DE60213941T2

DE60213941T2 - Proben-Einführungssystem

Info

Publication number: DE60213941T2
Application number: DE60213941T
Authority: DE
Inventors: Andrew Altrincham Eaton; Andrew Entwistle; Howard Higher Baguley Read; Fadi Sale Abou-Shakra
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: DE60213941D1; GB0225552D0; EP1308708B1; GB2383842B; EP1308709B1; GB2383842A; US7416900B2; US20030106945A1; EP1308709A3; CA2411021A1; DE60213940D1; US20030109061A1; EP1308709A2; EP1308708A2; DE60213940T2; EP1308708A3; US7384604B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Probeneinführungssystem.
Herkömmliche Lösungsansätze zum Quantifizieren der unbekannten Konzentration eines oder mehrerer interessierender Analyte in einer Probe unter Verwendung eines analytischen Gerätes, wie z. B. eines Massenspektrometers (insbesondere Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma ("ICP", Inductively Coupled Plasma)), beruhen darauf, dass zuerst das analytische Gerät unter Verwendung verschieden starker Kalibrierungslösungen eines interessierenden Analyts kalibriert wird. Diese Kalibrierungslösungen werden individuell offline hergestellt, was zeitaufwendig ist und möglicherweise Ungenauigkeiten entstehen lässt. Sobald das analytische Gerät kalibriert worden ist, kann anschließend die Konzentration eines oder mehrerer interessierender Analyte in einer Probe bestimmt werden, indem die Antwort des analytischen Gerätes gemessen wird und die gemessene Antwort mit einer Kalibrierungskurve verglichen wird, die aus der Messung der Antwort des analytischen Gerätes auf die verschiedenen Kalibrierungslösungen erhalten worden ist.
US-A-5709539 offenbart ein Peristaltikpumpensystem zum Zuführen einer Probe zur Analyse zu einer spektroskopischen Vorrichtung. US-A-5801820 offenbart Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Anordnung computergesteuerter Pumpen aufweist, um konzentrierte Proben zu verdünnen, was ermöglicht, deren Spektren zu erhalten.
Der herkömmliche Lösungsansatz neigt dazu, an Schwankungen der Antwort aufgrund entweder von Unterschieden zwischen der Probenmatrix und den Kalibrierungsstandards, einer Gerätedrift oder einer Kombination aus diesen beiden zu leiden. Diese Schwankungen der Antwort können bei ICP-Massenspektrometern besonders heftig sein, weshalb die genaue Bestimmung der Konzentration eines Analyts in einem analytischen Gerät, wie z. B. einem ICP-Massenspektrometer, eine nicht-triviale Aufgabe ist.
Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines Analyts in einer Probe zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Probeneinführungssystem für ein analytisches Gerät gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform ist, dass die Probe mit einem internen Standard versetzt ("spiked") wird und eine Matrixabgleichkalibrierung verwendet wird.
Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht, eine schnelle automatisierte Standardzugabe und/oder Isotopenverdünnungskalibrierung auszuführen, um den Gehalt eines Analyts in einer Probe genau zu bestimmen.
Das Steuermittel ist so beschaffen, dass es die Kalibrierungslösungs- und Verdünnungsmitel-Durchflussmengen variiert, während die Summe aus der Proben-Durchflussmenge, der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge auf einem im Wesentlichen konstanten Wert V gehalten wird.
Das Steuermittel kann die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge erhöhen und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge senken, entweder in einer gestuften oder in einer kontinuierlichen Weise. Alternativ kann das Steuermittel die Kalibrierungslösung-Durchflussmenge senken und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge erhöhen, entweder in einer gestuften oder in einer kontinuierlichen Weise.
Das Probeneinführungssystem kann eine Mischvorrichtung umfassen zum Mischen eines ersten Fluids, das von der ersten Abgabevorrichtung abgege ben wird, mit einem dritten Fluid, das von der dritten Abgabevorrichtung abgegeben wird. Eine weitere Mischvorrichtung zum Mischen eines Gemisches des ersten und des dritten Fluids mit einem zweiten Fluid, das von der zweiten Abgabevorrichtung abgegeben wird, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Das Verdünnungsmittel weist vorzugsweise im Wesentlichen eine Konzentration des interessierenden Analyts von 0 % auf.
Die dritte Abgabevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Spritzenpumpe.
Das Probeneinführungssystem ist vorzugsweise dafür ausgelegt, eine Probe in eine Ionenquelle eines Massenspektrometers einzuführen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein analytisches Gerät in Kombination mit einem Probeneinführungssystem geschaffen. Das analytische Gerät kann entweder ein Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma ("ICP", Inductively Coupled Plasma), einen optischen Analysator mit induktiv gekoppeltem Plasma, ein Flammenspektrophotometer, ein Massenspektrometer mit chemischer Ionisation unter atmosphärischem Druck ("APCI", Atmospheric Pressure Chemical Ionisation) oder ein Massenspektrometer mit Elektrospray-Ionisation ("ESI", Electrospray Ionisation) umfassen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines Analyts in einer Probenlösung nach Anspruch 15 geschaffen.
Die Probenlösung und das Verdünnungsmittel können analysiert werden, wenn die Probenlösung und das Verdünnungsmittel in das Probeneinführungssystem eingeführt werden, im Wesentlichen ohne irgendeine Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem einzuführen, wobei die Summe aus der Proben-Durchflussmenge und der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge im Wesentlichen gleich dem konstanten Wert V bleibt.
Ein erstes, zweites, drittes und viertes Gemisch aus Probenlösung, Verdün nungsmittel und Kalibrierungslösung können analysiert werden, wenn das Verdünnungsmittel in das Probeneinführungssystem mit verschiedenen Verdünnungsmittel-Durchflussmengen eingeführt wird und die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit verschiedenen Kalibrierungslösungs-Durchflussmengen eingeführt wird.
Gemäß einer umklammernden Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte:
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer vorgegebenen Durchflussmenge eingeführt wird; und anschließend
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die größer ist als die vorgegebene Durchflussmenge; und anschließend
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die kleiner ist als die vorgegebene Durchflussmenge.
Gemäß einer umklammernden Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte:
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer vorgegebenen Durchflussmenge eingeführt wird; und anschließend
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die kleiner ist als die vorgegebene Durchflussmenge; und anschließend
Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung, der Kalibrierungslösung und dem Verdünnungsmittel, wenn die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die größer ist als die vorgegebene Durchflussmenge.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Probeneinführungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2(a) ein bevorzugtes Probeneinführungssystem im Füllmodus zeigt und
2(b) ein bevorzugtes Probeneinführungssystem im Abgabemodus zeigt;
3 einen Ausdruck einer Geräteantwort über der Zeit zeigt, wenn Kalibrierungslösungen mit zunehmender Stärke zur Probe zugegeben wurden;
4 einen Ausdruck einer Geräteantwort über der Analytkonzentration zeigt;
5 einen Ausdruck der Geräteantwort über der Zeit gemäß einer Ausführungsform zeigt, in der die Kalibrierungslösung kontinuierlich zur Probe zugegeben wird; und
6 die Prinzipien der Isotopenverdünnung erläutert.
In 1 ist ein Probeneinführungssystem 1 gezeigt, während in den 2(a) und 2(b) ein bevorzugtes Probeneinführungssystem 1 gezeigt ist. Das Probeneinführungssystem 1 ist einem analytischen Gerät 2, wie z. B. einem Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma ("ICP") vorgelagert angeordnet.
Es sind eine erste, zweite und dritte Spritzenpumpe SP1, SP2, SP3 gezeigt. Die erste Spritzenpumpe SP1 wird vorzugsweise verwendet, um eine Probenlösung 6 abzugeben, während die dritte Spritzenpumpe SP3 vorzugsweise verwendet wird, um ein geeignetes Verdünnungsmittel 8 abzugeben. Die Probenlösung 6 und das Verdünnungsmittel 8 werden vorzugsweise in einer ersten Mischrohrschlange 3 gemischt.
Die zweite Spritzenpumpe SP2 wird verwendet, um eine Kalibrierungslösung 7 (oder "Spike") mit einer bekannten Konzentration eines interessierenden Analyts zu liefern. Die Kalibrierungslösung 7 wird vorzugsweise mit einem Gemisch aus der Probenlösung 6 und dem Verdünnungsmittel 8, das aus der ersten Mischrohrschlange 3 austritt, in einer zweiten Mischrohrschlange 4 gemischt, die der ersten Mischrohrschlange 3 nachgelagert ist.
Das Gemisch aus der Probenlösung 6 und/oder dem Verdünnungsmittel 8 und/oder der Kalibrierungslösung 7 wird anschließend zum Eingang eines analytischen Gerätes 2, wie z. B. eines ICP-Massenspektrometers, weitergeleitet.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können die Verdünnungsmittel-Spritzenpumpe SP3 und die Kalibrierungslösungs-Spritzenpumpe SP2 so angeordnet sein, dass das Verdünnungsmittel 8 und die Kalibrierungslösung 7 sich in der ersten Mischrohrschlange 3 mischen und die Probenlösung 6 der ersten Mischrohrschlange 3 nachgelagert eingeführt wird, vorzugsweise so, dass das Gemisch aus Verdünnungsmittel 8 und Kalibrierungslösung 7 mit der Probenlösung in der zweiten Mischrohrschlange 4 gemischt wird.
Gemäß einem Betriebsverfahren ist anfangs die zweite Spritzenpumpe SP2 (Kalibrierungslösung) nicht aktiviert, so dass lediglich ein Gemisch aus der Probenlösung 6 und dem Verdünnungsmittel 8 zur Analyse zum analytischen Gerät 2 weitergeleitet wird. Nach einer vorgegebenen Zeitperiode wird die Kalibrierungslösung 7 über die zweite Spritzenpumpe SP2 in das Probeneinführungssystem 1 eingeführt. Die Kalibrierungslösung 7 wird vorzugsweise zugegeben, während sichergestellt wird, dass die Gesamtdurchflussmenge des Fluids (Probenlösung 6, Verdünnungsmittel 8 und Kalibrierungslösung 7) in das analytische Gerät 2 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Die Kalibrierungslösung 7 ist vorzugsweise eine Standardlösung, die eine Anzahl von Elementen mit einer spezifischen Konzentration von z. B. 10 ppm umfasst. Eine Multielementlösung ist z. B. erhältlich von Spex Certiprep Inc. (USA), und umfasst 10 μg/ml jeweils an Aluminium, Arsen, Barium, Beryllium, Wismut, Cadmium, Calcium, Cäsium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Gallium, Indium, Eisen, Blei, Lithium, Magnesium, Mangan, Nickel, Kalium, Rubidium, Selen, Silber, Natrium, Strontium, Thallium, Uran, Vanadium und Zink, alle in einer Lösung von 5 % Salpetersäure.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die Durchflussmenge der Kalibrierungslösung 7 fortschreitend erhöht, während die Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8 entsprechend fortschreitend verringert wird, während vorzugsweise sichergestellt wird, dass die Gesamtdurchflussmenge der Probe 6, des Verdünnungsmittels 8 und der Kalibrierungslösung 7 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform kann die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge fortschreitend verringert werden, während die Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8 entsprechend fortschreitend erhöht wird, während wiederum sichergestellt wird, dass die Gesamtdurchflussmenge des Fluids in das analytische Gerät 2 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Die Durchflussmengen der Kalibrierungslösung 7 und des Verdünnungsmittels 8 können in Schritten oder Stufen variiert werden, oder die Durchflussmengen der Kalibrierungslösung 7 und des Verdünnungsmittels 8 können alternativ kontinuierlich, vorzugsweise linear, variiert werden. Die kombinierte Durchflussmenge der Kalibrierungslösung und des Verdünnungsmittels wird vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten.
Vorzugsweise wird die Durchflussmenge der Probenlösung 6 nicht variiert, während die Durchflussmengen der Kalibrierungslösung 7 und des Verdünnungsmittels 8 variiert werden. Gemäß weniger bevorzugten Ausführungsformen ist es jedoch denkbar, dass die Proben-Durchflussmenge variiert werden kann, während immer noch die Gesamtdurchflussmenge des zum nachgelagerten analytischen Gerät 2 weitergeleiteten Fluids im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Durch Variieren der Durchflussmengen des Verdünnungsmittels 8 und der Kalibrierungslösung 7, während vorzugsweise die Durchflussmenge der Probenlösung 6 konstant gehalten wird, ist es möglich, Kalibrierungslösungen unterschiedlicher Stärken online zuzugeben, ohne Kalibrierungslösun gen unterschiedlicher Stärken offline vorbereiten zu müssen, wie es herkömmlicherweise erforderlich ist. Die bevorzugte Ausführungsform stellt daher eine beträchtliche Verbesserung gegenüber bekannten Kalibrierungstechniken dar.
Die Intensität der Kalibrierungslösung 7, die anfänglich zur Probenlösung 6 und zum Verdünnungsmittel 8 zugegeben wird, kann voreingestellt sein, oder die Intensität der Kalibrierungslösung 7, die zur Probenlösung 6 und zum Verdünnungsmittel 8 zugegeben wird, kann alternativ intelligent mittels Software bestimmt werden. Zum Beispiel können die Daten (Geräteantwort), die mit lediglich der Probenlösung 6 und dem Verdünnungsmittel 8 vor dem Einleiten der Kalibrierungslösung 7 erlangt werden, integriert werden und die ungefähre Konzentration des Analyts in der Probenlösung 6 unter Verwendung eines vordefinierten Antwortfaktors geschätzt werden. Eine geeignet starke Kalibrierungslösung 7 kann anschließend zugegeben werden, was ermöglicht, die Konzentration des in der Probenlösung 6 vorhandenen Analyts genau zu bestimmen.
Spikes von verschiedenen unterschiedlichen Konzentrationen können zur Probenlösung 6 und zum Verdünnungsmittel 8 nach Bedarf zugegeben werden. Sobald genug Daten erlangt worden sind, können die Daten anschließend verarbeitet werden und die Konzentration des Analyts in der Probenlösung 6 genau bestimmt werden. Die Konzentration des interessierenden Analyts in der Probenlösung kann vorzugsweise schnell in etwa einer Minute bestimmt werden, vorzugsweise in weniger als einer Minute.
2(a) zeigt ein bevorzugtes Probeneinführungssystem 1 in einem Füllmodus, während 2(b) das bevorzugte Probeneinführungssystem in einem Abgabemodus zeigt. Das in den 2(a) und 2(b) gezeigte Probeneinführungssystem 1 repräsentiert eine Verbesserung gegenüber dem Probeneinführungssystem 1, das mit Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben worden ist, da die Probenlösung 6 nicht mit dem Spritzenpumpenmaterial in Kontakt kommt, wodurch das Risiko einer Probenkontamination minimiert wird. Die Vorrichtung und die Rohrleitungen sind ferner nach jedem experimentellen Durchlauf leicht zu reinigen, wodurch die Möglichkeit irgendwelcher Erinnerungseffekte minimiert wird. Zweite und weitere Proben können ebenfalls vorzugsweise automatisch für eine nachfolgende Analyse geladen werden.
Wenn in dem in 2(a) gezeigten Füllmodus die Spritzenpumpen SP1, SP2, SP3 jeweils die Probenlösung 6, das Verdünnungsmittel 8 und die Kalibrierungslösung 7 laden, wird vorzugsweise eine Peristaltikpumpe 5 verwendet, um einen näherungsweise konstanten Fluss an Fluid in das analytische Gerät 2 aufrechtzuerhalten. Das von der Peristaltikpumpe 5 gepumpte Fluid kann z. B. das gleiche Verdünnungsmittel 8 sein, das in die dritte Spritzenpumpe SP3 geladen worden ist, oder es kann ultrareines Wasser oder andere blanke Lösungsmittel umfassen. In dem in 2(b) gezeigten Abgabemodus ist die Peristaltikpumpe 5 abgeschaltet.
3 zeigt eine typische Geräteantwort, die beobachtet werden kann, wenn ein analytisches Gerät 2 über eine Darstellungsperiode von etwa einer Minute verwendet wird, wenn zunehmend stärkere Kalibrierungslösungen 7 mit der Probenlösung 6 gemischt werden. Die Antwort A zeigt die Instrumentenantwort, die erhalten wird, wenn eine Probenlösung 6 von der ersten Spritzenpumpe SP2 abgegeben wird und mit einem Verdünnungsmittel 8 gemischt wird, das von der dritten Spritzenpumpe SP3 abgegeben wird. Die Probenlösung 6 und das Verdünnungsmittel 8 werden vorzugsweise über eine anfängliche Periode von etwa 10 s analysiert, wobei die ungefähre Intensität des interessierenden Analyts in der Probenlösung 6 geschätzt werden kann.
Während dieser ersten Periode von 10 s oder am Ende dieser Periode wird die Instrumentenantwort integriert. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Konzentrationen der Kalibrierungslösung 7, die anschließend in das Probeneinführungssystem 1 eingeführt werden soll.
Wenn die Kalibrierungslösung 7 zum Probeneinführungssystem 1 zugegeben wird, wird vorzugsweise sichergestellt, dass die Gesamtdurchflussmenge der Probenlösung 6, des Verdünnungsmittels 8 und der Kalibrierungslösung 7 in das analytische Gerät 2 näherungsweise oder im Wesentlichen konstant bleibt. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird dies erreicht durch entsprechendes Reduzieren der Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8. Gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform kann jedoch die Kalibrierungslösung 7 anfangs in das Probeneinführungssystem 1 mit einem relativ hohen Niveau eingeführt werden, und kann anschließend fortschreitend reduziert werden durch fortschreitendes Erhöhen der Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8, während die Gesamtdurchflussmenge im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Nachdem eine Periode von etwa 10 s nach dem Einleiten der Kalibrierungslösung 7 mit einer ersten Konzentration in das Probeneinführungssystem 1 verstrichen ist, wird eine näherungsweise konstante Signalantwort erhalten, wie mit der Antwort B gezeigt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, wird dann, wenn die Kalibrierungslösung 7 oder Spike zugegeben wird, beobachtet, das die gemessene Intensität des interessierenden Analyts allmählich zunimmt, wenn der Spike zunehmend den Detektor des analytischen Geräts 2 erreicht. Sobald beobachtet worden ist, dass die Antwort des analytischen Gerätes 2 für eine ausreichende Zeitperiode (z. B. 10 s) stabil ist, was eine ausreichende Zeitspanne zum Erlangen der Daten erlaubt, wird die Kalibrierungslösung 7 oder Spike mit einem zweiten Konzentrationsniveau eingeführt und der Prozess wird wiederholt. Spikes verschiedener Konzentrationen können nach Bedarf mehrmals zugegeben werden (siehe Antworten C und D). 3 zeigt Spikes von drei verschiedenen Konzentrationen, die zur Probenlösung 6 zugegeben worden sind, jedoch ist offensichtlich, dass weniger oder mehr Spikes verwendet werden können. Ferner wird angenommen, dass mit der Zugabe von mehr Spikes die erwartete Genauigkeit der Messung der Konzentration des interessierenden Analyts größer wird. Je mehr Spikes jedoch zugegeben werden, desto mehr Zeit ist erforderlich, um eine Analyse durchzuführen.
Die Geräteantwort A für nur die Probenlösung 6 und das Verdünnungsmittel 8, sowie die Probenlösung 6, das Verdünnungsmittel 8 und Spikes 7 verschiedener Konzentration (Antworten B, C, D) können über der Konzentration des Spike aufgezeichnet werden, um die wirkliche Konzentration des Analyts in der Probe herauszuarbeiten, wie in 4 gezeigt ist. Durch Anpassen einer linearen Kleinste-Quadrate-Beziehung zwischen der Antwort der verschiedenen Datensätze an die Konzentration des Spike kann anschließend die Konzentration als das Verhältnis des Achsenabschnitts zur der Steigung dieser Funktion bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein klammernder Lösungsansatz angenommen werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Konzentration des Analyts in der Probe bestimmt durch anfängliches Einführen der Probenlösung 6, des Verdünnungsmittels 8 und der Kalibrierungslösung 7 mit einer anfänglichen Durchflussmenge, wobei die Geräteantwort aufgezeichnet wird. Anschließend kann die Durchflussmenge der Kalibrierungslösung 7 erhöht werden und die Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8 entsprechend verringert werden, um somit die Gesamtdurchflussmenge im Wesentlichen konstant zu halten. Die Geräteantwort wird wiederum aufgezeichnet. Anschließend wird die Durchflussmenge der Kalibrierungslösung 7 auf eine Durchflussmenge unter der anfänglichen Durchflussmenge gesenkt, wobei die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge dementsprechend erhöht wird, um somit die Gesamtdurchflussmenge im Wesentlichen konstant zu halten. Die Geräteantwort wird dann wiederum aufgezeichnet.
Mit anderen Worten, nachdem die Geräteantwort für das Analyt gelesen worden ist, injiziert das System automatisch zwei verschiedene Konzentrationsniveaus an Kalibrierungslösung 7, eine, um eine etwas niedrigere Ablesung als die anfängliche Ablesung zu erhalten, und eine, um eine etwas höhere Ablesung als die anfängliche Ablesung zu erhalten. Diese Standards können anschließend verwendet werden, um die Konzentration des Analyts in der Probenlösung 6 genau zu berechnen.
Es wird angenommen, dass, obwohl die Klammerungstechnik in Bezug auf die erste Erhöhung der Kalibrierungslösung-Durchflussmenge beschrieben worden ist, anschließend die Reduzierung der Kalibrierungslösung-Durchflussmenge in dieser Folge von Schritten umgekehrt werden kann, so dass die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge zuerst reduziert und anschließend erhöht wird.
Die Klammerungstechnik kann ferner in Verbindung mit einer externen Kalibrierung verwendet werden und wird nur dann ausgelöst, wenn die Konzentration der Probe aus dem Kalibrierungsbereich fällt. Ferner kann diese Technik verwendet werden, um den dynamischen Bereich des Gerätes auf Bereiche zu erweitern, wo die Geräteantwort nicht linear ist.
Ist wird eine Anordnung betrachtet, bei der nur zwei Dosierpumpen verwendet werden. Gemäß dieser Anordnung ist es immer noch möglich, eine Online-Kalibrierung durchzuführen durch Variieren der Durchflussmenge der zwei Pumpen, während die Gesamtdurchflussmenge konstant gehalten wird. Gemäß dieser Anordnung wird eine der Pumpen verwendet, um die Probenlösung mit einer unbekannten Konzentration eines interessierenden Analyts zu injizieren, während die andere Pumpe verwendet wird, um eine Kalibrierungslösung mit einer bekannten Konzentration des interessierenden Analyts zu injizieren. Die Konzentration C des Analyts in einem Gemisch aus einer Probenlösung und einer Kalibrierungslösung zu irgendeinem Zeitpunkt ist egeben durch:
wobei C_s die (unbekannte) Konzentration des interessierenden Analyts in der Probe ist, V_s die Volumendurchflussmenge (ml/min) der Probe ist, C_c die bekannte Konzentration des interessierenden Analyts in der Kalibrierungslösung ist, und V_c die Volumendurchflussmenge (ml/min) der Kalibrierungslösung ist. Unter der Annahme, dass die Gesamtdurchflussmenge V ist: V = Vs + Vc = konstantdann gilt:
Unter der Annahme, dass die Geräteantwort R linearen Bezug zur Analytkonzentration C in einem Gemisch der Probenlösung und der Kalibrierungslösung hat, dann kann R ausgedrückt werden durch: R = m·C + nwobei m und n die Steigung und der Achsenabschnitt der linearen Beziehung zwischen R und C sind. Somit gilt:
Hinsichtlich des Vorangehenden kann die folgende Folge von Messungen durchgeführt werden. Zuerst kann eine blanke Lösung, die z. B. ultrareines Wasser enthält, mit einer Durchflussmenge V ml/min in das Probeneinführungssystem eingeführt werden (ohne irgendeine Probenlösung oder Kalibrierungslösung einzuführen). Anschließend kann als Zweites eine Kalibrierungslösung mit einer Konzentration C_c in das Probeneinführungssystem mit der gleichen Durchflussmenge V ml/min eingeführt werden, ohne irgendeine Probenlösung einzuführen. Anschließend kann eine Kalibrierungslösung mit einer Konzentration C_c in das Probeneinführungssystem mit einer Durchflussmenge V₂ ml/min zusammen mit der Probenlösung mit einer Konzentration C_s mit einer Durchflussmenge (V – V₂) ml/min eingeführt werden. Die relativen Durchflussmengen der Probenlösung und der Kalibrierungslösung können anschließend variiert werden, so dass vorzugsweise drei oder vier verschiedene Mischungen der Proben- und Kalibrierungslösungen in das Probeneinführungssystem eingeführt werden. Es wird angenommen, dass die Folge von Messungen, die oben beschrieben worden ist, in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden kann.
Der Schritt des Einführens einer blanken Lösung kann verwendet werden, um den Wert von N zu berechnen, wobei der Schritt des Einführens der Kalibrierungslösung mit der Durchflussmenge V ohne irgendeine Probenlösung verwendet werden kann, um den Wert von m zu berechnen. Die Schritte des Bereitstellens von Probenlösungen zusammen mit verschieden starken Kalibrierungslösungen können verwendet werden, um die Steigung der Beziehung zwischen der Geräteantwort R und der Durchflussmenge der Probe V_S zu berechnen und anschließend die Konzentration C_s des Analyts in der Probenlösung zu bestimmen.
Der Klammerungsansatz, der oben mit Bezug auf die Ausführungsform mit drei Abgabevorrichtungen beschrieben worden ist, kann ebenfalls in einer modifizierten Form mit der Anordnung mit nur zwei Abgabevorrichtungen verwendet werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die drei Abgabevorrichtungen verwendet, können die Durchflussmengen der Kalibrierungslösung 7 und des Verdünnungsmittels 8 kontinuierlich variiert (d. h. erhöht/gesenkt) werden, während vorzugsweise die Gesamtdurchflussmenge gleich bleibt. Gemäß dieser Ausführungsform werden anfangs die Probenlösung 6 und das Verdünnungsmittel 8 eingegeben, und die Geräteantwort wird vorzugsweise kontinuierlich überwacht. Wie aus 5 deutlich wird, wird zum Zeitpunkt t₀ die Durchflussmenge des Verdünnungsmittels 8 allmählich reduziert, während gleichzeitig die Kalibrierungslösung 7 progressiv eingeführt wird. Die Gesamtdurchflussmenge der Probe 6, des Verdünnungsmittels 8 und der Kalibrierungslösung 7 wird vorzugsweise konstant gehalten. Eine Echtzeit-Standardzugabekurve ähnlich derjenigen, die in 5 gezeigt ist, kann erhalten werden. Die Kurve ermöglicht, die Konzentration des interessierenden Analyts in der Probenlösung 6 in einer ähnlichen Weise zu berechnen wie in dem Lösungsansatz, der oben mit Bezug auf 4 beschrieben worden.
In ähnlicher Weise können gemäß der Anordnung, die zwei Abgabevorrichtungen verwendet, die Durchflussmengen der Probenlösung und der Kalibrierungslösung kontinuierlich variiert (d. h. erhöht/gesenkt) werden. Gemäß diesen Ausführungsformen wird eine Gradientenantwort der Geräteantwort über der Zeit bereitgestellt, statt eine Serie von Schritten. Dieser Gradient kann anschließend verwendet werden, um die Antwort des Systems zu kalibrieren.
Gemäß sowohl der Ausführungsform, die drei Abgabevorrichtungen verwendet, als auch der Anordnung, die zwei Abgabevorrichtungen verwendet, können die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, um Isotopenverdünnungsprozeduren auszuführen. Bei der Isotopenverdünnung wird die Probenlösung mit einer bekannten Menge einer isotopisch modifizierten Lösung bekannter Konzentration und isotopischer Verteilung versetzt (spiked), die als interner Standard wirkt. Die isotopisch modifizierte Lösung wird verwendet, um die Konzentration der Analyt-Ionen der gleichen Elemente wie in der isotopisch modifizierten Lösung genau zu bestimmen.
Die isotopisch modifizierte Lösung umfasst vorzugsweise zwei oder mehr Isotope eines Elements. Zum Beispiel kann die isotopisch modifizierte Lösung zwei Isotope von Silber enthalten. Die natürliche Isotopenhäufigkeit von ¹⁰⁷Ag ist 51,84 %, während die natürliche Isotopenhäufigkeit von ¹⁰⁹Ag gleich 48,12 % ist. Die isotopisch modifizierte Lösung kann daher eine Lösung sein, die isotopisch angereichertes Silber umfasst, so dass z. B. eine größere Konzentration der ¹⁰⁹Ag-Isotope im Vergleich zu ¹⁰⁹Ag-Isotopen vorhanden ist. Wenn die Menge von ¹⁰⁷Ag und ¹⁰⁹Ag in der Kalibrierungslösung und die isotopische Verteilung in der Kalibrierungslösung bekannt sind, ist es möglich, die Konzentration von Ag in der Probenlösung mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu berechnen.
Mit Bezug auf 6 kann das Verhältnis R der Ionenintensitäten des Isotops x über dem Isotop y in einem Gemisch der Probenlösung und der Kalibrierungslösung geschrieben werden als:
wobei N_s die Anzahl der Analyt-Ionen in der Probe ist, Ab_(x,y) die Isotopenhäufigkeit des Isotops x in der Probe ist (Atom-%), N_c die Anzahl der Analyt-Ionen in der Kalibrierungslösung ist, Ab_(x,y) die Isotopenhäufigkeit des Isotops x in der Kalibrierungslösung ist (Atom-%), Ab_(y,s) die Isotopenhäufigkeit des Isotops x in der Probe ist (Atom-%), und Ab_(y,c) die Isotopenhäufigkeit des Isotops y in der Kalibrierungslösung ist (Atom-%). Diese Gleichung kann umgeschrieben werden zu:
Die Konzentration C_s des Elements in der Probe (g/g) kann dann berechnet werden:
wobei A_s das Atomgewicht des Elements in der Probe ist, W_s das Gewicht der Probe in (g) ist und 6,022·10²³ die Avogadro-Zahl ist. Die obige Gleichung kann umgeschrieben werden zu:
Einsetzen von N_s in den obigen Ausdruck und multiplizieren mit 10⁶, um die Konzentration in (μg/g) zu erhalten, ergibt:
In ähnlicher Weise kann die Konzentration C_c des Elements in der Kalibrierungslösung (g/g) geschrieben werden als:
und in (μg/g):
Somit ist:
und damit:
Um die Konzentration eines Elements in einer Probe zu bestimmen, werden drei Massenanalysen durchgeführt. Zuerst wird die Probe massenanalysiert und die Intensitäten der wenigstens zwei Isotope des interessierenden Elements werden bestimmt. Als zweites wird die Lösung, die wenigstens zwei Isotope des interessierenden Elements enthält, ebenfalls massenanalysiert, wobei die Intensitäten der wenigstens zwei Isotope des interessierenden Elements bestimmt werden. Schließlich wird das Gemisch aus Probe und Lösung massenanalysiert, wobei die Intensitäten der wenigstens zwei Isotope des interessierenden Elements, die im Gemisch enthalten sind, analysiert werden. Aus diesen drei Massenanalysen kann die Konzentration des interessierenden Elements in der Probe unter Verwendung der obigen Gleichung genau bestimmt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für Fachleute klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt ist.

Claims

Probeneinführungssystem (1) für ein analytisches Gerät (2), umfassend: eine erste Spritzenpumpe (SP1) zum Abgeben eines ersten Fluids, das eine Probenlösung (6) mit einer unbekannten Konzentration C_s eines interessierenden Analyts umfasst, mit einer Probenlösungs-Durchflussmenge V_s; eine zweite Spritzenpumpe (SP2) zum Abgeben eines zweiten Fluids, das eine Kalibrierungslösung (7) mit einer bekannten Konzentration C_c des interessierenden Analyts enthält, mit einer Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c; eine dritte Fluidabgabevorrichtung (SP3), zum Abgeben eines dritten Fluids, das ein Verdünnungsmittel (8) enthält, mit einer Verdünnungsmittel-Durchflussmenge (V_d); und Steuermittel zum automatischen Variieren der Kalibrierungslösungs- und Verdünnungsmittel-Durchflussmengen, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Kalibrierungslösungs- und Verdünnungsmittel-Durchflussmengen zu variieren, während die Summe aus Probenlösungs-Durchflussmenge, Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und Verdünnungsmittel-Durchflussmenge auf einem im wesentlichen konstanten Wert V gehalten wird.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge zu erhöhen und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge zu senken.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, jeweils in Schritten die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge zu erhöhen und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge zu senken.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge kontinuierlich zu erhöhen, während es dafür ausgelegt ist, gleichzeitig die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge kontinuierlich zu senken.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge zu senken und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge zu erhöhen.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 5, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, jeweils in Schritten die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge zu senken und die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge zu erhöhen.
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 5, wobei das Steuermittel dafür ausgelegt ist, die Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge kontinuierlich zu senken, während es dafür ausgelegt ist, gleichzeitig die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge kontinuierlich zu erhöhen.
Probeneinführungssystem (1) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine Mischvorrichtung (3) umfasst zum Mischen des von der ersten Spritzenpumpe (SP1) abgegeben ersten Fluids (6) mit dem von der dritten Abgabevorrichtung (SP3) abgegeben dritten Fluid (8).
Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 8, das ferner eine weitere Mischvorrichtung (4) umfasst zum Mischen eines Gemisches der ersten und dritten Fluide mit dem von der zweiten Spritzenpumpe (SP2) abgegebenen zweiten Fluid (7).
Probeneinführungssystem (1) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verdünnungsmittel (8) im wesentlichen eine 0%-Konzentration des interessierenden Analyts umfasst.
Probeneinführungssystem (1) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die dritte Abgabevorrichtung eine Spritzenpumpe umfasst.
Probeneinführungssystem (1) nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Probeneinführungssystem (1) dafür ausgelegt ist, eine Probenlösung (6) in eine Ionenquelle eines Massenspektrometers einzuführen.
Analytisches Gerät (2) in Kombination mit einem Probeneinführungssystem (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12.
Analytisches Gerät (2) in Kombination mit einem Probeneinführungssystem (1) nach Anspruch 13, wobei das analytische Gerät (2) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: (i) einem Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma ("ICP", Inductively Coupled Plasma); (ii) einem optischen Analysator mit induktiv gekoppeltem Plasma; (iii) einem Flammenspektrophotometer; (iv) einem Massenspektrometer mit chemischer Ionisation unter atmosphärischem Druck ("APCI", Atmospheric Pressure Chemical Ionisation); und (v) einem Massenspektrometer mit Elektrospray-Ionisation ("ESI", Electrospray Ionisation).
Verfahren des Bestimmens der Konzentration eines Analyts in einer Probenlösung, das die Schritte umfasst: Einführen einer Probenlösung (6) mit einer unbekannten Konzentration C_s eines interessierenden Analyts mit einer Proben-Durchflussmenge V_s in ein Probeneinführungssystem (1) unter Verwendung einer ersten Spritzenpumpe (SP1); Einführen einer Kalibrierungslösung (7) mit einer bekannten Konzentration C_c des interessierenden Analyts mit einer Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c in das Einführungssystem (1) unter Verwendung einer zweiten Spritzenpumpe (SP2); Einführen eines Verdünnungsmittels (8) mit einer Verdünnungsmittel-Durchflussmenge V_d in das Probeneinführungssystem (1); und Automatisches Variieren der Kalibrierungslösungs- und Verdünnungsmittel-Durchflussmengen, wobei der Schritt des automatischen Variierens der Kalibrierungslösungs- und Verdünnungsmittel-Durchflussmengen ferner das Halten der Summe aus der Proben-Durchflussmenge, der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge auf einem im wesentlichen konstanten Wert V umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 das ferner das Analysieren der Probenlösung (6) und des Verdünnungsmittels (8) umfasst, wenn die Probenlösung (6) und das Verdünnungsmittel (8) in das Probeneinführungssystem (1) eingeführt werden, im Wesentlichen ohne irgendeine Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) einzuführen, wobei die Summe aus Proben-Durchflussmenge und Verdünnungsmittel-Durchflussmenge im Wesentlichen gleich dem konstanten Wert V ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das ferner das Analysieren eines ersten Gemisches aus der Probenlösung (6), dem Verdünnungsmittel (8) und der Kalibrierungslösung (7) umfasst, wenn das Verdünnungsmittel (8) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer ersten Verdünnungsmittel-Durchflussmenge V_d1 eingeführt wird und die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer ersten Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c1 eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Analysieren eines zweites Gemisches aus der Probenlösung (6), dem Verdünnungsmittel (8) und der Kalibrierungslösung (7) umfasst, wenn das Verdünnungsmittel (8) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer zweiten Verdünnungsmittel-Durchflussmenge V_d2 eingeführt wird und die Kalibrierungslösung in das Probeneinführungssystem (1) mit einer zweiten Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c2 eingeführt wird, wobei V_d1 ≠ V_d2 und V_c1 b≠ V_c2 gilt.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner das Analysieren eines dritten Gemisches aus der Probenlösung (6), dem Verdünnungsmittel (8) und der Kalibrierungslösung (7) umfasst, wenn das Verdünnungsmittel (8) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer dritten Verdünnungsmittel-Durchflussmenge V_d3 eingeführt wird und die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer dritten Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c3 eingeführt wird, wobei V_d1 ≠ V_d2 ≠ V_d3 und V_c1 ≠ V_c2 ≠ V_c3 gilt.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner das Analysieren eines vierten Gemisches aus der Probenlösung (6), dem Verdünnungsmittel (8) und der Kalibrierungslösung (7) umfasst, wenn das Verdünnungsmittel (8) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer vierten Verdünnungsmittel-Durchflussmenge V_d3 eingeführt wird und die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer vierten Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge V_c3 eingeführt wird, wobei V_d1 ≠ V_d2 ≠ V_d3 ≠ V_d4 und V_c1 ≠ V_c2 ≠ V_c3 ≠ V_c4 gilt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20, das ferner den Schritt des Erhöhens der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und des Senkens der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Erhöhen der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und das Senken der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge jeweils in Schritten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das kontinuierliche Erhöhen der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge umfasst, während gleichzeitig die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge kontinuierlich gesenkt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 20, das ferner das Senken der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und das Erhöhen der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das Senken der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge und das Erhöhen der Verdünnungsmittel-Durchflussmenge jeweils in Schritten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das kontinuierliche Senken der Kalibrierungslösungs-Durchflussmenge umfasst, während gleichzeitig die Verdünnungsmittel-Durchflussmenge kontinuierlich erhöht wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 26, das ferner die Schritte umfasst: Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer vorgegebenen Durchflussmenge eingeführt wird; und anschließend Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die größer ist als die vorgegebene Durchflussmenge; und anschließend Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (8) mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die kleiner ist als die vorgegebene Durchflussmenge.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 26, das ferner die Schritte umfasst: Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer vorgegebenen Durchflussmenge eingeführt wird; und anschließend Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (1) mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die kleiner ist als die vorgegebene Durchflussmenge; und anschließend Analysieren eines Gemisches aus der Probenlösung (6), der Kalibrierungslösung (7) und dem Verdünnungsmittel (8), wenn die Kalibrierungslösung (7) in das Probeneinführungssystem (8) mit einer Durchflussmenge eingeführt wird, die größer ist als die vorgegebene Durchflussmenge.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 28, das ferner das Mischen der Probenlösung (6) mit dem Verdünnungsmittel (8) in einer Mischvorrichtung (3) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner das Mischen eines Gemi sches aus der Probenlösung (6) und dem Verdünnungsmittel (8) mit der Kalibrierungslösung (7) in einer weiteren Mischvorrichtung (4) umfasst.