Managing the challenges of analyzing brine solutions of variable concentration using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) equipped with argon gas dilution

Význam tématu

Analýza vysoce koncentrovaných roztoků solanky představuje klíčový úkol v environmentálním sledování, těžbě lithiových zdrojů i průmyslové výrobě.
Vysoký podíl rozpuštěných solí (až 25 % hmotn.) komplikuje měření kvůli potlačení signálu, driftu a zanášení částí ICP-MS.
Automatizovaná diluce aerosolové fáze inertním argonem významně usnadňuje přípravu vzorků a snižuje riziko poruch instrumentace.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo demonstrovat použití přístroje Thermo Scientific iCAP RQplus ICP-MS s argonovou plynovou dilucí (AGD) pro kvantitativní stanovení lithia, běžných kovů a vzácných zemin v roztocích solanky o koncentraci až 25 %.
Testovala se citlivost, linearita, meziprůběžné ověřování kvality (CCV), spike recovery a dlouhodobá stabilita při vysokém průtoku vzorků.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky a standardy se připravovaly ve směsném kyselém prostředí (2 % HNO₃, 0,5 % HCl).
Hlavní instrumentace:

• iCAP RQplus ICP-MS s volitelnou AGD jednotkou;
• PFA microflow nebulizér (400 µL/min) do chladné cyklonické komory (2,7 °C);
• Argonová diluce aerosolové fáze do plazmatu (0,80 L/min) umožnila až 100× zředění „in-line“;
• Quartzový hořák s kónickými elektrody (Ni sampler a skimmer);
• Kinetic Energy Discrimination (KED) ve QCell s helium jako CRC plyn (4,2 mL/min);
• Autosampler a Qtegra ISDS software s autotunem a monitoringem zdraví systému (Hawk).

Hlavní výsledky a diskuse

Detekční limity (MDL) pro 34 prvků dosahovaly řádu 0,001–1 µg/L při vynikajících hodnotách R² > 0,997.
CCV testy a spike recovery (0,1–25 µg/L) vykázaly přesnost 80–120 % a RSD pod 7 % napříč koncentracemi NaCl 0,5–4 % hmotn.
Vnitřní standardy (Sc, Y, Rh, Te, Lu) udržely stabilní signál s potlačením obvykle < 20 %, kromě Te při solance nad 3 %, kde se potlačení stabilizovalo kolem 40 %.
Přímá inhalace 25 % solanky vedla k potlačení signálu (recovery IS 39–46 %) a k zanášení kuželů, jejichž čištění ovšem probíhalo bez stopy poškození.
Dlouhodobý experiment (120 vzorků 2,5 % NaCl, doba 9 h) potvrdil robustnost: CCV recovery 86–119 % (RSD ± 3,5 %) a spike recovery lanthanoidů v intervalu 0,1/0,2 µg/L stále 90–115 %.

Přínosy a praktické využití metody

Automatická AGD eliminuje manuální ředění vzorků a snižuje riziko chyb a kontaminace.
Přístroj dosahuje nízkých MDL bez kompromisu citlivosti a stability pro celou řadu kovů a REE.
Vysoká odolnost vůči zanášení umožňuje nepřetržitý provoz s plánovanou údržbou řízenou softwarem Hawk.

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozšíření automatizace vzorkové přípravy a integrace s LIMS systémy usnadní bezobslužné analýzy.
Další vývoj by mohl zavést pokročilé režimy kolizní buněk pro minimalizaci iontových interferencí v extrémních matricích.
Využití pro sledování ekologického dopadu těžby lithia a recyklace vzácných zemin získá na významu s růstem EV trhu.

Závěr

Použití iCAP RQplus ICP-MS s AGD pro analýzu solanek až do 25 % hmotn. NaCl přináší vysokou citlivost, přesnost a reprodukovatelnost.
Metoda kombinuje automatickou plynovou diluci, KED režim a inteligentní monitoring zdraví systému pro dlouhodobé a spolehlivé měření.

Reference

1. Application note 000602, Thermo Fisher Scientific: Stanovení lithia a prvků v solankách pomocí ICP-OES.
2. Application note 000968, Thermo Fisher Scientific: Charakterizace lithných minerálů metodou ICP-OES.
3. Reisman D.J., Weber R.J.: Rare Earth Elements: A Review of Production, Processing, Recycling, and Associated Environmental Issues. US EPA, 2012.
4. Abbott A.N. et al.: The sedimentary flux of dissolved rare earth elements to the ocean. Geochim. Cosmochim. Acta, 2015.
5. Technical Note 43202, Thermo Fisher Scientific: Analýza vysoce matricových vzorků s argonovou dilucí na iCAP RQ ICP-MS.