Thermodynamic modeling of the composition of main background ions in low-temperature ("cold") inductively coupled plasma

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The possibility of studying the behavior of the main background ions formed by the primary elements of inductively coupled plasma (H, N, O, and Ar) in the low-temperature ("cold") plasma mode using the method of thermodynamic modeling has been considered. These ions, which create significant spectral interferences, are always observed when aqueous sample solutions are introduced into inductively coupled plasma mass spectrometers (ICP-MS). The quantitative composition of the main background ions in ICP-MS has been calculated using thermodynamic modeling over the temperature range from 2000 to 5000 K, depending on the plasma temperature. A comparison with experimental data from mass spectra measurements of the main background ions has been made, and a high degree of correlation between the theoretical and experimental results has been shown. The consistency of the calculations with the experiments confirms the correctness of the thermodynamic model used for the thermochemical processes in ICP-MS and its applicability for further calculations in solving analytical tasks. A method for unambiguously determining the gas-kinetic temperature of plasma, taking into account virtually all the main background ions, has been proposed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Pupyshev

Ural Federal University

Author for correspondence.
Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Yekaterinburg

P. V. Zaitceva

Ural Federal University; Institute of Metallurgy. Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

M. Yu. Burylin

Kuban State University

Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Krasnodar

M. A. Maltsev

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

I. V. Morozov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

E. L. Osina

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences

Email: pupyshev@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Пупышев А.А., Суриков В.Т. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. Образование ионов. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 276 с.
  2. Белов Г. В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный мир, 2002. 184 с.
  3. Пупышев А.А., Луцак А.К., Музгин В.Н. Термодинамическое моделирование термохимических процессов в индуктивно связанной плазме // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 7. С. 713. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K., Muzgin V.N. Thermodynamic simulation of thermochemical processes in inductively coupled plasma // J. Anal. Chem. 1998. V. 53. № 7. P. 627.)
  4. Пупышев А.А., Луцак А.К. Термодинамическое моделирование ионизационных влияний в плазме индуктивно связанного разряда // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 11. С. 1141. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K. Thermodynamic simulation of ionization effects in inductively coupled plasma // J. Anal. Chem. 1998. V. 53. № 11. P. 987.)
  5. Рupyshev A.A., Muzgin V.N., Lutsak A.K. Thermochemical processes and ion transport in inductively coupled plasma mass spectrometry: Theoretical description and experimental confirmation // J. Anal. At. Spectrom. 1999. V. 14. № 9. P. 1485. https://doi.org/10.1039/A902167A
  6. Пупышев А.А., Данилова Д.А. Разработка модели термохимических процессов для метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Аналитика и контроль. 2001. Т. 5. № 2. С. 112.
  7. Пупышев А.А., Васильева Н.Л., Голик С.В. Влияние матрицы в масс-спектрометрии с использованием индуктивно связанной плазмы // Журн. прикл. спектроск. 1998. Т. 65. № 5. С. 768. (Pupyshev A.A., Vasil'eva N.L., Golik S.V. Effect of the matrix in mass spectrometry using an inductively coupled plasma // J. Appl. Spectrosc. 1998. V. 65. № 5. P. 804. https://doi.org/10.1007/BF02679850)
  8. Pupyshev A.A., Semenova E.V. Formation of doubly charged atomic ions in the inductively coupled plasma // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2001. V. 56. P. 2397. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(01)00301-9
  9. Pupyshev A.A., Surikov V.T. Application of negative ions in inductively coupled plasma-mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2004. V. 59. P. 1021. https://doi.org/10.1016/j.sab.2004.05.011
  10. Pupyshev A., Lutsak A. The thermodynamical simulation of thermochemical processes in inductively coupled “cold” plasma mass-spectrometry // XIVth seminar on atomic spectrochemistry. Proceedings. High-Tatras – Podbanska, September 1998. P. 325.
  11. Tanner S.D. Characterization of ionization and matrix suppression in inductively coupled ‘cold’ plasma mass spectrometry // J. Anal. At. Spectrom. 1995. V. 10. P. 905. https://doi.org/10.1039/JA9951000905
  12. Nonose N.S., Matsuda N., Fudagawa N., Kubota M. Some characteristics of polyatomic ion spectra in inductively coupled plasma mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 1994. V. 49. № 10. P. 955. https://doi.org/10.1016/0584-8547(94)80084-7
  13. Ebert C.H., Witte T.M., Houk R.S. Investigation into the behavior of metal-argon polyatomic ions (MAr+) in the extraction region of inductively coupled plasma-mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2012. V. 76. P. 119. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.06.046
  14. Houk R.S., Praphairaksit Narong. Dissociation of polyatomic ions in the inductively coupled plasma // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2001. V. 56. P. 1069. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(01)00236-1
  15. Пупышев А.А., Эпова Е.Н. Спектральные помехи полиатомных ионов в методе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Аналитика и контроль. 2001. Т. 5. № 4. С. 335.
  16. May T.W., Wiedmeyer R.H. A Table of polyatomic interferences in ICP-MS // At. Spectrosc. 1998. V. 19. № 5. P. 150. https://doi.org/10.46770/AS.1998.05.002
  17. Пупышев А.А., Луцак А.К. Расширение возможностей термодинамического моделирование термохимических процессов в плазме индуктивно связанного разряда // Журн. аналит. химии. 2002. Т. 57. № 8. С. 803. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K. Extending the capabilities of the thermodynamic simulation of thermochemical processes in inductively coupled plasma discharge // J. Anal. Chem. 2002. V. 57. № 8. P. 672. https://doi.org/10.1023/A:1016813607161)
  18. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические свойства димеров аргона Ar2+ и Ar2 // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 1. С. 42. https://doi.org/10.1134/S0040364419010174 (Maltsev A., Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic properties of Ar2+ and Ar2 argon dimers // High Temperature. 2019. V. 57. № 1. P. 37. https://doi.org/10.1134/S0018151X19010176)
  19. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические свойства ArH+ и ArH // Tеплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 3. С. 367. https://doi.org/ 10.1134/S0040364419020121 (Maltsev M.A, Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic Properties of ArH+ and ArH // High Temperature. 2019. V. 57. № 3. P. 335. https://doi.org/ 10.1134/S0018151X19020123)
  20. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические функции ArO и ArO+ // Теплофизика высоких температур. 2020. Т. 58. № 2. С. 202. https://doi.org/10.31857/S0040364420020131 (Maltsev A., Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic functions of ArO and ArO+ // High Temperature. 2020. V. 58. № 2. P. 184. https://doi.org/10.1134/S0018151X20020133)
  21. Maltcev M.A., Aksenova S.A., Morozov I.V., Minenkov Y., Osina E.L. Ab initio calculations of the interaction potentials and thermodynamic functions for ArN and ArN+ // Comput. Chem. 2023. V. 44. № 12. P. 1189. https://doi.org/10.1002/jcc.27078
  22. Tanner S.D., Paul M., Beres S.A., Denoyer E.R. The application of cold conditions for the determination of trace levels of Fe, Ca, K, Na, and Li by ICP-MS // At. Spectrosc. 1995. V. 16. № 1. P. 16.
  23. Пупышев А.А., Сермягин Б.А. Дискриминация ионов по массе при изотопном анализе в методе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 132 с.
  24. Wollenweber D., Strassburg S., Wunsch G. Determination of Li, Na, Mg, K, Ca and Fe with ICP-MS using cold plasma conditions // Fresenius J. Anal. Chem. 1999. V. 364. P. 433. https://doi.org/10.1007/s002160051363
  25. Трусов Б.Г. TERR A. Программа термодинамического расчета состава фаз произвольных гетерогенных систем, а также их термодинамических и транспортных свойств. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.
  26. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.
  27. Belov G.V., Iorish V.S., Yungman V.S. IVTANTHERMO for Windows – database on thermodynamic properties and related software // Calphad. 1999. V. 23. № 2. P. 173. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(99)00023-1
  28. Музгин В.Н., Емельянова Н.И., Пупышев А.А. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой – новый метод в аналитической химии // Аналитика и контроль. 1998. Т. 2. № 3–4. С. 3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Рис. 1. Сопоставление логарифмов интенсивности lgI (импульс/с) основных фоновых ионов c различными соотношениями m/z для режима “холодной” плазмы в работах [11, 22] (1) и [24] (2).

Download (75KB)
Indexing metadata
3. Рис. 2. Изменение расчетных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) различных основных фоновых ионов Х в зависимости от температуры T (K) для условий “холодной” (a) и нормальной (б) аргоновой индуктивно связанной плазмы. Массовое соотношение Ar : H20 = 96 : 1.

Download (319KB)
Indexing metadata
4. Рис. 3. Сопоставление рассчитанных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) фоновых ионов Х с логарифмами экспериментальных интенсивностей [11, 22] lgI (импульс/с) этих ионов, а также коэффициенты детерминации R2 между расчетными и экспериментальными данными при различной расчетной температуре Т “холодной” плазмы, К: (а) – 2000, (б) – 2500, (в) – 3000, (г) – 3500, (д) – 4000, (е) – 4500.

Download (390KB)
Indexing metadata
5. Рис. 4. Гистограмма сопоставления рассчитанных (столбики) логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) фоновых ионов Х с логарифмами экспериментальных интенсивностей (точки) lgI (импульс/с) этих ионов [11, 22] при расчетной температуре “холодной” плазмы 3000 К.

Download (103KB)
Indexing metadata
6. Рис. 5. Изменение коэффициента детерминации R2 между рассчитанными логарифмами концентраций фоновых ионов (см–3) и логарифмами экспериментальных интенсивностей (импульс/с) этих ионов [11, 22] в зависимости от температуры “холодной” плазмы T при различных массовых соотношениях H2O : HNO3: 1 – 10 000, 2 – 1000, 3 – 100, 4 – 25.

Download (75KB)
Indexing metadata
7. Рис. 6. Изменение расчетных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) различных фоновых ионов Х в зависимости от температуры T (K) для условий “холодной” плазмы при различных массовых соотношениях Ar : H2O: (а) – 40 (0.8 л/мин аргона) и (б) – 120 (2.4 л/мин аргона).

Download (450KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences