Исследование метрологических характеристик масс-спектрометрического метода измерения массовых концентраций химических элементов

Метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) по аналитическим возможностям (селективность, предел обнаружения, уровень точности, экспрессность) является на сегодня наиболее современным и перспективным методом определения и идентификации элементов в различных объектах. В научной статье рассматривается процедура внедрения в работу испытательной лаборатории методики измерений по кобальту в биологических субстратах (кровь) масс-спектрометрическим методом. В ходе проведения исследования были изучены показатели качества методики измерений, подтверждена пригодность данной методики в конкретной лаборатории, определены направления для дальнейших исследований показателей точности методики.

Ключевые слова: внедрение методики измерений, метрологическая характеристика методики, масс-спектрометр, результат анализа, погрешность.

Для правильного выбора метода измерений в испытательной лаборатории требуется понимание основных принципов метода, его возможностей и ограничений, а также знание требований, предъявляемых к работе испытательных лабораторий: необходимая чувствительность, рабочий диапазон определяемых концентраций элементов, количество анализируемых образцов, качество получаемых данных, производительность и оценка затрат на проведение исследования, на техническое обслуживание [1].

Задача данной работы — рассмотреть метод масс-спектрометрии и предоставить процедуру внедрения методики измерений МУК 4.1.1483–03 в работу испытательной лаборатории.

В методе масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (далее ICP-MS) используется индуктивно-связанная плазма в качестве источника ионов и масс-спектрометр для их разделения и детектирования. ICP-MS отличается высокой чувствительностью, что позволяет определять из одной пробы несколько элементов одновременно, и способностью определять ряд металлов и нескольких неметаллов в концентрациях до 10⁻¹⁰. Современные типы масс-спектрометров дают возможность определить более 70 элементов в минуту в одном образце (производительность зависит от уровня концентраций и необходимой точности).

В ICP-MS источник ICP используется для получения однозарядных ионов из матриц элементов в пробе, которые затем направляются в масс-спектрометр и разделяются по соотношению массы к заряду. Ионы, имеющие определенное отношение массы к заряду, направляются на, определяющий их количество, детектор. В классических приборах используется квадрупольный масс-спектрометр из-за его простоты использования, надежности и быстродействия. Есть некоторые ограничения на то, какое количество матрицы, присутствующей в анализируемом образце, может быть введено в ICP-MS: содержание сухого остатка в исследуемых растворах не должно превышать 0,2 % при долговременной работе и максимальной стабильности измерений. Недостатком метода является разрушение материала, который исследуется, т. е. анализируются продукты превращения.

Метод ICP-MS применим во многих областях науки и промышленности, где требуется определение различных элементов в широком диапазоне образцов: охрана окружающей среды, химическая промышленность, геохимия и горнодобывающая промышленность, биомониторинг, производство продуктов питания, сельское хозяйство, нефтехимическая промышленность, фармацевтическая промышленность и др.

Результаты измерений элементов методом ICP-MS учитываются при оценке эффективности санитарно-экологических мероприятий и санитарного контроля над объектами, воздействующими на окружающую среду населенного пункта и региона, при решении задач предварительной популяционной эколого-эпидемиологической диагностики массовых заболеваний неизвестной этиологии, при скрининг-диагностических исследованиях больших групп населения, при составлении карт экологического, природного и техногенного неблагополучия регионов, при криминалистических исследованиях.

Методика измерений, представленная в МУК 4.1.1483–03, устанавливают порядок применения метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) для измерения массовой концентрации 38 элементов (алюминия, мышьяка, бария, висмута, кальция, кобальта и др.) в диагностируемых биосубстратах: (волосы, ногти, кровь, плазма, грудное молоко, моча), аутопсийные материалы (печень, почки, миокард, плацента), слюна, зубы и в поливитаминных препаратах с микроэлементами, биологически активных добавках и в сырье для их изготовления [3].

В ходе выполнения исследовательской работы проведена процедура внедрения методики измерений МУК 4.1.1483–03 на примере химического элемента кобальта (Со) в крови человека, диапазон определения

0,01–0,50 мкг/дм³, относительная погрешность метода 15 % (при доверительной вероятности 95 %).

При проведении исследования использованы следующие средства измерения и оборудование:

1. Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой Optima 8000, PERKINELMER, зав. № 078N 1120213 С.

− спектральный диапазон: (156–900) нм;

− спектральное разрешение: 0,009 нм;

− относительная погрешность: ± 5 %;

− относительное СКО случайной составляющей погрешности: ± 2 %.

2. Механические дозаторы жидкости с погрешностью 0,1 мм³, объемом дозирования 1–5 см³, 100–1000 мм³, 20–200 мм³, с одноразовыми наконечниками.

3. Стандартный образец состава водного раствора ионов металлов РМ-3 (алюминий, мышьяк, кадмий, кобальт, хром, медь) ГСО 7325–96.

4. Стандартный образец состава форменных элементов крови ГСО 10669–2015.

Аналитические сигналы обрабатывались программным обеспечением масс-спектрометра. Обработка данных основывалась на построении калибровочных кривых, которые были рассчитаны методом наименьших квадратов, учитывались коррекции фона, сигналы внутренних стандартов. Результат определения элемента представлен как среднее из двух параллельных измерений анализируемого образца.

Контроль погрешности методики производен в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725–1–94. Внутренний контроль качества результатов определения микроэлементов (сходимость, воспроизводимость, точность) осуществлялся с целью получения оперативной информации о качестве анализов и принятия при необходимости оперативных мер по его повышению. Оперативный контроль качества осуществлялся путем проведения анализа контрольных проб и стандартного образца, химический состав которого не отличался от состава испытуемой пробы [5].

Количеством рабочих измерений за контролируемый период и планом контроля была определена периодичность контроля воспроизводимости результатов анализа. В работе участвовали 2 аналитика. Образцами для контроля являлись представительные пробы, каждую из которых анализировали в точном соответствии с приписанным аттестованным значением образца для контроля, максимально варьируя условия проведения анализа: получили два результата, используя разные наборы мерной посуды, разные партии реактивов и разные экземпляры стандартных образцов для градуировки прибора. Результаты контроля являются удовлетворительным, потому что выполняется условие │Х₁ — Х₂│≤ 0,01 ·D ·Х_ср, где D — допустимые расхождения между результатами анализа одной и той же пробы, % [4].

Оперативный контроль точности был произведен методом стандартных образцов. Выполнили анализ пробы, приготовленной из стандартного образца, по методике и сравнили его результаты с аттестованным содержанием элементов. Погрешность аттестации методики не больше, чем 1/3 от погрешности методики. Если выполняется условие: │ — А│˂ К, то результаты контроля признаются удовлетворительными. Условие выполняется.

Для оперативного контроля сходимости использовали результаты параллельных анализов. В оперативном контроле процедуры выполнения измерений в условиях повторяемости, произведено сравнение абсолютного расхождения между двумя параллельными измерениями результатов анализа и нормативом контроля. Условие выполняется.

Экспериментальные результаты работы по внедрению показали удовлетворительные результаты. Результаты проведенной работы были оформлены протоколом установленных показателей качества результатов анализа при реализации методики анализа в лаборатории, к протоколу прилагается экспериментальные результаты работы при реализации методики анализа в лаборатории.

В дальнейшем исследовании методики измерений планируется провести изучение влияния различных факторов на точность измерений: увеличить количество исследуемых образцов и набрать новую математическую статистку, использовать контрольные образцы других производителей, оценить влияние и учесть систематической и случайной погрешности, проверить с целью уточнения приведенный в методике норматив контроля градуировочной стабильности (10 %), произвести расчет бюджета неопределенности методики измерений, представить оценку метрологических характеристик методики измерений в соответствии с современными требованиями.

Литература:

1. ГОСТ ИСО/МЭК 17025–2009 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий (с Поправкой). — М.: Стандартинформ, 2018. — 28 c.
2. Егоров В. В., Бионеорганическая химия. СПб.: Лань, 2017. — 412 с.
3. МУК 4.1.1483–03 Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, препаратах и биологически активных добавках методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой. — М.: Минздрав России, 2003. — 36 с.
4. РМГ 61–2010 ГСИ. Показатели точности, правильности, прецизионности методик количественного химического анализа. Методы оценки. — М.: Стандартинформ, 2013–62 с.
5. ГОСТ Р ИСО 5725–1–2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения. — М.: Стандартинформ, 2009–24 с.