Direct Analysis of Ultratrace Rare Earth Elements in Environmental Waters by ICP-QQQ

Význam tématu

Vzácné zeminy (REE) jsou nepostradatelné v moderních technologiích – od skel a permanentních magnetů po čistou energii a obranné systémy. Narůstající využití vyvolává potřebu monitorovat jejich unikání do životního prostředí při těžbě, zpracování, výrobě i likvidaci. Citlivé a rychlé metody pro stanovení ultratrac nízkých koncentrací REE ve vodách jsou klíčové pro ochranu ekosystémů a plnění budoucích regulací.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout přímou analytickou metodu pro stanovení 16 REE v povrchových a odpadních vodách pomocí Agilent 8900 ICP-QQQ v MS/MS mass-shift režimu za použití N₂O jako reakčního plynu. Metoda má zajistit sub-ppt limity detekce, účinné potlačení polyatomových interferencí a minimalizovat laboratorní přípravu vzorku.

Použitá instrumentace

• ICP-QQQ přístroj Agilent 8900 (model #100) s dvojitou kvadrupólovou konfigurací (Q1–CRC–Q2).
• Quartzová dvojitá smyčka, quartzová hořáková trubice s 2,5 mm injektorem, Ni kuželky.
• PFA mikroflow nebulizér (G3139-65100) a peristaltické čerpadlo.
• Software Agilent ICP-MS MassHunter s „low-matrix“ preset plasma nastavením pro vzorky do 0,1 % TDS.

Použitá metodika

• Reakční plyn: nitrous oxide (N₂O) v CRC pro přenos analyzovaných REE do oxidovaných produktů (M+16).
• Optimalizace Q1 pro selekci m/z analyzovaných iontů a potlačení interferencí (BaO⁺, BaH⁺, hydridů, oxidů).
• Výpočet MDL jako trojnásobek směrodatné odchylky devíti replikát vzorku (0,3 ppt standard).
• Ověření metodiky na certifikované referenční vodě SLRS-6 (NRC-CNRC) s porovnáním reportovaných a naměřených hodnot.
• Odběr vzorků: čtyři body toku řeky Tama (včetně dvou výtoků ČOV), každá trojice vzorků filtrována 0,45 µm a okyselena 1 % HNO₃.

Hlavní výsledky a diskuse

N₂O prokázalo vyšší nebo srovnatelnou citlivost než O₂ pro všechny REE. MDL byly sub-ppt (0,05–0,10 ppt). Analýza SLRS-6 ukázala shodu u všech prvků kromě Sc, kde původní hodnota byla pravděpodobně ovlivněna interferencí SiO⁺/SiOH⁺. Vzorky řeky Tama odhalily konzistentní profil REE až na významné zvýšení Gd v blízkosti výtoků ČOV, pravděpodobně z gadoliniových kontrastních látek pro MRI. Normalizace vůči PAAS ukázala vynešení lehkých REE a obohacení těžších prvků v ČOV effluentech.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje přímé měření ultratrac nízkých hladin REE ve vodách bez časově náročných předúprav. Vysoká citlivost a efektivní odstraňování interferencí podporují rutinní monitorování kvality vody v laboratořích QA/QC, výzkumu i průmyslu.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření sledování REE v různých typech vodních matric – průmyslové odpadní vody, pitná voda, mořské vody.
• Další studie speciation a biotransportu REE v ekosystémech.
• Vyšší požadavky na environmentální regulace a limitní hodnoty REE ve vodách.
• Integrace s automatizovanými systémy pro kontinuální monitoring.

Závěr

Agilent 8900 ICP-QQQ v MS/MS mass-shift režimu s N₂O prokázal vynikající citlivost a spolehlivost pro přímou analýzu 16 REE v řekových a odpadních vodách. Sub-ppt MDL, účinné potlačení interferencí a minimalizace přípravy vzorků potvrzují vhodnost metody pro rutinní i výzkumné aplikace.

Reference

• US Geological Survey, The Rare-Earth Elements—Vital to Modern Technologies and Lifestyles, Fact Sheet 2014–3078, 2014.
• Sugiyama N., Woods G., Direct measurement of trace rare earth elements in high-purity REE oxide…, Agilent 8800, publication 5991-0892EN.
• Song J. et al., Routine determination of trace rare earth elements in Nd₂O₃ using Agilent 8800 ICP-QQQ, publication 5991-5400EN.
• Agilent, Reaction data for 70 elements using O₂, NH₃ and H₂ with the Agilent 8800 Triple Quadrupole ICP-MS, publication 5991-4585EN.
• Yeghicheyan D. et al., Interlaboratory characterization of Silicon, REEs in SLRS-6 natural river water CRM, Geostandards and Geoanalytical Research, Vol. 43(3), 2019, 475–484.
• Nance W.B., Taylor S.R., Rare earth element patterns and crustal evolution—I. Australian post-Archean sedimentary rocks, Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 40(12), 1976, 1539–1551.