een monster zou dan gespiked kunnen worden met Cr, Cd, Fe, Cu en Ag, vervolgens wordt de concentratie per element bepaald. Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 32 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Literatuurverwijzingen (1) A.L. Gray and A.R. Date, Analyst 108, 1033 (1983) (2) D. Douglas, G. Rosenblatt and E. Quan, Trace Subst. Environ. Health 17, 385 (1983) (3) Diane Beauchemin* and August A. Specht, On-Line Isotope Dilution with ICPMS Using Reverse Flow Injection, Analytical Chemistry, Vol 69, No 16, August 15, 1997 (4) A. A. van Heuzen, T. Hoekstra and B. van Wingerdan, Precision and accuracy attainable with isotope dilution analysis applied to Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry: theory and experiments, j. Anal. At. Spectrom., 4 (1989) 483. (5) Bakker I., De bepaling van het gehalte aan B in oppervlaktewater m.b.v. ID-ICP-MS, Werkvoorschriftnummer: W8140 4.332, Versie 1 (6) S.T v/d Velde, H.F.Schuijn, Het proefondervindelijk vaststellen van prestatiekenmerken, Werkvoorschriftnummer: W8141.001, Versie 4 (7) Perkin-Elmer Corporation, ICP-MS training, Cursusmap, 1999 (8) J.Diemer, C.R.Quetel, P.D.P.Taylor, Contribution tot the certification of B, Cd, Cu, Mg and Pb in a synthetic water sample, by use of isotope-dilution ICP-MS, for Comparison 12 of the International Measurement Evaluation Programme, 12 juni 2002, Springer- Verlag 2002 (9) Lee L. Yu, Robert D. Vocke, Karen E. Murphy, Charles M. Beck II, Determination of As, Cd, Cr and Hg in SRM 2584 (Trace Elements Indoor Dust) by high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry, December 2000 (10) K.E. Murphy, E.S. Beary, M.S. Rearick, R.D. Vocke, Isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) for the certification of lead and cadmium in environmental standard reference materials (11) J.Diemer, C.R.Quetel and P.D.P.Taylor, Comparison of the performance of different ICP-MS instruments on the measurement of Cu in a water sample by ID-ICP-MS (12) Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A. Nieman, Principles of Instrumental Analysis, Fifth Edition (13) http://www.atoomspectrometrie.nl/Part04.pdf (14) http://www.atoomspectrometrie.nl/Part10.pdf (15) Thermo Element Electron Corporation, Equations used in the Element Software Suite, Rev 0, Issue 05/2003 (16) http://www.atoomspectrometrie.nl/Part03.pdf (17) EPA Method 6800, Elemental and Speciated Isotope Dilution Mass Spectrometry, January 1998 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 33 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Bijlagen I Ruwe data meting prestatiekenmerken voor Boor II Resultaten Mass Bias van Fe, Cr, Cd, Cu en Ag III Resultaten Aantoonbaarheids- en Bepalingsgrenzen van Fe, Cr, Cd, Cu en Ag Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 34 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Bijlage I Ruwe data voor de bepaling van de Aantoonbaarheids - en Bepalingsgrens Volgnummer Resultaat (µg/l) 1 11.719 2 11.743 3 11.661 4 11.636 5 11.663 6 11.760 7 11.682 Gemiddelde 11.695 St.dev 0.046 AG 0.14 BG 0.46 Ruwe data voor de bepaling van de herhaalbaarheid Volgnummer Resultaat (µg/l) 1 90.083 2 89.873 3 90.475 4 91.231 5 92.026 6 92.442 7 92.565 Gemiddelde 91.242 St.dev 1.13 RSD r 1.23 r 3.19 Ruwe data voor de bepaling van de Juistheid en de MTF Volgnummer Resultaat (µg/l) 1 256.576 2 231.990 3 235.566 4 309.100 5 307.917 6 311.868 7 326.399 Gemiddelde 282.774 St.dev 3.06 RSD r 1.08 Juistheid % 93.91 MTF 8.25 r 8.66 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 35 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Bijlage II Ruwe data voor de bepaling van de Mass Bias factor voor IJzer Isotoopverhouding (56Fe/57 Fe) 1. 41.74306 2. 41.98068 3. 41.39204 4. 41.93562 5. 42.06226 6. 42.17134 7. 42.10989 8. 41.87632 9. 41.97404 10. 41.96225 Gemiddelde 41.92075 St.Dev 0.22 RSD 0.53 Mass Bias 0.995 Ruwe data voor de bepaling van de Mass Bias factor voor Chroom Isotoopverhouding (52Cr/53 Cr) 1. 8.715802 2. 8.681022 3. 8.637905 4. 8.688743 5. 8.66998 6. 8.689572 7. 8.702879 8. 8.688273 9. 8.730147 10. 8.70139 Gemiddelde 8.690571 St.Dev 0.025 RSD 0.29 Mass Bias 1.015 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 36 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Ruwe data voor de bepaling van de Mass Bias factor voor Cadmium Isotoopverhouding (110Cd/ 111Cd) 1. 0.980333 2. 0.969142 3. 0.967024 4. 0.965945 5. 0.96859 6. 0.967112 7. 0.969311 8. 0.966451 9. 0.96738 10. 0.96894 Gemiddelde 0.969023 St.Dev 0.004 RSD 0.43 Mass Bias 1.007 Ruwe data voor de bepaling van de Mass Bias factor voor Koper Isotoopverhouding (63Cu/ 65Cu) 1. 2.183415 2. 2.17255 3. 2.166721 4. 2.170809 5. 2.173622 6. 2.178103 7. 2.17761 8. 2.173344 9. 2.192065 10. 2.177502 Gemiddelde 2.176574 St.Dev 0.007 RSD 0.33 Mass Bias 1.031 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 37 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Ruwe data voor de bepaling van de Mass Bias factor voor Zilver Isotoopverhouding (107Ag/ 109Ag) 1. 1.08643 2. 1.12027 3. 1.133972 4. 1.130509 5. 1.123834 6. 1.130689 7. 1.1312 8. 1.134511 9. 1.140111 10. 1.130615 Gemiddelde 1.125725 St.Dev 0.015 RSD 1.33 Mass Bias 0.956 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 38 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Bijlage III Koper: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Gemiddelde St. Dev RSD AG BG r Isotoopratio 0.0343 0.0309 0.0298 0.0293 0.0303 0.0299 0.0288 C (µg/l) 4.09 3.78 3.65 3.62 3.76 3.68 3.57 Mass Bias 1.03079 1.03079 1.03079 1.03079 1.03079 1.03079 1.03079 Gecorr. C (µg/l) 4.216 3.896 3.760 3.729 3.876 3.788 3.678 3.849 0.179 4.66 0.54 1.79 0.51 Isotoopratio 0.008345 0.008275 0.008254 0.008212 0.008237 0.008207 0.008236 0.008236 C (µg/l) 1.612 1.559 1.551 1.526 1.524 1.515 1.523 1.537 Mass Bias 1.00697 1.00697 1.00697 1.00697 1.00697 1.00697 1.00697 1.00697 Gecorr. C (µg/l) 1.6232 1.5699 1.5618 1.5366 1.5346 1.5256 1.5336 1.5477 1.554 0.032 2.04 0.095 0.317 0.090 Cadmium: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Gemiddelde St. Dev RSD AG BG r Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 39 van 40 Simone Morelis Juni 2005 Chroom: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Gemiddelde St.Dev RSD AG BG r Isotoopratio 0.05519 0.05510 0.05457 0.05524 0.05357 0.05477 0.05291 C (µg/l) 1.348 1.376 1.33 1.39 1.214 1.358 1.145 Mass Bias 1.01477 1.01477 1.01477 1.01477 1.01477 1.01477 1.01477 Gecorr. C (µg/l) 1.3679 1.3963 1.3496 1.4105 1.2319 1.3781 1.1619 1.3280 0.0939 7.07 0.28 0.94 0.27 Isotoopratio 0.01486 0.01476 0.01462 0.01472 0.01446 0.01445 0.01493 C (µg/l) 0.3 0.166 0.102 0.131 0.12 0.159 0.29 Mass Bias 0.95616 0.95616 0.95616 0.95616 0.95616 0.95616 0.95616 Gecorr. C (µg/l) 0.2868 0.1587 0.0975 0.1253 0.1147 0.1520 0.2772 0.1732 0.0773 44.63 0.23 0.77 0.22 Isotoopratio 2.1484 2.1678 2.1067 2.1791 2.1874 2.1471 2.2166 2.1332 C (µg/l) 223.688 225.929 214.695 222.071 222.863 220.861 227.974 218.271 Zilver: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Gemiddelde St.Dev RSD AG BG r IJzer: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Gemiddelde St.Dev RSD AG BG r Mass Bias 0.9945 0.9945 0.9945 0.9945 0.9945 0.9945 0.9945 0.9945 Gecorr. C (µg/l) 222.4616 224.6903 213.5179 220.8534 221.6411 219.6500 226.7241 217.0743 220.8266 4.1735 1.89 12.52 41.74 11.80 Isotopen Verdunningen ICP-MS. Juistheid en Nauwkeurigheid t.b.v. Metaalanalyses Pagina 40 van 40
