ICP-MS en ICP-OES: elementanalyse, detectiegrenzen en toepassingen

Inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS) en inductief gekoppeld plasma optische emissiespectrometrie (ICP-OES) zijn de meest gevoelige en veelzijdige technieken voor elementanalyse in vloeibare monsters. Beide technieken maken gebruik van een argon-plasma bij 6000–10000 K om het monster volledig te atomiseren en te ioniseren. ICP-OES meet de karakteristieke lichtemissie van de geëxciteerde atomen; ICP-MS scheidt de ionen op massa/ladingsverhouding (m/z) en biedt detectiegrenzen tot in het sub-ng/l-bereik. Beide technieken zijn onmisbaar in milieu-analyse, voedingsmiddelencontrole, farmaceutische industrie en materiaalonderzoek.

Principe

Het monster wordt via een vernevelaar omgezet in een fijne aerosol en via een spraykamer in de ICP-toorts gebracht. In de toorts wordt een argonstroom inductief verhit door een radiofrequente spoel (27,12 MHz), waardoor een plasma ontstaat met temperaturen tot 10000 K. Bij deze temperatuur worden alle chemische verbindingen volledig gedissocieerd, geatomiseerd en geïoniseerd. ICP-OES meet de karakteristieke emissielijnen van de geëxciteerde elementen gelijktijdig via een optisch grating en een CCD-detector. ICP-MS leidt de ionen via een interface (sampler en skimmer cones) naar een vacuümsysteem, waarna een quadrupool-massafilter of sectorveld-analysator de ionen scheidt op m/z.

ICP-OES

ICP-OES (ook aangeduid als ICP-AES) meet de intensiteit van karakteristieke emissielijnen van geëxciteerde atomen en ionen. Moderne instrumenten zijn radiaal of axiaal geconfigureerd: radiale kijkrichting geeft minder matrixinterferenties; axiale kijkrichting biedt lagere detectiegrenzen maar is gevoeliger voor matrixeffecten. Simultaane multi-elementdetectie via een echelle-grating en een tweedimensionale CCD maakt het mogelijk om 70 elementen in één meting te bepalen met analysetijden van 1–3 minuten per monster.

Detectiegrenzen van ICP-OES liggen typisch in het bereik van 0,001–0,1 mg/l, afhankelijk van het element en de matrix. Dit is gevoeliger dan vlam-AAS maar minder gevoelig dan GF-AAS en ICP-MS.

ICP-MS

ICP-MS combineert de ionisatiekracht van het ICP-plasma met de massa-selectiviteit van een massaspectrometer. De detectiegrenzen liggen 100–1000 keer lager dan ICP-OES, typisch in het ng/l tot sub-ng/l bereik. ICP-MS geeft bovendien isotopische informatie, waardoor isotopverdunningsanalyse (IDMS) mogelijk is — een primaire meetmethode met de laagst bereikbare meetonzekerheid. Koppeling van ICP-MS met HPLC of IC voor anionen in water maakt speciatie-analyse mogelijk: de bepaling van verschillende chemische vormen van hetzelfde element (As(III)/As(V), Cr(III)/Cr(VI), organotin).

Typen ICP-MS instrumenten

ICP-MS is beschikbaar in vier fundamenteel verschillende configuraties, elk met eigen toepassingsgebied en prijsklasse:

Wat is MS1 en MS2? Bij een triple quadrupole ICP-MS/MS functioneert de eerste quadrupole (MS1) als massa-filter die alleen de doelmassa doorlaat; de reaction cell reageert de interfererende ionen weg; de tweede quadrupole (MS2) filtert het reactieproduct dat specifiek is voor het doelelement. Dit is dezelfde tandem-MS-architectuur als in LC-MS/MS, maar toegepast op elementanalyse in plaats van moleculaire analyse.

Dominante fabrikanten zijn Agilent Technologies (7900, 8900 QQQ), PerkinElmer (NexION), Thermo Fisher Scientific (iCAP RQ, iCAP TQ, Element XR sector-field) en Shimadzu (ICPMS-2050). Voor ICP-OES: Agilent (5800/5900 SVDV), PerkinElmer (Avio), Thermo Fisher (iCAP PRO) en Shimadzu (ICPE-9800).

Interferenties in ICP-MS

ICP-MS kent twee typen interferenties. Isobare interferenties treden op wanneer twee isotopen van verschillende elementen dezelfde nominale massa hebben (bijv. ⁶⁶Zn en ⁶⁶Ni bij m/z = 64). Polyatomaire interferenties zijn afkomstig van moleculaire ionen die in het plasma worden gevormd (bijv. 40Ar40Ar⁺ bij m/z = 80, interfererend met ⁸⁰Se; 40Ar56Cl⁺ bij m/z = 75, interfererend met 75As). Collision/reaction cell (CRC) technologie verwijdert polyatomaire interferenties door reactie met H₂ of He in een drukkamer vóór de massaanalysator.

Nauwkeurigheid, beperkingen en vergelijking met andere technieken

Hoe nauwkeurig zijn ICP-OES en ICP-MS?

Welke elementen kan ICP-MS niet meten?

ICP-MS is in principe geschikt voor alle elementen met een atomair gewicht > 6 die ioniseerbaar zijn in het argonplasma. De volgende elementen zijn problematisch of niet meetbaar:

• H, C, N, O, F — lichte elementen met massa < 12; ICP-MS werkt niet beneden m/z ≈ 6–7. Bovendien vormen C, N en O de achtergrondmatrix van het plasma en de lucht; niet te meten via ICP-MS.
• Edelgassen (He, Ne, Ar, Kr, Xe) — zeer lage ionisatiegraad in het argonplasma; bovendien is Ar het dragergas zelf en overheerst het signaal.
• Zuurstof (O) en zwavel (S) — hoge ionisatiepotentiaal; ICP-MS is minder gevoelig voor niet-metalen met hoge ionisatie­ potentiaal (> 8 eV). Voor S is ICP-OES (181 nm vacuüm-UV-lijn) of IC de aangewezen methode.

Is ICP-MS destructief? Ja — het monster wordt volledig geatomiseerd en geïoniseerd in het plasma bij temperaturen tot 10.000 K. Voor de kwantitatieve bepaling van koolstof, waterstof, stikstof en zwavel in organische verbindingen, biomassa en bodemmonsters — de elementen die ICP-MS juist niet kan meten — is CHNS-elementanalyse (verbrandingsanalyse) de aangewezen methode. CHNS en ICP zijn daarmee complementaire technieken voor een volledig elementprofiel van een monster. Alle moleculaire informatie gaat verloren; het monster is na de meting niet meer bruikbaar. Dit is fundamenteel anders dan niet-destructieve technieken zoals XRF, FTIR of NMR waarbij het monster intact blijft.

ICP-MS en ICP-OES versus andere technieken

Raman-spectroscopie is een aanvullende vibratietechniek die complementair is aan FTIR; zie het kennisbankartikel over Raman.

Monstervoorbereiding voor ICP

Vloeistoffen worden direct of na verdunning geïnjecteerd. Vaste monsters en biologisch materiaal worden volledig opgelost via:

• Natte destructie — verhitting met geconcentreerd salpeterzuur (HNO₃) en eventueel HCl, H₂O₂ of HF in open systeem of onder druk.
• Microgolfdestructie — gesloten PTFE-vaten in een microgolfoven; snellere en completere destructie bij hogere temperatuur en druk; minder contaminatierisico.
• Droge verassing — verbranding in muffeloven bij 450–550 °C, gevolgd door oplossen van het residu in zuur. Geschikt voor organisch materiaal; risico op verlies van vluchtige elementen (As, Hg, Se, Pb).
• Monsterfiltratie — filtreer opgeloste monsters door een membraanfilter van 0,2 of 0,45 μm voordat het in het instrument wordt gebracht. Deeltjes verstoppen de vernevelaar en beschadigen de spray­kamer.

Toepassingen

Milieu en water

ICP-OES en ICP-MS zijn de referentiemethoden voor multi-element analyse van drinkwater, oppervlaktewater, afvalwater en sediment conform ISO 11885 (ICP-OES) en ISO 17294 (ICP-MS). Prioritaire stoffen en zware metalen conform de Europese Kaderrichtlijn Water (2000/60/EG) worden bewaakt in oppervlaktewater. ICP-MS/MS maakt ultragevoelige arsenicum- en seleen-bepaling mogelijk bij sub-ng/l normen. Voor de waterspecifieke toepassing van ICP-emissiemeting — inclusief normen conform EU-richtlijn 2020/2184, Kaderrichtlijn Water en speciatie-analyse — zie het kennisbankartikel over ICP-emissiemeting voor wateranalyse.

Voedingsmiddelen

Multi-elementscreening van voedingsmiddelen op zware metalen (Pb, Cd, As, Hg, Ni) conform EC-verordening 1881/2006 en 2023/465. Voedingswaarde-elementen (Ca, Fe, Zn, Se, I, Cu, Mn) in voedingssupplementen en babyvoeding worden bepaald via ICP-OES. Speciatie van anorganisch arseen in rijst en rijstproducten via IC-ICP-MS.

Farmaceutische industrie

Elementaire onzuiverheden in geneesmiddelen worden bepaald conform ICH Q3D en USP <232>/<233>. ICP-MS is de voorkeursmethode voor de zogenaamde orale-, parenterale en inhalatie-pDEs (permitted daily exposures) van 24 elementen. Katalysatorresiduen (Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Os) in API’s afkomstig van katalytische synthesestappen vereisen ICP-MS op sub-ppm niveau.

Geologie en materiaalonderzoek

Isotopverhoudingen voor datering (Rb/Sr, U/Pb, Sm/Nd), spoorelementkartering in gesteente en mineralen via laser-ablatie ICP-MS (LA-ICP-MS), en zuiverheidscontrole van hoogzuivere metalen en halfgeleiders.

Gerelateerde technieken

Voor enkelelementanalyse bij lagere kosten is atoomabsorptiespectroscopie (AAS) de eenvoudigere keuze. Ionspeciatie in waterige matrices wordt gecombineerd met UV/Vis-detectie of via koppeling met IC. Voor moleculaire structuuranalyse zijn FTIR, Raman-spectroscopie en NMR de aangewezen technieken. Voor de snelle bepaling van natrium en kalium via atomaire emissie met een vlam — zoals in klinische chemie, landbouw en wateranalyse — is vlamfotometrie (atomaire emissie-spectrometrie) een eenvoudigere en kosteneffectievere optie.

Veelgestelde vragen

Wanneer kies ik ICP-OES boven ICP-MS?

ICP-OES is de voorkeur bij hogere concentraties (mg/l-bereik), zware matrices met hoog gehalte aan opgeloste vaste stoffen (TDS), of wanneer budgetbeperkingen het gebruik van ICP-MS uitsluiten. ICP-MS is noodzakelijk bij concentraties onder 0,1 µg/l, bij isotoopanalyse, speciatie-analyse, of wanneer de vereiste detectiegrens (norm) niet haalbaar is met ICP-OES.

Wat is het effect van een hoge zoutmatrix op ICP-meting?

Hoge concentraties opgeloste vaste stoffen (bijv. zeewater, urine, hoog-zout extracten) leiden tot verstopping van de vernevelaar en sampler cone, matrixgerelateerde signaalonderdrukking (matrix suppression) en verhoging van achtergrondruis. Oplossingen zijn verdunning van het monster, gebruik van een High-Dissolved-Solids (HDS) vernevelaar-spraykamercombinatie, online-verdunning of standaardadditie als kalibratiemethode.

Hoe voer je een ICP-OES of ICP-MS meting stap voor stap uit?

1. Opstarten en stabiliseren — schakel het instrument in en laat het argonplasma minimaal 15–30 minuten stabiliseren voordat een meting begint. Het plasma bereikt pas na opwarming een stabiele temperatuur en ionisatie-efficiëntie. Spoel de vernevelaar met 2 % HNO₃ als blanco spoeloplossing.
2. Optimalisatie plasma­parameters — stel vermogen (typisch 1100–1550 W), koelgasflow (12–15 l/min Ar), hulpgasflow en vernevelaarflow in op basis van een dagelijkse afstemming (tune solution: Li, Y, Ce, Tl bij ICP-MS; multi-element bij ICP-OES).
3. Kalibratie — bereid een meerpunts­ standaardreeks voor (minimaal 5 niveaus inclusief blanco) in dezelfde zuurmatrix als het monster (typisch 2–5 % HNO₃). Voeg een interne standaard toe aan alle oplossingen (bijv. Rh, In, Re bij ICP-MS) voor correctie van signaalvariatie en matrixeffecten. Controleer lineariteit (r² ≥ 0,9998).
4. Meting van monsters — meet blanco, kalibratie­standaarden en monsters in volgorde. Spoel tussendoor met 2 % HNO₃ (30–60 s) om carry-over te voorkomen. Herhaal kalibratiecontrole elke 10–20 monsters (middenstandaard als QC-sample).
5. Resultaat­ berekening — de software berekent concentraties automatisch via de kalibratiefunctie (lineair of kwadratisch). Pas de verdunnings­ factor toe bij verdunde monsters. Controleer of alle gemeten waarden binnen het lineaire bereik van de kalibratie vallen; meet opnieuw met hogere verdunning bij uitslag boven de hoogste standaard.
6. Afsluiten en onderhoud — spoel het systeem na de meting 5–10 minuten met 2 % HNO₃ en vervolgens met demi-water. Schakel het plasma uit en log dagelijks de coneconditie (ICP-MS), vernevelaar­druk en plasmastabiliteit.

Hoe bereken je ICP-resultaten en hoe interpreteer je de data?

De basisberekening voor een gemeten element in het monster is:

C_monster = (C_gemeten − C_blanco) × verdunningsfactor

Bij gebruik van een interne standaard (IS) wordt gecorrigeerd voor signaalvariatie:

C_monster = C_gemeten × (IS_verwacht / IS_gemeten) × verdunningsfactor

Aandachtspunten bij data-interpretatie:

• Blanco­correctie — elke meting wordt gecorrigeerd voor de reagens­blanco (alle chemicaliën zonder monster); hoge blanco wijst op verontreiniging van zuur, water of materiaal.
• Terugvinding (recovery) — een gecertificeerd referentie­materiaal (CRM) of spike-recovery controleert de volledigheid van de destructie en afwezigheid van matrixeffecten; acceptabel bereik: 90–110 %.
• Kan ICP-OES lithium en kwik meten? — Ja voor lithium: Li wordt gemeten via de 670,8 nm-lijn in ICP-OES met uitstekende gevoeligheid; standaard voor Li-batterij materiaalanalyse. Voor kwik (Hg) is ICP-OES minder geschikt vanwege de hoge dampdruk van Hg en risico op geheugeneffecten; CV-AAS of ICP-MS zijn de voorkeurs­methoden voor Hg in water (drinkwaternorm < 1 μg/l).
• Onderhoud ICP-OES/MS — dagelijks: spoelen, tune-controle, blanco­check. Wekelijks: reinigen vernevelaar en spraykamer. Maandelijks: inspecteren en reinigen toorts. Kwartaal: cones inspecteren (ICP-MS); vervangen bij zichtbare erosie of signaaldrift.

Voor monstervoorbereiding bij ICP-analyse vindt u bij Labvakhandel membraanfilters en demiwater voor spoelen en kalibratie-oplossingen.

Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.