CZ302899B6

CZ302899B6 - Zpusob tvorby aerosolu vzorku pro atomové spektrometrické techniky

Info

Publication number: CZ302899B6
Application number: CZ20100303A
Authority: CZ
Inventors: Preisler@Jan; Kanický@Viktor; Jungová@Pavla
Original assignee: Masarykova Univerzita
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2012-01-11
Also published as: CZ2010303A3

Abstract

Rešení se týká zpusobu tvorby aerosolu ze vzorku pro atomové spektrometrické techniky, pri nemž se na nosic se substrátem, absorbérem a naneseným vzorkem pusobí laserovým paprskem. Pri následné pyrolýze a/nebo horení substrátu dochází k tvorbe aerosolu analyzovaného vzorku, který se zavádí do spektrometru.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká nového způsobu tvorby aerosolu z kapalných vzorků pro atomové spektrometrické techniky.

Dosavadní stav techniky

Atomová spektrometrie představuje tu část optické spektrometrie, která využívá signálu vznikajícího při elektronových přechodech v atomech stanovovaných prvků, a anorganickou hmotnostní spektrometrii. V analytické praxí se využívají pro stanovení jednotlivých prvků atomová spektra v optické (UV/VIS) i rentgenové oblasti; měřena je emise, absorpce nebo fluorescence. Pro použití optické atomové spektrometrie je nutné převedení stanovovaných prvků analyzovaného vzorku do stavu volných atomů (atomizace), protože vznik optických spekter souvisí s přechody valenčních elektronu. V případě anorganické hmotnostní spektrometrie je třeba vytvořené atomy navíc ionizovat. Atomizace, resp. ionizace probíhají zpravidla za značně vysokých teplot v tzv.

atomizačníeh prostředích. Metody optické atomové spektrometrie se dělí podle přechodů elektronů mezi energetickými hladinami atomů na emisní, absorpční a fluorescenční. Optická emisní spektrometrie zahrnuje několik metodik vhodných pro elementární kvalitativní a kvantitativní analýzu. Tyto metodiky se liší podle použitého budícího zdroje, ve kterém dochází k vypaření, atomizaci a excitaci atomů vzorku. Tyto zdroje se vyznačují značně vysokou teplotou (až 10⁴ K).

Mezi často využívané budící zdroje patří indukčně vázané plazma (ICP) s teplotou plazmatu až 11 000 K. K atomovým spektrometrickým technikám dále patří atomová absorpční/emisní spektrometrie (AAS/AES) a atomová fluorescenční spektrometrie (AFS), pro které se vzorky připravují stejným způsobem jako pro spektrometrie ICP, tj. zmlžováním kapalin, nebo ablací tuhých látek. V případě AAS se vzorky mohou připravit i odpařením v grafitové nebo jiné kyve30 tě.

Jednou ze skupin vysoce citlivých atomových spektrometrických technik jsou spektrometrie indukčně vázaného plazmatu - hmotnostní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu (ICP MS) nebo optická emisní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu (ICP OES). ICP MS je typem hmotnostní spektrometrie vhodné pro stanovení Širokého spektra kovů a některých nekovů při koncentracích pod 1 ppt. Je založena na spojení techniky indukčně vázaného plazmatu jako metody přípravy iontů (ionizace) s hmotnostní spektrometrií jako metodou dělení a detekce iontů. Optická emisní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu (ICP OES) je typem emisní spektrometrie využívající indukčně vázané plazma k produkci excitovaných atomů emitujících elektro40 magnetické záření, jehož vlnová délka je typická pro každý prvek a jehož intenzita určuje koncentraci daného prvku ve vzorku. Výboj indukčně vázaného plazmatu je udržován v plazmové hlavici, sestávající ze tří koncentrických trubic vyrobených z křemenného skla. Konec této hlavice je vložen do indukční cívky, jíž je veden střídavý proud o radiové frekvenci. Mezi dvěma vnějšími trubicemi je veden proud argonu, do nějž je krátce aplikována elektrická jiskra, aby se vytvořily volné elektrony. Tyto elektrony interagují s magnetickým polem indukovaným cívkou a jsou urychlovány střídavě v obou směrech. Urychlené elektrony se srážejí s argonovými atomy, přičemž tyto atomy se po srážce ionizují a uvolněné elektrony jsou opět urychlovány magnetickým polem. Tento proces lavinovitě pokračuje, dokud se nevyrovná rychlost uvolňování elektronů s rychlostí rekombinace volných elektronů a atomů argonu. Takto se vytvoří plazma o teplotě v řádu 10⁵ K, které je udržováno v hlavici díky toku vnějšího plazmového plynu (Ar) mezi vnější a střední trubicí. Střední plazmový plyn (Ar) proudící mezi střední a vnitřní trubicí slouží k izolování plazmatu od střední trubice. Tou proudí nosný plyn (Ar nebo směs Ar a He), jenž prochází středem plazmatu a vytváří v něm analytický kanál, ve kterém dochází k desolvataci aerosolu vzorku, atomizaci většiny molekul, excitací a ionizaci atomů (převážně jednou nabité kationty). Do tohoto proudu nosného plynuje, před vstupem do plazmatu, vnášen vzorek ve for-1 CZ 302899 B6 mě aerosolu. V případě, zeje zmlžován kapalný vzorek, jedná se o mokrý aerosol. V případě, že je vzorkován pevný materiál pomocí např. laserové ablace, jedná se o aerosol suchý, kdy může být k proudu nosného plynu (He) přidáván ještě pomocný plyn pro laserovou ablaci (Ar).

U plamenových technik atomové spektrometrie, FAES, FAAS (plamenová atomová emísní/absorpční spektrometrie) a AFS (atomová fluorescenční spektrometrie), je aerosol vzorku zaváděn do plamene, sloupce směsi plynného paliva a plynného oxidovadla, který se vytváří na konci hořáku (např. acetylén-vzduch). Podobně jako u ICP může být do plamene zaváděn vlhký nebo suchý aerosol. Měřena je emise, absorpce nebo fluorescence atomů v plameni.

U techniky ETAAS (elektrotermická atomová absorpční spektrometrie) dochází k odpaření a atomizaci analytu a následné excitaci a ionizaci atomů působením zvýšené teploty v grafitovém nebo jiném atomizátoru. Jde o důležitou metodu pro analýzu chemického složení kovových i nekovových materiálů. Detekována je absorpce atomů optickým spektrometrem.

Pro zavedení vzorků ve formě aerosolu do atomizátoru jsou v současnosti využívány zmlžovace a laserová ablace, v případě některých prvků (Hg, Se, As aj.) generování těkavých specií. Pro zavádění kapalných vzorků ve formě aerosolu do plazmatu či plamene jsou v současnosti využívány zmlžovace, ve kterých je nasávaný kapalný roztok zmlžován proudem nosného plynu (např. Ar v případě ICP MS/OES). Další způsob zavedení vzorku do plazmatu, laserová ablace, je využíván zejména pro analýzu tuhých vzorků (ocel, keramika, lisované tablety z práškových materiálů apod.). Podstatou laserové ablace je odpaření vrstvy vzorku pomocí zaostřeného pulzního laserového paprsku, přičemž odpařený vzorek je unášen nosným plynem do plazmové hlavice. Generování těkavých specií je vhodné pro omezený počet druhů vzorků, které lze převést na vhodnou těkavou formu, např. Hg (Hg), Se (SeH₂) nebo As (AsH₃). Nejde tedy o tvorbu aerosolu.

Pro spojení ICP MS/OES a příbuzných plamenových technik atomové spektrometrie s kolonovými separačními technikami jsou využívány výhradně on-line zmlžovace. Použití zmlžovačů pro on-line spojení s mikrokolonovými separačními technikami je často spojené s obtížemi, jako jsou indukovaný tok v separační koloně, ztráta separační účinnosti, paměťové efekty nebo zřeďování přídavnou kapalinou.

Předkládaný vynález přináší nový způsob tvorby aerosolu vhodný pro výše zmíněné techniky atomové spektrometrie a pro jejich spojení s mikrokolonovými separačními technikami.

Podstata vynálezu

Předmětem předloženého vynálezu je způsob tvorby aerosolu z kapalného vzorku pomocí laserového paprsku, jehož podstata spočívá v tom, že se kapalný vzorek nanese na substrát a poté se z takto připraveného vzorku vytvoří aerosol prostřednictvím pyrolýzy a/nebo hoření substrátu působením laserového paprsku.

V jednom provedení vynálezu mohou být substrát a kapalný vzorek naneseny na nosiči. V jiném provedení vynálezu může substrát zároveň plnit funkci nosiče.

V jednom provedení vynálezu může být na substrátu nebo v substrátu přítomen absorbér absorbující energii laserového paprsku. V jiném provedení vynálezu může substrát zároveň plnit funkci absorbéru, nebo může funkci absorbéru plnit nosič. V dalším provedení vynálezu může absorbér být nanesen na nosič.

Termínem „substrát*⁴ je zde označována látka, která podléhá hoření a/nebo pyrolýze vyvolané působením laserového paprsku. Při hoření a/nebo pyrolýze substrátu vyvolané laserovým paprskem dochází k tvorbě aerosolu analyzovaného vzorku, který se zavádí do spektrometru. Substrá-2CZ 302899 B6 tem mohou být organické nebo anorganické látky podléhající hoření a/nebo pyrolýze. Substrátem mohou být v některých provedeních předloženého vynálezu látky, které zároveň neplní funkci absorbéru ani nosiče, příkladem takových látek mohou být sacharidy či polysacharidy. V některých provedeních předloženého vynálezu může substrát zároveň plnit funkci nosiče (např. bílý papír) nebo absorbéru. Případně může být substrát zároveň nosičem i absorbérem, takovým substrátem může být například barevný papír.

Termínem „absorbér“ je zde označována látka, která absorbuje energii použitého laserového paprsku. Vhodnými absorbéry mohou být např. barviva, zejména barviva absorbující v blízké infračervené a viditelné oblasti, příkladem jsou barviva bčžně používaná v komerčních tiskárnách, cyaniny, indoly, dienylideny, rhodaminy, fluoresceiny, kumariny aj. Příkladem běžného komerčně dostupného inkoustu je černý inkoust firmy HP (CB321EE, 364XL). Dalšími vhodnými absorbéry mohou být suspenze uhlíku nebo kovu v rozpouštědle. Příkladem suspenze uhlíku nebo kovu v rozpouštědle je ultrajemný uhlíkový, respektive kobaltový prášek v glycerinu.

V některých provedeních předloženého vynálezu může jedna látka plnit zároveň funkci absorbéru i substrátu, tedy zároveň absorbovat energii použitého laserového záření a zároveň podléhat hoření a/nebo pyrolýze, takovými látkami mohou být např. barviva, suspenze uhlíku v rozpouštědle.

V některých provedeních vynálezu může funkci absorbéru plnit nosič.

Nosičem může být sonda zejména tvaru listu, pásu, disku či destičky, ale i jiného vhodného tvaru. Nosíc může být z různých materiálů. Do první skupiny materiálů nosiče patří materiály, které samy o sobě mohou hořet/pyro lyžovat, tedy jedná se o nosiče, které jsou zároveň i substráty, s výhodou o materiály vybrané ze skupiny zahrnující papír, buničinu, celulózu, textil (např. bavlna) a plasty, které mohou podléhat hoření a/nebo pyrolýze. Tyto materiály záření laseru v infračervené až viditelné oblasti buď absorbují samy, pak se jedná o nosiče, které jsou zároveň substrátem a absorbérem, nebo je třeba tyto nosiče napustit či pokrýt absorbérem vybraným ze skupiny barvi v či suspenze uhlíku nebo kovu v rozpouštědle a látek napomáhajících oxidaci nosiče. Druhou skupinu materiálů nosiče tvoří materiály, které nepodléhají hoření/pyrolýze a slouží pouze jako podklad pro nanášený vzorek a pro substrát, absorbér a případně oxidovadlo. Do druhé skupiny materiálů nosiče patří např. sklo, keramika, kov a plast, který působením použitého laserového paprsku nepodléhá hořen í/pyrolýze, např. po lyethy leňte reftalátgly kol, polyethylen, polystyren aj.

S výhodou se nanesený kapalný vzorek před zahřátím laserovým paprskem nechá vsáknout do nosiče nebo se z naneseného, případně naneseného a vsáknutého, kapalného vzorku odpaří rozpouštědlo.

Ve výhodném provedení vynálezu je na nosič dále naneseno alespoň jedno oxidovadlo, které oxiduje substrát, čímž napomáhá pyrolýze a/nebo hoření, což je důležité zejména v případech, kdy je aerosol vytvářen v bezkyslíkaté atmosféře (dusík, argon). Oxidovadlem může být například chloreČnan draselný, dusičnan draselný nebo dichroman draselný. V některých případech použitá směs substrátu a oxidovadla podléhá po zahřátí explozi, která je specifickým případem hoření. Příkladem je střelný prach, směs uhlíkového a simého prášku s dusičnanem draselným, směs cukru a chlorečnanu draselného, nitrocelulóza nebo kolodium.

Materiály nosičů obou skupin, absorbér, substrát i oxidovadlo musí být dostatečně čisté, tj. musí obsahovat nejvýše zanedbatelná množství stanovovaných analytů.

Laserový paprsek může být kontinuální nebo pulzní. Dosavadní způsoby přípravy aerosolu z tuhých vzorků, včetně tuhých vzorků vzniklých nanesením kapalného vzorku na nosič vyžadovaly vysokou energii paprsku, k čemuž se musí používat drahé pulzní lasery s relativně vysokou energií pulzu (~mJ/pulz), např. frekvenčně násobené Nd:YAG lasery s vlnovou délkou 213 nebo 266 nm. Nový způsob přípravy aerosolu lze provádět i s výrazně levnějšími a dostupnějšími kon-3CZ 302899 B6 tinuálními lasery. Příkladem vhodného laseru jsou kontinuální diodové lasery v infračervené a viditelné oblasti.

Kapalným vzorkem může být samotný analyt v kapalném skupenství, roztok analytu, emulze analytu nebo suspenze analytu. Kapalný vzorek může být nanesen v jedné ze dvou následujících forem.

a. samotný kapalný vzorek, případně s obsahem příměsí vyplývajícím z předchozí úpravy a analýzy vzorku (např. složky separačního pufru).

b. kapalný vzorek s alespoň jedním substrátem a/nebo absorbérem, případně oxidovadlem, které napomáhají tvorbě aerosolu použitým zářením.

Kapalný vzorek může být s absorbérem a/nebo substrátem a/nebo oxidovadlem smíchán před is nanesením na nosič nebo substrát, nebo mohou být na nosič nebo substrát naneseny absorbér a/nebo substrát a/nebo oxidovadla a kapalný vzorek zvlášť. Příkladem nanesení pomocné látky, tedy absorbéru a/nebo substrátu a/nebo oxidovadla, na nosič nebo substrát před vlastním nanesením kapalného vzorku na nosič nebo substrát, je černý potisk papíru v inkoustové nebo laserové tiskárně běžným komerčně dostupným inkoustem nebo tonerem, který může být substrátem

2o a zároveň absorbérem. V tomto případě plní také papír zároveň funkci nosiče a substrátu.

K nanášení kapalného vzorku a/nebo absorbéru a/nebo substrátu a/nebo oxidovadla na nosič nebo substrát lze použít např. kapilár, piezoelektrických pipetorů, inkoustových tiskáren, spreje nebo smočení v roztoku. Mnoho těchto systémů je v současnosti dostupných pro přípravu vzorků pro hmotnostní spektrometrii s desorpcí a ionizací za účasti matrice (MALDI MS). Nanesená látka se vsákne do materiálu nosiče nebo substrátu nebo zůstane na jeho povrchu. Po nanesení kapalného vzorku může dojít k odpaření rozpouštědla, byl-li kapalným vzorkem roztok, emulze nebo suspenze analytu.

jo Při aplikaci laserového záření na nosič se substrátem, absorbérem, vzorkem, a případně oxidovadlem dochází k absorpci energie záření a zahřátí a v důsledku toho k pyrolýze a/nebo hoření substrátu a vzniku aerosolu vzorku. Čím efektivnější je absorpce energie záření laseru, tím nižší hustota výkonu laseru stačí pro pyrolýzu a/nebo hoření substrátu. V případě použití oxidovadla dochází k podpoření hoření substrátu.

Atomové spektrometr i cké techniky, pro něž lze aerosol ze vzorků na nosiči připravit způsobem podle předloženého vynálezu, mohou být vybrány zejména ze skupiny metod zahrnujících spektrometrii indukčně vázaného plazmatu (ICP OES, ICP MS), plamenovou atomovou absorpční/emisní spektrometrii (FAAS/FAES), atomovou fluorescenční spektrometrii (AFS) a elektroter40 mickou atomovou absorpční spektrometrii (ETAAS). Výhodnou atomovou spektrometriekou technikou pro uplatnění vynálezu je spektrometrie indukčně vázaného plazmatu (ICP OES, ICP MS) a záření laserové diody. Navrhované řešení je použitelné pro analýzu kapalných vzorků podobně jako on-line zmlžovače, zároveň se však vyznačuje výhodami off-line analýzy pomocí laserové ablace - tj. možností archivování. Na rozdíl od běžné laserové ablace zde lze využít lev45 ného polovodičového laseru.

V případě spojení výše zmíněných technik s kolonovými separaěními technikami jsou kapalnými vzorky jednotlivé frakce odebírané z kolony (eluáty). Způsob podle vynálezu lze použít pro analýzu kapalných vzorků podobně jako on-line zmlžovače u technik ICP MS/OES, FAAS, FAES,

AFS a ETAAS, zároveň se však vyznačuje výhodami off-line analýzy pomocí laserové ablace, tj. možností archivování. Při analýze nemusí být spotřebován celý vzorek, z toho plyne např. možnost opětovné analýzy či použití jiného analyzátoru. Současné kombinace kolonových separačních technik a atomových spektrometrických technik neumožňují archivování kapalného vzorku.

-4CZ 302899 B6

Ve výhodném provedení vynálezu je atomovou spektrometrie kou technikou ICP MS nebo ICPOES a zdrojem záření je laserová dioda emitující světlo v blízké infračervené oblasti, při vlnové délce 808 nebo 980 nm s výkonem nad 100 mW. Nosič se substrátem a absorbérem s nanesenými kapalnými vzorky se vloží do ablačnt/desorpční cely, ve které se vzorkuje pomocí záření a vzniklý aerosol je unášen nosným plynem do plazmové hlavice ICP MS/OES spektrometru. Tvorba aerosolu se provádí skenováním laserového paprsku přes plochu naneseného kapalného vzorku, nebo zaměřením laserového paprsku do středu naneseného kapalného vzorku, přičemž expozice v případě kontinuálního záření nebo počet pulzů v případě pulzního záření a tvar rastru se volí podle typu materiálu nosiče, substrátu, absorbéru, vzorku a nároku analýzy (citlivost, rychlost, archivování zbytku vzorku).

Nejvyšší citlivosti (nejúplnějšího využití vzorku) je obecně dosaženo při nanesení malého objemu kapalného vzorku na nosič nebo substrát a jeho úplným převedením na aerosol během krátké doby (sekundy). Pozornost je třeba věnovat faktorům ovlivňujícím nanášení (např. výběr rozpouštědel, obsah organického rozpouštědla, teplota, tlak, koncentrace pomocných látek, např. povrchově aktivních látek aj.); ideální je, když se kapalný vzorek vsákne do materiálu nosiče nebo substrátu, nebo se vytvoří tenký film vzorku nebo tenká vrstva drobných krystalů vzorku na nosiči nebo substrátu. Pro analýzu je dostačující nízký (submikrolitrový) objem kapalného vzorku.

Dosažení optimálních výsledků analýzy (citlivost, separační účinnost) předpokládá nanášení malých množství eluátu na nosič nebo substrát tak, aby nedošlo k rozmytí oddělených zón, a aby výsledné frakce mohly být kvantitativně převedeny na aerosol v důsledku ozáření laserovým paprskem. Na jeden nosič nebo substrát mohou být naneseny sady kapalných vzorků, které lze postupně odpařovat laserovým paprskem. Příkladem sad vzorků mohou být např. kalibrační multielementální set a stanovované vzorky pro multielementální analýzu nebo frakce eluátu z kolonových a mikrokolonových separačntch technik (kapalinová chromatografie, kapilární elektroforéza aj.) pro off-line spojení separačních a atomových spektrometrických technik.

Pro kvantitativní analýzu může být s výhodou omezeno množství vzorku, který bude převeden na aerosol, některým z následujících způsobů: 1) nanesením známého objemu kapalného vzorku na nosič nebo substrát, 2) omezením objemu kapalného vzorku naneseného na nosič nebo substrát pomocí hydrofobního vzoru, např. ve tvaru prstence, na nosiči, 3) vzorem substrátu a/nebo absorbéru na nosiči např. ve tvaru kruhu nebo 4) ozářením pouze části nosiče nebo substrátu se vzor-

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje signál ICP MS při 59 a.m.u. při rastru přes 2 vzorky s 12pmol Co(N0₃)₂(vzorek) a stejný experiment bez naneseného vzorku (blank) při postupu podle příkladu 1.

Obr. 2 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 58 a.m.u. pro sérii frakcí obsahujících 15 pmol Ni(NO₃)₂ při postupu podle příkladu 2.

Obr. 3 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 59 a.m.u., které jsou průměrem integrálu intenzit při rastru přes tři vzorky s 3,2 pmol Co(NO₃)₂ (vzorek barviva a kovu) a průměrem integrálu intenzit při rastru přes tři vzorky barviva bez vzorku kovu (vzorek barviva), nanesených na tři různé nosiče při postupu podle příkladu 3.

Obr. 4 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 59 a.m.u., které jsou průměrem integrálu intenzit při rastru přes tři vzorky s 3,2 pmol Co(NO₃)₂ (vzorek barviva a kovu) a průměrem integrálu intenzit pří rastru přes tři vzorky barviva bez vzorku kovu (vzorek barviva), nanesených na papír napuštěný chlorečnanem draselným při postupu podle příkladu 4.

-5CZ 302899 B6

Obr 5 znázorňuje signál ICP MS při óOa.m.u. při rastru přes jeden vzorek s 1,6 pmol Ni(NO-i)2 (vzorek) nanesený na kovový nosič při postupu podle příkladu 5.

Obr. 6 znázorňuje signál ICP MS při óOa.m.u. při rastru přes jeden vzorek s 1,6 pmol Ni(NCE)2 5 (vzorek) nanesený na skleněný nosič při postupu podle příkladu 5.

Obr. 7 znázorňuje signál ICP MS při óOa.m.u. při rastru přes jeden vzorek s absorbující látkou bez přidaného kovu (blank) nanesený na kovový nosič při postupu podle příkladu 5.

io Obr. 8 znázorňuje signál ICP MS při ÓOa.m.u. při rastru přes jeden vzorek s absorbující látkou bez přidaného kovu (blank) nanesený na skleněný nosič při postupu podle příkladu 5.

Obr. 9 znázorňuje signál ICP MS při óOa.m.u. při rastru přes tri vzorky s 1,6 pmol Ni(NO₃)₂(vzorek kovu) a signál ICP MS při 60 a.m.u. při rastru přes tri vzorky s barvivém (vzorek barvi15 va) nanesený na plastový nosič při postupu podle příkladu 6.

Obr. 10 znázorňuje signál ICP MS při óOa.m.u. při rastru přes tri vzorky s 1,6 pmol NiíNOj)? a absorbující látkou (vzorek barviva a kovu) nanesený na plastový nosič při postupu podle příkladu 6.

Obr. 11 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 59 a.m.u., které jsou průměrem integrálu intenzit při rastru přes tři vzorky s 3,2 pmol CO(NO^)₂ (vzorek barviva a kovu) a průměrem integrálu intenzit při rastru přes tři vzorky barviva bez vzorku kovu (vzorek barviva), nanesených na papír a na papír napuštěný chlorečnanem draselným při postupu podle příkladu 7.

Obr. 12 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 59 a.m.u. pro sérii frakcí při postupu podle příkladu 8.

Obr. 13 znázorňuje integrovaný signál ICP MS při 58 a.m.u. pro sérii frakcí při postupu podle 30 příkladu 9.

Obr. 14 znázorňuje nosič s natisknutými vzorky podle příkladu 10.

Obr. 15 znázorňuje uspořádání cel pro odpaření vzorku uvedené v příkladu 11.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Tvorba aerosolu vzorku naneseného na potištěný papír pomocí kontinuálního laseru

Na běžný kancelářský papír (reprezentující nosič, který je zároveň substrátem) byly inkoustovou tiskárnou natisknuty čtverce o velikosti strany 1,5 mm; vzdálenost mezi čtverci byla 4,0 mm. Černý tiskařský inkoust (HPCB321EE, 364XL) sloužil jako absorbér. Z papíru byl vystřižen obdélník o rozměrech 50 x 26 mm. Do středů čtverců byly naneseny kapky kapalného vzorku, 60 μΜ vodného roztoku CořNOj)? o objemu 200 nl, čemuž odpovídá látkové množství 12 pmol Co(NO.Ú2 vjedné kapce. Průměr jednotlivých vzorků po odpaření rozpouštědla nepřesáhl průměr předtištěného čtverce. Pro tvorbu aerosolu byl použit komerční ablační systém New Wave, model UP213, místo vestavěného pulzního laseru však byl použit kontinuální diodový laser emitující záření o vlnové délce 980 nm s výkonem 150 mW. Byl zvolen čtvercový rastr se serpentinovou dráhou stopy paprsku pokrývající celou plochu skvrny a rychlost posunu stopy paprsku 500 pm/s, Aerosol vzorku byl unášen nosným plynem (He) o průtoku 1,0 L/min z ablační cely do plazmové hlavice ICP MS spektrometru (Agilent, model 7500CE), průtoky pomocného plynu pro

-6CZ 302899 Β6 laserovovu ablaci (Ar), středního plazmového plynu (Ar) a vnějšího plazmového plynu (Ar) byly 0,6; 0,9 a 15,0 L/min, RF výkon 1390 W a hloubka vzorkování v plazmatu 8,3 mm. Iontový signál (signál ICP MS) byl zaznamenáván hmotnostním spektrometrem při hmotnosti m = 59 a.m.u. s integrační dobou signálu 0,1 s. Při rastru paprsku přes 2 skvrny vzorku a 2 skvrny bez vzorku bylo zřejmé, že v místech natisknutých čtverců dochází k pyrolýze a/nebo hoření substrátu a tvorbě aerosolu. Z obr. 1 je zřejmý výrazný nárůst signálu Ύο, který se objeví po ozáření skvrny vzorku na nosiči s absorbérem. Po vyjetí paprsku ze skvrny signál ⁵⁹Co opět klesá. Poklesy signálu jsou způsobeny dočasným vyjetím stopy laserového paprsku z potištěné oblasti nosiče. Při absenci vzorku je i přes absorpci laserového záření absorbérem naneseným na nosiči signál ⁵⁹Co zanedbatelný.

Příklad 2

Laserová tvorba aerosolu Ni z papíru - ověření reprodukovatelnosti techniky

Reprodukovatelnost techniky byla zkoumána pro sérii 200 nl objemů kapalného vzorku - 75 μΜ vodného roztoku Ni(NO₃)₂ (15 pmol Ni(NO₃)₂ ve frakci) naneseného na papíru s natisknutými čtverci postupem podle příkladu 1. V tomto případě kontinuální laserový paprsek 808 nm, 300 mW přejel rastrem podle příkladu 1 přes sérii 8 vzorků a integrály výsledného iontového signálu pro každou z 8 nanesených frakcí jsou znázorněny na obr. 2 pro izotopy Ni (m/z = 58). Relativní směrodatná odchylka (RSD) byla 9 %.

Příklad 3

Tvorba aerosolu vzorku naneseného na různé nosiče pomocí kontinuálního laseru

Byly připraveny dva typy vzorků, které byly naneseny na běžné druhy papíru: savý, pauzovací a křídový papír. Prvním typem byla suspenze barviva IR—813 perchlorate (Sigma - Aldrich) v ethanolu. Druhým typem byl 16μΜ vodný roztok Co(NO₃)₂ (3,2 pmol analytu v nanesené frakci) se suspenzí barviva IR-813 perchlorate. Na každý z nosičů bylo naneseno šest vzorků suspenze barviva o objemu 200 nl a poté na tri z těchto vzorků bylo naneseno 200 nl roztoku analytu. Průměr vzorku po odpaření rozpouštědla se lišil podle povrchu nosiče; cca 0,7 mm na pauzovacím a křídovém papíře, 1,5 mm na savém papíře. Při rastru paprsku diodového laseru emitujícího záření o vlnové délce 808 nm s výkonem 300 mW přes skvrnu vzorku bylo zřejmé, že dochází k pyrolýze a/nebo hoření barviva (substrátu a zároveň absorbéru) a tvorbě aerosolu. V přítomnosti analytu (Co) je po ozáření skvrny na všech nosičích integrovaný signál ICP MS při 59 a.m.u. výrazně vyšší, jak je patrné z obr. 3.

Příklad 4

Tvorba aerosolu vzorku z papíru napuštěného látkou napomáhající oxidaci pomocí kontinuální laseru

Běžný kancelářský papír byl smočen v nasyceném vodném roztoku chlorečnanu draselného (Lachema) a ve vodorovné poloze usušen. Na takto upravený nosič bylo naneseno 6 vzorků o objemu 200 nl suspenze barviva IR—813 perchlorate (Sigma - Aldrich) a poté na tři z těchto vzorků bylo naneseno 200 ní 16μΜ vodného roztoku Co(NO₃)₂ (3,2 pmol analytu v nanesené frakci). Pro srovnání vlivu oxidovadla byly stejné vzorky naneseny také na neupravený kancelářský papír. Byl použit kontinuální diodový laser emitující záření o vlnové délce 808 nm s výkonem 300 mW. Na obou nosičích docházelo k pyrolýze a/nebo hoření barviva a papíru a tvorbě aerosolu při rastru paprsku přes skvrny vzorku obsahující barvivo. Oxidovadlo (chlorečnan draselný) napuštěné v papíru podporovalo hoření materiálu papíru a barviva, jak je patrné z význam-7CZ 302899 B6 ně vyšších hodnot integrovaného signálu ICP MS při 59 a.m.u. oproti hodnotám integrovaného signálu ICP MS vzorků z neupraveného papíru na obr. 4.

Příklad 5

Tvorba aerosolu vzorku naneseného na kovový a skleněný nosič pomocí kontinuálního laseru

Na kovový (AlMg) a skleněný nosič o rozměrech 50 x 26 x 0,5 mm byly naneseny dva typy io vzorků o objemu 200 nl. Prvním typem byla suspenze barviva IR-800 (Sigma - Aldrich), které reprezentuje absorbér a zároveň substrát, připravená v ethanolu a smíchána s vodou v poměru

1:1. Druhým typem byl roztok, který vznikl smícháním suspenze IR-800 v ethanolu a 16μΜ vodného roztoku Ni(NO₃)₂ v poměru 1.1, konečná koncentrace kovu tak byla 8 μΜ (l,6pmol v nanesené frakci). Po odpaření rozpouštědla byly zřetelné vzniklé krystalky vzorků, průměr i5 jednoho vzorku byl asi 1,2 mm. Byl použit kontinuální diodový laser emitující záření o vlnové délce 808 nm s výkonem 300 mW. Při rastru paprsku přes skvrnu vzorku bylo zřejmé, že dochází k pyrolýze a/nebo hoření barviva a tvorbě aerosolu. Z obr. 5 a ž je zřejmý výrazný nárůst signálu ^h0Ni, který se objeví po ozáření skvrny vzorku obsahující barvivo i vzorek kovu na obou nosičích.

Při absencí Ni je i přes absorpci laserového záření barvivém na obou nosičích signál ^Ní zaned20 batelný, jakje patrné z obrázků 7 a 8.

Příklad 6

Tvorba aerosolu vzorku naneseného na plastový nosič pomocí kontinuálního laseru

Na plastový nosič (polyethylentereftalátglykol, Vívak) o rozměrech 50 x 26 x 0,5 mm byly naneseny tři vzorky o objemu 200 nl obsahující barvivo IR-813 perchlorate (Sigma Aldrich), které reprezentuje absorbér a zároveň substrát, tři vzorky obsahující barvivo IR—813 perchlorate .to a 8 μΜ Ni(NO₃)2 a další tri vzorky 8 μΜ vodného roztoku Ni(NO_;)2· Postup přípravy roztoků vzorků byl shodný jako v příkladu 3. Byl použit kontinuální diodový laser emitující záření o vlnové délce 808 nm s výkonem 300 mW. Při rastru paprsku přes skvrny vzorku obsahující barvivo bylo zřejmé, že dochází k pyrolýze a/nebo hoření barviva a tvorbě aerosolu. V nepřítomnosti barviva nedochází k absorpci laserového záření, což je patrné z obr. 9, kde nedochází k nárůstu signálu při přejetí skvrn obsahujících pouze vzorek kovu. Z obr. 9 je také patrné, že ačkoli je laserové záření absorbováno, nedochází k nárůstu signálu při ozáření samotného barviva. Z obr. 10 je patrné, že po ozáření tří skvrn vzorku obsahující barvivo i kov dochází k nárůstu iontového signálu ^Ď0Ni.

Příklad 7

Tvorba aerosolu vzorku s pomocnými látkami z papírového nosiče pomoct kontinuálního laseru

Na papírový nosič bylo naneseno 6 vzorků suspenze barviva IR-800 (Sigma - Aldrich) o objemu 200 nl; na tři z nich bylo naneseno 200 nl 16 μΜ vodného roztoku Zn(NO₃)₃, zbylé tri sloužily jako blank. Dále bylo na stejný nosič naneseno 6 vzorků suspenze střelného prachu o objemu 200 nl, na tři z nich bylo naneseno 200 nl 16 μΜ vodného roztoku Zn(NO₃)₂, zbylé tři sloužily jako blank. Byl použit laser 808 nm, 300 mW, ostatní nastavení ICP spektrometru a ab lační ho systému byla podle příkladu 1. Laserový paprsek přejel rastrem přes všechny vzorky a průměry tří hodnot integrovaného signálu ICP MS ^MZn pro každý typ vzorku jsou znázorněny na obr. 11. Je zřejmé, že hodnota integrovaného signálu ICP MS pro vzorky obsahující kov byla totožná v případě použití suspenze barviva i střelného prachu. Střelný prach je příkladem látky obsahující substrát i oxidovadlo a zároveň plnicí roli absorbéru.

-8CZ 302899 B6

Příklady 1 až 7 demonstrují využití lasem k pyrolýze/hoření nosiče, který je sám substrátem nebo je na něm nanesen substrát, s absorbérem (kterým může být substrát) a s naneseným vzorkem analyzovaného prvku, které mohou být buď v nosiči nebo na jeho povrchu. Spolu se zplodinami materiálu nosiče a/nebo substrátu a absorbéru je do proudu nosného plynu (He) odpařen i vzorek, jenž je následně analyzován pomocí ICP MS. Trajektorie paprsku laseru přes zónu vzorku může být např. ve tvaru rastru (skenu) pokrývající celou plochu vzorku, úsečky protínající zónu vzorku nebo bodu ležícího v zóně vzorku. Kolísání iontového signálu v průběhu rastru není na závadu; pro vyhodnocení obsahu analytu je důležitá hodnota signálu integrovaná přes celou plochu rastru. Při vhodném uspořádání bylo dosaženo vysoké reprodukovatelnosti analýzy s RSD integrovancio ho signálu ~10 % a méně.

Příklad 8 i s Stanovení obsahu Co pomocí kalibračního setu

Na nosič s natisknutými čtverci připravený podle příkladu 1 byly naneseny kapky o objemu 200 nl roztoků 5, 10, 25, 50 a 100 μΜ Co(NO₃)₂ a 200 nl neznámého vzorku. Všechny vzorky byly analyzovány jako v příkladu 1 s využitím diodového laseru 980 nm, 150 mW. Obrázek 12

2o zachycuje integrovaný iontový signál ⁵⁹Co všech vzorků; koncentrace neznámého vzorku byla stanovena z kalibrační přímky sestrojené ze vzorků kalibračního setu na 54,8 ± 5,3 μΜ, což je v souladu s předpokládanou koncentrací vzorku 60 μΜ. Neznámý vzorek může být na nosič nanesen též smočením konce nosiče s natisknutým kruhem v roztoku neznámého vzorku.

?s

Příklad 9

Metoda přípravy kalibračního setu Ni

Papírový nosič byl stejnosměrně namočen v roztoku 8 μΜ Ni(NO₃)₂ a 0,0125 M roztoku barviva 1,1 ’-DiethyM,4’-dicarbocyanine iodide (Sigma-Aldrich), které má absorpční maximum při 814 nm, a poté usušen. V tomto případě je absorbérem barvivo a substrátem papír a barvivo. Byl použit kontinuální diodový laser emitující záření o vlnové délce 808 nm s výkonem 300 mW, který přejížděl přes papírový nosič se vzorkem v úsečkách o délce 50, 100, 150, 200, 250, 350,

450, 500 a 1000 pm. Obrázek 13 zachycuje ale očekávání lineární závislust iutegiuváiiého iontového signálu ⁵⁸Ni na délce úseček. Takto generovanou lineární kalibrační závislost lze využít pro zjištění koncentrace neznámého vzorku pri známé délce skenu (úsečky). ^{40 * * * * * * * * *}

Příklad 10

Metoda přípravy vzorků a kalibračních setů pomocí inkoustové tiskárny

Na běžný kancelářský papír byly inkoustovou tiskárnou natisknuty čtvercové a obdélníkové obrazce o počtu pixelů 1, 2, 5, 10, 20, 50 a 100 se vzdálenost mezi středy obrazců cca 3 mm a z papíru byl vystřižen nosič o rozměrech 50 x26 mm dle obr. 14. Do černého tiskařského inkoustu byl přidán vodný roztok Co(NO₃)₂ tak, že výsledná koncentrace Co(NO₃)₂ byla 0,01 M.

Objem a množství naneseného vzorku odpovídal počtu pixelů v obrázcích. Z papíru byl vystřižen nosič o rozměrech 50 x 26 mm a použit pro generování aerosolu. Tento příklad demonstruje vy50 užití inkoustové tiskárny pro jednoduchou přípravu standardů a kalibračních sad pro generování aerosolu vzorků obsahujících jeden či více prvků dle postupu uvedeného ve vynálezu.

-9 CZ 302899 B6

Příklad 11

Cely pro generování aerosolu

Pro postup dle příkladů 1 až 10 lze využít klasické ablační cely umístěné na x,y-stolcích, kdy je aerosol generován pri skenování dle předem stanoveného rastru či zjednoho bodu nosiče se vzorkem. Kromě toho lze s výhodou využít i dalších uspořádání, z nichž dvě jsou schematicky znázorněny na obr. 15. V nejjednodušším případě zachyceném na obr. 15 A byla jako cela použita io silikonová trubice (Tygon, vnitřní průměr 7 mm, vnější průměr 8 mm), do které byl vložen nosič se vzorky. Paprsek diodového laseru 808 nm, 300 mW je zaostřen na nosič s nanesenými vzorky přes stěnu trubice. Pohybem paprsku ve směru podél a/nebo napříč vzhledem k trubici lze postupně odpařit všechny vzorky nanesené na nosiči. V případě porézního nosiče je výhodné, když proud nosného plynu prochází skrz nosič, viz uspořádání na obr. 15B.

Průmyslová využitelnost

Technika tvorby aerosolu vzorků pro atomové spektrometr ické techniky způsobem podle předloho zeného vynálezu je využitelná v široké škále aplikací při analýzách kapalných vzorků atomovými spektrometrickými technikami i při spojení těchto spektrometrických technik s kolonovými a mikrokolonovými separačními metodami. Navrhované řešení kombinuje přednosti zmlžovačů (kompatibilita s kapalnými vzorky) a laserové ablace (archivování) při zachování vysoké citlivosti. Na rozdíl od běžné laserové ablace zde lze využít levného polovodičového laseru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

ÍO

1. Způsob tvorby aerosolu pro atomové spektrometr ické techniky z kapalného vzorku pomocí laserového paprsku, vyznačený tím, že se kapalný vzorek nanese na substrát a poté se z takto připraveného vzorku vytvoří aerosol prostřednictvím pyrolýzy a/nebo hoření substrátu

35 působením laserového paprsku.
2, Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že substrát a kapalný vzorek jsou naneseny na nosiči.

40
3. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že je na substrátu nebo v substrátu přítomen absorbér absorbující energii laserového paprsku.
4. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že na nosič je dále nanesen absorbér absorbující energii laserového paprsku.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že substrátem podléhajícím hoření a/nebo pyrolýze je anorganická nebo organická látka podléhající hoření a/nebo pyrolýze, s výhodou vybraná ze skupiny zahrnující barviva, suspenze uhlíku v rozpouštědle, papír, buničinu, celulózu, textil, sacharidy, póly sacharidy, plasty podléhající hoření a/nebo pyrolýze.
6. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že nosič je vyroben z materiálu vybraného ze skupiny zahrnující sklo, keramiku, kov a plasty nepodléhající hoření a/nebo pyrolýze.
7. Způsob podle nároku 3, vyznačený tím, že absorbér je vybraný ze skupiny zahmu55 jící barviva a suspenze uhlíku nebo kovu v rozpouštědle.

- 10CZ 302899 B6
8. Způsob podle nároku 4, vyznačený tím, že absorbér je vybraný ze skupiny zahrnující barviva a suspenze uhlíku nebo kovu v rozpouštědle.

5
9. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačený tím, že na nosič je dále naneseno alespoň jedno oxidovadlo.
10. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačený tím, že laserem je kontinuální nebo pulzní laser, s výhodou kontinuální diodový laser.

io
11. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačený tím, že atomová spektrometrieká technika je vybrána ze skupiny zahrnující spektrometrii indukčně vázaného plazmatu, plamenovou atomovou absorpění/emisní spektrometrii, atomovou fluorescenční spektrometrii a elektrotermickou atomovou absorpční spektrometrii.

15 výkresů