ISO 17294-1:2024
(Main)Water quality — Application of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) — Part 1: General requirements
Water quality — Application of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) — Part 1: General requirements
This document specifies the principles of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and provides general requirements for the use of this technique to determine elements in water, digests of sludges and sediments (e.g. digests of water as described in ISO 15587-1 or ISO 15587-2). Generally, the measurement is carried out in water, but gases, vapours or fine particulate matter can be introduced too. This document applies to the use of ICP-MS for aqueous solution analysis. The ultimate determination of the elements is described in a separate International Standard for each series of elements and matrix. The individual clauses of this document refer the user to these guidelines for the basic principles of the method and the configuration of the instrument.
Qualité de l’eau — Application de la spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS) — Partie 1: Exigences générales
Le présent document spécifie les principes de la spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS) et fournit des exigences générales sur l’utilisation de cette technique pour déterminer des éléments présents dans l’eau, les minéralisats de boues et de sédiments (par exemple, les minéralisats d’eau décrits dans l’ISO 15587-1 ou l’ISO 15587-2). En règle générale, le mesurage est effectué dans l’eau, mais des gaz, des vapeurs ou de fines matières particulaires peuvent également être introduits. Le présent document est axé sur l’application de l’ICP-MS à l’analyse de solutions aqueuses. La détermination finale des éléments est décrite dans une Norme internationale distincte pour chaque série d’éléments et chaque matrice. Les articles individuels du présent document renvoient l’utilisateur à ce cadre directeur pour les principes fondamentaux de la méthode et la configuration de l’instrument.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 17294-1
Second edition
Water quality — Application of
2024-03
inductively coupled plasma mass
spectrometry (ICP-MS) —
Part 1:
General requirements
Qualité de l’eau — Application de la spectrométrie de masse avec
plasma à couplage inductif (ICP-MS) —
Partie 1: Exigences générales
Reference number
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principle . 3
5 Apparatus . 4
5.1 General .4
5.2 Sample introduction .4
5.2.1 General .4
5.2.2 Pump .5
5.2.3 Nebulizer .5
5.2.4 Spray chamber .6
5.2.5 Other systems .6
5.3 Torch and plasma .6
5.4 Gas and gas control .7
5.5 Generator .7
5.6 Transfer of the ions to the mass spectrometer .7
5.7 Mass spectrometer .8
5.7.1 General .8
5.7.2 Lens system .8
5.7.3 Collision or reaction cell .8
5.7.4 Analyser .8
5.7.5 Detector .9
5.7.6 Alternative mass spectrometers and types of instruments .10
5.8 Signal processing and instrument control.11
6 Interferences by concomitant elements .11
6.1 General .11
6.2 Spectral interferences .11
6.2.1 General .11
6.2.2 Possible elimination strategies for polyatomic ion interferences . 12
6.3 Non-spectral interferences . 13
6.3.1 General . 13
6.3.2 Interferences in the nebulization process . 13
6.3.3 Interferences in the plasma . 13
6.3.4 Interferences in the interface or lens area .14
6.3.5 Possible elimination strategies for non-spectral interferences (matrix effects) .14
7 Adjustment of the apparatus . 17
7.1 General .17
7.2 Tuning the apparatus .17
7.2.1 General .17
7.2.2 Alignment of the plasma .18
7.2.3 Mass calibration .18
7.2.4 Resolution .18
7.2.5 Detector .18
7.3 V erification of instrument performance criteria .19
8 Preparatory steps . 19
8.1 General .19
8.2 Choice of isotopes . 20
8.3 Choice of instrumental settings . 20
8.4 Choice of integration time .21
8.5 Choice of reference elements — Internal standards . 22
iii
8.6 Linearity and working range . 22
8.7 Composition of calibration solutions . 23
8.8 Method development for cool plasma conditions . 23
8.9 Determination of the method performance . 23
8.9.1 General . 23
8.9.2 Instrument detection limit .24
8.9.3 Method detection limit .24
8.9.4 Precision of the method .24
9 Procedure .24
9.1 General .24
9.2 Calibration .24
9.3 Necessary solutions . 25
9.4 Measurement . 25
Annex A (informative) Spectral interferences, choice of isotopes and instrument detection
limits for quadrupole ICP-MS instruments .27
Bibliography .32
iv
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely
with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a)
patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that
this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 147, Water quality, Subcommittee SC 2, Physical,
chemical and biochemical methods, in collaboration with the European Committee for Standardization
(CEN) Technical Committee CEN/TC 230, Water analysis, in accordance with the Agreement on technical
cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 17294-1:2004), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— scope has been revised to align with ISO 17294-2;
— text has been revised to reflect currently available instruments used in routine daily practice in many
laboratories;
— Clauses 5 and 6 have been revised to reflect the state-of-the-art equipment used to measure elements
according to ISO 17294-2;
— abbreviated terms in Clause 9 have been revised to align with common terms used in other standards;
— Table A.1 has been updated.
A list of all parts in the ISO 17294 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
Since the last edition of this document, new developments in metal analysis with inductively coupled plasma
mass spectrometry (ICP-MS) have taken place. The use of the collision or reaction cell (CRC) technology
in quadrupole ICP-MS and triple quadrupole ICP-MS has increased in laboratories. For this reason, this
document has been revised and new items have been added.
The intention for the revision of this document was to focus on the instrumentation currently available and
in use for determining elements according to ISO 17294-2 in daily practice in laboratories. The consequence
of this starting point is that the use of correction formulae has been moved to Annex A because of its reduced
importance in modern instrumentation. Many principles also apply for high-resolution or accurate mass
instrumentation, although they are not described in detail in this document.
vi
International Standard ISO 17294-1:2024(en)
Water quality — Application of inductively coupled plasma
mass spectrometry (ICP-MS) —
Part 1:
General requirements
1 Scope
This document specifies the principles of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and
provides general requirements for the use of this technique to determine elements in water, digests of
sludges and sediments (e.g. digests of water as described in ISO 15587-1 or ISO 15587-2). Generally, the
measurement is carried out in water, but gases, vapours or fine particulate matter can be introduced too.
This document applies to the use of ICP-MS for aqueous solution analysis.
The ultimate determination of the elements is described in a separate International Standard for each series
of elements and matrix. The individual clauses of this document refer the user to these guidelines for the
basic principles of the method and the configuration of the instrument.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO Guide 33, Reference materials — Good practice in using reference materials
ISO 5725-1, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 1: General principles
and definitions
ISO 6206, Chemical products for industrial use — Sampling — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO Guide 33, ISO 5725-1, ISO 6206 and
the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
analyte
element(s) to be determined
3.2
blank calibration solution
solution prepared in the same way as the calibration solution (3.3) but leaving out the analyte (3.1)
3.3
calibration solution
solution used to calibrate the instrument, prepared from a stock solution(s) (3.16) or from a certified
standard
3.4
calibration check solution
solution of known composition within the range of the calibration solution (3.3) but prepared independently
3.5
determination
entire process from preparing the test sample solution (3.18) up to and including the measurement and
calculation of the final result (3.14)
3.6
instrument detection limit
L
DI
smallest concentration that can be detected with a defined statistical probability using a contaminant-free
instrument and a blank calibration solution (3.2)
3.7
linearity
functional relationship between the indicated values and the contents
3.8
calibration verification solution
solution with a known concentration of the matrix components compared to the calibration solutions (3.4),
but having an analyte (3.1) concentration half that of the (highest) calibration solution
3.9
method detection limit
L
DM
smallest analyte (3.1) concentration that can be detected with a specified analytical method with a defined
statistical probability
3.10
net intensity
I
signal obtained after background correction
3.11
optimization solution
solution serving for mass calibration and for the optimization of the apparatus conditions
EXAMPLE Adjustment of maximal sensitivity (3.15) with respect to minimal oxide formation rate and minimal
formation of doubly charged ions.
3.12
precision
closeness of agreement between independent test results (3.14) obtained under prescribed conditions
Note 1 to entry: Precision depends only on the distribution of random errors and does not relate to true value or the
specified value.
[SOURCE: ISO 5725-1:2023, 3.12, modified — the definition has been revised and Notes 2 and 3 to entry have
been removed.]
3.13
reagent blank solution
solution prepared by adding to the solvent the same amounts of reagents as those added to the test sample
solution (3.18) and with the same final volume
3.14
result
outcome of a measurement
Note 1 to entry: The result is typically calculated as mass concentration (U), expressed in milligrams per litre.
3.15
sensitivity
S
ratio of the variation of the magnitude of the signal (ΔI) to the corresponding variation in the concentration
of the analyte (3.1) (ΔC)
Note 1 to entry: Sensitivity is calculated as shown in Formula (1):
ΔI
S= (1)
ΔC
3.16
stock solution
solution with accurately known analyte (3.1) concentration(s), prepared from pure chemicals
Note 1 to entry: Stock solutions are reference materials within the meaning of ISO Guide 30.
Note 2 to entry: Pure chemicals are those which have the highest available purity and known stoichiometry and for
which the content of analyte and contaminants should be known with an established degree of certainty.
3.17
test sample
sample prepared from the laboratory sample
Note 1 to entry: The sample can be prepared, for example, by grinding or homogenizing.
3.18
test sample solution
solution prepared with the fraction (test portion) of the test sample (3.17) according to the appropriate
specifications, such that it can be used for the envisaged measurement
4 Principle
In the present context, a plasma is a small cloud of hot (6 000 K to 10 000 K) and partly ionized (approximately
1 %) argon gas. Cool plasmas have temperatures of only about 2 500 K. The plasma is sustained by a radio-
frequency field. The sample is brought into the plasma as an aerosol. Liquid samples are converted into an
aerosol using a nebulizer. In the plasma, the solvent of the sample evaporates, and the compounds present
decompose into the constituent atoms (dissociation, atomization). The analyte atoms are in most cases
almost completely ionized.
In the mass spectrometer, typically equipped with a collision or reaction cell (CRC) and quadrupole, the
ions are separated and the elements identified according to their mass-to-charge ratio, m/z, while the
concentration of the element is proportional to the number of ions.
ICP-MS is a relative technique. The proportionality factor between response and analyte concentration
relates to the fact that only a fraction of the analyte atoms that are aspirated reach the detector as an ion.
The proportionality factor is determined by measuring calibration solutions (calibration).
With instruments equipped with a magnetic sector field, higher mass resolution spectra can be obtained.
This can help to separate isotopes of interest from interfering species.
5 Apparatus
5.1 General
The principal components of the equipment used for ICP-MS is shown in Figure 1 in the form of a schematic
block diagram.
Figure 1 — Schematic block diagram of an ICP-MS instrument
5.2 Sample introduction
5.2.1 General
To introduce solutions to be measured into the plasma, a peristaltic pump, a nebulizer and a spray chamber
are generally used. The pump supplies the solution to the nebulizer. In the nebulizer, the solution is converted
into an aerosol by an (argon) gas flow, except when an ultrasonic nebulizer is used; see 5.2.3. Large drops
are removed from the aerosol in the spray chamber by means of collisions with the walls or other parts of
the chamber and they are drained off as liquid. The resulting aerosol is then transferred into the plasma via
the injector tube of the torch (see 5.3) with the help of the nebulizer gas (sample-introduction gas).
The sample introduction system is designed in such a way that:
a) the average mass per aerosol droplet is as low as possible;
b) the mass of the aerosol transported to the plasma in each period of time is as constant as possible;
c) the droplet size distribution and the added mass of the aerosol in each period of time is, as far as possible,
independent of the solution to be measured (matrix effect, see 6.3);
d) the time the aerosol takes to stabilize after introduction in the spray chamber of a solution is as short as
possible;
e) the parts of the system in contact with the sample or the aerosol are not corroded, degraded
or contaminated by the solution;
f) carry-over from one sample to subsequent samples is minimized.
The components of the sample introduction system shall be able to withstand any corrosive substances in
the solutions, such as strong acids. The material used for pump tubing should be resistant to dissolution and
chemical attack by the solution to be nebulized. Components that come into contact with the solution are
often made of special plastics. The use of glass and quartz shall be avoided if hydrofluoric acid is present
in the test solution. In those cases, the nebulizer, spray chamber and torch injector tube shall be made of
suitable inert materials.
The various components of the sample introduction system are discussed hereafter in relation to these
requirements and some examples are compared.
5.2.2 Pump
The use of a peristaltic pump to feed the solutions [e.g. sample, reference elements solutions (8.5)] to the
nebulizer is not necessary with some nebulizers (see 5.2.3) but is desirable in almost all cases in order to
render the supply of the solution less dependent on the composition of the solution. A sampling pump is used
on all modern instruments.
It is advisable to use a peristaltic pump having the largest possible number of rollers and a velocity as high
as possible to avoid major surges in the supply of the solution. The quantity of solution that is pumped is
mostly between 0,1 ml/min and 1,0 ml/min and typically around 0,4 ml/min to 0,5 ml/min.
5.2.3 Nebulizer
1)
The most common nebulizers are the concentric nebulizer (e.g. Meinhard ), the crossflow nebulizer, the
V-groove nebulizer and the ultrasonic nebulizer (USN). The first one can be used in self-aspiration mode and
the crossflow nebulizer can be used without a pump (but seldom are). Nebulizers (except for the USN) can be
made of glass or of hard, inert plastic such as PFA.
The concentric nebulizer consists of two concentric tubes, the outer one being narrowed at the end. The
solution flows through the central tube and the nebulizer gas (see 5.4) through the tube around it, creating
a region of lower pressure around the tip of the central tube and disrupting the solution flow into small
droplets (the aerosol). This nebulizer performs best with solutions with a low content of dissolved matter,
although there are also models that are less sensitive to significant amounts of dissolved matter in the
solution to be nebulized.
The crossflow nebulizer consists of two capillary tubes mounted at a right angle, one being used for the
supply of the solution and the other for the supply of the nebulizer gas. Depending on the distance between
the openings of the capillary tubes and their diameters, the nebulizer can be self-aspirating. With larger
diameters, the chance of blockages occurring is of course smaller, but a pump shall be used to supply the
solution.
In the V-groove nebulizer, the solution flows through a vertical V-groove to the outflow opening of the
nebulizer gas. The solution is nebulized by the high linear speed of this gas at the very small diameter outflow
opening. The V-groove nebulizer was developed for solutions with a high concentration of dissolved matter
and/or with suspended particles, although it is also used successfully with diluted and/or homogenous
2)
solutions. Similar nebulizers are the Burgener nebulizer and the cone-spray nebulizer, with similar outer
shapes as the concentric nebulizer. With these nebulizers, the solution flows out into a cone-shaped area at
the tip of the nebulizer instead of a V-groove and flows over the outflow opening of the nebulizer gas.
In the ultrasonic nebulizer, the solution is pumped through a tube that ends near the transducer plate that
vibrates at an ultrasonic frequency. The amount of aerosol produced (the efficiency) is typically 10 % to 20 %
of the quantity of the pumped solution. This is so high that the aerosol shall be dried (desolvated) before being
introduced into the plasma, which would otherwise be extinguished. The aerosol is transported to the plasma
by the nebulizer gas. Disadvantages of the ultrasonic nebulizer include its greater susceptibility to matrix
effects, diminished tolerance to high dissolved solid contents and a longer rinsing time (i.e. Ag, B, Hg, Mo).
For the other nebulizers previously described, the efficiency is typically only a few per cent. The efficiency
increases when the solution introduction rate is decreased. Specially designed concentric micro-nebulizers
made of special types of hard plastic operate at solution flow rates of 10 µl/min to 100 µl/min and efficiencies
1) The Meinhard nebulizer is an example of a suitable product available commercially. This information is given for
the convenience of users of this document and does not constitute an endorsement by ISO of this product. Equivalent
products may be used if they can be shown to lead to the same results.
2) The Burgener nebulizer is an example of a suitable product available commercially. This information is given for
the convenience of users of this document and does not constitute an endorsement by ISO of this product. Equivalent
products may be used if they can be shown to lead to the same results.
approaching 100 %. These concentric micro-nebulizers often show a very good precision (low coefficient of
variation of the signal) and can also be combined with a membrane desolvator [see 6.2.1, a)].
Several other types of nebulizers may be used for specific applications.
5.2.4 Spray chamber
In the spray chamber [e.g. Scott (double concentric tubes), cyclonic or impact bead], the larger drops of the
aerosol are drained off in liquid form. To create and keep over-pressure in the chamber, the liquid shall be
removed via a sealed drain tube utilizing hydrostatic pressure or by pumping. The internal diameter of the
drain tubing should be higher than that of the sample uptake tubing to ensure that no liquid remains in the
spray chamber. The liquid shall be removed evenly to avoid pressure variations in the chamber, which can
result in variations in the signal.
By cooling the spray chamber to 2 °C to 5 °C, the water vapour formed in the nebulization process condenses,
thereby reducing the water load of the plasma. This results in a reduction in the formation of interfering
polyatomic ions (oxides); see 6.2.2.
5.2.5 Other systems
There are other types of introduction systems for particular applications. These include laser or spark
ablation of a solid sample, evaporation of the solution by means of a graphite furnace or a metal filament,
introduction of a gas or a gas form of the analyte (as in the hydride generation technique), systems for the
direct introduction of solid matter into the plasma (e.g. in the form of a slurry of a finely dispersed powder in
a solvent) and the introduction with a graphite rod directly into the plasma.
With the direct injection nebulizer (DIN), a pneumatic concentric micro-nebulizer, instead of the inner tube
(injector; see 5.3), is placed in the torch. It has a sample introduction efficiency of almost 100 %, with a
sample uptake rate of typically 10 µl/min. A DIN can be used for techniques giving transient signals (e.g.
coupling to chromatographic or flow injection devices) and for minimizing the memory effects of, for
instance, silver, boron, molybdenum and mercury. These systems are not discussed in this document.
5.3 Torch and plasma
The torch consists of three concentric tubes and can be designed as a monoblock or demountable unit. Quartz
is the material generally used, but also high purity ceramic torches are available. Sometimes the innermost
tube (the sample introduction tube or injector tube) is made of inert material, for example aluminium oxide
or sapphire. It usually ends at 4 mm to 5 mm before the first winding of the coil. The aerosol produced in the
sample introduction system flows through the sample introduction tube, transported by an (argon) gas flow
(the nebulizer gas) with a flow rate of approximately 0,5 l/min to 1,5 l/min.
The auxiliary gas flows between the sample introduction tube and the middle tube with a flow rate of up to
3 l/min. Whether or not an auxiliary gas or humidification of the argon flow is used depends on, for example,
the type of device concerned, the solvent used and the salt concentration. The function of the auxiliary gas
is to increase the separation of the plasma and the torch and thus reduce the temperature at the end of the
injector (and intermediate) tube. This avoids deposits of dissolved material or the build-up of carbon (when
organic solvents are nebulized) on the injector tube.
The plasma gas flows between the middle and outermost tubes with a flow rate of 12 l/min to 20 l/min. The
function of the plasma gas is to maintain the plasma and to cool the outer tube of the torch.
Around the top of the torch, there is a cooled coil with two to five windings. A high-frequency current flows
through the coil and excites the plasma (see 5.5).
The torch is generally placed in a separate metal compartment. This compartment shall be connected to
an exhaust system (extraction) because of the production of heat and harmful gases (including ozone). The
metal of the compartment protects the users and the instrument (electronics) against the high-frequency
radiation, which is released from the coil, and against the ultraviolet radiation emitted by the plasma. A
camera, a lens or a special window, covered with a darkened glass to protect the observer's eyes from the
intense plasma emission radiation, allows visual observation of the plasma. Some systems provide a camera
monitor for the purpose of viewing the plasma area.
A grounded metal shield (shield torch) can be placed between the coil and the torch to reduce the levels
of argon-based (poly)atomic ions (see 6.2) that interfere particularly with the determination of K, Ca and
Fe. Cold plasma conditions (relatively low plasma power and high nebulizer gas flow rate) can, in cases
of matrices with low matter content, also be used to optimize the reduction of argon based polyatomic
interferences. Similar performance can be obtained by a torch system which uses a balanced radiofrequency
(RF) drive, avoiding the requirement for the grounded metal shield and allowing easier removal of the torch
for maintenance.
5.4 Gas and gas control
In virtually every instrument, argon is used as nebulizer gas (sample introduction gas), auxiliary gas and
plasma gas. Argon gas with a purity of greater than 99,995 % is preferred. Exact amounts of oxygen can
be added to the nebulizer or auxiliary gas to avoid carbon build-up on the sampling cone and torch injector
when analysing solutions made with organic solvents. The additions of too much oxygen result in the
burning away of the graphite carbon that deposits on the sampling cone (see also 5.6). Mixtures of argon
and hydrogen or nitrogen can improve the sensitivity for certain elements and/or reduce the formation of
interfering polyatomic ions (see 6.2). Small amounts of other gasses such as nitrogen can be added, providing
benefits such as increased sensitivity or reduced oxide species, depending on the application.
The various gas flow rates shall be stable. This applies particularly to the nebulizer gas. The best results are
obtained with mass-flow controllers that keep the mass flow rate of a gas constant and almost independent
of temperature and initial pressure.
5.5 Generator
The generator delivers an alternating current with a frequency between 27 MHz and 56 MHz and a power
between 0,6 kW and 2 kW that sustains the plasma. In general, solid-state generators are used. Two types of
generators are available: fixed frequency and variable frequency.
Fixed-frequency generators are designed to control both power and frequency of the magnetic field; the
impedance of the plasma is matched to the output of the generator using a mechanical variable capacitor in
a closed-loop control circuit. The delivered power and the power not absorbed by the plasma (the reflected
power) shall both be very constant and vary as little as possible with the composition of the solution. The
reflected power should be low (preferably <10 W).
Variable-frequency generators are of a simpler construction and control basically the power delivered to the
torch (“forward” power). Small variations in frequency can occur in those types of generators, which allows
for the matching of the plasma impedance to the generator without the requirement for mechanical variable
capacitors.
5.6 Transfer of the ions to the mass spectrometer
The ions are transferred from the plasma to the mass spectrometer (see 5.7) via the interface. The interface
consists of two water-cooled cones, a sampling and a skimmer cone, with a vacuum-pumped system, the
expansion chamber in between, sometimes supported with a third cone. During the measurement the
2 3
pressure in the expansion chamber is maintained at 10 Pa to 10 Pa. At the centre of the cones is an orifice
with a diameter of 0,3 mm to 1 mm, the orifice of the skimmer cone usually being smaller than that of the
sampling cone. The cones are usually made of nickel. The centre of the cones can have different shapes.
The gas containing the ions is sampled from the central part or channel of the plasma through the orifice of
the sampling cone into the expansion chamber, where a supersonic jet is formed. The central part of this jet
−2
flows through the orifice of the skimmer cone into the vacuum (approximately 10 Pa) of the lens system.
Only about 1 % of the gas sampled from the plasma is transmitted to the lens system. Due to the short
residence time in the expansion chamber (a few microseconds), the composition of the gas hardly changes.
For the determination of nickel at low concentrations, platinum-tipped cones are available. The use of
platinum cones is also preferred when running organic solvents and matrices containing sulfuric, phosphoric
or hydrofluoric acids. In this reactive atmosphere, platinum cones are more resistant than those made of
nickel (see also 5.4 and 8.3).
A deposit, consisting of constituents from the measurement solutions, is formed around the orifices of the
cones and can influence the analysis; see 6.2 and Clause 7.
5.7 Mass spectrometer
5.7.1 General
The mass spectrometer consists of an electronic lens system, an analyser and a detector. In the lens system,
the ions travel from the interface and are directed to and focused on the entrance of the analyser. In the
analyser, the ions are separated according to their mass-to-charge ratio, m/z.
5.7.2 Lens system
The lens system can consist of one ion lens, for instance a metal cylinder or a metal plate with a hole, or
several ion lenses strung together. Electrical potentials are exerted on the lenses, resulting in the formation
of a beam of ions directed towards the analyser; see also 7.2.5.6. The unwanted neutral particles are
removed by vacuum pumps.
Photons, emitted by the plasma in addition to the ions and neutral particles, also enter the lens system. To
minimize the number of photons hitting the detector, which causes an increase in the background signal and
noise, the ion beam is deflected off axis from the detector. In addition, the ion beam can again be offset from
the axis of the detector after the CRC to suppress any potential impact of neutral species formed therein.
In the case of double-focusing mass spectrometers (see 5.7.6), no photon stop is required as the trajectory of
the ions deviates from the light path because of a curvature of the ion trajectory in the lens system or in the
analyser.
5.7.3 Collision or reaction cell
To overcome typical polyatomic interferences (see 6.2), instruments are equipped with a CRC. A CRC is a
short multipole enclosed in a chamber that is flushed with either an inert gas, such as helium, or a reactive
gas at low pressure. In the case of inert gas mode (He), polyatomic (molecular) ions have a larger collision
cross-section than analyte (atomic) ions at the same mass. Polyatomic ions therefore collide more frequently
with the He cell gas atoms, so lose more energy and are rejected by applying a positive kinetic energy
discrimination (KED) bias voltage and are filtered out of the ion beam, enabling more accurate and more
consistent results to be obtained for many difficult analytes. Reactive cell gases, such a
...
Norme
internationale
ISO 17294-1
Deuxième édition
Qualité de l’eau — Application de la
2024-03
spectrométrie de masse avec plasma
à couplage inductif (ICP-MS) —
Partie 1:
Exigences générales
Water quality — Application of inductively coupled plasma mass
spectrometry (ICP-MS) —
Part 1: General requirements
Numéro de référence
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
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Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principe. 3
5 Appareillage . 4
5.1 Généralités .4
5.2 Introduction de l’échantillon .4
5.2.1 Généralités .4
5.2.2 Pompe .5
5.2.3 Nébuliseur .5
5.2.4 Chambre de nébulisation .6
5.2.5 Autres systèmes .6
5.3 Torche et plasma .6
5.4 Gaz et régulateur de gaz .7
5.5 Générateur . .7
5.6 Transfert des ions au spectromètre de masse .8
5.7 Spectromètre de masse .8
5.7.1 Généralités .8
5.7.2 Système de lentilles .8
5.7.3 Cellule de collision-réaction .9
5.7.4 Analyseur .9
5.7.5 Détecteur .9
5.7.6 Autres spectromètres de masse et autres types d’instruments .10
5.8 Traitement du signal et commande de l’instrument .11
6 Interférences par des éléments concomitants .12
6.1 Généralités . 12
6.2 Interférences spectrales . 12
6.2.1 Généralités . 12
6.2.2 Stratégies d’élimination possibles pour les interférences liées aux ions
polyatomiques . 13
6.3 Interférences non spectrales .14
6.3.1 Généralités .14
6.3.2 Interférences au cours du processus de nébulisation .14
6.3.3 Interférences dans le plasma . . .14
6.3.4 Interférences dans la zone de l’interface ou de la lentille . 15
6.3.5 Stratégies d’élimination possibles pour les interférences non spectrales
(effets de matrice) .16
7 Réglage de l’appareil .18
7.1 Généralités .18
7.2 Mise au point de l’instrument . .19
7.2.1 Généralités .19
7.2.2 Alignement du plasma .19
7.2.3 Étalonnage de la masse.19
7.2.4 Résolution .19
7.2.5 Détecteur . 20
7.3 Vérification des critères de performance des instruments .21
8 Étapes préparatoires .21
8.1 Généralités .21
8.2 Choix des isotopes .21
8.3 Choix des paramètres instrumentaux . 22
iii
8.4 Choix du temps d’intégration. 23
8.5 Choix des éléments de référence — Étalons internes . 23
8.6 Linéarité et domaine de mesure .24
8.7 Composition des solutions d’étalonnage . 25
8.8 Mise au point de la méthode adaptée aux conditions de plasma froid . 25
8.9 Détermination des performances de la méthode . 26
8.9.1 Généralités . 26
8.9.2 Limite de détection de l’instrument . 26
8.9.3 Limite de détection de la méthode . 26
8.9.4 Fidélité de la méthode . 26
9 Mode opératoire .27
9.1 Généralités .27
9.2 Étalonnage .27
9.3 Solutions à préparer .27
9.4 Mesurage . 28
Annexe A (informative) Interférences spectrales, choix des isotopes et limites de détection de
l'instrument pour les instruments d’ICP-MS quadripolaires .29
Bibliographie .34
iv
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n’avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l’adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de
brevets.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de
l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir le lien suivant: http://www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité ISO/TC 147, Qualité de l’eau, sous-comité SC 2, Méthodes
physiques, chimiques et biochimiques, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 230, Analyse de l’eau,
du Comité européen de normalisation (CEN), conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO
et le CEN (Accord de Vienne).
Cette seconde édition annule et remplace la première édition (ISO 17294-1:2004), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— révision du domaine d’application pour qu’il soit aligné sur l’ISO 17294-2;
— révision du texte pour refléter les instruments actuellement disponibles utilisés par de nombreux
laboratoires en routine pour leurs activités quotidiennes;
— révision des Articles 5 et 6 pour refléter les équipements modernes de mesure des éléments conformément
à l’ISO 17294-2;
— révision des termes abrégés à l’Article 9 pour les aligner sur les termes couramment utilisés dans
d’autres normes;
— mise à jour du Tableau A.1.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 17294 se trouve sur le site Web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
De nouvelles avancées ont eu lieu depuis la dernière édition du présent document dans le domaine de
l’analyse des métaux pars spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS). L’usage de
la technologie de cellule de collision-réaction (CRC) en ICP-MS quadripôle et en ICP-MS triple quadripôle
s’est développé dans les laboratoires. C’est pour cette raison que le présent document a été révisé et que de
nouveaux éléments ont été ajoutés.
Le but de la révision du présent document était de se concentrer sur l’instrumentation actuellement
disponible et utilisée en pratique par les laboratoires dans leurs activités quotidiennes pour la détermination
des éléments conformément à l’ISO 17294-2. Cela a eu pour conséquence le déplacement des formules
de correction vers l’Annexe A en raison de leur moindre importance avec l’instrumentation moderne. De
nombreux principes s’appliquent également à l’instrumentation à haute résolution ou à masse exacte, même
s’ils ne sont pas décrits en détail dans le présent document.
vi
Norme internationale ISO 17294-1:2024(fr)
Qualité de l’eau — Application de la spectrométrie de masse
avec plasma à couplage inductif (ICP-MS) —
Partie 1:
Exigences générales
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les principes de la spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-
MS) et fournit des exigences générales sur l’utilisation de cette technique pour déterminer des éléments
présents dans l’eau, les minéralisats de boues et de sédiments (par exemple, les minéralisats d’eau décrits
dans l’ISO 15587-1 ou l’ISO 15587-2). En règle générale, le mesurage est effectué dans l’eau, mais des gaz, des
vapeurs ou de fines matières particulaires peuvent également être introduits. Le présent document est axé
sur l’application de l’ICP-MS à l’analyse de solutions aqueuses.
La détermination finale des éléments est décrite dans une Norme internationale distincte pour chaque série
d’éléments et chaque matrice. Les articles individuels du présent document renvoient l’utilisateur à ce cadre
directeur pour les principes fondamentaux de la méthode et la configuration de l’instrument.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
Guide ISO 33, Matériaux de référence — Bonne pratique d'utilisation des matériaux de référence
ISO 5725-1, Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure — Partie 1: Principes généraux
et définitions
ISO 6206, Produits chimiques à usage industriel — Échantillonnage — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions du Guide ISO 33, l’ISO 5725-1, l’ISO 6206 et
ainsi que les suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
analyte
élément(s) à déterminer
3.2
solution d’étalonnage à blanc
solution préparée de la même manière que la solution d’étalonnage (3.3), mais en excluant l’analyte (3.1)
3.3
solution d’étalonnage
solution utilisée pour étalonner l’instrument, préparée à partir d’une ou plusieurs solutions mères (3.16) ou
à partir d’un étalon certifié
3.4
solution de contrôle d’étalonnage
solution de composition connue comprise dans la gamme des solutions d’étalonnage (3.3), mais préparée
indépendamment
3.5
détermination
processus complet allant de la préparation de la solution d’échantillon pour essai (3.18) jusqu’au mesurage et
au calcul du résultat (3.14) final
3.6
limite de détection de l’instrument
L
DI
plus faible concentration pouvant être détectée avec une probabilité statistique définie en utilisant un
instrument exempt de tout contaminant et une solution d’étalonnage à blanc (3.2)
3.7
linéarité
relation fonctionnelle entre les valeurs indiquées et les teneurs
3.8
solution de vérification d’étalonnage
solution dont la concentration des éléments de la matrice est connue par rapport aux solutions d’étalonnage
(3.4), mais dont la concentration en analyte (3.1) est moitié moindre de celle de la solution d’étalonnage (la
plus concentrée)
3.9
limite de détection de la méthode
L
DM
plus faible concentration d’analyte (3.1) pouvant être détectée par une méthode analytique spécifique avec
une probabilité statistique définie
3.10
intensité nette
I
signal obtenu après correction du signal de fond
3.11
solution d’optimisation
solution servant à l’étalonnage massique et à l’optimisation des conditions de l’appareillage
EXEMPLE Réglage de la sensibilité (3.15) maximale pour un taux minimal de formation d’oxyde et pour une
formation minimale d’ions doublement chargés.
3.12
fidélité
étroitesse d’accord entre des résultats (3.14) d’essai indépendants obtenus sous des conditions stipulées
Note 1 à l'article: La fidélité dépend uniquement de la distribution des erreurs aléatoires et n’a aucune relation avec la
valeur vraie ou la valeur spécifiée.
[SOURCE: ISO 5725-1:2023, 3.12, modifié — révision de la définition et suppression des Notes 2 et 3 à
l’article.]
3.13
solution de réactif à blanc
solution préparée en ajoutant au solvant la même quantité de réactif qu’à la solution d’échantillon pour essai
(3.18) et avec le même volume final
3.14
résultat
élément obtenu à l’issue d’un mesurage
Note 1 à l'article: Le résultat est généralement calculé en concentration massique (U) et exprimé en milligrammes par litre.
3.15
sensibilité
S
rapport entre la variation de l’amplitude du signal (ΔI) et la variation correspondante de la concentration de
l’analyte (3.1) (ΔC)
Note 1 à l'article: La sensibilité est exprimée par la Formule (1):
ΔI
S= (1)
ΔC
3.16
solution mère
solution dont la ou les concentrations en analyte (3.1) sont connues avec exactitude, préparée à partir de
produits chimiques purs
Note 1 à l'article: Les solutions mères sont des matériaux de référence au sens de le Guide ISO 30.
Note 2 à l'article: Des produits chimiques purs sont ceux présentant la plus grande pureté disponible et de
stœchiométrie connue, et pour lesquels il convient de connaître les teneurs en analyte et en contaminants avec un
degré de certitude établi.
3.17
échantillon pour essai
échantillon préparé à partir de l’échantillon pour laboratoire
Note 1 à l'article: L’échantillon peut être préparé, par exemple, par broyage ou homogénéisation.
3.18
solution d’échantillon pour essai
solution préparée avec la fraction (prise d’essai) de l’échantillon pour essai (3.17) suivant les spécifications
appropriées, de manière à pouvoir être utilisée pour le mesurage envisagé
4 Principe
Dans ce contexte, un plasma est un petit volume d’argon chaud (6 000 K à 10 000 K) et partiellement ionisé
(environ 1 %). Les plasmas froids ont des températures de seulement 2 500 K environ. Le plasma est confiné
par un champ électromagnétique de fréquence radio. L’échantillon est amené dans le plasma sous la forme
d’un aérosol. Les échantillons liquides sont transformés en aérosol au moyen d’un nébuliseur. Dans le plasma,
le solvant de l’échantillon s’évapore et les composés présents se décomposent en leurs atomes constitutifs
(dissociation, atomisation). La plupart des atomes de l’analyte sont presque complètement ionisés.
Dans le spectromètre de masse, généralement équipé d’une cellule de collision-réaction (CRC) et d’un
quadripôle, les ions sont séparés et les éléments sont identifiés en fonction de leur rapport masse sur charge,
m/z, la concentration de l’élément étant proportionnelle au nombre d’ions.
L’ICP-MS est une technique relative. Le facteur de proportionnalité entre la réponse et la concentration de
l’analyte est lié au fait que seule une fraction des atomes d’analyte qui sont aspirés atteint le détecteur, sous
la forme d’un ion. Le facteur de proportionnalité est déterminé en mesurant des solutions d’étalonnage
(étalonnage).
Des spectres avec une plus grande résolution de masse peuvent être obtenus avec les instruments équipés
d’un champ de secteur magnétique. Cette configuration peut faciliter la séparation des isotopes d’intérêt des
espèces interférentes.
5 Appareillage
5.1 Généralités
Les principaux composants de l’équipement utilisé pour l’ICP-MS sont présentés à la Figure 1 sous la forme
d’un schéma de principe.
Figure 1 — Schéma de principe d’un instrument d’ICP-MS
5.2 Introduction de l’échantillon
5.2.1 Généralités
Les solutions à mesurer sont généralement introduites dans le plasma au moyen d’une pompe péristaltique,
d’un nébuliseur et d’une chambre de nébulisation. La pompe amène la solution jusqu’au nébuliseur. Dans
celui-ci, la solution est transformée en aérosol par un flux de gaz (argon), sauf en cas d’utilisation d’un
nébuliseur à ultrasons; voir en 5.2.3. Les plus grosses gouttelettes sont éliminées de l’aérosol dans la
chambre de nébulisation par les collisions avec les parois ou d’autres parties de la chambre, et s’écoulent
hors de celle-ci sous forme liquide. L’aérosol résultant passe alors dans le plasma via le tube injecteur de la
torche (voir en 5.3) sous l’action du gaz de nébulisation (gaz d’introduction des échantillons).
Le système d’introduction des échantillons est conçu de façon à ce que:
a) la masse moyenne par gouttelette d’aérosol soit la plus faible possible;
b) la masse de l’aérosol transporté vers le plasma à chaque instant soit la plus constante possible;
c) la dispersion de taille des gouttelettes et la masse ajoutée de l’aérosol à chaque instant soient, autant
que possible, indépendantes de la solution à mesurer (effet de matrice, voir en 6.3);
d) le temps que met l’aérosol à se stabiliser après l’introduction dans la chambre de nébulisation d’une
solution soit le plus court possible;
e) les parties du système en contact avec l’échantillon ou l’aérosol ne soient pas corrodées, dégradées ni
contaminées par la solution;
f) l’effet de contamination résiduelle d’un échantillon sur les échantillons suivants soit réduit le plus
possible.
Les composants du système d’introduction d’échantillon doivent pouvoir résister à toutes substances
corrosives présentes dans les solutions, par exemple les acides forts. Pour le tube de la pompe, il convient
d’utiliser des matériaux résistants à la dissolution et à l’attaque chimique dues à la solution à nébuliser. Les
composants qui entrent en contact avec la solution sont souvent fabriqués en matières plastiques spéciales.
Si la solution pour essai contient de l’acide fluorhydrique, l’utilisation du verre et du quartz doit être évitée.
Dans ce cas, le nébuliseur, la chambre de nébulisation et le tube injecteur de la torche doivent être constitués
d’une matière inerte appropriée.
Les différents composants du système d’introduction d’échantillon sont examinés ci-après suivant ces
exigences et des exemples sont comparés.
5.2.2 Pompe
Pour introduire les solutions [par exemple, échantillon, solutions d’éléments de référence (8.5)] dans
le nébuliseur, l’utilisation d’une pompe péristaltique n’est pas nécessaire avec certains nébuliseurs
(voir en 5.2.3) mais est souhaitable dans la plupart des cas afin de rendre l’alimentation en solution moins
dépendante de la composition de cette dernière. Tous les instruments modernes utilisent une pompe
d’échantillonnage.
Il est conseillé d’utiliser une pompe péristaltique ayant le plus grand nombre de galets possible et une
vitesse la plus élevée possible afin d’éviter les à-coups trop importants dans l’alimentation en solution. La
quantité de solution pompée oscille la plupart du temps entre 0,1 ml/min et 1,0 ml/min, et va généralement
de 0,4 ml/min à 0,5 ml/min.
5.2.3 Nébuliseur
1)
Les nébuliseurs les plus courants sont de type concentrique (par exemple modèle Meinhard) , à flux
croisés, «à gouttière en V» et à ultrasons (USN). Le premier peut être utilisé en mode auto-aspiration, et le
nébuliseur à flux croisés peut être utilisé sans pompe (mais c’est rarement le cas). Les nébuliseurs peuvent
être constitués de verre ou de plastique dur et inerte tel que le PFA (sauf pour les nébuliseurs à ultrasons).
Les nébuliseurs concentriques se composent de deux tubes concentriques, l’extrémité du tube extérieur
étant plus étroite. La solution s’écoule à travers le tube central et le gaz de nébulisation (voir en 5.4) passe
dans le tube entourant le tube central en créant une zone de basse pression autour de l’extrémité du tube
central et décompose la solution en petites gouttelettes (l’aérosol). Ce nébuliseur fonctionne mieux avec
des solutions à faible teneur en matières dissoutes, bien que certains modèles soient moins sensibles à des
quantités importantes de matières dissoutes dans la solution à nébuliser.
Les nébuliseurs à flux croisés se composent de deux tubes capillaires montés à angle droit, l’un étant destiné
au passage de la solution et l’autre au gaz de nébulisation. Suivant la distance entre les ouvertures des tubes
capillaires et leur diamètre, ces nébuliseurs peuvent être auto-aspirants. Les possibilités de bouchage
sont évidemment réduites si le diamètre est plus important, mais une pompe doit alors être utilisée pour
l’alimentation en solution.
Dans les nébuliseurs «à gouttière en V», la solution coule dans une gouttière verticale en V jusqu’à l’ouverture
de sortie du gaz de nébulisation. La solution est nébulisée par la grande vitesse linéaire de ce gaz au niveau de
l’ouverture de sortie d’un très petit diamètre. Ces nébuliseurs ont été développés pour des solutions à teneur
élevée en matières dissoutes et/ou contenant des particules en suspension, bien qu’ils fonctionnent très bien
2)
avec des solutions diluées et/ou homogènes. Les nébuliseurs Burgener et à jet conique sont similaires et
leur forme extérieure est semblable aux nébuliseurs concentriques. La solution s’y écoule dans une zone
de forme conique située à l’extrémité du nébuliseur au lieu d’une gouttière en V, et passe sur l’ouverture de
sortie du gaz de nébulisation.
1) Le nébuliseur Meinhard est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est donnée
à l’intention des utilisateurs du présent document et ne signifie nullement que l’ISO approuve l’emploi du produit ainsi
désigné. Des produits équivalents peuvent être utilisés s’il est démontré qu’ils aboutissent aux mêmes résultats.
2) Le nébuliseur Burgener est un exemple de produit approprié disponible sur le marché. Cette information est
donnée à l’intention des utilisateurs du présent document et ne signifie nullement que l’ISO approuve l’emploi du produit
ainsi désigné. Des produits équivalents peuvent être utilisés s’il est démontré qu’ils aboutissent aux mêmes résultats.
Dans les nébuliseurs à ultrasons, la solution est pompée à travers un tube qui se termine près de la plaque
du transducteur vibrant à une fréquence ultrasonique. La quantité d’aérosol produite (efficacité) représente
généralement 10 % à 20 % de la quantité de solution pompée. Elle est si importante que l’aérosol doit être
séché (désolvaté) avant d’être introduit dans le plasma car, dans le cas contraire, il l’éteindrait. L’aérosol est
transporté dans le plasma par le gaz de nébulisation. Les inconvénients des nébuliseurs à ultrasons sont
notamment leur plus grande sensibilité aux effets de matrice, leur plus faible tolérance aux solutions à forte
teneur en solides dissous et un temps de rinçage prolongé (pour Ag, B, Hg, Mo).
Pour les autres nébuliseurs précédemment décrits, l’efficacité ne représente généralement qu’un faible
pourcentage. Elle augmente lorsque le débit d’introduction de la solution diminue. Des micro-nébuliseurs
concentriques spécialement conçus, constitués d’un plastique dur particulier, fonctionnent à des débits
de solution de 10 µl/min à 100 µl/min et avec une efficacité proche de 100 %. Ces micro-nébuliseurs
concentriques présentent souvent une très bonne fidélité (faible coefficient de variation du signal) et peuvent
également être combinés avec un système de désolvatation à membrane [voir en 6.2.1 a)].
Plusieurs autres types de nébuliseurs peuvent être utilisés pour des applications spécifiques.
5.2.4 Chambre de nébulisation
Dans la chambre de nébulisation [par exemple de type Scott (deux tubes concentriques), à chambre
cyclonique ou à bille d’impact], les plus grandes gouttelettes de l’aérosol sont drainées sous forme liquide.
Pour pouvoir créer et maintenir une surpression dans la chambre, le liquide doit être retiré au moyen d’un
tube de drainage étanche utilisant la pression hydrostatique ou par pompage. Il convient que le diamètre
interne du tube de drainage soit supérieur à celui du tube de prélèvement de l’échantillon, pour s’assurer
qu’aucun liquide ne reste dans la chambre de nébulisation. Le liquide doit être drainé de façon constante afin
d’éviter les variations de pression dans la chambre, pouvant provoquer des variations du signal.
En refroidissant la chambre de nébulisation jusqu’à une température de 2 °C à 5 °C, la vapeur d’eau formée
lors du processus de nébulisation se condense, ce qui réduit la teneur en eau du plasma. De cette façon, la
formation d’ions polyatomiques (oxydes) interférents est réduite; voir en 6.2.2.
5.2.5 Autres systèmes
Il existe d’autres types de systèmes d’introduction pour des applications spécifiques. Il s’agit notamment
de l’ablation par laser ou par étincelle d’un échantillon solide, de l’évaporation de la solution au moyen d’un
four en graphite ou d’un filament de métal, de l’introduction d’un gaz ou d’une forme gazeuse de l’analyte (à
l’instar de la technique de génération d’hydrures), des systèmes d’introduction directe de matières solides
dans le plasma (par exemple sous la forme d’une bouillie de poudre finement dispersée dans un solvant) et
de l’introduction directe dans le plasma à l’aide d’une tige de graphite.
Dans le nébuliseur à injection directe (DIN), un micro-nébuliseur pneumatique concentrique est placé dans
la torche à la place du tube intérieur (injecteur; voir en 5.3). Ce procédé a une efficacité d’introduction de
l’échantillon de presque 100 % avec un débit de prélèvement de l’échantillon généralement égal à 10 µl/min.
Un nébuliseur à injection directe peut être utilisé pour les techniques générant des signaux transitoires (par
exemple en association avec des dispositifs de chromatographie ou à injection de flux) et pour réduire le
plus possible l’effet mémoire par exemple de l’argent, du bore, du molybdène et du mercure. Ces systèmes ne
sont pas examinés dans le présent document.
5.3 Torche et plasma
La torche est constituée de trois tubes concentriques et peut se présenter sous la forme d’un monobloc
ou d’une unité démontable. La torche est généralement constituée de quartz, mais il en existe aussi en
céramique de haute pureté. Parfois, le tube intérieur (tube d’introduction d’échantillon ou tube injecteur)
est constitué d’un matériau inerte, par exemple l’alumine ou le saphir. Il s’arrête généralement 4 mm à 5 mm
avant la première spire de la bobine. L’aérosol produit par le système d’introduction d’échantillon passe dans
le tube d’introduction d’échantillon, transporté par un flux de gaz (argon) (gaz de nébulisation) avec un débit
de 0,5 l/min à 1,5 l/min environ.
Le gaz auxiliaire passe entre le tube d’introduction d’échantillon et le tube intermédiaire avec un débit
allant jusqu’à 3 l/min. Le recours ou non à un gaz auxiliaire ou à l’humidification du flux d’argon dépend,
par exemple, du type d’instrument concerné, du solvant utilisé et de la concentration en sel. La fonction du
gaz auxiliaire est d’augmenter la séparation entre le plasma et la torche et d’abaisser ainsi la température
de l’extrémité du tube injecteur (et du tube intermédiaire). Cela évite les dépôts de matières dissoutes ou
l’accumulation de carbone (lors de la nébulisation de solvants organiques) sur le tube injecteur.
Le gaz plasma circule entre le tube intermédiaire et le tube extérieur avec un débit de 12 l/min à 20 l/min. Sa
fonction est d’entretenir le plasma et de refroidir le tube extérieur de la torche.
Autour de la partie supérieure de la torche se trouve une bobine refroidie de deux à cinq spires. Un courant
haute fréquence traverse la bobine et excite le plasma (voir en 5.5).
La torche est généralement placée dans un compartiment métallique séparé. Ce compartiment
doit être connecté à un système d’échappement (extraction) en raison de la production de chaleur
et de gaz nocifs (notamment de l’ozone). Le métal du compartiment protège les utilisateurs et
l’instrument (l’électronique) du rayonnement haute fréquence émis par la bobine, ainsi que du rayonnement
ultraviolet émis par le plasma. Une caméra, une lentille ou une fenêtre spéciale, recouverte d’un verre
fumé afin de protéger les yeux de l’observateur de l’intense rayonnement émis par le plasma, permet une
observation visuelle du plasma. Certains systèmes sont équipés d’un moniteur de caméra permettant de
visualiser la zone du plasma.
Un écran métallique relié à la masse (torche à écran) peut être placé entre la bobine et la torche afin de
réduire le niveau des ions (poly)atomiques à base d’argon (voir en 6.2) qui interfèrent en particulier avec la
détermination du potassium (K), du calcium (Ca) et du fer (Fe). Les conditions d’un plasma froid (puissance
de plasma relativement faible et débit élevé de gaz de nébulisation) peuvent également servir, dans le cas
de matrices à faible teneur en matière, à optimiser la réduction des interférences polyatomiques liées à
l’argon. Des performances similaires peuvent être obtenues avec un système de torche utilisant un pilotage
à radiofréquence (RF) équilibré permettant de s’affranchir de l’écran métallique relié à la masse et de
démonter plus facilement la torche pour la maintenance.
5.4 Gaz et régulateur de gaz
Pratiquement tous les instruments utilisent de l’argon comme gaz de nébulisation (gaz d’introduction de
l’échantillon), comme gaz auxiliaire et comme gaz plasma. Il est préférable d’utiliser du gaz argon d’une pureté
supérieure à 99,995 %. Des quantités précises d’oxygène peuvent être ajoutées au gaz de nébulisation ou au
gaz auxiliaire pour éviter l’accumulation de carbone sur le cône échantillonneur et l’injecteur de la torche
lors de l’analyse de solutions à base de solvants organiques. Des adjonctions d’oxygène trop importantes
entraînent une détérioration du carbone sous forme de graphite qui se consume et se dépose sur le cône
échantillonneur (voir également en 5.6). Des mélanges d’argon et d’hydrogène ou d’azote peuvent améliorer
la sensibilité pour certains éléments et/ou réduire la formation d’ions polyatomiques interférents (voir
en 6.2). De petites quantités d’autres gaz tels que l’azote peuvent être ajoutées, ce qui permet d’augmenter la
sensibilité ou de réduire la quantité des espèces oxydées, en fonction de l’application.
Le débit des différents gaz doit être stable. Cela s’applique particulièrement au gaz de nébulisation.
Les meilleurs résultats sont obtenus au moyen de régulateurs de débit massique qui maintiennent le débit
massique d’un gaz constant et quasi indépendant de la température et de la pression initiale.
5.5 Générateur
Le générateur fournit un courant alternatif, à une fréquence comprise entre 27 MHz et 56 MHz et une
puissance comprise entre 0,6 kW et 2 kW, qui maintient le plasma. En général, les générateurs utilisés sont
des générateurs à semi-conducteurs. Il existe deux types de générateurs: ceux à fréquence fixe et ceux à
fréquence variable.
Les générateurs à fréquence fixe sont conçus pour réguler la puissance et la fréquence du champ magnétique;
l’impédance du plasma est adaptée au courant produit par le générateur à l’aide d’un condensateur variable
mécanique dans un circuit de régulation en boucle fermée. La puissance fournie et la puissance non
absorbée par le plasma (puissance réfléchie) doivent être toutes deux très stables et leurs variations dues à
la composition de la solution doivent être les plus faibles possible. Il convient que la puissance réfléchie soit
faible (de préférence <10 W).
Les générateurs à fréquence variable sont d’une conception plus simple et régulent schématiquement la
puissance fournie à la torche (puissance «directe »). De petites variations de fréquence peuvent se produire
avec ce type de générateurs, ce qui permet d’adapter l’impédance du plasma au générateur sans nécessiter
de condensateurs variables mécaniques.
5.6 Transfert des ions au spectromètre de masse
Les ions sont transférés du plasma au spectromètre de masse (voir en 5.7) au moyen de
...
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