análisis elemental directo de muestras clínicas mediante...

ANÁLISIS ELEMENTAL DIRECTO DE MUESTRAS CLÍNICAS MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE

MASAS CON FUENTE DE IONIZACIÓN DE PLASMA ACOPLADO POR INDUCCIÓN

Águeda Cañabate López

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www.eltallerdigital.com

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA, NUTRICIÓN Y BROMATOLOGÍA

FACULTAD DE CIENCIAS UNIVERSIDAD DE ALICANTE

ANÁLISIS ELEMENTAL DIRECTO DE MUESTRAS

CLÍNICAS MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE

MASAS CON FUENTE DE IONIZACIÓN DE

PLASMA ACOPLADO POR INDUCCIÓN

ÁGUEDA CAÑABATE LÓPEZ PD CIENCIAS EXPERIMENTALES Y BIOSANITARIAS

Tesis presentada para aspirar al grado de

DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE

Dirigida por:

Prof. D. José Luis Todolí Torró

Prof. D. Martin Resano Ezcaray

La presente Tesis Doctoral ha sido financiada por una ayuda

predoctoral (UAFPU2015-5990) concedida por el Vicerrectorado de

Investigación y Transferencia del conocimiento de la Universidad de

Alicante y una ayuda predoctoral (ACIF/2016/042) concedida por la

Generalitat Valenciana.

Dr. D. SALVADOR ENRIQUE MAESTRE PEREZ, director del Departamento

de Química Analítica, Nutrición y Bromatología de la Facultad de

Ciencias de la Universidad de Alicante

Certifica que,

Dña. ÁGUEDA CAÑABATE LÓPEZ ha realizado, bajo la dirección del

profesor Dr. D. JOSÉ LUIS TODOLÍ TORRÓ (Departamento de Química

Analítica, Nutrición y Bromatología. Universidad de Alicante, Alicante,

España) y del profesor Dr. D. MARTIN RESANO EZCARAY (Departamento

de Química Analítica, Universidad de Zaragoza, Zaragoza, España), el

trabajo correspondiente a la obtención del Grado de Doctor en Ciencias

Experimentales y Biosanitarias titulado “ANÁLISIS ELEMENTAL DIRECTO

DE MUESTRAS CLÍNICAS MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE MASAS CON

FUENTE DE IONIZACIÓN DE PLASMA ACOPLADO POR INDUCCIÓN”

Alicante, junio de 2019

Fdo. Dr. D. Salvador Enrique Maestre Perez

El profesor Dr. D. JOSÉ LUIS TODOLÍ TORRÓ (Departamento de Química

Analítica, Nutrición y Bromatología. Universidad de Alicante, Alicante,

España) y el profesor Dr. D. MARTIN RESANO EZCARAY (Departamento

de Química Analítica. Universidad de Zaragoza, Zaragoza, España), en

calidad de directores de la Tesis Doctoral presentada por Dña. ÁGUEDA

CAÑABATE LÓPEZ, conducente a la obtención del Grado de Doctor en

Ciencias Experimentales y Biosanitarias titulada: “ANÁLISIS ELEMENTAL

DIRECTO DE MUESTRAS CLÍNICAS MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE

MASAS CON FUENTE DE IONIZACIÓN DE PLASMA ACOPLADO POR

INDUCCIÓN”

Certifican que,

la citada Tesis Doctoral se ha realizado en los laboratorios del

Departamento de Química Analítica, Nutrición y Bromatología de la

Universidad de Alicante y del Departamento de Química Analítica de la

Universidad de Zaragoza, y que, a su juicio, reúne los requisitos

necesarios y exigidos en este tipo de trabajos.

Alicante, junio de 2019

Fdo. Dr. D. José Luis Todolí Torró Fdo. Dr. D. Martin Resano Ezcaray

A todas las veces que

me dije que no podría

PhD. Águeda Cañabate López

Agradecimientos

Aunque suene descorcentante las palabras iniciales de esta Tesis

Doctoral suponen un fin a un ciclo, un hasta siempre a esta aventura y

un modo en el que agradecer tanto a tantas personas que me han

acompañado en este proyecto.

Todo empezó con una beca de colaboración en el Departamento

de Química Analítica, Nutrición y Bromatología de la Universidad de

Alicante, junto a Jose Luis Todolí como tutor. Jose Luis a ti te debo gran

parte de esta Tesis Doctoral, muchísimas gracias por pensar en qué yo

sería capaz de llevar a cabo este proyecto, aun cuándo yo ni siquiera

confiaba en que podría hacerlo. Gracias por acompañarme desde el

inicio hasta hoy, siempre con palabras de ánimo, me has hecho crecer

acádemica y personalmente.

Pero como dice la frase “si quieres llegar rápido camina sólo,

pero si quieres llegar lejos camina en grupo” yo no estaría escribiendo

estas palabras si no fuera por el grupo de investigación en el que he

realizado la tesis, especialmente gracias a las personas que lo

componen. Gracias Sole, Salva y Raquel por los momentos compartidos

en los cafés y las comidas, estos ratos han hecho que los días duros de

trabajo fueran más fáciles. Gracias Silvia por contagiarme de tu

positividad y a ti Juan Pedro gracias por los momentos de risa que me

has brindado y sigues haciéndolo, aunque ni siquiera sea tu intención.

Fani gracias por aparecer en este camino, tu valentía y tu entusiasmo

por la ciencia siempre han sido de gran inspiración para mi. Carlos

Agradecimientos

muchísimas gracias por ayudarme siempre, estoy segura de que

conseguirás todo lo que te propongas porque te lo mereces. Eres un

gran investigador, pero aún mejor persona. A ti Ángela sólo puedo

decirte un GRACIAS en mayúsculas, por iniciar este camino junto a mi y

no me refiero sólo a este proyecto. Gracias por las horas de estudio sin

importar el día, la hora o el sitio ya que siempre han sido momentos

que recordar, los ensayos de presentaciones, las preocupaciones

compartidas…gracias por lo vivido y lo que queda por vivir.

Esta aventura también ha tenido otros protagonistas algo más

lejos de Alicante, pero no por eso menos importantes. Muchísimas

gracias a Martin Resano, mi codirector de Tesis Doctoral junto a José

Luis Todolí. Gracias por acogerme en Zaragoza como si me conocieras

de toda la vida, por las charlas divertidas durante las largas horas en el

ICP-MS aunque fuera para meterte con Villena y mi acento. Eres de esas

personas que hacen que la gente que le acompaña se sienta cómoda y

agusto, gracias por apoyarme siempre con una sonrisa y un consejo en

todas las decisiones que he tomado. Como no también tengo que

agradecerte a ti, Esperanza, todo el cariño y apoyo que me brindaste

durante mi estancia en Zaragoza, fuiste como una madre en MARTE.

También agradecer a Maite, Charo, Diego, Raquel y Raúl con los que he

compartido largas horas de laboratorio durante las distintas estancias

en MARTE. A todos ellos gracias por los momentos compartidos. Me

llevo muchos recuerdos de esta aventura, incluido el calor que pasamos

en el laboratorio que nos hizo trabajar en horas intempestivas.


Gracias también al grupo de investigación EMAB de la

Universidad de Oviedo, por dejarme formar parte durante 3 meses de

él. Gracias Jörg, María, Elisa, Xavi, Mario, Alejandro, Dani y Robert por

los momentos compartidos en el laboratorio, aunque mi visita os dio

más que un dolor de cabeza ya que conmigo llegaron las tormetas

eléctricas y los sufrimientos por el ICP-MS. No me olvido de las CHICAS

EMAB, muchísimas gracias a Silvia y Jeni por acogerme como una más y

ayudarme en todo lo que necesitaba.

Pero en estas líneas también quiero agradecer a todas las

personas que no sólo han formado parte de este proyecto, sino que

forman parte del proyecto de mi vida. Muchísimas gracias a Cristina por

apoyarme, escucharme, aconsejarme…sin tu saberlo has sido una parte

muy importante en esta etapa, pero lo más importante es que sigues

siéndolo en cada una de las etapas. Mil gracias también a Tania por tus

llamadas por Skype, por tus ánimos y por escucharme, aunque no

entendieras ni de lo que te estaba hablando, gracias por dar tanto sin

pedir nada a cambio. Gracias también al resto de amigos, a los que

están y a los que estuvieron por sus ánimos y por las comidas, cenas,

fiestas…que hemos disfrutado y me han dado ánimos en los momentos

duros del camino.

Por último, pero no por eso menos importante gracias mamá y

papá por estar ahí siempre, en las buenas y en las malas apoyándome

en cada una de las decisiones que he tomado sin juzgarlas, y sobretodo

por acompañarme en mis aventuras haciéndolas también vuestras,

aunque en alguna que otra os haya dado algún susto. Muchísimas

Agradecimientos

gracias a mi hermana Mvirtu, porque su espíritu de positividad, fuerza

y valentía siempre te contagían y te dan fuerzas para seguir, para

sobreponerte y para disfrutar de cada una de las aventuras que te

brinda la vida. Gracias por preocuparte siempre por mi. También quiero

agradecer a mi cuñado, por ser uno más en la familia y tratarme como

a una hermana, siempre aportándonos momentos de risa a esta familia

ya de por si un poco loca. Como no, agradecer al último integrante de

la familia, Alejandro, porque, aunque aparecieses a mitad de este

proyecto siempre me has apoyado y animado en el camino, aunque eso

significase estar lejos y hablar mucho por teléfono, cosa que odias.

Gracias por aparecer y no desaparecer nunca.

i


Lista de contenido

List of acronyms and abbreviatures ............................................. vii

Lista de figuras .............................................................................. xi

Lista de tablas ...............................................................................xxi

Resumen ......................................................................................... 1

1. Introducción ............................................................................. 19

1.1. Sistema de introducción de muestra ................................... 23

1.1.1. Nebulizadores .................................................................... 25

1.1.2. Cámaras de nebulización ................................................... 33

1.1.2.1. Cámara de nebulización de doble paso o Scott......... 36

1.1.2.2. Cámara de nebulización de tipo ciclónica ................. 38

1.1.2.3. Cámara de nebulización de paso simple ................... 39

1.1.2.4. Cámara de nebulización con volumen interior reducido

................................................................................................ 40

1.2. Sistema de introducción de muestra con sistema de

desolvatación ............................................................................... 41

1.3. Plasma ................................................................................... 44

1.4. ICP-MS .................................................................................. 47

ii

Lista de contenido

1.4.1. Interfaz .............................................................................. 47

1.4.2. Sistema de focalización iónica ........................................... 49

1.4.3. Analizador de masas .......................................................... 50

1.4.4. Detector ............................................................................. 60

1.4.5. ICP-MS Agilent 7700x ........................................................ 62

1.4.6. ICP-MS NexION 300x ......................................................... 66

1.5. Sistema de introducción de muestra de antorcha integrada a

alta temperatura (hTISIS) ............................................................ 70

1.6. Referencias ........................................................................... 79

Trabajos Publicados ..................................................................... 91

2. Comparison of a high temperature torch integrated sample

introduction system with a desolvation system for the analysis of

microsamples through inductively coupled plasma mass

spectrometry ............................................................................... 93

2.1. Abstract ................................................................................ 97

2.2. Introduction .......................................................................... 98

2.3. Experimental ...................................................................... 101

2.3.1. Chemicals and samples ................................................... 101

iii


2.3.2. Instrumentation ............................................................... 103

2.4. Results and discussion ........................................................ 105

2.4.1. Studies under continuous introduction mode ................ 107

2.4.1.1. Doubly charged ions and oxide ratios ..................... 113

2.4.1.2. Memory effects and signal stability......................... 115

2.4.2. Studies under air-segmented sample introduction mode

................................................................................................... 118

2.4.2.1. Sensitivity and limits of detection .......................... 118

2.4.2.2. Memory effects ....................................................... 122

2.4.3. Matrix effects .................................................................. 123

2.4.3.1. Synthetic solutions................................................... 123

2.4.3.2. Spiked reference materials ...................................... 131

2.5. Conclusions ......................................................................... 134

2.6. Acknowledgements ............................................................ 135

2.7. References .......................................................................... 136

3. Analysis of whole blood by ICP-MS equipped with a high

temperature total sample consumption system ....................... 145

3.1. Abstract .............................................................................. 149

iv

Lista de contenido

3.2. Introduction ........................................................................ 150

3.3. Experimental ...................................................................... 153

3.3.1. Chemicals and samples ................................................... 153



3.4.1. Effect of hTISIS temperature on the sensitivity and

comparison with the Cyclonic spray chamber .......................... 157

3.4.2. Comparison between continuous and air segmented-flow

modes ........................................................................................ 166

3.4.3. Effect of the sample introduction system on the signal

stability ...................................................................................... 168

3.4.4. Matrix effects .................................................................. 170

3.4.5. Oxides and doubly charged ions ..................................... 173

3.4.6. Analysis of blood reference material (RM) ..................... 175

3.4.7. Analysis of real samples .................................................. 177

3.5. Conclusions ......................................................................... 184


3.7. References .......................................................................... 186

v


4. Cerebrospinal fluid elemental analysis by using a total sample

consumption system operated at high temperature adapted to

inductively coupled plasma mass spectrometry ....................... 195

4.1. Abstract .............................................................................. 199

4.2. Introduction ........................................................................ 200

4.3. Experimental ....................................................................... 205

4.3.1. Chemicals and samples.................................................... 205



4.4.1. Optimization of the chamber temperature and comparison

of the hTISIS with the double pass spray chamber ................... 209

4.4.2. Validation of the proposed methodology ....................... 213

4.4.3. Oxides and doubly charged ions ..................................... 216

4.4.4. Non-spectral interference ............................................... 218

4.4.5. Analysis of real samples .................................................. 223

4.5. Conclusions ......................................................................... 227


4.7. References .......................................................................... 229

Conclusiones generales .............................................................. 237

vi

Lista de contenido

Futuros estudios ........................................................................ 243

Impacto científico ...................................................................... 247

vii


List of acronyms and abbreviatures

α Significance level

AAS Atomic absorption spectrometry

CR Ratio concentration

CNS Central nervous system

CRM Certified reference material

CSF Cerebrospinal fluid

Cy Cyclonic spray chamber

ETV Electrothermal vaporization

HEN High efficiency nebulizer

HG-AFS Hybride generation atomic fluorescence spectroscopy

HMI High matrix introduction system/device

hTISIS High temperature torch integrated sample introduction

system

ICP Inductively coupled plasma

ICP-MS Inductively coupled plasma - mass spectrometry

ICP-MS/MS Inductively coupled plasma - tandem mass spectrometry

viii


ICP-QMS Inductively coupled plasma - quadrupole mass

spectrometry

ICP-SFMS Inductively coupled plasma - sector field mass

spectrometry

ICP-TOF-MS Inductively coupled plasma - time of light - mass

spectrometry

ICP-OES Inductively coupled plasma - optical emission

spectroscopy

Iri Relative intensity

JAAS Journal of analytical atomic spectrometry

KED Kinetic energy discrimination

LA Laser ablation

LOD Limit of detection

LOQ Limit of quantification

NRC National Research Council Canada

ORS Octopole reaction system

p Probability

PFA Perfluoroalkoxy

PP Polypropylene

ix


PTFE Polytetrafluoroethylene

Qg Nebulizer gas flow rate

Ql Sample flow rate

R Resolving power

RP-HPLC Reversed phase High-performance liquid

chromatography

RSD Relative standard deviation

RM Reference material

RT Room temperature

sb Standard deviation

SAB Spectrochimica acta part B

TXRF Total reflection x-ray fluorescence

VAMS Volumetric absorptive micro sampling

v/v volumen/volumen dilution

w/w weight/weight dilution

x


xi


Lista de figuras

Figura 1.1. Esquema de los componentes principales de los

espectrómetros de ICP-OES e ICP-MS................................................... 22

Figura 1.2. Esquema de los componentes de los sistemas de

introducción de muestra más empleados para el análisis de muestras

líquidas .................................................................................................. 25

Figura 1.3. Esquema de la geometría de los nebulizadores neumáticos

más empleados. (a) Concéntrico; (b) Flujo cruzado; (c) Alto contenido

en sólidos; (d) Paso paralelo. ................................................................ 27

Figura.1.4. Esquema de un nebulizador neumático concéntrico ......... 28

Figura 1.5. Esquema de un nebulizador neumático de flujo cruzado .. 29

Figura 1.6. Esquema de un nebulizador neumático de alto contenido en

sólidos ................................................................................................... 30

Figura 1.7. Esquema de un nebulizador neumático de paso paralelo…31

Figura.1.8. Imagen del micronebulizador de alta eficacia utilizado

durante el desarrollo de la presente Tesis Doctoral ............................. 32

Figura 1.9. Esquema de los principales fenómenos de transporte que

ocurren en la cámara de nebulización .................................................. 35

Figura 1.10. (a) Esquema de una cámara de nebulización de doble paso;

(b) Imagen de una cámara de doble paso dónde se reflejan las zonas de

impacto del aerosol .............................................................................. 37

xii

Lista de figuras

Figura 1.11. (a) Esquema de una cámara de nebulización de tipo

ciclónica; (b) Imagen de una cámara de tipo ciclónica dónde se reflejan

las zonas de impacto del aerosol .......................................................... 38

Figura.1.12. Esquema de una cámara de nebulización de paso simple

............................................................................................................ …39

Figura 1.13. Esquema de una cámara de nebulización de paso simple

con superficie de impacto... .................................................................. 40

Figura 1.14. Esquema de un sistema de introducción de muestra

compuesto por un sistema de desolvatación. ...................................... 42

Figura 1.15. (a) Esquema de los componentes del sistema de

desolvatación APEX; (b) Sistema de desolvatación APEX ..................... 43

Figura.1.16. Esquema de la antorcha y el plasma ................................ 44

Figura 1.17. Esquema de la transformación que sufre el analito en el

plasma ................................................................................................... 46

Figura 1.18. Esquema de los componentes de un equipo ICP-MS ....... 47

Figura 1.19. Imagen de un cono separador y un cono de muestreo ... 48

Figura.1.20. Esquema del sistema de focalización de iones del ICP-MS

NexION 300X de Perkin Elmer .............................................................. 50

Figura 1.21. Esquema de la eliminación de la interferencia poliatómica

en la determinación de 56Fe usando NH3 como gas reactivo en una celda

de reacción en ICP-MS .......................................................................... 56

xiii


Figura 1.22. Esquema de un espectrómetro ICP-MS/MS ..................... 57

Figura 1.23. Esquema de las diferentes estrategias seguidas en ICP-

MS/MS para minimizar y/o eliminar interferencias entre el analito (m1)

y el interferente (m1). (a) on-mass mode; (b) y (c) mass-shift mode ... 59

Figura 1.24. Esquema del paso de un electrón a través de un canal

multplicador de electrones ................................................................... 61

Figura 1.25. Imagen del ICP-MS Agilent 7700x usado en los Capítulos 2,

3 y 4 ...................................................................................................... 62

Figura.1.26. Esquema de los componentes del ICP-MS Agilent 7700x..

............................................................................................................... 63

Figura 1.27. (a) Sistema de introducción de muestra del ICP-MS 7700x

Agilent; (b) Accesorio HMI ................................................................... 64

Figura 1.28. Esquema del proceso que tiene lugar en el detector

multiplicador de electrones del ICP-Ms Agilent 7700x ......................... 65

Figura 1.29. Imagen del ICP-MS NexION 300X con vistas del interior . 66

Figura.1.30. Esquema de los componentes principales del ICP-MS

NexION 300X Perkin Elmer ................................................................... 67

Figura 1.31. Esquema de la interfaz y el sistema de focalización iónica

del ICP-MS NexION 300X Perkin Elmer ................................................ 68

Figura 1.32. Esquema del sistema de introducción de muestra hTISIS...

............................................................................................................... 70

xiv

Lista de figuras

Figura 1.33. Intensidad iónica (cps) para 55Mn en ICP-MS con un sistema

convencional (cámara de nebulización Scott) y hTISIS a distintas

temperaturas bajo inyección segmentada ........................................... 73

Figura 1.34. Intensidad de emisión para B 249.773 nm al pasar de una

disolución de 10 µg mL-1de B a agua destilada con una cámara cinnabar

(línea discontinua) y el sistema hTISIS (línea continua) ....................... 76

Figura 1.35. Recuperación obtenida para cuatro muestras reales de

bioetanol dopadas con 250 mg L-1 usando el sistema hTISIS bajo

inyección segmentada .......................................................................... 77

Figure 2.1. Strategy followed to perform the experiments carried out in

the present study ................................................................................ 106

Figure 2.2. (a) 55Mn, (b) 111Cd and (c) 208Pb intensity measured for 100

µg L-1 multielemental solutions at four different hTISIS wall

temperatures, four modes of the APEX system and the Scott spray

chamber. Ql = 20 µL min-1. Error bars correspond to the standard

deviation obtained from 5 consecutive replicates ............................. 109

Figure 2.3. Limits of detection (ng L-1) obtained by using the double pass

spray chamber, the APEX and the hTISIS at different temperatures. Ql=

20 µL min-1. To make the bars visible, the values for 59Co, 63Cu, 88Sr,

111Cd, 137Ba and 208Pb have been multiplied by a factor of 5 ............. 112

Figure 2.4. Ce++/Ce+ and CeO+/Ce+ ratios obtained for 100 µg L-1

multielemental solutions at four different hTISIS wall temperatures,

four modes of the APEX system and the Scott spray chamber. The

signals obtained for Ce++ and for CeO+ have been multiplied by 100. Ql =

xv


20 µL min-1. Error bars correspond to the standard deviation obtained

from 5 consecutive replicates ............................................................. 114

Figure 2.5. Recordings corresponding to the 55Mn signal variation

versus time when switching from ultra-pure water to a 100 g L-1

multielemental solution to ultra-pure water. (a) double pass Scott

chamber; (b) APEX 140 °C/2 °C and, (c) hTISIS at 200 °C. Ql = 20 µL min-

1 ........................................................................................................... 116

Figure 2.6. 55Mn Transient signals obtained in air-segmented flow

injection mode with the different sample introduction systems

considered. (a) double pass Scott chamber; (b) APEX 140 °C/2 °C; (c)

hTISIS at room temperature; and, (d) hTISIS at 200 °C. Matrix: ultra-pure

water. Concentration: 100 µg L-1. Injected sample volume: 5 µL ....... 119

Figure 2.7. Limits of detection (ng L1) obtained with the different sample

introduction systems using discrete sample introduction mode.

Inyected sample volume: 5 µL. To make the bars visible, values for 59Co

and 208Pb were multiplied by a factor of 10 ....................................... 121

Figure 2.8. Relative intensity (Iri) for a 2% CH3OH solution referred to

the intensity obtained in 1.5% nitric acid solution. Black bars: Scott

spray chamber; Grey bars: hTISIS at 200 °C; White bars: APEX at 140

°C/2°C. Concentration: 100 µg L-1. Continuous sample aspiration mode.

Ql= 20 µL min-1. Error bars correspond to the standard deviation

obtained from 5 consecutive replicates ............................................. 124

Figure 2.9. Relative intensity (Iri) for a 2% CH3OH solution referred to

the intensity obtained in 1.5% nitric acid solution. Black bars: Scott

xvi

Lista de figuras


°C/2 °C. Concentration: 100 µg L-1. Volume injected: 5 µL. Error bars

correspond to the standard deviation obtained from 5 consecutive

replicates ............................................................................................. 126

Figure 2.10. Relative intensity (Iri) for 10% nitric acid referred to the

intensity obtained in 1.5% nitric acid solution. Black bars: Scott spray

chamber; Grey bars: hTISIS at 200 °C; White bars: APEX at 140 °C/2 °C.

Concentration: 100 µg L-1. Continuous sample aspiration mode. Ql = 20

µL min-1. Error bars correspond to the standard deviation obtained from

5 consecutive replicates ...................................................................... 127

Figure 2.11. Relative intensity (Iri) for the matrix made of 70% (v/v)

acetonitrile in water, 15 mmol L-1 ammonium acetate and 0.5 % formic

acid referred to the intensity obtained in 1.5% HNO3. Black bars: Scott


°C/2 °C. Air-segmented injection mode. Injected volume: 2.5 µL. Error

bars correspond to the standard deviation obtained from 5 consecutive

replicates ............................................................................................. 129

Figure 2.12. Relative intensity (Iri) for 70% (v/v) acetonitrile in water, 15

mmol L-1 ammonium acetate and 0.5% formic acid referred to the

intensity obtained in 1.5% HNO3 for hTISIS at different temperatures.

Black bars: 146Nd; Grey bars: 153Eu; Dashed bars: 157Gd; White bars: 166Er.

Air-segmented injection mode. Injected volume: 2.5 µL. Error bars

correspond to the standard deviation obtained from 5 consecutive

replicates ............................................................................................. 130

xvii


Figure 3.1. Effect of the hTISIS temperature on the sensitivity (using

peak area values) normalized with respect to the cyclonic spray

chamber. A dilution factor of 1:50 and air-segmented injection mode

(injected volume: 5 µL) were used. Experiments were performed with a

NexION 300X ICP-MS. Error bars were calculated according to error

propagation (n=5) ............................................................................... 160

Figure 3.2. Effect of the dilution factor on the sensitivity (using peak

area values) normalized with respect to the Cyclonic spray chamber at

(a) room temperature and (b) 200 °C hTISIS temperature. Injection was

performed under the air-segmented (5 µL) mode. Experiments were

performed with a NexION 300X ICP-MS ............................................. 162

Figure 3.3. Sensitivities obtained with the hTISIS were normalized to

those encountered with the cyclonic spray chamber, both in

continuous- and segmented-flow regimes. Blood samples were diluted

to 1:25 with deionized water. The hTISIS temperature was set at 200 °C.

The dashed bars represent the continuous mode, whereas the dotted

bars represent the segmented-flow (10 µL) injection mode. A NexION

300X ICP-MS was used for this experiment. Error bars were calculated

according to error propagation (n=5) ................................................. 167

Figure 3.4. Intensity ratios obtained for two different sample dilutions

(1:25 and 1:10) under different operating conditions in (a) continuous

injection and (b) 5 µL air-segmented injection. A NexION 300X ICP-MS

was used for this experiment. Error bars were calculated according to

error propagation (n=5) ...................................................................... 172

xviii

Lista de figuras

Figure 3.5. Variation of the 63Cu, 110Cd (values for Cd have been

multiplied by a factor of 1000) signal intensities, and barium oxide and

doubly charged ions ratios, with the hTISIS temperature and for the

cyclonic spray chamber in air-segmented mode (injected volume: 10

µL). A NexION 300X ICP-MS was used for this experiment. Error bars

were calculated according to the standard deviation obtained from the

absolute standard deviation (n=5) ...................................................... 174

Figure 4.1. Effect of the hTISIS temperature on the peak area normalized

with respect to the double pass spray chamber. The CSF sample was

spiked with 20 µg element L-1

. Error bars were calculated using error

propagation (n=5) ............................................................................... 210

Figure 4.2. 51V transient signals obtained for the double pass spray

chamber (a) and the hTISIS operated at 200 °C (b). The CSF sample was

spiked with 20 µg element L-1 ............................................................. 212

Figure 4.3. Peak area RSD (n=5) for the Scott spray chamber and hTISIS

at 200 °C. Grey bars: double pass spray chamber; green bars: hTISIS at

200 °C ................................................................................................. 214

Figure 4.4. Variation of cerium oxide (grey bars) and doubly charged

ions ratios (red bars) for the hTISIS and the Scott spray chamber

normalized with respect to the data found at 200 °C. Error bars were

calculated using error propagation (n=5) ........................................... 217

Figure 4.5. Relative elemental concentrations, CR, obtained for the two

calibration methods evaluated. (a) Double pass spray chamber; (b)

hTISIS at 200°C. Sample C .................................................................. 220

xix


Figure 4.6. Recoveries for (a) Scott spray chamber and (b) hTISIS at

200°C for five CSF real samples spiked with 20 µg element L-1 .......... 222

xx

Lista de figuras

xxi


Lista de tablas

Tabla 1.1. Comparación de los tres tipos de analizadores de masa

usados en ICP-MS en cuanto a poder de resolución y velocidad de

escaneo ................................................................................................. 53

Tabla 1.2. Ejemplos de interferencias isobáricas, de iones de carga

múltiple e interferencias poliatómicas. ................................................ 55

Tabla 1.3. Listado de muestras que han sido estudiadas bajo el sistema

de introducción de muestra hTISIS ....................................................... 72

Tabla 1.4. LODs (ng mL-1) obtenidos por ICP-MS para una muestra 50%

etanol/agua con diferentes sistemas de introducción de muestra con

inyección segmentada. ......................................................................... 75

Table 2.1. ICP-MS operating conditions ............................................. 104

Table 2.2. Concentrations found with the different sample introduction

systems for two spiked (50 µg L-1) RMs .............................................. 133

Table 3.1. ICP-MS operating conditions ............................................. 156

Table 3.2. Limits of detection (ng L-1) obtained for the different

elements in the reference material (Seronorm Trace Elements Whole

Blood L-2) under segmented-flow injection mode with the cyclonic

chamber and hTISIS and with the two ICP-MS spectrometers ........... 165

Table 3.3. Signal stability for the two sample introduction systems

tested (NexION 300X ICP-MS Instrument) .......................................... 169

xxii

Lista de tablas

Table 3.4. Element concentrations (µg L-1) found for whole blood in

continuous aspirations and segmented-flow injection modes .......... 176

Table 3.5. Element concentrations (in µg L-1) and recoveries found for

the 1:10 whole blood diluted reference sample. Injected volume: 2.5

µL ......................................................................................................... 179

Table 3.6. Elemental concentrations (in µg L-1) found for three real

samples .............................................................................................. 181

Table 3.7. Elemental concentrations (µg L-1) found in the VAMS tips .....

............................................................................................................. 183

Table 4.1. Human CSF main components and examples of spectral ICP-

MS interference caused by the matrix ............................................... 204

Table 4.2. ICP-MS operating conditions. ............................................ 207

Table 4.3. Limits of detection and quantification (µg L-1) obtained in

segmented-flow injection mode for different elements with the double

pass spray chamber and hTISIS at 200 °C ........................................... 215

Table 4.4. Elemental concentrations (in µg L-1) found for five real

samples of CSF by both calibration methods using hTISIS at 200°C ... 224

Table 4.5. Elemental concentrations (in µg L-1) found for six CSF real

samples obtained using hTISIS at 200°C with external calibration ... 226

RESUMEN

3


La presente Tesis Doctoral ha sido desarrollada en el Departamento de

Química Analítica, Nutrición y Bromatología de la Universidad de

Alicante, en colaboración con el Departamento de Química Analítica de

la Universidad de Zaragoza. Dicha tesis tiene como objetivo principal el

desarrollo de nuevos métodos analíticos para el análisis de muestras

complejas, como son las muestras clínicas, mediante la técnica

espectrometría de masas con fuente de ionización de plasma de

acoplamiento inductivo (ICP-MS).

La técnica ICP-MS (del inglés Inductively Coupled Plasma Mass

Spectrometry) suministra datos acerca de las concentraciones de

elementos minoritarios y/o trazas. Destacan como principales ventajas

su carácter multielemental, extremadamente bajos límites de

detección y amplio intervalo dinámico.

El análisis de muestras clínicas mediante ICP-MS presenta varias

dificultades. Entre ellas encontramos que el volumen de muestra

disponible suele ser muy bajo, lo que hace que se necesiten métodos

analíticos que supongan un bajo consumo de muestra. Además, las

matrices de dichas muestras suelen ser complejas. Como consecuencia,

los resultados obtenidos en ICP-MS pueden ser erróneos debido a los

efectos de matriz. Con objeto de reducir dichas interferencias, se puede

proponer la digestión y posterior dilución de la muestra. Sin embargo,

esta etapa provoca la eliminación de, únicamente, los componentes

orgánicos de la misma. Además, el tiempo de análisis se incrementa

notablemente y la concentración de los elementos minoritarios o traza,

puede caer por debajo de los límites de detección debido a la inevitable

4

Resumen

dilución del proceso. Otro problema con el que nos podemos encontrar

en este tipo de muestras es que no existen materiales de referencia

para todo tipo de muestras clínicas. Por lo tanto, se necesita el

desarrollo de métodos analíticos exactos de análisis elemental. La

alternativa explorada en el marco de la presente Tesis Doctoral consiste

en un sistema de consumo total de muestra llamado hTISIS (high

temperature Torch Integrated Sample Introduction System). Este

sistema ha sido desarrollado por el grupo de investigación donde se ha

realizado la presente Tesis Doctoral y consiste básicamente en una

cámara de paso simple con un volumen interior reducido acoplada a

una resistencia que permite la calefacción de las paredes de dicha

cámara. Este sistema puede emplearse en dos modos de introducción

de muestra: (i) aspiración continua, con caudales líquidos del orden de

los microlitros por minuto; e (ii) inyección segmentada, inyectando cada

cierto tiempo entre 1.5 y 10 µL de muestra. Este sistema, por tanto, nos

permite el consumo de una pequeña cantidad de disolución, lo cual es

una ventaja en el caso del análisis de muestras clínicas. Además, al

calentarse las paredes de la cámara (al trabajar a elevadas

temperaturas) se produce la evaporación del disolvente. De esta

manera, se consigue una eficacia de transporte del analito cercana al

100%, independientemente de la matriz de la que se trate. De este

modo, se pueden mitigar e incluso eliminar las interferencias

provocadas por la matriz de la muestra. Por último, acoplando dicho

sistema de introducción de muestra a un equipo ICP-MS se ha

observado un aumento en la sensibilidad y una disminución en los

límites de detección con respecto al uso de sistemas convencionales.

5


Por lo tanto, usando el sistema de introducción de muestras

hTISIS acoplado a ICP-MS se podría llevar a cabo un análisis elemental

de muestras biológicas usando patrones acuosos para la calibración

externa. Por consiguiente, la presente Tesis Doctoral tiene como

principales objetivos:

1. Comparar el sistema consumo total de muestra (hTISIS) con otros

sistemas de introducción de muestra de elevada eficacia para el

análisis de muestras líquidas.

2. Desarrollar un método analítico que permita el análisis de sangre

con dilución como único tratamiento de muestra. Para ello se

compararán varios sistemas de introducción de muestra y se

optimizarán las mejores condiciones para llevar a cabo este

análisis, así como la validación de dicho método.

3. Realizar el análisis de muestras reales de sangre usando

calibración externa con patrones acuosos como método de

calibración.

4. Desarrollar un método analítico de análisis directo de líquido

cerebroespinal, sin tratamiento de muestra. Para ello se

compararán varios sistemas de introducción de muestra, con el

objetivo de optimizar las mejores condiciones para dicho análisis

y posterior validación del método desarrollado.

5. Cuantificar los elementos de interés en muestras reales de líquido

cerebroespinal, mediante calibración externa con patrones

acuosos.

6

Resumen

Todos estos objetivos se presentan de forma detallada en cuatro

capítulos a lo largo de la presente Tesis Doctoral. El Capítulo 1 contiene

una introducción en la que se exponen los aspectos necesarios para la

comprensión del estado de la temática desde un punto de vista

analítico. El Capítulo 2 se centra en el primer objetivo propuesto

anteriormente. El Capítulo 3 dedica su atención al segundo y tercer

objetivos expuestos, mientras que el Capítulo 4 aborda el cuarto y

quinto objetivos. Por último, cabe mencionar que los Capítulos 2, 3 y 4

han sido publicados en diferentes revistas. El Capítulo 2 ha sido

publicado en la revista Spectrochimica Acta Part B (SAB) con un factor

de impacto de 2.854, mientras que los Capítulos 3 y 4 han sido

publicados en la revista Journal of Analytical Atomic Spectrometry

(JAAS) con un factor de impacto de 3.608.

7


Capítulo 1. Introducción.

En el Capítulo 1 se presentan los principales componentes y los

aspectos fundamentales de la técnica de plasma con acoplamiento

inductivo (ICP).

En primer lugar, se describen de forma general los distintos

sistemas de introducción de muestra más comunes en función del tipo

de muestra que se quiera analizar (sólida, liquida o gaseosa). A

continuación, se hace una revisión de los sistemas empleados para el

análisis de las muestras líquidas. Así, se hace una revisión de los

distintos nebulizadores y cámaras de nebulización más comunes que

componen un sistema de introducción de muestra, con el objetivo de

que la muestra líquida llegue al plasma en forma de aerosol fino y

monodisperso. En esta parte del capítulo, se introducen por tanto los

procesos que sufre la muestra a lo largo de su paso a través de cada uno

de estos componentes (la formación del aerosol y los fenómenos de

transporte que sufre este aerosol en la cámara de nebulización).

Posteriormente, se introducen los aspectos generales de un sistema de

desolvatación de muestras líquidas. Se trata de un dispositivo

desarrollado con el objetivo de eliminar el disolvente del aerosol antes

de que este alcance el plasma para poder realizar un correcto análisis

de la muestra.

En segundo lugar, se muestran aspectos básicos relacionados

con la generación del plasma y los procesos que sufre el analito durante

su paso a través de él.

8

Resumen

A continuación, se explican cada uno de los componentes de un

equipo de espectrometría de masas con fuente de ionización de plasma

acoplado inductivamente (ICP-MS). Así, se hace un análisis de la

interfaz, el sistema de focalización iónica, el analizador de masas y el

detector. Además, se discuten las configuraciones básicas de cada uno

de los equipos ICP-MS empleados durante el desarrollo de la presente

Tesis Doctoral, prestando especial atención a la interfaz plasma-

espectrómetro de masas, analizador y detector.

Por último, se describe el sistema hTISIS. En el capítulo se hace

una revisión de dicho sistema de introducción de muestra y de las

aplicaciones para las que ha sido usado hasta el momento, así como las

ventajas que presenta frente a otros sistemas de introducción de

muestra convencionales.

9


Capítulo 2. Comparison of a high temperature torch integrated sample


microsamples through inductively coupled plasma mass spectrometry.

El Capítulo 2 tiene como principal objetivo la comparación de varios

sistemas de introducción de muestra, tomando como referencia una

cámara de nebulización de doble paso. Concretamente, se han

evaluado el sistema hTISIS desarrollado por el grupo de investigación

donde se ha desarrollado la presente Tesis Doctoral y un sistema de

desolvatación conocido como APEX. Todos los sistemas de introducción

de muestra han sido acoplados al ICP-MS Agilent 7700x descrito en el

Capítulo 1.

En todos los sistemas de introducción de muestra comparados

en este capítulo se ha empleado un micronebulizador de alta eficacia y

la introducción de muestra se ha realizado en dos modos: (i) aspiración

continua a un caudal líquido de 20 µL min-1; e (ii) inyección segmentada

de 2.5-5 µL de patrones y/o muestra.

En primer lugar, se han comparado los sistemas de introducción

de muestra principalmente en términos de sensibilidad, límites de

detección, y efectos de memoria para una disolución multielemental de

100 µg L-1. En aspiración continua, la sensibilidad y los límites de

detección obtenidos para el sistema hTISIS trabajando a las

temperaturas estudiadas (80 °C, 150 °C y 200 °C) y el sistema APEX en

los distintos modos de trabajo fueron similares. En cambio, en inyección

segmentada sí que se encontraron diferencias en cuanto a sensibilidad

y límites de detección. Así, con el sistema hTISIS se obtuvieron LODs

10

Resumen

hasta 12 veces menores que los obtenidos para el sistema APEX. En

cuanto a efectos de memoria, se ha medido el tiempo necesario para

que la señal obtenida para una disolución patrón de 100 µg L-1 caiga al

5% de su valor cuando se introduce agua ultrapura. En el caso de la

inyección segmentada se ha comparado el ancho del pico obtenido para

los distintos sistemas. En ambos modos se ha constatado que para el

sistema hTISIS trabajando a 200 °C los efectos de memoria eran

menores que para el sistema APEX y el sistema de referencia.

En segundo lugar, se han estudiado los efectos de matriz o

interferencias no espectrales. Con dicho objetivo se han analizado tres

matrices: (i) 2% de metanol en agua, ya que se trata de una matriz muy

utilizada como fase móvil en técnicas cromatográficas; (ii) 10% ácido

nítrico en agua, que es una posible matriz obtenida tras la digestión de

muestras sólidas; y (iii) matriz compuesta por 70% de acetonitrilo, ácido

fórmico y acetato de amonio, la cuál se trata también de una matriz

muy empleada como fase móvil en algunos tipos de cromatografía. En

cuanto a la matriz del 2% de metanol, el sistema que mejor resultado

dio fue el sistema hTISIS trabajando a 200 °C, ya que no se encontraron

diferencias en sensibilidad para los analitos bajo estudio entre la

disolución con 2% metanol y la disolución patrón que contenía un 1.5%

de ácido nítrico. Esto confirma que, a esa temperatura, se ha producido

la evaporación completa del disolvente en el interior de la cámara de

calefacción y, por tanto, su naturaleza no tiene efecto alguno sobre la

masa de analito transportada al plasma. Sin embargo, en el caso de la

matriz del 10% de ácido nítrico no se pudieron mitigar los efectos de

matriz con ninguno de los tres sistemas comparados. En lo que respecta

11


a la matriz hidro-orgánica, el estudio se realizó con una muestra que

contenía complejos lantánidos en modo de inyección segmentada. Los

resultados obtenidos demostraron que, optimizando las condiciones

del sistema hTISIS, se podía conseguir la mitigación de los efectos de

matriz en este tipo de muestras, mientras que con los otros dos

sistemas esto no fue posible.

En la última parte del Capítulo 2 se realiza el análisis de dos

muestras certificadas tanto en modo de aspiración continua como en

inyección segmentada: (i) agua de mar; y (ii) krill. Ambas muestras se

doparon con una disolución multielemental hasta una concentración de

50 µg L-1. Con el sistema hTISIS a 200 °C se obtuvieron resultados

concordantes con las concentraciones reales, mientras que el sistema

de referencia y el APEX fueron más sensibles a los efectos de la matriz.

12

Resumen

Capítulo 3. Analysis of whole blood by ICP-MS equipped with a high

temperature total sample consumption system.

El Capítulo 3 de la presente Tesis Doctoral tiene como principal objetivo

el desarrollo de un nuevo método para llevar a cabo la determinación

elemental en muestras de sangre mediante el sistema hTISIS

previamente descrito en el Capítulo 1.

En primer lugar, se ha comparado el sistema hTISIS frente a un

sistema de introducción de muestra convencional (una cámara de

nebulización ciclónica) en sus dos modos de introducción de muestra:

(i) aspiración continua a un caudal liquido de 33 µL min-1; e (ii) inyección

segmentada de 2.5-10 µL de patrones y/o muestras. Ambos sistemas se

han acoplado a un espectrómetro de ICP-MS, concretamente el NexION

300X y como muestra para el desarrollo del método se ha usado un

material de referencia de sangre. Se han estudiado como variables el

factor de dilución de muestra y la temperatura de trabajo del sistema

hTISIS, con el objetivo de encontrar las mejores condiciones para

realizar este tipo de análisis. De este modo, se ha comprobado que las

mejores condiciones en cuanto a sensibilidad y precisión corresponden

a una temperatura de calefacción del sistema hTISIS de 200 °C y un

factor de dilución de la muestra de 1:10 o 1:25. Además, comparado

con el sistema de referencia, el hTISIS a 200 °C ofrece una mayor

sensibilidad y límites de detección hasta 8.4 veces menores que el

dispositivo de referencia.

En lo que respecta a efectos de matriz, se obtienen resultados

exactos trabajando con el sistema hTISIS a elevadas temperaturas. Este

13


hecho supone que, empleando el nuevo accesorio, es posible efectuar

una cuantificación elemental empleando calibración externa a partir de

patrones acuosos.

Una vez llevada a cabo la optimización del método parece que

el sistema hTISIS a 200 °C sería el óptimo para el análisis de muestras

de sangre. Con el objetivo de validar esta hipótesis, se realiza un análisis

del material de referencia Seronorm Trace Elements Whole Blood L-2

con un factor de dilución 1:25, que es el que mejor compromiso

presentó en cuanto a sensibilidad, límites de detección y efectos de

matriz. Dicho análisis se llevó a cabo con el sistema hTISIS a 200 °C y el

sistema de referencia (cámara de nebulización ciclónica) en ambos

modos de introducción de muestra (aspiración continua e inyección

segmentada). Para los cinco elementos bajo estudio (cadmio, cobalto,

cobre, zinc y cobre) se obtuvieron resultados de concentración similares

a los de referencia para el sistema hTISIS trabajando a 200 °C. En las

otras condiciones bajo estudio las concentraciones obtenidas no

coincidían con las de referencia, y las principales razones podrían ser los

límites de detección elevados y/o la importancia de los efectos de

matriz en dichas condiciones.

Una vez validado el método se llevó a cabo el análisis de

muestras reales de sangre. En este caso, se usó el ICP-MS Agilent 7700x,

ya que cuenta con un accesorio HMI que permite la introducción de un

contenido elevado de matriz. Esto permitió trabajar con una dilución

1:10 de las muestras, para poder analizar tanto elementos minoritarios

como elementos traza. En primer lugar, se seleccionaron las

14

Resumen

condiciones de los estudios previamente efectuados con el equipo

NexION 300X y se aplicaron al ICP-MS Agilent 7700x, utilizando para ello

el material de referencia Seronorm Trace Elements Whole Blood L-3.

Como método de muestreo se empleó un protocolo autónomo. El

método de toma de muestra se conoce como VAMS (Volumetric

Absorptive Micro Sampling). Con este dispositivo se absorbe una

pequeña cantidad de sangre que posteriormente es extraída con una

disolución de ácido nítrico al 1%. Usando este método de obtención de

muestra para el material certificado y con las condiciones ya descritas

(hTISIS 200 °C en el modo de inyección segmentada) se validó dicho

método en el ICP-MS Agilent 7700x. Se seleccionaron patrones acuosos,

obteniendo concentraciones para 11 elementos. Los resultados

obtenidos estuvieron en concordancia con los valores de referencia.

Así, una vez validado el método desarrollado se llevó a cabo el

análisis de tres muestras reales de sangre. La cuantificación se llevó a

cabo a través de dos métodos: (i) con patrones acuosos; y (ii) adición

estándar usando el material de referencia como patrón de ajuste de

matriz. En el caso de que no haya discrepancias entre las

concentraciones obtenidas por los dos métodos de calibrado, se podrá

concluir que los efectos de matriz se han eliminado y que se puede

efectuar una calibración externa. Efectivamente, los resultados

obtenidos por ambos métodos no difirieron para ninguno de los

elementos estudiados. Este hecho reveló que la exactitud del método

basado en calibración externa fue adecuada para la realización de los

análisis empleando el sistema hTISIS. Asimismo, se observaron

15


diferencias significativas en las concentraciones obtenidas para algunos

elementos en las muestras reales seleccionadas.

16

Resumen

Capítulo 4. Cerebrospinal fluid elemental analysis by using a total

sample consumption system operated at high temperature adapted to

inductively coupled plasma mass spectrometry.

El objetivo principal del Capítulo 4 de la presente Tesis Doctoral es el

desarrollo de un nuevo método analítico para la determinación

elemental de líquido cerebroespinal de forma directa.

Debido a la pequeña cantidad de muestra disponible, un sistema

de introducción de muestra de consumo total, como el hTISIS, parece

perfectamente indicado para efectuar este tipo de determinaciones.

Ambos sistemas se han acoplado a un ICP-MS Agilent 7700x y se ha

usado el modo de inyección segmentada para introducir la muestra

debido a la baja cantidad de muestra disponible. El volumen inyectado

ha sido de sólo 2.5 µL de muestra sin diluir.

En primer lugar, se llevó a cabo la validación del método. Para

ello se doparon muestras reales de líquido cerebroespinal con una

disolución multielemental a una concentración de 10 µg L-1. Esto se

realizó debido a la falta de materiales certificados de este fluido.

Normalmente se suele diluir este tipo de muestras o estas sufren un

primer paso de digestión, para de esta forma reducir las posibles

interferencias. Sin embargo, el objetivo de dicho capítulo incluía el

desarrollo de un método analítico que permitiera el análisis de este tipo

de fluido sin ningún tipo de tratamiento de muestra, permitiendo así

también el análisis no sólo de los elementos mayoritarios sino también

de los elementos minoritarios y/o traza. Estos estudios se realizaron con

la ayuda de un sistema de dilución del aerosol terciario, el cual permite

17


el análisis de muestras con un elevado contenido salino. El sistema se

denomina High Matrix Introduction, HMI, y minimiza los efectos

adversos causados por el análisis de muestras salinas. Entre dichos

efectos se encuentran la formación de depósitos salinos en la antorcha

o la interfaz entre el plasma y el espectrómetro de masas.

En cuanto a la optimización de las condiciones empleadas, se

observó que el aumento de temperatura del sistema hTISIS a 200 °C

llevó a un aumento de sensibilidad con respecto al sistema

convencional de hasta 4 veces, disminuyendo además los límites de

detección hasta en un factor de 6.

Una vez optimizadas dichas condiciones de trabajo, se llevó a

cabo la validación del método propuesto, analizando así también la

importancia de los efectos de matriz en el análisis directo de líquido

cerebroespinal. Así, se llevó a cabo el análisis elemental con las

condiciones descritas anteriormente bajo dos métodos de calibración:

(i) calibración externa usando patrones acuosos; y (ii) adición estándar,

que compensa el efecto de la matriz. En este sentido se llevó a cabo la

determinación de una muestra dopada con 20 µg L-1 de una disolución

multielemental y la misma muestra de líquido cerebroespinal no

dopada se tomó como blanco. Con el sistema hTISIS, trabajando a una

temperatura de 200 °C, las concentraciones obtenidas por ambos

métodos coincidían, mientras que con el sistema convencional no. Estas

evidencias demuestran que usando el sistema hTISIS bajo las

condiciones optimizadas, los efectos de matriz para el análisis directo

de líquido cerebroespinal son mitigados.

18

Resumen

Por último, se aplicó el método analítico desarrollado al análisis

de seis muestras reales usando también los dos métodos de calibración

con los que se había validado el método. De nuevo, se obtuvo una

buena correlación entre ambos métodos.

Introducción

CAPÍTULO 1

21


El objetivo de este capítulo es introducir los componentes principales y

los aspectos básicos en los que se fundamenta la técnica de plasma con

acoplamiento inductivo (ICP). Dentro de esta técnica encontramos la

Espectrometría de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente

(ICP-OES) y la Espectrometría de masas con fuente de ionización de

plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). La primera técnica se aplica

normalmente a la determinación de elementos mayoritarios y

minoritarios, mientras que la segunda se aplica al análisis de elementos

traza.

En la Figura 1.1 vemos un esquema general de los principales

componentes de los equipos empleados en dichas técnicas.

22

Introducción 1

Figu

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ema

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(1.4

.4)

ICP

-OES

ICP

-MS

23


Como vemos en la Figura 1.1 los instrumentos empleados en

ambas técnicas comparten la mayoría de los componentes, excepto el

sistema de dispersión óptico en el caso de la técnica ICP-OES y el

analizador de masas en el caso de la técnica ICP-MS. Además, en ICP-

MS el espectrómetro de masas trabaja en condiciones de vacío

mientras que la zona del plasma se encuentra a presión atmosférica,

por lo tanto, es necesaria una interfaz como puente entre ambas zonas

con una diferencia de presión tan elevada.

Durante este capítulo se irán desarrollando cada una de las

partes que componen los equipos de ambas técnicas, centrándonos en

la técnica ICP-MS que ha sido la empleada durante el desarrollo de la

presente Tesis Doctoral.

1.1 Sistema de introducción de muestra

El sistema de introducción de muestra es un componente muy

estudiado en las técnicas ICP, ya que afecta al poder de detección y

precisión de la determinación [1]. El objetivo general del sistema de

introducción de muestra es transferir una fracción representativa de

muestra al plasma, esté la muestra en fase gaseosa, sólida o líquida. En

función del tipo de muestra existen numerosos sistemas de

introducción de muestra. En el caso de que la muestra se encuentre en

forma gas esta se introduce directamente al plasma. Para el análisis

directo de muestras sólidas (sin previa dilución), una posibilidad es

emplear un láser (técnica ablación laser, LA) [2,3]. En este caso el láser

se focaliza sobre la superficie de la muestra y el aerosol resultante es

24

Introducción 1

transportado hacia el plasma por un flujo de argón [4]. Otra técnica de

análisis directo de muestras sólidas consiste en acoplar la técnica

vaporización electrotérmica (ETV) al equipo de ICP-MS. En esta técnica

la muestra se deposita sobre las paredes internas de un horno cuya

temperatura se incrementa eléctricamente. El elemento de interés se

separa de la matriz gracias a un programa de temperatura del horno

compuesto por varios pasos [4-8]. Para el análisis de muestras líquidas,

el sistema de introducción de muestra más empleado y estudiado hasta

el momento se compone por un nebulizador y una cámara de

nebulización. En términos generales, el nebulizador transforma la

muestra en un aerosol, conocido como aerosol primario y la cámara de

nebulización fija el tamaño de gota que llegará al plasma. Sin embargo,

existen otros tipos de sistemas de introducción de muestra para el caso

de muestras líquidas, como son el uso de un sistema de desolvatación

acoplado a un nebulizador o un nebulizador acoplado directamente a la

antorcha que sustenta el plasma.

En la Figura 1.2 se muestra un esquema general de los

componentes de los tres tipos de sistemas de introducción de muestra

más comunes para el caso de muestras líquidas, que es el tipo de

muestras estudiadas durante el desarrollo de la presente Tesis

Doctoral. A lo largo del presente capítulo, se desarrollarán los

componentes de los dos primeros tipos de sistemas de introducción de

muestra que se muestran en la Figura 1.2, del tercer tipo no hablaremos

ya que en la actualidad ha caído en desuso.

25


I. Sistema de introducción de muestra común (1.1)

II. Sistema de introducción de muestra con sistema de desolvatación

(1.2)

III. Sistema de introducción de muestra con inyección directa

Figura 1.2. Esquema de los componentes de los sistemas de introducción

de muestra más empleados para el análisis de muestras líquidas.

Adaptado de referencia 9.

1.1.1 Nebulizadores

El nebulizador es el responsable de la transformación de la muestra

líquida en un spray fino (aerosol). Cuando el nebulizador es de tipo

neumático, los más usados hasta el momento, la transformación del

líquido en aerosol se produce gracias a la fuerza motriz del aire o un gas

similar [10]. Concretamente en este tipo de nebulizadores el aerosol se

genera como resultado de la interacción entre una corriente de gas

argón (Ar) a alta velocidad con un líquido que es aspirado a través de

un capilar por aspiración libre o gracias a una bomba peristáltica. Esta

interacción compleja ocurre en un espacio de tiempo muy corto y, en

ella, una fracción de la energía cinética de la corriente gaseosa se

Nebulizador Cámara de

nebulización Plasma

Nebulizador Plasma

Nebulizador Plasma Unidad de

calentamiento Condensador

/membrana

26

Introducción 1

transfiere a la corriente líquida, dando como resultado la rotura de

dicha corriente para formar gotas (aerosol primario) [11,12].

Existen diferentes geometrías de interacción entre la corriente

líquida y la gaseosa en función del diseño del nebulizador neumático

empleado. Los nebulizadores neumáticos más estudiados y usados

hasta el momento se clasifican en [13,14]:

(a) Nebulizador neumático concéntrico, fabricado en vidrio,

cuarzo u otro material como PFA, PP o PTFE.

(b) Nebulizador neumático de flujo cruzado.

(c) Nebulizador neumático apto para alto contenido en sólidos,

como pueden ser las muestras con una gran cantidad de

sales disueltas o partículas suspendidas.

(d) Nebulizador neumático de paso paralelo.

En la Figura 1.3 se muestra un esquema general de la geometría

de los distintos nebulizadores neumáticos más estudiados hasta el

momento.

27


Figura 1.3. Esquema de la geometría de los nebulizadores neumáticos

más empleados. (a) Concéntrico; (b) Flujo cruzado; (c) Alto contenido en

sólidos; (d) Paso paralelo. Adaptado de referencia 9.

El diseño de nebulizador neumático más usado es el concéntrico

(Figura 1.3a). En este tipo de diseño el capilar de la muestra se

encuentra envuelto por el cuerpo cilíndrico del nebulizador. La

corriente de gas responsable de la generación del aerosol fluye a través

del espacio existente entre las dos conducciones. En algunos casos se

trabaja con una aspiración de muestra libre provocada por el efecto

Venturi. Dicho efecto consiste en que, debido al estrechamiento en la

punta del nebulizador con respecto al cuerpo del mismo, se produce

una aceleración de la corriente de gas Ar, lo que implica una pérdida de

presión al final del capilar de la muestra, y esto hace que se aspire la

muestra de forma espontánea. En otros casos, se emplea una bomba

peristáltica para obtener un flujo líquido constante, evitando así las

28

Introducción 1

posibles diferencias entre la aspiración espontánea de muestras y

patrones con diferentes propiedades físicas como viscosidad y/o

tensión superficial.

Figura 1.4. Esquema de un nebulizador neumático concéntrico.


En el caso del nebulizador de flujo cruzado (Figura 1.3b) la

muestra y la corriente de gas Ar fluyen perpendicularmente y el aerosol

resultante de dicha interacción es liberado perpendicularmente de la

corriente líquida. La posición relativa de los extremos de ambas

corrientes es un aspecto crítico en este tipo de nebulizador. Se ha

demostrado que el mayor rendimiento del nebulizador, debido a una

eficaz transferencia de energía cinética del gas al líquido, se obtiene

cuándo la salida del gas se coloca a mitad de camino entre el centro de

la salida del líquido y el exterior de dicha corriente [11].

En este tipo de nebulizadores la disolución no puede ser

aspirada libremente por lo que es necesaria una bomba peristáltica

para que la muestra alcance el extremo del nebulizador. En

comparación con los nebulizadores neumáticos concéntricos, el

nebulizador de flujo cruzado ofrece una eficacia de transporte que es

29


aproximadamente la mitad de la obtenida con el concéntrico en las

mismas condiciones de trabajo.

Figura 1.5. Esquema de un nebulizador neumático de flujo cruzado.


El primer nebulizador de tipo alto contenido en sólidos (Figura

1.3c) fue desarrollado por Babington en 1969 [16,17]. Este primer

diseño consistía en una esfera hueca con un orificio para el paso de la

corriente de Ar y se colocaba bajo un capilar por el que circulaba la

corriente líquida. La muestra se depositaba sobre la esfera y se

generaba el aerosol por la interacción de la corriente líquida con la

esfera. Un problema que presentaba este tipo de diseño es que el

consumo de muestra era muy elevado, debido a que una gran fracción

de muestra líquida no entraba en contacto con la esfera. Con el paso

del tiempo, han ido surgiendo nuevas versiones de este tipo de

nebulizador, pero todas se basan en el principio inicial: el aerosol se

genera cuando la muestra alcanza el orificio de la corriente del gas Ar.

Este nebulizador se suele usar para disoluciones con un alto contenido

en sales (hasta un 20% de sólidos totales disueltos) y lodos.

30

Introducción 1

Actualmente, entre todos los nebulizadores de este tipo el más utilizado

es el V-Groove, donde la muestra líquida es bombeada a través de un

capilar de unos 800 µm de diámetro interior, mientras que la corriente

de gas fluye por un capilar de 100 µm de diámetro interior [18].

Figura 1.6. Esquema de un nebulizador neumático de alto contenido en

sólidos. Adaptado de referencia 9.

El nebulizador de trayectoria paralela (Figura 1.3d) fue

presentado en 1995. En este tipo de nebulizador neumático la corriente

de Ar interacciona tangencialmente con la corriente líquida

correspondiente a la muestra. Esta interacción da lugar a

inestabilidades en la corriente líquida y esto origina el aerosol. En este

diseño de nebulizador el extremo de la corriente líquida puede tener un

orificio mayor que para otros diseños y esto le confiere la ventaja de

poder trabajar con muestras con partículas de hasta 100 µm de

diámetro y sales disueltas.

31


Figura 1.7. Esquema de un nebulizador neumático de paso paralelo.


Los nebulizadores descritos anteriormente trabajan en un

intervalo de caudales de consumo líquido comprendido entre 0.5 y 2

mL min-1. Si embargo, para poder trabajar en este rango de flujos se

necesita un gran volumen de muestra (1-10 mL), que resulta excesivo

en multitud de aplicaciones. En el caso de muestras clínicas, como es el

caso que nos concierne durante el desarrollo de la presente Tesis

Doctoral, el volumen disponible de muestra es mucho menor y esto

hace que se tengan que buscar nuevas alternativas para este tipo de

muestras. Una opción es trabajar con un nebulizador neumático a un

flujo de entre 10 y 300 µL min-1. Un inconveniente de esta solución

radica en el hecho de que la pérdida de sensibilidad al trabajar en estas

condiciones es elevada. Debido a la necesidad planteada, sobre todo

para muestras de tipo forense o biológico en las que el volumen de

muestra es un factor limitante, el estudio de la miniaturización de los

nebulizadores ha ido creciendo para dar lugar a los conocidos como

micronebulizadores. Estos micronebulizadores están diseñados para

trabajar a un flujo de 20-100 µL min-1. Con respecto a los nebulizadores

neumáticos convencionales, en estos micronebulizadores se ha

reducido el diámetro interno del capilar de la muestra líquida y el área

32

Introducción 1

de salida de la corriente de gas Ar, consiguiendo con esto que la

interacción entre el gas y el líquido sea más eficaz. Por tanto, el aerosol

primario obtenido con los micronebulizadores es en rasgos generales

más fino que el obtenido por los nebulizadores neumáticos

convencionales [13].

Durante el desarrollo de la presente Tesis Doctoral se ha usado

un micronebulizador concéntrico de vidrio, concretamente un

micronebulizador de alta eficacia (High Efficiency Nebulizer, HEN,

Meinhard, Santa Ana, CA, USA). Este nebulizador ha sido aplicado a

varias cámaras de nebulización que serán explicadas durante la sección

1.1.2.

Figura 1.8. Imagen del micronebulizador de alta eficacia utilizado

durante el desarrollo de la presente Tesis Doctoral [19].

33


1.1.2 Cámaras de nebulización

Un sistema de introducción de muestra ideal tiene que conseguir que

en el plasma se produzca la desolvatación, atomización y la ionización

de forma eficaz. Para conseguir dicho objetivo las gotas que forman el

aerosol que entran en el plasma deberían tener un diámetro ≤ 10 µm y

dicho aerosol debería ser lo más monodisperso posible. Sin embargo, el

aerosol generado por el nebulizador, conocido como aerosol primario,

no cumple dichas características ya que se obtienen gotas con un

tamaño de hasta aproximadamente 100 µm. Por lo tanto, el aerosol

primario no puede introducirse directamente al plasma y se necesita un

componente adicional. Dicho componente es la cámara de

nebulización, cuya función principal es convertir el aerosol primario en

un aerosol que cumpla los requerimientos del plasma. Dicho

componente del sistema de introducción de muestra determina la masa

y las características del aerosol que se introduce en el plasma. Así, la

mayoría de las gotas del aerosol primario obtenido a partir del

nebulizador se pierden en dicha cámara de nebulización. Como

consecuencia, las eficacias de transporte obtenidas con las cámaras de

nebulización convencionales,1 trabajando a flujos líquidos del orden de

1 mL min-1 son sobre 2-4%. Por lo tanto, es muy importante optimizar

el diseño de dicha cámara de nebulización.

Desde que se obtiene el aerosol primario hasta que el aerosol

alcanza el plasma, se producen en la cámara de nebulización una serie

1 La eficacia de transporte se define como el porcentaje de la masa de disolución aspirada por el nebulizador que alcanza el plasma.

34

Introducción 1

de procesos, conocidos como fenómenos de transporte del aerosol. En

la Figura 1.9 se muestra un esquema de dichos fenómenos, así como el

efecto que producen en el aerosol primario. Estos fenómenos son la

evaporación, coagulación e impactos de las gotas causados por falta de

inercia, sedimentación gravitacional y turbulencias. La intensidad con la

que se produce cada uno de estos fenómenos depende del diseño de la

cámara de nebulización, de las características (tamaño de gotas,

velocidad y dispersión) del aerosol primario obtenido y de las

propiedades físicas de la disolución. El resultado final del aerosol

después de pasar por la cámara de nebulización es un aerosol (aerosol

terciario) en el que se ha eliminado una gran parte de las gotas gruesas,

se ha reducido la masa total de aerosol, la velocidad de las gotas y el

grado de dispersión en términos de diámetro de las gotas del aerosol.

35


Figura 1.9. Esquema de los principales fenómenos de transporte que

ocurren en la cámara de nebulización. Adaptado de referencia 13.

Existen diferentes diseños de cámara de nebulización. A

continuación, se introducirán algunos de los más comunes.

36

Introducción 1

1.1.2.1 Cámara de nebulización de doble paso o Scott

Este diseño de cámara de nebulización está compuesto por dos tubos

concéntricos. En el tubo central se promueve la eliminación de gotas a

través de impactos y se reducen las turbulencias y fluctuaciones del

aerosol causadas por la bomba peristáltica o los procesos de

renebulización. El tubo interno aísla el aerosol que pasa al tubo central

de las turbulencias asociadas al proceso de nebulización. Este diseño

elimina eficazmente las gotas más gruesas del aerosol, pero presenta

varios inconvenientes: (i) el volumen muerto es elevado; y, (ii) la

trayectoria del aerosol es tortuosa. Como consecuencia de estas dos

características, los efectos de memoria son importantes, necesitándose

tiempos de lavado elevados y la eficacia de transporte es muy baja. En

torno al 98-99% de la disolución se pierde y no alcanza el plasma. Esta

proporción de disolución es, finalmente, evacuada por medio de una

salida inferior de drenados, mientras que el aerosol terciario abandona

la cámara a través de una salida localizada en la parte superior de la

cámara (Figura 1.10a).

37


(a)

(b)

Figura 1.10. (a) Esquema de una cámara de nebulización de doble paso;

(b) Imagen de una cámara de doble paso dónde se reflejan las zonas de

impacto del aerosol [13].

Aerosol terciario

Drenados

38

Introducción 1

1.1.2.2 Cámara de nebulización de tipo ciclónica

En este diseño de cámara de nebulización el nebulizador se adapta

tangencialmente a la parte cilíndrica de la cámara. El aerosol primario

se introduce por tanto tangencialmente y el aerosol terciario emerge a

través de la parte superior de la cámara, mientras que los drenados se

evacuan por medio de una conducción localizada en la parte inferior.

Por lo tanto, el aerosol sigue una trayectoria de espiral dentro de la

cámara de nebulización. Un aspecto crítico en este tipo de diseño es la

posición del nebulizador, ya que, si la boquilla del mismo se encuentra

en las proximidades de la pared opuesta de la cámara, las pérdidas de

gotas debido a impactos serán importantes.

Figura 1.11. (a) Esquema de una cámara de nebulización de tipo

ciclónica [20]; (b) Imagen de una cámara de tipo ciclónica dónde se

reflejan las zonas de impacto del aerosol [13].

(a) (b)

39


1.1.2.3 Cámara de nebulización de paso simple

El diseño de paso simple consiste en una cavidad cilíndrica o cónica a la

que se adapta el nebulizador. Con esta cámara de nebulización la

eficacia de transporte es mayor que para la cámara de doble paso o el

diseño ciclónico, pero el aerosol terciario obtenido presenta gotas más

gruesas que para los otros dos diseños.


[13].

Existe una variante de este tipo de cámaras de nebulización,

estas son las cámaras de nebulización de paso simple con superficie de

impacto. El diseño de este tipo de cámaras consiste en un tubo en forma

cónica y en el interior se coloca una superficie de impacto, cerca de la

entrada del aerosol primario, con el objetivo de eliminar las gotas más

gruesas [21].

40

Introducción 1


con superficie de impacto [13].

1.1.2.4 Cámara de nebulización con volumen interior reducido

Con el aumento del interés por el análisis de bajos volúmenes de

muestra, se ha producido el desarrollo tanto de micronebulizadores

como de cámaras de nebulización con un volumen interno menor que

el de sus predecesoras [22-24]. Sus principales ventajas frente a las

cámaras convencionales son la reducción de los tiempos de análisis

(menores tiempos de lavado) y el aumento de la cantidad de muestra

que llega al plasma. Los principales diseños de cámara de nebulización

que han sido adaptados a este concepto de “miniaturización” han sido

la cámara de nebulización de tipo ciclónica (sección 1.1.2.2), que en el

caso de bajo volumen interior se conoce como cinnabar y la cámara de

paso simple (sección 1.1.2.3). Ambas cámaras se suelen acoplar con

micronebulizadores.

41


1.2 Sistema de introducción de muestra con

sistema de desolvatación

La baja tolerancia del plasma a los disolventes y la necesidad de eliminar

las interferencias ocasionadas por la matriz, han dado lugar a que se

tengan que usar sistemas de introducción de muestra que aporten

bajas cantidades de matriz al plasma. La disminución de la cantidad de

disolvente que llega al plasma puede conseguirse, tal y como se ha

ilustrado anteriormente (sección 1.1.2.4), trabajando a un flujo líquido

bajo, reduciendo por tanto la cantidad total de aerosol que llega al

plasma, o bien eliminando una cantidad significante de disolvente tras

la formación del aerosol. En este último grupo, se encontrarían

incluidos los denominados sistemas de desolvatación.

Un sistema de desolvatación consiste en términos generales en

un primer componente encargado de calentar el aerosol hasta

promover la evaporación del disolvente contenido en el mismo.

Después de este paso vendría una condensación y/o una membrana,

para eliminar el disolvente generado en forma vapor. En la Figura 1.14

se muestra un esquema de los distintos componentes de un sistema de

desolvatación. Bajo estas condiciones, la carga de disolvente que llega

al plasma disminuye mientras que la masa de analito aportada al mismo

o bien no se ve afectada o se incrementa. Como consecuencia, la

relación masa de analito/masa de disolvente es mayor que para otros

sistemas de introducción de muestra basados en el uso de cámaras de

42

Introducción 1

nebulización convencionales (sección 1.1.2), lo cual origina un

incremento en la sensibilidad analítica obtenida.

Figura 1.14. Esquema de un sistema de introducción de muestra

compuesto por un sistema de desolvatación. Adaptado de referencia 13.

Un ejemplo de sistema de desolvatación es el conocido como

APEX (Elemental Scientific, NE, USA). Dicho sistema consiste en una

cámara de nebulización ciclónica que tiene la función de calentar el

aerosol (100 °C o 140 °C), combinada con un condensador de multipaso

que enfría el aerosol (-3 °C o 2 °C). Si fuera necesario eliminar el vapor

residual que queda después de dicho sistema de desolvatación también

podría adaptarse una membrana.

43


(a) (b)

Figura 1.15. (a) Esquema de los componentes del sistema de

desolvatación APEX. Adaptado de referencia 25; (b) Sistema de

desolvatación APEX.

A lo largo de la presente Tesis Doctoral, se ha estudiado un

sistema de desolvatación APEX (Capítulo 2). Concretamente se ha

empleado el APEX HF y el funcionamiento y esquema es el explicado

anteriormente. En este caso, las conducciones, cámara de nebulización

y condensador están fabricadas por PFA (perfluoroalcóxixido) que le

confiere resistencia al ácido fluorhídrico.

Drenados

Cámara nebulización ciclónica

(100 °C / 140 °C)

Condensador multipasos

(-3 °C / 2 °C)

Plasma

44

Introducción 1

1.3 Plasma

Un plasma está compuesto por un gas a elevada temperatura que

contiene moléculas, átomos, iones y electrones. Este plasma es

generado en el extremo de una antorcha que normalmente está

fabricada de cuarzo o vidrio, formada por tres tubos concéntricos. Un

flujo de Ar de hasta 18-20 L min-1 que fluye entre el espacio de los dos

tubos concéntricos más exteriores mantiene este plasma y actúa de

barrera entre el plasma y la antorcha de cuarzo, evitando que la

antorcha se vea afectada por las altas temperaturas (hasta 10,000 K)

que se alcanzan en el plasma. En el espacio generado entre el tubo

concéntrico interior y el segundo tubo fluye otro flujo auxiliar de Ar, con

el objetivo de controlar la posición vertical del plasma. El flujo de esta

corriente auxiliar es menor de 2 L min-1. La otra corriente de gas Ar (de

0.1 a 0.2 L min-1) fluye a través del tubo central o también conocido

como inyector, y conduce el aerosol terciario hacia el plasma [26].

Figura 1.16. Esquema de la antorcha y el plasma. Adaptado de

referencia 27.

45


Una bobina conectada a un generador de radiofrecuencias (a

una potencia de unos 1,200 W) rodea la antorcha por uno de los

extremos. Dicha bobina origina un intenso campo magnético variable

con el tiempo y el plasma se genera cuando una chispa de alto voltaje

es aplicada al gas. El campo magnético oscilante acelera las partículas

cargadas (los electrones) y estos colisionan con los átomos de Ar dando

lugar a iones Ar (Ecuación 1.1), que son a su vez acelerados por el

campo magnético y tiene lugar una reacción de ionización en cadena

que tiene como resultado el origen del plasma. La temperatura en el

canal central del mismo es de unos 8,000 K.

𝐴𝑟 + 𝑒− → 𝐴𝑟+ + 2𝑒− Ecuación 1.1

El aerosol terciario sufre una serie de modificaciones al alcanzar

el plasma. En primer lugar, las gotas que forman dicho aerosol son

desolvatadas y el resultado son partículas sólidas de pequeño tamaño.

En su paso por el plasma, estas partículas sólidas se transforman en gas

y después se produce la atomización de las moléculas gaseosas.

Finalmente, debido a varios procesos, por ejemplo: (i) colisiones con

electrones (Ecuación 1.2); (ii) reacción de transferencia de carga entre

iones y átomos (Ecuación 1.3); y, (iii) colisión entre átomos del analito

y átomos de Ar excitados (Ecuación 1.4) se produce la ionización del

analito.

𝑀 + 𝑒− → 𝑀+ + 2𝑒− Ecuación 1.2

𝑀 + 𝐴𝑟+ → 𝑀+ + 𝐴𝑟 Ecuación 1.3

𝑀 + 𝐴𝑟∗ → 𝑀+ + 𝐴𝑟 + 𝑒− Ecuación 1.4

46

Introducción 1

En la Figura 1.17 se muestra un esquema del proceso que sufre

el analito en el plasma, desde su entrada por el inyector hasta su salida

hacia la interfaz.

Figura 1.17. Esquema de la transformación que sufre el analito en el

plasma. Adaptado de referencia 28.

47


1.4 ICP-MS

Una vez que los componentes de la muestra son ionizados en el plasma

de acoplamiento inductivo (ICP), estos se transportan a través del

espectrómetro de masas en el caso de la técnica ICP-MS. Este

espectrómetro se puede dividir en cuatro partes: (i) interfaz; (ii) sistema

de focalización de iones; (iii) analizador de masas y (iv) detector. En la

Figura 1.18 se muestra un esquema de las partes que componen un

equipo ICP-MS.

Figura 1.18. Esquema de los componentes de un equipo ICP-MS.


1.4.1 Interfaz

El plasma trabaja a presión atmosférica mientras que el analizador de

masas y el detector se encuentran a alto vacío, por lo tanto, se requiere

una interfaz que permita que los iones generados en el plasma puedan

llegar primero al analizador de masas y finalmente al detector. Esto se

consigue gracias a la interfaz que está compuesta normalmente por dos

48

Introducción 1

conos metálicos con un pequeño orificio central. Estos conos están

colocados de modo coaxial y pueden estar fabricados en níquel o

platino en función de las características de la muestra que se esté

analizando. El primer cono que se encuentra el analito una vez ionizado

es conocido como cono de muestreo (sampler) y al atravesar dicho

cono el flujo de iones, junto con los electrones y especies neutras

procedentes del plasma, sufre una expansión debida a la caída de

presión. A continuación, dicho flujo pasa por el canal central del cono

separador (skimmer).

Por tanto, el papel de la interfaz es extraer una porción

representativa de la población de iones obtenidos en el plasma y

transferirla a las regiones de alto vacío como son el sistema de

focalización, el analizador de masas y el detector.

Figura 1.19. Imagen de un cono separador y un cono de muestreo [30].

49


1.4.2 Sistema de focalización iónica

Después del cono separador se encuentra el sistema de focalización

iónica, que consiste en un conjunto de lentes iónicas que enfocan el haz

de iones que proviene del cono. En estas lentes se aplica un voltaje que

hace que los iones positivos se vean atraídos y se separen de las

especies neutras y electrones. En función del equipo, el sistema de

focalización de iones puede variar [31]. En la Figura 1.20 se muestra un

esquema del sistema de focalización de iones del ICP-MS NexION 300X

de Perkin Elmer, que además ha sido empleado durante el desarrollo

de la presente Tesis Doctoral. En este esquema se puede apreciar cómo

el sistema de focalización de iones hace que la corriente de iones

cargados positivamente siga una trayectoria de 90°, mientras que el

material no ionizado sigue una trayectoria rectilínea. En otros equipos

la separación de los iones positivos del resto de especies es diferente

pero el objetivo de este componente es común en todos ellos.

50

Introducción 1

Figura 1.20. Esquema del sistema de focalización de iones del ICP-MS

NexION 300X de Perkin Elmer [31].

1.4.3 Analizador de masas

Una vez se han seleccionado los iones positivos, estos llegan al

analizador de masas o espectrómetro de masas, dónde se produce la

separación de los iones positivos en función de su relación masa/carga.

Existen varios tipos de analizadores de masas: (i) sector magnético (ICP-

SFMS); (ii) tiempo de vuelo (ICP-TOF-MS); (iii) cuadrupolo (ICP-QMS).

Estos diferentes analizadores de masas se diferencian en el modo en el

que se produce la separación, pero todos tienen en común el objetivo

de separar los iones de interés del resto de elementos ionizados

51


positivamente, cómo podrían ser los iones del gas Ar o iones positivos

de la matriz de la muestra.

o Analizador de sector magnético

Consiste en aplicar un campo eléctrico y un campo magnético al haz de

iones positivos que ha pasado por el sistema de focalización iónica. El

campo eléctrico acelera los iones adquiriendo estos iones energía

cinética, y por lo tanto actuando como filtro energético. Por otro lado,

el campo magnético desvía los iones de su trayectoria, siguiendo

entonces una trayectoria curva. Así, el valor del campo magnético se va

variando con el tiempo, haciendo que en cada momento lleguen unos

iones al detector. Los que llegarán al detector serán los que en ese

momento sigan el mismo radio de curvatura que el valor del campo

magnético aplicado [32-34].

o Analizador de tiempo de vuelo

Este analizador de masas no se basa en la trayectoria que recorren los

iones, sino en la medición del tiempo que tardan en recorrer cierta

distancia. Cuando un ion es acelerado por un campo eléctrico, la

distancia que recorre depende de la intensidad del campo y de su

relación masa/carga. Así, los iones con una mayor carga llegarán

primero al detector, mientras que los que tengan una mayor masa

llegarán en último lugar. La principal ventaja de este tipo de

analizadores frente a los otros es la velocidad con la que pueden

registrarse los espectros de masas [33,35].

52

Introducción 1

o Cuadrupolo

Este tipo de analizador de masas está compuesto por cuatro barras

metálicas dispuestas dos a dos paralelamente. Sobre estas barras, por

pares alternos, se aplica un potencial constante y un potencial alterno

de radiofrecuencia. La combinación de los dos campos eléctricos origina

un movimiento lateral complejo de los iones a su paso por el analizador,

ya que el movimiento de los iones depende de su relación masa/carga.

Así, hay un pequeño intervalo de frecuencia en el que la trayectoria de

un determinado ion es estable y pasa a través del analizador, mientras

que el resto de los iones colisionan con cualquiera de las barras. Por lo

tanto, el cuadrupolo actúa como un filtro de masas y variando los

potenciales aplicados se puede ir detectando toda la gama de masas

que componen la tabla periódica en un tiempo extremadamente corto

[33,36].

Como hemos visto, aunque el modo en el que se produce la

separación de los iones es diferente en cada analizador de masas, el

objetivo es común. Hay tres características de un espectrómetro de

masas que nos permiten compararlos y elegir el adecuado en función

de la aplicación que se esté llevando a cabo. Estas características son el

poder de resolución, la “abundance sensitivity” y la velocidad de

barrido [33].

El poder de resolución (R) se define como la capacidad del

espectrómetro de masas para separar dos picos espectrales vecinos, es

decir dos isótopos. Esta resolución se expresa según la Ecuación 1.5.

53


𝑅 =𝑚

∆𝑚 Ecuación 1.5

Donde m es la masa del analito y Δm es la diferencia de masa entre dos

picos resueltos.

La “abundance sensitivity” es el parámetro que mide la

contribución de la cola de un pico adyacente a la intensidad del analito

que se está midiendo. Este parámetro se calcula como la relación entre

la intensidad de la cola para una masa de analito dada frente a la

intensidad del analito, calculando esto en altura de pico o en área.

La velocidad de barrido consiste en la velocidad a la que el

espectrómetro de masas puede escanear el espectro de masas.

En la Tabla 1.1 se comparan los tres tipos de espectrómetros de

masas que se han explicado en esta sección en cuanto a poder de

resolución y velocidad de barrido.

Tabla 1.1. Comparación de los tres tipos de analizadores de masa

usados en ICP-MS en cuanto a poder de resolución y velocidad de

escaneo. Adaptada de referencia 32.

Poder de resolución

(R)

Velocidad de barrido

(u s-1)

Campo magnético ≈ 10000 1500

Tiempo de vuelo ≈ 300 7500000

Cuadrupolo ≈ 300 2500

54

Introducción 1

En algunas ocasiones los analizadores de masas tradicionales no

son suficientes para la correcta determinación de algunos elementos

debido a interferencias que pueden ser principalmente de tres tipos:

isobáricas, de iones de carga múltiple y poliatómicas. Las

interferencias isobáricas se dan cuando dos elementos diferentes

tienen isótopos con la misma masa. Las interferencias por iones de

carga múltiple, principalmente iones con dos cargas positivas provocan

que existan coincidencias en la relación entre masa/carga de varios

elementos. Así, por ejemplo, el ion 88Sr2+ producirá un pico espectral

que coincidirá con el del obtenido para el 44Ca+. Este fenómeno se

puede evitar ajustando las condiciones de ionización para intentar

minimizar las especies con cargas múltiples en el plasma. Por último, las

interferencias poliatómicas se dan debido a la combinación de dos o

más átomos (argón, elementos de la matriz de la muestra, del

disolvente y/o del aire), cuya relación masa/carga coincide con la del

analito en estudio y esto hace que los resultados obtenidos sean

erróneos [33,37-39]. En la Tabla 1.2 se muestran ejemplos de cada uno

de los tipos de interferencias descritos.

55


Tabla 1.2. Ejemplos de interferencias isobáricas, de iones de carga

múltiple e interferencias poliatómicas.

Isobáricas 40Ar+/40Ca+

58Ni+/58Fe+

Iones carga múltiple 48Ca2+/24Mg+

88Sr2+/44Ca+

Poliatómicas

40Ar12C+/52Cr+

40Ar16O+/56Fe+

35Cl16O+/51V+

40Ar2+/80Se+

Para intentar minimizar estas interferencias se han estado

desarrollando estrategias de preparación de muestra o de optimización

del ICP-MS desde que se comercializó el primer equipo de ICP-MS [40-

45]. No obstante, estas soluciones o suponen un aumento en la

complejidad del análisis de rutina o no son suficientes. Así, en los años

90 surgió una nueva tecnología consistente en el empleo de una celda

de colisión y/o reacción. Dicha celda está compuesta por un multipolo

(cuadrupolo, hexapolo u octapolo) que se coloca entre la interfaz y el

analizador de masas de tipo cuadrupolo [40,46,47]. En dicha celda se

introduce un gas que normalmente suele ser helio o hidrógeno y se

trabaja en modo radiofrecuencia. Este campo de radiofrecuencias no

separa los iones en función de su relación masa/carga como sucede en

el analizador de masas de tipo cuadrupolo. Su función es focalizar los

iones, haciendo que estos colisionen y/o reaccionen con moléculas del

56

Introducción 1

gas. Controlando estas colisiones o mecanismos de reacción se puede

hacer que los iones interferentes se conviertan en otros con una

relación masa/carga diferente a la del analito bajo estudio. Por otra

parte, se puede lograr que el analito deseado se convierta en otro con

una relación masa/carga que no esté interferida. Por ejemplo, en la

determinación de 56Fe+ se produce una interferencia espectral por

parte del ion 40Ar16O+. Sin embargo, introduciendo en la celda de

colisión y/o reacción gas amoniaco, este reaccionará con el ion 40Ar16O+

dando lugar a NH3+, Ar atómico y O atómico mientras que el ion 56Fe+

no reaccionará. De este modo, se puede realizar la determinación del

ion 56Fe+ prácticamente libre de interferencias [48].

Figura 1.21. Esquema de la eliminación de la interferencia poliatómica

en la determinación de 56Fe usando NH3 como gas reactivo en una celda

de reacción en ICP-MS. Adaptado de referencia 48.

57


Otra alternativa reciente para la reducción y/o eliminación de

interferencias consiste en la colocación de dos cuadrupolos en línea

junto con una celda de rección y/o colisión. Esta técnica es conocida

como ICP-MS/MS y la celda de reacción/colisión se coloca entre los dos

cuadrupolos (Figura 1.22). Con esta disposición, sólo una relación

masa/carga escapa del primer cuadrupolo hacia la celda de

reacción/colisión. Este método permite ejercer un mayor control sobre

las reacciones que tienen lugar en la celda, ya que el primer cualdrupolo

actúa como filtro [49].

Figura 1.22. Esquema de un espectrómetro ICP-MS/MS. Adaptado de

referencia 1.

En ICP-MS/MS existen varias estrategias o modos de trabajo

para minimizar y/o eliminar las interferencias espectrales, dependiendo

de la naturaleza del analito, de los elementos de la matriz de la muestra

y de los requerimientos del análisis en términos de sensibilidad y límites

de detección. Una opción consiste en convertir la especie interferente

en una nueva especie en la celda de reacción, que no interfiera con el

analito, on-mass mode (Figura 1.23 a). Otra alternativa es convertir el

58

Introducción 1

ión del analito en un ión con una relación masa/carga diferente a la

inicial y que pueda ser determinada libre de interferencias. En esta

situación, se produce la reacción del mismo con un gas en el interior de

la celda de reacción, mass-shift mode (Figura 1.23 b). De acuerdo con

este segundo modo de trabajo, tanto el analito como el interferente

pueden reaccionar con el gas reactivo (Figura 1.23 c).

59


(a)

(b)

(c)

Figura 1.23. Esquema de las diferentes estrategias seguidas en ICP-

MS/MS para minimizar y/o eliminar interferencias espectrales entre el

analito (m1) y el interferente (m1). (a) on-mass mode; (b) y (c) mass-shift

mode. Adaptado de referencia 1.

60

Introducción 1

1.4.4 Detector

Existen diversos tipos de detectores, pero en términos generales el

detector convierte los iones en pulsos eléctricos que son registrados y

contados. La magnitud de los pulsos eléctricos corresponde al número

de iones del analito bajo estudio que hay presente en la muestra. Uno

de los detectores más comunes es el multiplicador de electrones. Este

tipo de detector está formado por varios dínodos dispuestos de modo

que existe un gradiente de potencial y cada dínodo se mantiene a un

potencial más alto que el anterior. Estos dínodos están recubiertos de

Cu/Be y cuando el ion que emerge del analizador de masas impacta

sobre su superficie se produce la emisión de un electrón secundario.

Este electrón secundario, movido por el gradiente originado dentro del

detector, impacta sobre el siguiente dínodo y así sucesivamente

generando más electrones secundarios. De este modo se obtiene un

pulso discreto que contiene millones de electrones generados a partir

de un ion, aproximadamente un ion da lugar a 107-108 electrones

[32,33,50,51].

61


Figura 1.24. Esquema del paso de un electrón a través de un canal

multplicador de electrones. Adaptado de referencia 50.

62

Introducción 1

1.4.5 ICP-MS Agilent 7700x

Durante el desarrollo de la presente Tesis Doctoral se ha empleado un

espectrómetro ICP-MS modelo 7700x (Agilent, Santa Clara, USA).

Concretamente los resultados presentados en los Capítulos 2, 3 y 4 han

sido obtenidos con dicho equipo.

Figura 1.25. Imagen del ICP-MS Agilent 7700x usado en los Capítulos 2,

3 y 4 [52].

En la Figura 1.26 se muestra un esquema de los principales

componentes de dicho equipo y a continuación se describen

brevemente cada uno de ellos.

63


Figura 1.26. Esquema de los componentes del ICP-MS Agilent 7700x

[27].

✓ Sistema de introducción de muestra: este equipo viene provisto

con un nebulizador neumático de tipo concéntrico y una cámara de

nebulización de doble paso refrigerada. Además, después de la cámara

de nebulización hay un accesorio que se denomina HMI (High Matrix

Introduction), que permite el análisis de muestras con alto contenido en

matriz. Este componente diluye el aerosol terciario a la salida de la

cámara de nebulización con un flujo adicional de argón. Esto hace que

se minimice la formación de depósitos de sales y/o carbón en el inyector

y en los conos de la interfase, mejorando por tanto la robustez del

plasma.

64

Introducción 1

Figura 1.27. (a) Sistema de introducción de muestra del ICP-MS 7700x

Agilent; (b) Accesorio HMI [53].

✓ Interfaz: este equipo cuenta con una interfaz compuesta por dos

conos (cono de muestreo y cono separador), cuyo vértice viene por

defecto fabricado en níquel. El cono de muestreo tiene un orificio de

1.0 mm de diámetro, mientras que el cono separador de 0.4 mm.

✓ Sistema de focalización iónica: está formado por cuatro lentes,

cuya función como ya se ha descrito anteriormente es enfocar los iones

sobre el siguiente componente, en este caso una celda de

colisión/reacción.

✓ Analizador de masas: este equipo posee un cuadrupolo, pero

previamente al cuadrupolo se sitúa una celda de colisión/reacción.

Dicha celda es un octapolo, con una entrada de gas helio y diseñada

para trabajar como celda de colisión en modo de discriminación de

energía cinética (KED).

✓ Detector: en este equipo se usa un multiplicador de electrones,

cuyo principio se ha explicado brevemente en la sección 1.4.4.

65


Figura 1.28. Esquema del proceso que tiene lugar en el detector

multiplicador de electrones del ICP-Ms Agilent 7700x [54].

66

Introducción 1

1.4.6 ICP-MS NexION 300X

En el Capítulo 3 se ha empleado el ICP-MS NexION 300X (Perkin Elmer,

Waltham, USA). En la Figura 1.29 se puede observar una imagen de

dicho equipo.

Figura 1.29. Imagen del ICP-MS NexION 300X con vistas del interior [55].

A continuación, se explican brevemente los componentes

principales de dicho equipo y en la Figura 1.30 se observa un esquema

de dichos componentes localizados tras el plasma.

67


Figura 1.30. Esquema de los componentes principales del ICP-MS

NexION 300X Perkin Elmer [56].

✓ Sistema de introducción de muestra: en este caso se emplea por

defecto un nebulizador neumático de tipo concéntrico y una cámara de

nebulización de tipo ciclónica.

✓ Interfaz: está compuesta por tres conos. Además del cono de

muestreo y del cono separador que ya se han explicado anteriormente,

este equipo incluye un cono hiperseparador. Este tercer cono permite

que el cambio de presión entre el analizador de masas y el sistema de

introducción de muestra se produzca en pasos más pequeños que en el

resto de los equipos, limitando así la dispersión de los iones.

✓ Sistema de focalización iónica: en cuanto al sistema de

focalización iónica este equipo cuenta con un deflector de iones

cuadrupolar. Se trata de un cuadrupolo miniaturizado que provoca el

giro de los iones 90°, mientras que las especies neutras siguen una

trayectoria rectilínea.

68

Introducción 1

Figura 1.31. Esquema de la interfaz y el sistema de focalización iónica

del ICP-MS NexION 300X Perkin Elmer [55].

✓ Analizador de masas: en este equipo el analizador de masas es

un cuadrupolo colocado con posterioridad a una celda de

colisión/reacción. Esta celda se conoce como celda universal, ya que

puede trabajar en tres modos: (i) modo estándar, en el que se purga la

celda evitando así la presencia de gases residuales y, por lo tanto,

evitando pérdidas de sensibilidad; (ii) modo de colisión, en el que se

introduce un gas no reactivo y se trabaja en modo de discriminación de

69


energía cinética (KED); (iii) modo de reacción, usando un gas reactivo

para hacerlo reaccionar con el interferente o con el analito en cuestión.

✓ Detector: de nuevo, se emplea un multiplicador de electrones,

cuyo principio se ha explicado brevemente en la sección 1.4.4.

70

Introducción 1

1.5 Sistema de introducción de muestra de

antorcha integrada a alta temperatura (hTISIS)

Para el trabajo con muestras de matriz compleja y/o volumen limitado

es necesario emplear nebulizadores y cámaras de nebulización eficaces.

El incremento en la eficacia de transporte de la disolución al plasma

conduce a un mejor rendimiento analítico. Con este objetivo surgió el

dispositivo conocido como Sistema de introducción de muestra

integrado en la antorcha a elevada temperatura (hTISIS). Este sistema

está compuesto por un micronebulizador insertado en una cámara de

nebulización de paso simple que es calentada por una bobina de cobre

conectada a una resistencia. Además, dicho equipo cuenta con un

termopar que permite controlar la temperatura en el interior de la

cámara de nebulización [57-60].

Figura 1.32. Esquema del sistema de introducción de muestra hTISIS.

TEMPERATURA

71


Como resultado de la calefacción de la cámara, el disolvente

contenido en el aerosol primario se evapora eficazmente y la eficacia

de transporte del analito es mayor que la obtenida por un sistema de

introducción de muestra convencional. En las condiciones en las que se

consigue que la eficacia de transporte sea cercana al 100%, se podría

decir que la cámara de nebulización está actuando como una cámara

de evaporación y por lo tanto no se requiere de una salida para

drenados en dicha cámara. Bajo estas condiciones, la eficacia de

transporte no depende de la matriz, ya que esta ha sido evaporada y

por lo tanto las diferencias entre el transporte del analito en las

muestras y en los patrones son mitigadas y/o incluso eliminadas. El

hTISIS, se ha aplicado tanto para muestras con una matriz orgánica,

como acuosa y en todos los casos se ha conseguido mitigar y/o eliminar

los efectos de matriz obteniendo buenos resultados. En la Tabla 1.3 se

muestran todas las muestras a las cuales se ha aplicado el sistema de

introducción descrito.

Este sistema de introducción de muestra puede trabajar en dos

modos: (i) aspiración de muestra en modo continuo, con una velocidad

de flujo líquido de unos 30 µL min-1; e (ii) inyección en modo

segmentado, en el que se aspiran pequeños volúmenes de muestra

líquida (normalmente unos 5 µL). Este segundo método es

recomendado cuando las muestras presentan matrices orgánicas,

debido a que con este método de inyección se mitigan los problemas

de formación de depósitos de carbón en la interfaz del equipo de ICP-

MS y la degradación térmica del plasma.

72

Introducción 1

Tabla 1.3. Listado de muestras que han sido estudiadas bajo el sistema

de introducción de muestra hTISIS.

Tipo de muestra Referencia

Muestras biológicas Sangre humana Líquido cerebroespinal humano Harina de huesos Músculo de pintarroja Vieira Hepatopáncreas de langosta Plancton Tejido de pescado Krill antártico Tejido de mejillón Hígado bovino

61 62 58 63 63 63 58 63 63, 64 65, 66 65, 66

Muestras medioambientales Nieve Sedimentos marinos Aguas residuales Agua de mar

67 63 65 64

Combustibles Petróleo Derivados petróleo (gasolina, diésel, queroseno)

68 69-72

Biocombustibles Bioetanol Biodiesel

73-76 69, 70

Disolventes orgánicos Metanol Xileno

64 77, 78

Disolventes inorgánicos Ácido nítrico

64

Alimentos/Bebidas Espinacas Vino

58 79

73


Por todo lo explicado anteriormente podemos decir que el

sistema de introducción de muestra hTISIS presenta las siguientes

ventajas frente a los sistemas convencionales:

✓ Aumento de sensibilidad. El calentamiento de las paredes de la

cámara de nebulización da lugar a la evaporación del disolvente y esto

junto a la trayectoria sencilla que tiene que recorrer el analito, da lugar

a un aumento en la eficacia de transporte del analito. Esto se traduce

en un aumento de sensibilidad al comparar el sistema hTISIS con otros

sistemas convencionales. En la Figura 1.33 se observa la intensidad

iónica obtenida para el 55Mn usando una cámara convencional como la

Scott y con el sistema hTISIS a distintas temperaturas. En esta figura se

puede apreciar como el incremento en sensibilidad se encuentra

comprendido entre 6 y 10 veces con respecto al sistema con la cámara

Scott [73].

Figura 1.33. Intensidad iónica (cps) para 55Mn en ICP-MS con un sistema

convencional (cámara de nebulización Scott) y hTISIS a distintas

temperaturas bajo inyección segmentada [73].

74

Introducción 1

✓ Disminución de los límites de detección (LODs). En la Tabla 1.4

se muestra un ejemplo de los LODs obtenidos por ICP-MS para una

muestra 50% etanol/agua con una cámara de doble paso y el sistema

hTISIS operando a varias temperaturas. Como se puede observar en

dicha tabla, con el sistema hTISIS trabajando a 300 °C obtenemos una

mejora en los LODs desde 1 hasta 21 veces.

75


Tabla 1.4. LODs (ng mL-1) obtenidos por ICP-MS para una muestra 50%

etanol/agua con diferentes sistemas de introducción de muestra con

inyección segmentada. Adaptada de referencia 73.

Isótopo Cámara doble paso hTISIS Tª ambiente hTISIS 300 °C

11B 34 2 3 23Na 7 4 5 24Mg 1.1 1.3 0.6 27Al 3 3 3 52Cr 0.4 0.3 0.17

55Mn 0.4 0.2 0.2 56Fe 0.5 0.5 0.4 59Co 0.3 0.04 0.014 60Ni 0.6 0.11 0.06 63Cu 0.3 0.11 0.17 66Zn 0.18 0.08 0.05 88Sr 0.3 0.06 0.05

107Ag 0.17 0.04 0.015 111Cd 0.3 n.d. 0.2 115In 0.12 0.08 0.03 137Ba 0.3 n.d. 0.04 208Pb 0.3 0.03 0.018 209Bi 0.13 0.018 0.018

76

Introducción 1

✓ Reducción tiempo lavado. Otra de las ventajas encontradas con

el sistema hTISIS frente a otros sistemas convencionales es la

disminución en el tiempo de lavado. Su bajo volumen interno, así como

la alta eficacia de transporte que presenta hace que la cantidad de

muestra que queda en la cámara sea menor que para otros sistemas.

En la Figura 1.34 se registra la señal de emisión obtenida para la línea

249.773 nm del B para una cámara cinnabar y el sistema hTISIS al pasar

de una disolución 10 µg mL-1 a agua destilada. Como se puede observar

en la figura, el tiempo de lavado es menor para el sistema hTISIS,

trabajando este a temperatura ambiente. Esta diferencia en tiempos de

lavado aún es más notable cuando el sistema trabaja a temperaturas

elevadas.

Figura 1.34. Intensidad de emisión para B 249.773 nm al pasar de una

disolución de 10 µg mL-1de B a agua destilada con una cámara cinnabar

(línea discontinua) y el sistema hTISIS (línea continua) [65].

77


✓ Mitigación efectos matriz. Como ya se ha explicado

anteriormente el sistema hTISIS actúa como una cámara de

evaporación, con una eficacia de transporte cercana al 100%. Bajo esas

condiciones la eficacia de transporte no depende de la matriz, por lo

que las diferencias en cuanto a propiedades físicas entre las muestras y

los estándares son mitigadas o incluso eliminadas. En la Figura 1.35 se

puede observar este efecto de mitigación de los efectos de matriz,

obteniendo una recuperación cercana al 100% para cuatro muestras

reales de bioetanol.

Figura 1.35. Recuperación obtenida para cuatro muestras reales de

bioetanol dopadas con 250 mg L-1 usando el sistema hTISIS bajo

inyección segmentada [73].

78

Introducción 1

En la presente Tesis Doctoral, el sistema hTISIS ha sido

comparado con un sistema de desolvatación (Capítulo 2) y ha sido

aplicado para el análisis elemental directo de muestras biológicas con

matrices complejas como son la sangre (Capítulo 3) y el líquido

cerebroespinal (Capítulo 4).

79


1.6 Referencias

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microsamples and analysis of certified solid samples, J. Anal. At.

Spectrom. 18 (2003) 1185-1191.

88

Introducción 1

[66] J. L. Todolí, S. E. Maestre, J. M. Mermet, Compensation for matrix

effects in ICP-AES by using air segmented liquid microsample

introduction. The role of the spray chamber, J. Anal. At. Spectrom.

19 (2004) 728-737.

[67] M. Grotti, F. Soggia, J. L. Todolí, Ultratrace analysis of Antarctic

snow samples by reaction cell inductively coupled plasma mass

spectrometry using a total-consumption micro-sample-

introduction system, Analyst 133 (2008) 1388-1394.

[68] R. Sánchez, J. Lefevre, J. L. Todolí, Direct elemental analysis of

petroleum heavy fractions by means of ICP-OES equipped with a

high temperature torch integrated sample introduction system, J.

Anal. At. Spectrom. (2019) DOI: 10.1039/c8ja00320c.

[69] R. Sánchez, C. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann, J. M. Mermet,

Quantification of nickel, vanadium and manganese in petroleum

products and biofuels through inductively coupled plasma mass

spectrometry equipped with a high temperature single pass spray

chamber, J. Anal. At. Spectrom. 29 (2014) 242-248.

[70] R. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann and J. M. Mermet,

Universal calibration for metal determination in fuels and biofuels

by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry

based on segmented flow injection and a 350 °C heated chamber,

J. Anal. At. Spectrom. 27 (2012) 937-945.

[71] R. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann, J. M. Mermet, Air-

segmented, 5 µL Flow injection associated with a 200 °C heated

89


chamber to minimize plasma loading limitations and difference of

behaviour between alkanes, aromatic compounds and petroleum

products in inductively coupled plasma atomic emisión

spectrometry, J. Anal. At. Spectrom. 25 (2010) 1888-1894.

[72] R. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann, J. M. Mermet, Effect of

solvent dilution on the ICP-AES based silicon sensitivity, the

aerosol characteristics and the resulting organic solution

properties in the analysis of petroleum products, J. Anal. At.

Spectrom. 25 (2010) 178-185.

[73] C. Sánchez, C. P. Lienemann, J. L. Todolí, Analysis of bioethanol

samples through Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

with a total samples consumption system, Spectrochim. Acta Part

B 124 (2016) 99-108.

[74] C. Sánchez, C. P. Lienemann, J. L. Todolí, Metal and metalloid

determination in bioethanol through inductively coupled plasma-

optical spectroscopy, Spectrochim. Acta Part B 115 (2016) 16-22.

[75] C. Sánchez, E. Bolea-Fernandez, M. Costas-Rodríguez, C. P.

Lienemann, J. L. Todolí, F. Vanhaecke, Direct lead isotopic analysis

of bioethanol by means of multi-collector ICP-mass spectrometry

with a total consumption sample introduction system, J. Anal. At.

Spectrom. 33 (2018) 481-490.

[76] R. Sánchez, C. Sánchez, C.P. Lienemann, J. L. Todolí, Metal and

metalloid determination in biodiesel and bioethanol, J. Anal. At.

Spectrom. 30 (2015) 64-101.

90

Introducción 1

[77] R. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann, J. M. Mermet,

Minimization of the effect of silicon chemical form in xylene

matrices on ICP-AES performance, J. Anal. At. Spectrom. 24 (2009)

1382-1388.

[78] R. Sánchez, J. L. Todolí, C. P. Lienemann, J. M. Mermet, Effect of

the silicon chemical form on the emission intensity in inductively

coupled plasma atomic emission spectrometry for xylene

matrices, J. Anal. At. Spectrom. 24 (2009) 391-401.

[79] C. Cerutti, C. Sánchez, R. Sánchez, F. Ardini, M. Grotti, J. L. Todolí,

Determination of trace elements in undiluted wine samples using

an automatized total sample consumption system coupled to ICP-

MS, J. Anal. At. Spectrom. (2019) DOI: 10.1039/c8ja00391b.

TRABAJOS PUBLICADOS

2

Comparison of a high temperature torch

integrated sample introduction system with a

desolvation system for the analysis of

microsamples through inductively coupled

plasma mass spectrometry

CAPÍTULO 2

97


2.1 Abstract

This work describes for the first time the comparison of the analytical

performances obtained with a high temperature torch integrated

sample introduction system (hTISIS) against those found with a

commercially available desolvation system (APEX) associated with

inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). A double pass

spray chamber was taken as the reference system. Similar detection

limits and sensitivities were obtained in continuous injection mode at

low liquid flow rates for the APEX and hTISIS operating at high

temperatures. In contrast, in the air-segmented injection mode, the

detection limits obtained with hTISIS at high temperatures were up to

12 times lower than those found for the APEX. Regarding memory

effects, wash out times were shorter in continuous mode and peaks

were narrower in air segmented mode for the hTISIS as compared to

the APEX. Non-spectral interferences (matrix effects) were studied with

10% nitric acid, 2% methanol, for an ICP multielemental solution and a

hydro-organic matrix containing 70% (v/v) acetonitrile in water, 15

mmol L−1 ammonium acetate and 0.5% formic acid containing

lanthanide complexes. In all the cases, matrix effects were less severe

for the hTISIS operating at 200 °C and the APEX than for the double pass

spray chamber. Finally, two spiked reference materials (sea water and

Antartic krill) were analyzed. The hTISIS operating at 200 °C gave the

best results compared to those obtained with the APEX and the double

pass spray chamber. In conclusion, despite the simplicity of the hTISIS,

98

Comparison of hTISIS with APEX for the analysis of microsamples through ICP-MS

ucción

2

it provided, at low liquid flow rates, results similar to or better than

those obtained with the by other sample introduction systems.

3 Analysis of whole blood by ICP-MS

equipped with a high temperature

total sample consumption system

Analysis of whole blood by ICP-MS

equipped with a high temperature total

sample consumption system

CAPÍTULO 3

103


3.1 Abstract

In this work, the performance of a high temperature torch Integrated

Sample Introduction System (hTISIS) using Inductively Coupled Plasma

Mass Spectrometry (ICP-MS) for the multi-element analysis of whole

blood is evaluated. Two different quadrupole-based spectrometers

were tested and the optimization studies were performed with a

reference whole blood material. Sample dilution factor and hTISIS

temperature were taken as the variables. The sample was introduced

following two different procedures: continuous aspiration and air-

segmentation. The optimum performance of the system in terms of

both analytical figures of merit and accuracy was obtained for a hTISIS

temperature of 200 °C and for either 1:10 or 1:25 dilution factors

depending on the ICP-MS device used. An improvement in terms of

sensitivity and detection limits was obtained with the hTISIS as

compared to the conventional cyclonic spray chamber. Thus, for 1:25

diluted blood samples, the hTISIS imp

roved the sensitivity by a factor ranging 2.0-4.5. Moreover, at 200 °C,

the limits of detection for hTISIS were 1.1 to 8.4 times lower than those

for the cyclonic spray chamber. This analytical parameter was in the ng

L-1 range for the detected elements. Matrix effects in turn became less

severe as the hTISIS temperature increased (from room temperature to

80 °C). All these results were obtained without a severe degradation of

the fundamental plasma parameters. In fact, under optimum conditions

BaO+/Ba+ and Ba++/Ba+ signal ratios were 1.2% and 2.0%, respectively.

The developed method was applied for the analysis of low volumes

104

Analysis of whole blood by ICP-MS equipped with hTISIS 3

(c.a., 2.5 µL) of real blood samples after a minimally invasive collection

by volumetric absorptive microsampling. The hTISIS is an easy-to-

implement sample introduction system that can be employed for the

routine analysis using ICP-MS.

Cerebrospinal fluid elemental analysis by

using a total sample consumption system

operated at high temperature adapted to

inductively coupled plasma mass

spectrometry

CAPÍTULO 4

109


4.1 Abstract

A total consumption low sample introduction system has been applied

for the first time to the multielement analysis of non-diluted

cerebrospinal fluids (CSFs) by means of inductively coupled plasma

mass spectrometry (ICP-MS). A 2.5 µL sample volume has been injected

into an air carrier stream in agreement with the air-segmented injection

principle. The sample plug has been turned into an aerosol by means of

a high efficiency nebulizer (HEN) and further introduced into the so-

called high temperature torch integrated sample introduction system

(hTISIS). A transient signal has been thus obtained. For spiked CSF real

samples it has been verified that the higher the temperature, the

greater the sensitivity. Under optimized conditions, the hTISIS provides

peak areas around four times higher than those provided by the

spectrometer default device (i.e., a double pass spray chamber).

Additional advantages provided by the former system include limits of

detection up to 6 times lower and narrower peaks as compared to those

reported for the double pass spray chamber. Furthermore, the use of

the hTISIS is not detrimental from the point of view oxide production

and doubly charged ion generation. Regarding the extent of non-

spectral interference caused by the CSF matrix, it has been verified that,

with the hTISIS, recoveries for spiked real samples were close to 100%

for a set of 14 different elements (V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Se, Mo, Cd,

Sb, Ba, Tl and Pb). Meanwhile, in segmented flow injection mode, the

reference system provided recoveries from 200 to 500%, depending on

the element and the sample, thus demonstrating the occurrence of

matrix effects.

110

CSF by using hTISIS adapted to ICP-MS 4

CONCLUSIONES GENERALES

113


A continuación, se enumeran las conclusiones generales más

relevantes que se pueden extraer de las investigaciones llevadas a cabo

durante la presente Tesis Doctoral:

1. El análisis elemental de muestras clínicas es una tarea compleja

debido a que el volumen de muestra del que se dispone es bajo, la

matriz de la muestra comprende tanto componentes orgánicos

como inorgánicos, lo cual da lugar a importantes efectos de matriz.

Como consecuencia, existe una gran dificultad en lo que respecta a

la producción de materiales de referencia de muestras clínicas. Por

otra parte, las concentraciones de los analitos son

extremadamente bajas, lo cual demanda el uso de una técnica de

análisis extremadamente sensible.

2. El sistema de consumo total de muestra denominado hTISIS

acoplado directamente a un equipo ICP-MS permite el análisis

tanto en régimen continuo de introducción de la muestra como en

inyección segmentada. En ambos casos, se reduce notablemente el

volumen de muestra consumida, lo cual resulta de suma

importancia para el análisis de determinadas muestras clínicas.

Dicho sistema de introducción de muestra ofrece una gran mejora

en términos de sensibilidad, efectos de memoria y límites de

detección con respecto a un sistema convencional.

3. El sistema hTISIS utililzado en modo de aspiración continua a un

flujo de 20 µL min-1 y a altas temperaturas (200 °C) ofrece

114

Conclusiones generales

sensibilidades, LODs y estabilidad de la señal similares o mejores

que los que se consiguen con un sistema de introducción de

muestra más complejo y de un coste muy superior, como es el

sistema de desolvatación APEX.

4. La calefacción de la cámara de nebulización de paso simple que

compone el sistema hTISIS a 200 °C conduce a eficacias de

transporte del analito próximas al 100%, independientemente de

la matriz de la muestra. Esto hace que los efectos de matriz se vean

mitigados y/o incluso eliminados pudiendo llevar a cabo análisis

exactos de muestras reales a través de la calibración externa

basada en el uso de patrones acuosos.

5. El dispositivo hTISIS está perfectamente indicado para su uso junto

con el espectrómetro ICP-MS Agilent 7700x. Esto es debido a que

el equipo dispone de un accesorio de dilución en fase aerosol, lo

cual permite la realización de análisis de ciertas muestras clínicas

(ricas en sales inorgánicas) sin necesidad de diluirlas o aplicando

bajos factores de dilución. Como consecuencia, los límites de

detección se reducen en mayor medida.

6. El sistema de recolección de micro-muestras basado en la

adsorción sobre un soporte poroso (VAMS) permite reducir

notablemente el volumen de muestra necesario, así como el

carácter invasivo del método de muestreo. En combinación con el

sistema hTISIS-ICP-MS puede ser considerado como un método de

115


análisis de sangre aplicable en rutina. El procedimiento

desarrollado es especialmente interesante para poblaciones de

recién nacidos, personas con reducida movilidad o personas que

viven en zonas alejadas de hospitales o clínicas.

7. El sistema hTISIS a elevadas temperaturas en modo de inyección

segmentada permite el análisis directo de muestras de fluido

cefalorraquídeo o cerebroespinal (CSF) cuyo volumen disponible es

muy bajo. Esto es posible gracias a que con dicho sistema los

efectos de matriz son mitigados y/o eliminados y se puede llevar a

cabo el análisis mediante calibración externa con patrones

acuosos. Asimismo, el volumen de muestra necesario para un

análisis multielemental completo es del orden de 10 L.

116

Conclusiones generales

FUTUROS ESTUDIOS

119


En la presente Tesis Doctoral el sistema de introducción de muestra

hTISIS ha demostrado numerosas ventajas frente a sistemas

convencionales para el análisis elemental directo de muestras clínicas,

como es el caso de la sangre y el líquido cerebroespinal. Dichas ventajas

podrían ser útiles para el estudio de nanopartículas. Las nanopartículas

presentan propiedades fisicoquímicas únicas debido a su pequeño

tamaño, su gran área superficial y a una reactividad química distinta, lo

cual ha llevado durante la última década a un aumento en el interés por

estos materiales, que ha conducido a la aparición de una gran cantidad

de productos innovadores en nuestra vida cotidiana. Así, del mismo

modo que la producción y comercialización de estos productos ha

aumentado, la exposición humana a estas nanopartículas también ha

experimentado un gran crecimiento, pudiendo introducirse en el

cuerpo humano a través de inhalación, contacto con la piel, ingestión

y/o administración médica. Por esto, el análisis de nanomateriales se ha

convertido en un tema de gran interés y el desarrollo de métodos

analíticos que nos proporcionen una información analítica apropiada es

un reto de actualidad. En este campo de investigación se requiere tanto

la cuantificación de los distintos elementos como: (i) detectar la

presencia de nanopartículas; (ii) identificar el tipo de nanopartícula a

partir de su composición química; (iii) caracterizar las nanopartículas en

función del tamaño, forma y característica superficial; (iv) determinar la

distribución de tamaños de las mismas nanopartículas; y/o, (v)

cuantificar su concentración en número. Así, ha ido surgiendo en los

últimos años un nuevo método de análisis para este tipo de muestras.

Se trata del método de detección individual de partículas basado en el

120

Futuros estudios

uso de la Espectrometría de Masas con fuente de ionización de Plasma

Acoplado por Inducción, ICP-MS (single particle Inductively Coupled

Plasma Mass Spectrometry, spICP-MS), el cual nos permite llevar a cabo

una completa caracterización, cuantificación y detección de las

nanopartículas. Sin embargo, una etapa crítica en esta técnica es la

introducción de muestras, ya que la calidad de los resultados obtenidos

finalmente dependerá de la calidad de esta etapa. Además, cabe

señalar que una de las limitaciónes del método spICP-MS reside en su,

en ocasiones, excesivamente elevado límite de detección. Por otra

parte, se ha comprobado que existe una relación inversa entre la

toxicidad de las nanopartículas y su tamaño, siendo las más pequeñas

las que presentan una mayor toxicidad. Por estos motivos, es de

especial importancia el desarrollo de un método que nos permita

detectar y caracterizar este tipo de nanopartículas, de un tamaño muy

pequeño, que está por debajo de los límites de detección presentes

hasta el momento.

IMPACTO CIENTÍFICO

123


Publicaciones

1. R. Sánchez, A. Cañabate, C. Bresson, F. Chartier, H. Isnard, S.

Maestre, Comparison of a high temperature torch integrated sample


microsamples, Spectrochim. Acta Part B 129 (2017) 28-36.

2. A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Resano, J. L. Todolí, Analysis of whole

blood by ICP-MS equipped with a high temperature total sample

consumption system, J. Anal. At. Spectrom. 32 (2017) 78-87.

3. A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Resano, J. L. Todolí, Cerebrospinal

fluid elemental analysis by using a total sample consumption system

operated at high temperature adapted to inductively coupled

plasma mass spectrometry, J. Anal. At. Spectrom. 32 (2017) 1916-

1924.

Participación en congresos

1. E. García-Ruiz, C. Flórez, M. Resano, M. Aramendia, A. Cañabate, J.

L. Todolí. High temperature sample introduction system for the

analysis of blood and urine through ICP-MS. 2014 Winter Conference

on Plasma Spectrochemistry (poster). Amelia Island, Florida, 6-11

Enero 2014.

2. A. Cañabate, J. P. Díaz, S. Maestre, J. L. Todolí. Characterization of

the mineral content of Horchata. 2015 European Winter Conference

124

Impacto científico

on Plasma Spectrochemistry (poster). Münster, Alemania, 22-26

Febrero 2015.

3. A. Cañabate, E. García-Ruiz, C. Flórez, M. Resano, M. Aramendia, J.

L. Todolí. Blood analysis through ICP-MS employing a total sample

consumption system. 60th ICAAS (poster). Halifax, Canada, 19-22

Mayo 2015.

4. E. García-Ruiz, M. Resano, C. Flórez, A. Cañabate, J. L. Todolí. High

temperature sample introduction system for the analysis of blood

through ICP-MS. The 6th Asia-Pacific Winter Conference on Plasma

Spectrochemistry (poster). Xiamen, China, 19-22 Mayo 2015.

5. C. Sánchez, A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Resano, C. Flórez, M.

Aramendia, J. L. Todolí. Analysis of whole with a total sample

consumption system coupled to ICP-MS. Euroanalysis XVIII (poster).

Bordeaux, Fracia, 6-10 Septiembre 2015.

6. J. L. Todolí, A. Cañabate, C. Sánchez. Evaluation and characterization

of commercial micronebulizers. 2016 Winter Conference on Plasma

Spectrochemistry (poster). Tucson, Arizona, Estados Unidos de

América, 10-16 Enero 2016.

7. J. L. Todolí, A. Cañabate, R. Sánchez, A. Nonell, C. Bresson, F.

Chartier. Comparaison d’un système à consommation totale de

l’échantillon et d’un système de désolvatation pour l'analyse de

microéchantillons par ICP-MS. SPECTR´ATOM 2016 (poster). Pau,

Francia, 23-27 Mayo 2016.

125


8. J. L. Todolí, R. Sánchez, A. Cañabate, S. Maestre, A. Nonell, C.

Bresson, F. Chartier. Advantages of a high temperature torch

integrated sample introduction system over a desolvation system for

the analysis of microsamples through ICP-MS. 8th Nordic Conference

on Plasma Spectrochemistry (poster). Loen, Noruega, 5-8 Junio 2016.

9. J. L. Todolí, A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Resano. Analysis of whole

blood through ICP-MS equipped with a high temperature total

sample consumption system. SCIX 2016 (comunicación oral).

Minneapolis, Estados Unidos de América, 18-23 Septiembre 2016.

10. E. García, A. Cañabate, M. Resano, J. L. Todolí. A high temperature

total sample consumption system for blood analysis via ICP-MS. 2017

European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry (poster).

Sankt Anton, Austria, 19-24 Febrero 2017.

11. A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Resano, J. L. Todolí. Analysis of

cerebrospinal fluid by a high temperature total sample consumption

system coupled to ICP-MS. XIX Euroanalysis (comunicación oral).

Estocolmo, Suecia, 28-1 Septiembre 2017.

12. A. Cañabate, E. García-Ruiz, M. Aramendia, M. Resano, J. L. Todolí.

Determination of nanoparticles in blood and urine through a total

sample consumption system adapted to ICP-MS. XIX Euroanalysis

(poster). Estocolmo, Suecia, 28-1 Septiembre 2017.

13. E. García-Ruiz, A. Cañabate, M. Resano, J. L. Todolí. High

temperature total sample consumption system coupled to

inductively coupled plasma mass spectrometry for the multielement

126

Impacto científico

analysis of cerebrospinal fluid. SCIX 2017 (poster). Reno, USA, 8-13

Octubre 2017.

14. E. García-Ruiz, M. Aramendia, D. Elite, A. Cañabate, J. L. Todolí, M.

Resano. Characterization of nanoparticles in biological samples via

SP-ICP-MS using a high temperature torch integrated in a sample

introduction system. 2018 Winter Conference on Plasma

Spectrochemistry (poster). Amelia Island, Florida, 8-13 Enero 2018.

Research stays

1. Entidad: Departamento de Química Analítica, Universidad de

Zaragoza. Zaragoza, España. 05/05/2014 – 09/06/2014. Evaluación

de una cámara de evaporación de muestras para la introducción de

micromuestras en un ICP-MS.



de una cámara de evaporación de muestras para la introducción de

micromuestras en un ICP-MS.



de una cámara de evaporación de muestras para la caracterización

de nanopartículas metálicas.

4. Entidad: Departamento de Química Física y Analítica, Universidad

de Oviedo. Asturias, España. 01/05/2017 – 01/08/2017. Beca para

estancias predoctorales fuera de la Comunidad Valenciana.

análisis elemental directo de muestras clínicas mediante...

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