Inductief gekoppeld plasma-optische emissiespectrometrie (ICP-OES) en inductief gekoppeld plasma-massaspectrometrie (ICP-MS) zijn de meest gevoelige multi-elementtechnieken voor de bepaling van metalen en spoorelementen in watermonsters. Beide technieken brengen het monster via een vernevelaar in een argon-plasma bij 6.000 tot 10.000 K, waarbij alle chemische verbindingen volledig worden geatomiseerd en geïoniseerd. ICP-OES meet vervolgens de karakteristieke lichtemissie van de geëxciteerde atomen; ICP-MS scheidt de ionen op massa/ladingsverhouding (m/z) en bereikt detectiegrenzen tot in het sub-nanogram-per-liter-bereik. Voor wateranalyse — drinkwater, oppervlaktewater, grondwater en afvalwater — zijn beide technieken de referentiemethoden conform ISO 11885 (ICP-OES) en ISO 17294 (ICP-MS). Dit artikel legt uit hoe ICP-emissiemeting werkt in de wateranalyse-praktijk, welke normen van toepassing zijn en hoe u interferenties en matrixeffecten beheerst.
Het monster wordt via een peristaltische pomp aangezogen en in een vernevelaar omgezet in een fijne aerosol. Een spraykamer scheidt grote druppels af — alleen druppels kleiner dan circa 10 micrometer bereiken de toorts. In de toorts wordt een argonstroom inductief verhit door een radiofrequente spoel (27,12 MHz) tot een plasma met temperaturen van 6.000 tot 10.000 K. Bij deze temperaturen worden alle chemische bindingen volledig verbroken, waarna de resulterende atomen worden geëxciteerd en voor een groot deel worden geïoniseerd.
ICP-OES registreert de karakteristieke emissielijnen van de teruggekeerde atomen via een echelle-grating en een tweedimensionale CCD-detector, waardoor 70 of meer elementen simultaan kunnen worden bepaald in één tot drie minuten per monster. ICP-MS leidt de ionen door een interface van sampler en skimmer cones naar een vacuümsysteem, waarna een quadrupole-massafilter of sectorveld-analysator de ionen scheidt op m/z-verhouding en detectiegrenzen bereikt die 100 tot 1.000 keer lager liggen dan ICP-OES.
Het fundamentele verschil met atoomabsorptiespectroscopie (AAS) is dat ICP een emissie-plasma gebruikt dat geen externe lichtbron vereist, terwijl AAS afhankelijk is van een holle-kathode-lamp per element. ICP is daardoor inherent geschikt voor simultane multi-elementbepaling. Zie ook het kennisbankartikel over ICP-MS en ICP-OES: elementanalyse, detectiegrenzen en toepassingen voor een uitgebreide beschrijving van de instrumentarchitectuur en interfacetypes.
Argon is het standaard plasmagas in ICP om drie redenen. Ten eerste is argon chemisch inert: het reageert niet met de analyt-elementen en veroorzaakt geen chemische verbindingen die het signaal zouden verstoren. Ten tweede heeft argon een relatief lage ionisatie-energie (15,76 eV), waarmee het plasma stabiel brandt bij praktisch hanteerbare RF-vermogens van 1.000 tot 1.600 watt. Ten derde heeft argon een hoge thermische geleidbaarheid bij plasma-temperaturen, zodat de energie efficiënt wordt overgedragen op het monstermengsel. Stikstof en helium worden incidenteel gebruikt als toevoeging voor specifieke doeleinden — helium als botsingsgas in de collision cell, stikstof om koolstofneerslag op de toorts te verminderen — maar als draaggascomponent voor het plasma blijft argon de enige praktische keuze. De aanwezigheid van argon in het plasma is tevens de oorzaak van de meest bekende interferentiegroep: argon-verbindingen als ArCl⁺ en ArO⁺, die bepaalde analyt-massa's overlappen.
ICP-OES en ICP-MS kunnen in principe alle elementen bepalen die in geïoniseerde toestand voorkomen en een meetbaar emissie- of massa-signaal geven. In de praktijk van wateranalyse zijn de meest bepaalde elementen:
Prioritaire metalen en metalloïden (conform Europese drinkwater- en KRW-normen): arseen (As), lood (Pb), cadmium (Cd), kwik (Hg), nikkel (Ni), chroom (Cr), antimoon (Sb), seleen (Se), barium (Ba), borium (B), uranium (U) en thallium (Tl). Deze worden doorgaans via ICP-MS bepaald vanwege de vereiste lage detectiegrenzen.
Macrocomponenten en voedingsstoffen: calcium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), kalium (K), ijzer (Fe), mangaan (Mn), aluminium (Al), koper (Cu), zink (Zn), fosfor (P) en silicium (Si). Bij hogere concentraties worden deze via ICP-OES bepaald, waarbij zo nodig verdunning wordt toegepast. Elementen als chloor, fluor en stikstof zijn via ICP minder goed toegankelijk en worden voor die doeleinden beter bepaald via respectievelijk ionenchromatografie en fotometrische methoden.
Watermonsters lijken op het eerste gezicht ideale monsters voor ICP: ze zijn al vloeibaar, bevatten lage concentraties doelanalyten en vereisen doorgaans geen uitgebreide destructie. Toch stelt de wateranalyse specifieke eisen die afwijken van standaard ICP-toepassingen.
De matrixsamenstelling varieert sterk per watertype. Drinkwater heeft een relatief lage ionenbelasting, maar bevat natrium, calcium, magnesium, chloride en sulfaat die allen interferenties kunnen veroorzaken. Oppervlaktewater bevat organische zwevende stof en humusverbindingen. Afvalwater kan hoge concentraties zware matrices bevatten — loog, zuren, oliën, hoge TDS (Total Dissolved Solids) — die zonder aanpassing het plasma destabiliseren en de vernevelaar verstoppen. Zeewater stelt door de hoge natriumchloridematrix (circa 35 g/l) extra eisen aan de instrumentconfiguratie.
De doelconcentraties in wateranalyse zijn doorgaans extreem laag. De Europese drinkwaternorm voor arseen bedraagt 10 microgram per liter, voor lood 5 microgram per liter en voor kwik 1 microgram per liter. Prioritaire stoffen in oppervlaktewater worden bewaakt op nanogram-per-liter-niveau. Dit vereist ICP-MS als detectiemethode — ICP-OES mist bij dergelijke concentraties doorgaans de benodigde gevoeligheid.
De polyatomaire interferenties zijn in watermonsters karakteristiek anders dan in geologische of biologische matrices. De aanwezigheid van chloride — zelfs in drinkwater aanwezig als desinfectieresidu — genereert in het plasma argon-chloride-ionen (ArCl+) bij m/z 75, precies de masse van arseen-75. Hoge sulfaatconcentraties in afvalwater veroorzaken interferenties bij meerdere elementen. Collision/reaction cell (CRC) technologie of triple-quadrupole ICP-MS (ICP-MS/MS) is dan vereist om betrouwbare arseen- en seleen-bepalingen te realiseren.
De monstervoorbereiding voor ICP-wateranalyse is minder ingrijpend dan voor vaste monsters, maar vergt aandacht voor conservering, aanzuring en filtratie.
Conservering en aanzuring. Watermonsters worden direct na bemonstering
Filtratie. Voor de bepaling van opgeloste metalen wordt het monster gefilterd door een membraanfilter van 0,45 micrometer. Voor ICP-MS en bij sub-microgram-per-liter-analyses verdient een filter van 0,2 micrometer aanbeveling om deeltjes uit te sluiten. Gebruik membraanfilters van cellulose-acetaat of polysulfonaat — vermijd filters die metaalionen kunnen afstaan. In het assortiment van Labvakhandel zijn membraanfilters beschikbaar in diverse materialen en poriegroottes.
Verdunning en interne standaard. Monsters met een hoog TDS-gehalte (afvalwater, grondwater met hoge hardheid) worden verdund met ultrapuur water van ASTM Type I of ISO Grade 1 — zie het kennisbankartikel over waterkwaliteit in het laboratorium voor de specificaties. Aan alle oplossingen wordt een interne standaard toegevoegd (typisch rhodium, indium en renium bij ICP-MS) voor correctie van signaalvariaties en matrixeffecten. De eindmatrix voor alle standards en monsters is 2% HNO₃ in ultrapuur water.
Digestion. Totaalmetaalbepaling inclusief zwevende stof (conform ISO 15587) vereist een destructiestap: het monster wordt met HNO₃ of een mengzuur (HNO₃/HCl) in een gesloten PTFE-vat in een microgolfoven verhit. Dit lost ook de deeltjesgebonden fractie volledig op. Voor routine drinkwater- en oppervlaktewateranalyse waarbij alleen de opgeloste fractie bepaald wordt, is digestion niet noodzakelijk.
ICP-emissiemeting in de wateranalyse is ingebed in een uitgebreid stelsel van Europese richtlijnen en ISO-normen. De meetmethode is niet vrij te kiezen: voor wettelijk verplichte monitoring schrijven richtlijnen en normen de kwaliteitseisen voor waaraan de methode moet voldoen.
De herziene Europese drinkwaterrichtlijn (2020/2184) stelt grenswaarden voor 26 parameters, waaronder 12 metaalparameters waarvoor ICP de voorkeursmethode is. De meest relevante grenswaarden zijn: arseen 10 microgram per liter, lood 5 microgram per liter (te realiseren uiterlijk 2036), cadmium 5 microgram per liter, kwik 1 microgram per liter, chroom 25 microgram per liter (tijdelijke waarde, later 10), nikkel 20 microgram per liter en antimoon 5 microgram per liter. De referentienorm voor metaalanalyse in drinkwater is ISO 17294-2 (ICP-MS) en ISO 11885 (ICP-OES). Voor kwik geldt aanvullend ISO 5666 via CV-AAS of ICP-MS vanwege de bijzondere voorzorgen rondom kwikdamp.
ICP-MS is voor drinkwateranalyse de voorkeursmethode vanwege de combinatie van lage detectiegrenzen, multi-elementcapaciteit en conformiteit met de vereiste analysefrequenties. Een gemiddeld drinkwaterlaboratorium analyseert tientallen tot honderden monsters per week; de hoge doorvoer van ICP-MS (typisch 50 tot 100 monsters per uur bij geautomatiseerde handling) maakt dit haalbaar.
De Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) schrijft milieukwaliteitsnormen (MKN) voor 33 prioritaire stoffen en prioritaire gevaarlijke stoffen voor in oppervlaktewater. Voor de meeste metaalachtige prioritaire stoffen — kwik, cadmium, lood, nikkel en arseen — zijn de MKN zo laag dat uitsluitend ICP-MS de vereiste gevoeligheid biedt. De EU-richtlijn 2013/39/EU specificeerde aanvullende MKN voor de matrices water, biota en sediment. Monitoring dient te voldoen aan de kwaliteitscriteria van Richtlijn 2009/90/EG over technische specificaties voor wateranalyse, die meetonzekerheid, LOD en LOQ definieert in relatie tot de MKN.
Lozingseisen voor metalen in afvalwater worden vastgelegd in omgevingsvergunningen, gebaseerd op Beste Beschikbare Technieken (BBT) conform de IED-richtlijn (2010/75/EU). ICP-OES is voor afvalwateranalyse doorgaans toereikend, omdat de grenswaarden hoger liggen dan voor drinkwater of oppervlaktewater. Bij lozingen in waterlichamen waarvoor KRW-normen gelden, is ICP-MS vereist wanneer de effluentconcentratie in de buurt van de MKN komt.
De Grondwaterrichtlijn stelt kwaliteitsnormen voor arseen (10 microgram per liter), cadmium (0,5 microgram per liter) en lood (10 microgram per liter) in grondwater. De bepaling vereist ICP-MS voor cadmium, dat in clean grondwater doorgaans ver onder 0,5 microgram per liter voorkomt. Arseen in grondwater — in Nederland relevant vanwege de holocene klei- en veengebieden — wordt bepaald conform NEN 6966 (ICP-MS) of als aanvulling op waterhardheidsbepalingen via EDTA-titratie.
Watermonsters bevatten componenten die kenmerkende interferenties geven in ICP-MS. De beheersing hiervan is een kerncompetentie van het wateranalyselaboratorium.
Een polyatomaire interferentie ontstaat wanneer twee of meer atomen in het plasma een stabiel ion vormen met dezelfde nominale massa als het te meten analyt-isotoop. Het quadrupole-massafilter kan op basis van massa alleen geen onderscheid maken tussen het analyt-ion en het polyatomaire stoorsignaal. De ion-combinaties die het meest voorkomen in wateranalyse zijn samengesteld uit elementen die in de watermatrix of het plasmagas aanwezig zijn: argon (Ar), stikstof (N), zuurstof (O), chloor (Cl), zwavel (S), koolstof (C) en waterstof (H).
Chloride is in vrijwel elk watermonster aanwezig, hetzij als desinfectieresidu in drinkwater (restchloor 0,1–0,5 mg/l Cl), hetzij als hoofdcomponent in brak water of afvalwater. In het argon-plasma reageert chloor met argon tot polyatomaire ionen. De meest problematische zijn ⁴⁰Ar³⁵Cl⁺ (m/z = 75, interfereert met ⁷⁵As — het enige stabiele arseen-isotoop) en ⁴⁰Ar³⁷Cl⁺ (m/z = 77, interfereert met ⁷⁷Se). Sulfaat genereert ³²S¹⁶O⁺ bij m/z = 48 (interfereert met ⁴⁸Ti) en ³²S¹⁶O⁶ bij m/z = 64 (interfereert met ⁶⁴Zn en ⁶⁴Ni).
Een collision/reaction cell (CRC) is een reactiekamer die vóór het massafilter is geplaatst en polyatomaire interferenties elimineert via twee mechanismen. Bij gebruik van helium als botsingsgas verliezen polyatomaire ionen meer kinetische energie dan monatomaire analyt-ionen door hun grotere doorsnede, waarna een energiediscriminatiepotentiaal de polyatomaire ionen tegenhoudt. Dit principe heet kinetic energy discrimination (KED). Bij gebruik van reactiegassen — waterstof, methaan of zuurstof — worden de interfererende polyatomaire ionen chemisch omgezet in neutrale moleculen of ionen met een andere massa, terwijl de analyt-ionen onveranderd blijven of als nieuw reactieproduct worden gemeten op een andere, interferentievrije massa.
Voor arseen in chloride-houdend water — een van de meest gestelde analysetaken in de waterchemie — biedt ICP-MS/MS (triple quadrupole) de definitieve oplossing: MS1 selecteert m/z 75, de reaction cell reageert de ArCl-interferentie weg met O₂-gas (waarbij As⁺ wordt omgezet in AsO⁺ bij m/z 91), en MS2 filtert het reactieproduct. Detectiegrenzen voor arseen in chloride-houdend water van 0,1 microgram per liter zijn haalbaar met ICP-MS/MS.
Isobare interferenties treden op wanneer twee isotopen van verschillende elementen dezelfde nominale massa hebben. In wateranalyse zijn ⁴⁰Ca en ⁴⁰Ar de bekendste: bij m/z 40 overlapt argon volledig met calcium-40, waardoor calcium uitsluitend via de mineurmassa's ⁴⁶Ca of ⁴⁴Ca kan worden bepaald. Bij ICP-OES spelen isobare interferenties op atomair niveau minder sterk, maar wellicht wel spectrale overlapping van emissielijnen — waarvoor moderne echelle-instrumenten lijnkeuze-algoritmen aanbieden.
Bij hoge concentraties van hoofdelementen (Na, Ca, Mg) in de matrix — typisch in grondwater, afvalwater of zeewater — treedt matrixsuppressie op in ICP-MS. Hoge densiteit van ionen in de ionenbundel veroorzaakt een space-charge-effect: zwaardere ionen worden geprefereerd doorgelaten, terwijl lichtere ionen worden afgestoten. Dit leidt tot ondersignalering van lichte elementen als Li, Be en B. Correctiemethoden zijn verdunning, gebruik van een interne standaard met vergelijkbare massa (In voor middelzware elementen, Rh voor lagere massa, Re voor hogere massa) en online-verdunning via flow-injection.
Niet de totaalconcentratie van een element, maar de chemische vorm bepaalt de toxiciteit en het milieugedrag. In de wateranalyse is speciatie-analyse — de bepaling van individuele chemische vormen van hetzelfde element — essentieel voor arseen, chroom, seleen en organotin.
Arseen komt in water voor als anorganisch As(III) (arseniet) en As(V) (arsenaat), en als organische vormen (monomethylarseen, dimethylarseen). Anorganisch As(III) is circa 50 tot 60 keer toxischer dan As(V). De standaardmethode voor arsenspeciatie in water is ionenchromatografie (IC) gekoppeld aan ICP-MS (IC-ICP-MS), conform EPA-methode 321.8 en ISO 28540. De IC scheidt de arsenvormen op basis van ionenwisseling; ICP-MS detecteert elke fractie na elutie. Detectiegrenzen van 0,1 microgram per liter per arsensoort zijn routinematig haalbaar.
Chroom komt voor als Cr(III) en het genotoxische, carcinogene Cr(VI). De Europese drinkwaterrichtlijn 2020/2184 heeft een tijdelijke grenswaarde van 25 microgram per liter totaalchroom (te verlagen naar 10 microgram per liter). Cr(VI) in drinkwater vereist IC-ICP-MS of onlijnse speciatie via pre-kolom concentrering. ICP-OES met HPLC-koppeling is een alternatief bij hogere concentraties, maar mist de gevoeligheid voor de nieuwe drinkwaternormen.
Seleen (Se(IV)/Se(VI)) en organotin in brak water en mariene milieus worden eveneens via IC-ICP-MS of HPLC-ICP-MS bepaald. De koppeling van vloeistofchromatografie aan ICP-MS voor speciatie-analyse valt onder de bredere categorie LC-ICP-MS, beschreven in het kennisbankartikel over LC-MS en LC-MS/MS (zie ook de verwijzing naar ICP-MS-koppeling in dat artikel).
Een correcte kalibratie is de basis voor traceerbare resultaten conform ISO 17025. Voor ICP-wateranalyse zijn de volgende stappen standaard.
Standaardreeks. Bereid een meerpuntsstandaardreeks (minimaal vijf niveaus inclusief blanco) in dezelfde zuurmatrix als de monsters, typisch 2% HNO₃ in ultrapuur water. De standaardconcentraties moeten het te verwachten concentratiebereik van de monsters omspannen. Multi-element standaardoplossingen van gecertificeerde leveranciers (NIST, Merck CertiPUR, Inorganic Ventures) bieden traceerbaarheid naar het SI-meetstelsel.
Interne standaard. Voeg aan alle oplossingen (blanco, standards, monsters, controlemonsters) een interne standaard toe in een vaste concentratie, typisch 10 tot 100 microgram per liter. Kies isotopen die niet in het monster voorkomen en die de analyt-massa's representeren: bismut (Bi, m/z 209) voor zware elementen, renium (Re, m/z 185/187) voor middelzware, indium (In, m/z 115) voor middelzware lichte, en scandium (Sc, m/z 45) voor lichte elementen. De correctiefactor (IS₄verwacht / IS₄gemeten) corrigeert voor signaalvariaties door plasmadrift, vernevelaarschommelingen en matrixeffecten.
Kalibratieverificatie. Controleer de lineariteit (r² ≥ 0,9998) en meet na elke tien tot twintig monsters een onafhankelijk gecertificeerd referentiemateriaal (CRM) ter verificatie van de terugvinding. Voor drinkwater zijn NIST SRM 1640a (Trace Elements in Natural Water) en BCR-713 (Inorganic Constituents in Wastewater) geschikte CRM's. Acceptabele terugvinding bedraagt 90 tot 110%; buiten dit bereik wordt de meting herbeoordeeld.
Blancobeheer. Gebruik procesblanco's die alle stappen van de monstervoorbereiding doorlopen (inclusief het gebruik van flessen, pipetten en aanzuurstap). Hoge blancosignalen wijzen op contaminatie van reagentia, containers of de apparatuur. Ultrapuur water van ASTM Type I is een minimumvereiste voor alle verdunningen en spoelvloeistoffen. Zie ook de productpagina voor demiwater en gedestilleerd water als spoeloplossing bij minder kritische toepassingen.
Een ICP-wateranalyse volgt doorgaans onderstaand protocol conform ISO 11885 (OES) of ISO 17294-2 (MS).
1. Monstername en bewaring. Neem monsters in HDPE- of polypropyleen-flessen (geen glas vanwege boroonsafgifte). Conserveer direct met HNO₃ tot pH < 2. Bewaar koel en duister; analyseer binnen 28 dagen (conform ISO 5667-3). Voor de opgeloste fractie: filtreer vóór aanzuren door een 0,45 micrometer membraanfilter.
2. Voorbereiding ICP-systeem. Start het instrument en laat het argon-plasma minimaal 15 tot 30 minuten stabiliseren. Spoel de vernevelaar met 2% HNO₃. Voer een dagsafstemming uit met een tune-oplossing (Li, Y, Ce, Tl voor ICP-MS; multi-element voor ICP-OES) om plasma-instellingen te optimaliseren. Stel RF-vermogen (1.100–1.550 W), koelgasflow (12–15 l/min Ar), hulpgasflow en vernevelaarflow in.
3. Kalibratie. Meet de standaardreeks van laag naar hoog en controleer lineariteit. Voeg interne standaard toe aan alle oplossingen. Controleer de blanco op afwezigheid van storende signalen.
4. Monsterserie. Meet blanco, standaarden en monsters in volgorde. Spoel 30 tot 60 seconden met 2% HNO₃ tussen monsters om carry-over te voorkomen. Meet elke tien tot twintig monsters een kalibratiecontrole (mid-range standaard) en een CRM als kwaliteitscontrole.
5. Berekening en rapportage. Pas verdunningsfactoren toe en corrigeer voor de procesblanco. Rapporteer resultaten in microgram per liter (μg/l) of milligram per liter (mg/l), vermeld de meetonzekerheid conform GUM en vergelijk met de toepasselijke normen.
6. Afsluiting en onderhoud. Spoel het systeem 5 tot 10 minuten met 2% HNO₃ en vervolgens met ultrapuur water. Schakel het plasma uit. Reinig wekelijks de vernevelaar en spraykamer; inspeceer maandelijks de toorts. Controleer bij ICP-MS kwartaallijks de sampler en skimmer cones op erosie; vervang bij zichtbare slijtage of aanhoudende signaalvariatie.
ICP staat voor Inductively Coupled Plasma, in het Nederlands inductief gekoppeld plasma. "Inductief gekoppeld" verwijst naar de manier waarop het plasma wordt gegenereerd: een radiofrequente spoel (RF-spoel) induceert elektrische stromen in een argongasstroom via elektromagnetische inductie, vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een transformator. Daardoor bereikt het gas plasma-temperaturen van 6.000 tot 10.000 K zonder dat er fysiek contact is tussen de spoel en het gas. OES staat voor Optical Emission Spectrometry (optische emissiespectrometrie) en MS voor Mass Spectrometry (massaspectrometrie). De afkorting ICP-OES wordt ook wel ICP-AES (Atomic Emission Spectrometry) gebruikt; beide aanduidingen verwijzen naar dezelfde techniek.
ICP-OES en ICP-MS gebruiken hetzelfde argon-plasma als ionisatiebron, maar verschillen in detectieprincipe en daarmee in toepassingsgebied. ICP-OES meet de lichtuitstraling van geëxciteerde atomen op karakteristieke golflengten via een spectrometer; ICP-MS scheidt de gevormde ionen op massa/ladingsverhouding en telt afzonderlijke ionen via een detectorsysteem. Het directe gevolg is een groot verschil in gevoeligheid: ICP-MS bereikt detectiegrenzen in het sub-nanogram-per-liter-bereik (0,001 tot 0,01 μg/l), terwijl ICP-OES typisch in het bereik van 0,001 tot 0,1 mg/l opereert — een factor 100 tot 1.000 minder gevoelig. ICP-OES is robuuster bij complexe matrices met hoge TDS en minder gevoelig voor polyatomaire interferenties; ICP-MS vereist interferentiebeheersing via CRC of MS/MS maar is onmisbaar voor de laagste drinkwater- en milieunormen. Voor een uitgebreide vergelijking van instrumentarchitectuur, interfacetypes en detectorgevoeligheid, zie het kennisbankartikel over ICP-MS en ICP-OES.
IC (ionenchromatografie) en ICP (inductief gekoppeld plasma) zijn complementaire technieken die in de wateranalyse regelmatig samen worden ingezet, maar een fundamenteel ander doel dienen. IC is een scheidingstechniek: de methode splitst ionische componenten van een watermonster op basis van hun affiniteit voor een ionenwisselkolom en detecteert ze vervolgens via een conductiviteitsmeter of UV-detector. IC is bij uitstek geschikt voor anionen als chloride, nitraat, sulfaat en fosfaat, en voor kationen als natrium, kalium, calcium en magnesium. ICP is een detectietechniek op basis van een heet argon-plasma dat elementen atomiseert, ioniseert en detecteert via emissie (ICP-OES) of massa (ICP-MS). ICP is de methode voor metalen en metalloïden in water, waarbij het plasma ook de chemische verbindingsvorm van het element vernietigt en uitsluitend elementinformatie geeft. De combinatie IC-ICP-MS — waarbij IC de scheidingsstap levert en ICP-MS de detectie — maakt speciatie-analyse mogelijk: de individuele chemische vormen van arseen, chroom of seleen worden door de IC gescheiden en daarna elementspecifiek gemeten door ICP-MS. Zie ook het kennisbankartikel over ionenchromatografie voor een uitgebreide beschrijving van de IC-techniek.
De toelaatbare chlorideconcentratie in een watermonster voor ICP-MS hangt sterk af van de instrumentconfiguratie. Zonder interferentiebeheersing geeft een chlorideconcentratie al vanaf circa 1 mg/l een meetbare positieve fout bij de arseen-bepaling op m/z 75, doordat het polyatomaire ion ⁴⁰Ar³⁵Cl⁺ met nagenoeg dezelfde massa als arseen-75 wordt gevormd. Met een collision cell in KED-modus (helium als botsingsgas) is chloride tot circa 100 mg/l hanteerbaar voor arseen. Met ICP-MS/MS en zuurstof als reactiegas — waarbij arseen als AsO⁺ op m/z 91 wordt gemeten — zijn chlorideconcentraties tot 3 g/l (3.000 mg/l) goed hanteerbaar. Voor routinematige drinkwateranalyse (chloride doorgaans 10 tot 60 mg/l) volstaat een CRC in KED-modus. Voor brak water, zeewater of afvalwater met hogere chloridegehalten is ICP-MS/MS of een verdunningsstap vereist. Voor ICP-OES vormt chloride als zodanig geen spectrale interferentie, maar hoge TDS door natriumchloride kan wel matrixsuppressie veroorzaken. Is 20 ppm (mg/l) chloor te hoog voor ICP-MS? Nee, 20 mg/l chloride is bij een moderne ICP-MS met CRC goed beheersbaar; problemen beginnen typisch pas boven 100 mg/l bij instrumenten zonder adequate interferentiebeheersing.
Het fundamentele onderscheid is dat AAS (atoomabsorptiespectroscopie) één element per meting bepaalt en een externe lichtbron (een elementspecifieke holle-kathode-lamp) vereist, terwijl ICP simultaan tientallen elementen bepaalt via een gedeeld plasma als ionisatiebron. Voor routine wateranalyse waarbij twintig of meer elementen worden gevraagd, is ICP in doorvoer en kostenefficiëntie beduidend voordeling boven AAS. GF-AAS (grafietoven-AAS) haalt wel vergelijkbare detectiegrenzen als ICP-MS voor elementen als lood en cadmium en heeft lagere instrumentkosten — het is daarmee een valide keuze voor laboratoria die slechts enkele elementen hoeven te bepalen. Vlam-AAS is voor wateranalyse op spoorniveau onvoldoende gevoelig. Zie het kennisbankartikel over atoomabsorptiespectroscopie voor een overzicht van de AAS-varianten en hun toepassingsgrenzen.
ICP staat voor Inductively Coupled Plasma. Bij wateranalyse wordt het watermonster via een peristaltische pomp en een vernevelaar als fijne nevel in een argon-plasma gebracht dat door een radiofrequente spoel op 6.000 tot 10.000 K wordt gehouden. Op die temperatuur worden alle chemische verbindingen in het monster volledig geatomiseerd en geïoniseerd. ICP-OES meet vervolgens de karakteristieke lichtuitstraling van de elementen op specifieke golflengten; ICP-MS scheidt de ionen op massa en telt ze via een detector. Het resultaat is een simultane kwantitatieve meting van tientallen elementen in één analysegang van twee tot vijf minuten. ICP wordt bij wateranalyse ingezet omdat de techniek detectiegrenzen haalt die met andere methoden niet of moeilijk bereikbaar zijn — in het geval van ICP-MS tot in het sub-nanogram-per-liter-bereik — en omdat multi-elementbepaling in één meting efficiënter is dan elke elementspecifieke techniek apart. Een uitgebreide beschrijving van het werkingsprincipe en de instrumentarchitectuur staat in de sectie "Principe van ICP-emissiemeting" hierboven.
Een ICP-wateranalyse omvat zes stappen: (1) monstername en bewaring in HDPE-flessen met HNO₃ tot pH < 2; (2) filtratie door een 0,45 micrometer membraanfilter als uitsluitend de opgeloste fractie gewenst is; (3) verdunning naar 2% HNO₃-matrix met toevoeging van een interne standaard; (4) instrumentvoorbereiding met plasma-stabilisatie en dagsafstemming; (5) kalibratie via een meerpuntsstandaardreeks en verificatie met een gecertificeerd referentiemateriaal; (6) meting van de monsterserie met tussentijdse kalibratiecontroles en blancobeheer. De stap-voor-stap-uitvoering is uitgewerkt in de sectie "Praktische uitvoering: stap voor stap" in dit artikel.
Het lineaire dynamische bereik van ICP-MS loopt over acht tot negen decaden, van sub-ng/l tot mg/l. Voor drinkwater zijn de doelconcentraties voor prioritaire metalen doorgaans in het bereik van 0,1 tot 25 microgram per liter. Een standaardreeks van 0, 0,5, 1, 5, 10, 25 en 50 microgram per liter dekt dit bereik. Voor macrocomponenten als calcium, magnesium, natrium en kalium wordt het monster 100 tot 1.000 keer verdund, of worden de macrocomponenten via ICP-OES bepaald terwijl ICP-MS zich richt op de spoorelementen.
De instrumentele detectiegrens (IDL) van een moderne ICP-MS ligt voor de meeste elementen in het bereik van 0,001 tot 0,1 microgram per liter bij meting van een zuivere standaardoplossing. In de praktijk van wateranalyse is de methodedetectiegrens (MDL) — die rekening houdt met de volledige monstervoorbereiding, matrix en blancoruis — doorgaans twee tot vijf keer hoger dan de IDL. Voor arseen in drinkwater ligt de MDL bij gebruik van ICP-MS/MS met O₂-reactiegas typisch op 0,05 tot 0,1 microgram per liter, ruim onder de Europese norm van 10 microgram per liter. Voor cadmium in grondwater, met een KRW-norm van 0,08 tot 0,45 microgram per liter afhankelijk van het waterlichaamtype, is ICP-MS met een MDL van 0,01 microgram per liter de enig haalbare methode.
Röntgenfluorescentie (XRF) is primair een techniek voor vaste monsters en dunne films en is niet geschikt voor de directe analyse van waterige oplossingen op spoorniveau. ICP-MS en ICP-OES zijn de instrumenten voor wateranalyse vanwege de drie tot zes ordes lagere detectiegrenzen in vloeistofmonsters. XRF wordt wel ingezet voor de analyse van zwevende stof of sediment na droogdampen van een watermonster, maar dat is een indirecte methode met hogere detectiegrenzen.
Bij een geautomatiseerd laboratorium dat werkt conform ISO 17025 zijn ICP-resultaten voor een drinkwatermonster (typisch 20 tot 30 elementen) beschikbaar binnen 24 tot 48 uur na ontvangst, inclusief monstervoorbereiding, kalibratie, meting, resultaatberekening en kwaliteitscontrole. Spoedanalyse binnen vier tot acht uur is bij de meeste gecertificeerde drinkwaterlaboratoria mogelijk. De meettijd zelf is slechts twee tot vijf minuten per monster.
Vergelijk de gemeten concentraties met de geldende normen (EU-richtlijn 2020/2184 voor drinkwater; MKN voor oppervlaktewater). Let op de meetonzekerheid — een resultaat van 9,2 microgram per liter arseen bij een grenswaarde van 10 microgram per liter met een meetonzekerheid van ±1,5 microgram per liter is formeel niet in overschrijding, maar vereist nader onderzoek. Controleer of de terugvinding van het CRM binnen 90 tot 110% lag — zo niet, zijn de resultaten van die serie niet betrouwbaar en moeten monsters opnieuw worden geanalyseerd. Resultaten onder de LOD worden gerapporteerd als <LOD of <1/2 LOD conform de analytische conventies.
Chloor (als element Cl, atomair gewicht 35/37) is in principe meetbaar via ICP-OES via de 134,7 nm en 135,2 nm vacuüm-UV-emissielijnen. Dit vereist een ICP-OES met vacuüm-UV-capabiliteit (VUV) en zuivere stikstof- of argonatmosfeer in de optische bank. In de wateranalyse wordt chloor echter doorgaans bepaald als chloride-ion via ionenchromatografie (IC) of via potentiometrische titratie — methoden die eenvoudiger en nauwkeuriger zijn voor routinecontrole van drinkwater. ICP-MS is voor chloor ongeschikt als doelelement, omdat chloor-isotopen juist de bron zijn van de arsenicuminterferentie.
Er bestaat geen specifieke "chloornorm voor ICP". Bedoelt u de norm voor chloor (chloride) in drinkwater: de Europese drinkwaterrichtlijn stelt geen grenswaarde voor chloride, maar een indicatorwaarde van 250 mg/l voor smaak (annex I, deel C). Voor drinkwateranalyse wordt chloride bepaald via IC, niet via ICP. Bedoelt u het chloridegehalte dat toelaatbaar is in een ICP-watermonster zonder dat de arsenicuminterferentie optreedt: dat hangt af van de instrumentconfiguratie. Zonder CRC of MS/MS kan een chlorideconcentratie hoger dan 1 mg/l al een significante interferentie geven bij arseen-75. Met ICP-MS/MS in O₂-reactiemodus zijn chlorideconcentraties tot 3 g/l hanteerbaar.
De voornaamste chloride-gerelateerde polyatomaire interferenties in ICP-MS zijn: ⁴⁰Ar³⁵Cl⁺ bij m/z 75 (arseen), ⁴⁰Ar³⁷Cl⁺ bij m/z 77 (seleen-77, maar Se heeft meerdere isotopen beschikbaar), en ³⁵Cl¹⁶O⁺ en ³⁵Cl¹⁵N⁺ in het lage massabereik (relevant voor sporenelementen als V en Cr). De ernst neemt toe met stijgend chloridegehalte in het monster. Beheersmethoden zijn CRC (heliumgas), ICP-MS/MS (O₂-reactie voor arseen), coldplasma-techniek (voor chloride-interferenties bij laagmassige elementen) en verdunning van het monster.
In de context van waterzuivering wordt ICP-emissiemeting gebruikt als analytische controletechniek, niet als zuiveringsproces zelf. Drinkwaterbedrijven en waterschappen gebruiken ICP-OES en ICP-MS in hun controlelaboratoria om de kwaliteit van ruw water, tussenliggende processtappen en het distributiewater te bewaken. Typische controlemomenten zijn inlaatcontrole van oppervlaktewater, monitoring na ontharding of ijzerverwijdering, en eindproductcontrole van het distributienet. Voor de waterzuivering als technologie, zie het kennisbankartikel over omgekeerde osmose.
Voor ICP-wateranalyse zijn bij Labvakhandel de volgende producten relevant:
Voor aanvullend advies over de juiste ICP-methode voor uw toepassing, of voor vragen over monstervoorbereiding en normering, kunt u contact opnemen met Labvakhandel.
Bekijk het volledige assortiment laboratoriumproducten van Labvakhandel, of neem contact op voor advies op maat.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is opgesteld op basis van algemeen beschikbare technische en normatieve bronnen en dient uitsluitend als achtergrondkennis. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl is niet aansprakelijk voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische situaties. Raadpleeg de geldende normering en uw instrumentleverancier voor methodeontwikkeling en -validatie.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
