Wasseranalytik

ICP-MS

Elementanalytik im Spuren- und Ultraspurenbereich

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, kurz ICP-MS, ist ein hochsensitives Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Elementen und Isotopen in Wasserproben. Sie eignet sich besonders, wenn Schwermetalle, toxikologisch relevante Spurenelemente oder charakteristische Elementprofile zuverlässig erfasst werden müssen.

Schwermetalle Spurenelemente Isotope Trinkwasser Rohwasser Prozesswasser
Schematische Darstellung eines ICP-MS-Geräts mit geöffnetem Analyseweg

Warum ICP-MS für Wasseranalytik?

Viele Elemente sind bereits in sehr niedrigen Konzentrationen analytisch relevant. Optische Beurteilungen oder einfache Schnelltests reichen dafür nicht aus. ICP-MS liefert eine quantitative Elementanalyse mit hoher Empfindlichkeit, breitem Elementbereich und isotopenspezifischer Information.

Icon Nachweisgrenzen

Sehr niedrige Nachweisgrenzen

Je nach Element, Matrix und Messmethode können Konzentrationen bis in den ng/L-Bereich erfasst werden. Das ist besonders wichtig für Elemente wie Blei, Cadmium, Arsen, Quecksilber oder Uran.

Icon Multi-Element-Analyse

Multi-Element-Analyse

Viele Elemente können innerhalb eines Messlaufs bestimmt werden. Dadurch entstehen vollständige Elementprofile statt isolierter Einzelwerte.

Icon Isotopeninformation

Isotopeninformation

ICP-MS trennt Ionen nach Masse-Ladungs-Verhältnis. Dadurch können Isotope eines Elements unterschieden werden, sofern die Methode und das Gerät dafür geeignet sind.

Icon Qualitätssicherung

Belastbare Quantifizierung

Mit Kalibrierstandards, Blindwerten, internen Standards und Qualitätskontrollen lassen sich Konzentrationen nachvollziehbar berechnen und plausibilisieren.

Was ICP-MS misst - und was nicht

ICP-MS ist keine allgemeine Stoffidentifikation, sondern eine elementspezifische Massenspektrometrie. Das Verfahren beantwortet primär die Frage: Welche Elemente sind in welcher Konzentration vorhanden?

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Geeignet für

Metalle, Halbmetalle, ausgewählte Nichtmetalle, Spurenelemente, toxikologisch relevante Elemente, Elementprofile und bestimmte Isotopenfragestellungen in Wasser, Aufschlüssen und verdünnten Lösungen.

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Nicht direkt geeignet für

Organische Moleküle, Kunststoffpartikel, Mikroplastik-Polymerarten, Summenparameter oder chemische Bindungsformen. Element-Speziation, etwa unterschiedliche Arsen- oder Chromspezies, erfordert eine vorgeschaltete Trennung wie HPLC-, IC- oder CE-Kopplung.

Funktionsprinzip

ICP-MS kombiniert ein sehr heißes Argonplasma als Ionenquelle mit einem Massenspektrometer als selektivem Detektionssystem.

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Probe wird als Aerosol eingebracht

Die Wasserprobe wird über einen Zerstäuber in feine Tröpfchen überführt. In der Sprühkammer wird der Aerosolstrom stabilisiert, während größere Tröpfchen abgeschieden werden. Nur der geeignete Aerosolanteil gelangt in das Argonplasma.

Dieser Schritt ist entscheidend für Signalstabilität, Nachweisgrenzen und Reproduzierbarkeit. Stark salzhaltige oder partikelreiche Proben müssen je nach Fragestellung filtriert, verdünnt oder aufgeschlossen werden.

Schematische Darstellung der ICP-MS-Probeeinführung mit Wasserprobe, peristaltischer Pumpe, Zerstäuber, Sprühkammer und Quarz-Torch
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Plasma atomisiert und ionisiert

Im induktiv gekoppelten Argonplasma verdampft das Lösungsmittel, die gelösten Bestandteile werden atomisiert und ein großer Teil der Atome wird ionisiert. Für viele Elemente entstehen überwiegend einfach positiv geladene Ionen.

Damit wird aus einer chemisch komplexen Wasserprobe ein Ionenstrom, der massenspektrometrisch getrennt und quantifiziert werden kann.

Schematische Darstellung der Atomisierung und Ionisierung im Argonplasma einer ICP-MS
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Ionen werden ins Vakuum überführt

Über Sampler- und Skimmer-Konen gelangen die Ionen vom Plasma in den Vakuumbereich. Das Interface ist technisch kritisch, weil Plasma und Massenanalysator unter völlig unterschiedlichen Druckbedingungen arbeiten.

Anschließend fokussiert die Ionenoptik die gewünschten Ionen und lenkt sie in Richtung Massenanalysator. Dabei werden Störanteile des Plasmas möglichst reduziert.

Schematische Darstellung des ICP-MS-Interfaces mit Plasmaende, Sampler-Konus, Skimmer-Konus und Ionenoptik
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Massenanalysator trennt die Ionen

Der Massenanalysator trennt Ionen nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis, abgekürzt m/z. Bei den meisten ICP-MS-Anwendungen werden einfach geladene Ionen betrachtet, sodass das m/z-Signal eng mit der Isotopenmasse verknüpft ist.

Dadurch können Elemente und Isotope unterschieden werden. Grenzen entstehen durch isobare Überlagerungen, polyatomare Interferenzen und Matrixeffekte, die methodisch kontrolliert werden müssen.

Schematische Darstellung eines Quadrupol-Massenfilters zur m/z-Filterung von Ionen
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Detektion, Kalibrierung und Auswertung

Der Detektor registriert die ankommenden Ionen als Signal. Aus dem Vergleich mit Kalibrierstandards wird die Konzentration der Elemente in der Probe berechnet.

Für belastbare Ergebnisse werden Blindwerte, interne Standards, Kontrollstandards, Wiederfindungen, Messunsicherheiten und Plausibilitätsprüfungen berücksichtigt. Ohne diese Qualitätssicherung sind niedrige Messwerte im Spurenbereich nicht belastbar.

Quantifizierung
Signal
›
Kalibrierung
›
Konzentration

Ein Blick in den Laborablauf

Der analytische Ablauf hängt von der Fragestellung ab. Entscheidend ist, ob gelöste Elemente, gesamt aufschließbare Elementgehalte oder spezifische Elementfraktionen bestimmt werden sollen.

1. Probenahme und Stabilisierung

Die Probe muss repräsentativ entnommen und kontaminationsarm transportiert werden. Für viele Metallanalysen werden Proben nach der Entnahme angesäuert, damit gelöste Elemente stabil bleiben und Adsorption an Gefäßwänden reduziert wird.

Kontaminationsarme Probenahme Geeignete Gefäße, saubere Arbeitsweise, dokumentierte Probenahme und klare Fragestellung sind die Grundlage jeder ICP-MS-Auswertung.

Warum dieser Schritt kritisch ist

Im Spurenbereich können bereits geringe Fremdeinträge das Ergebnis verändern. Auch ungeeignete Lagerung oder fehlende Stabilisierung kann zu Verlusten oder Konzentrationsverschiebungen führen.

Probe passend zur Fragestellung wählen Gelöste Elemente, Gesamtgehalte und partikulär gebundene Elemente erfordern unterschiedliche Probenvorbereitung.
Blindwerte berücksichtigen Gefäße, Säuren, Reinstwasser und Laborumgebung können eigene Elementbeiträge liefern und müssen kontrolliert werden.

2. Probenvorbereitung

Je nach Zielgröße wird die Probe filtriert, verdünnt, angesäuert oder aufgeschlossen. Für gelöste Elementanteile wird typischerweise filtriert. Für gesamt aufschließbare Gehalte wird die Probe chemisch behandelt, damit partikulär gebundene Anteile erfasst werden können.

Vorbereitung entscheidet die Aussage Ein ICP-MS-Wert ist nur interpretierbar, wenn klar ist, welche Fraktion der Probe gemessen wurde.

Typische Vorbereitungsschritte

Filtration Trennt gelöste von partikulären Anteilen, wenn gelöste Elementkonzentrationen bestimmt werden sollen.
Verdünnung Reduziert Matrixbelastung, Salzgehalte und potenzielle Unterdrückung oder Verstärkung des Signals.
Aufschluss Erfasst Elemente, die nicht frei gelöst vorliegen, sondern an Partikel, Beläge oder Schwebstoffe gebunden sind.

3. Kalibrierung und Qualitätskontrolle

Vor der Messung wird das Gerät mit zertifizierten oder rückführbaren Standards kalibriert. Interne Standards kompensieren Signaldrift und Matrixeffekte. Zusätzlich werden Blindproben und Kontrollstandards gemessen.

Kalibrierung Messsignal und Konzentration werden über Standards verknüpft. Ohne passende Kalibrierung ist keine quantitative Aussage möglich.

Was geprüft wird

Linearität und Arbeitsbereich Die Probe muss innerhalb des validen Kalibrierbereichs liegen. Zu hohe Konzentrationen werden verdünnt.
Blindwertkontrolle Blindwerte zeigen, ob Säuren, Gefäße oder Laborprozess relevante Elementbeiträge verursachen.
Interne Standards Sie zeigen Signaldrift, Matrixunterdrückung und instrumentelle Schwankungen während der Messserie an.

4. ICP-MS-Messung

Die Probe wird in das Plasma eingebracht, ionisiert und massenspektrometrisch ausgewertet. Bei störanfälligen Elementen können Kollisions- oder Reaktionszellmodi eingesetzt werden, um spektrale Interferenzen zu reduzieren.

Elemente und Isotope Das Gerät misst Signale auf ausgewählten m/z-Kanälen und ordnet sie den Zielisotopen der Elemente zu.

Warum Interferenzen kontrolliert werden müssen

Spektrale Interferenzen Isobare oder polyatomare Ionen können dasselbe nominale m/z-Signal erzeugen wie das Zielisotop.
Nicht-spektrale Effekte Hohe Salzgehalte oder komplexe Matrizes können Aerosolbildung, Ionisierung oder Ionentransport beeinflussen.
Methodische Korrektur Geeignete Isotopenauswahl, Zellmodi, interne Standards, Verdünnung und Matrixanpassung erhöhen die Belastbarkeit.

5. Datenauswertung und Ergebnisbericht

Aus den Rohsignalen werden Konzentrationen berechnet und qualitätsgesichert bewertet. Dazu gehören die Prüfung von Kalibrierung, Kontrollstandards, Blindwerten, Wiederfindungen und Messunsicherheiten.

Vom Signal zum Befund Ein Ergebnis ist erst belastbar, wenn Messwert, Qualitätskontrolle und Probenvorbereitung zusammenpassen.

Was der Bericht leisten sollte

Klare Einheit und Bezugsgröße Zum Beispiel µg/L oder ng/L, bezogen auf gelöste oder gesamt aufschließbare Elementgehalte.
Nachweis- und Bestimmungsgrenzen Niedrige Werte müssen im Verhältnis zur methodischen Leistungsfähigkeit interpretiert werden.
Vergleichbarkeit Nur methodisch vergleichbare Probenvorbereitung und Messbedingungen erlauben belastbare Vorher-Nachher-Vergleiche.

Grenzen der ICP-MS

ICP-MS ist sehr empfindlich, aber nicht automatisch störungsfrei. Reale Wasserproben können Matrixeffekte, Salzfrachten, organische Restbestandteile oder Partikel enthalten, die Probenaufgabe, Ionisierung und Signalstabilität beeinflussen. Deshalb sind Verdünnung, Aufschluss, Matrixanpassung, interne Standards und Qualitätskontrollen keine Formalität, sondern analytisch notwendig.

Zusätzlich können spektrale Interferenzen auftreten. Beispiele sind isobare Überlagerungen, doppelt geladene Ionen oder polyatomare Ionen aus Argon, Sauerstoff, Wasserstoff, Chlor, Kohlenstoff oder Stickstoff. Kollisions- und Reaktionszellen können viele dieser Störungen reduzieren, ersetzen aber keine saubere Methodenentwicklung und Plausibilitätsprüfung.

Wichtig: ICP-MS bestimmt Elemente, nicht die chemische Verbindung. Ein Arsenwert sagt ohne Speziationsanalytik nicht, ob Arsenit, Arsenat oder organische Arsenverbindungen vorliegen. Ebenso identifiziert ICP-MS keine Polymerarten von Mikroplastik. Dafür sind spektroskopische Verfahren wie Raman oder FTIR geeignet.

ICP-MS vs. ICP-OES

Zwei Verfahren, unterschiedliche Stärken

ICP-MS und ICP-OES verwenden beide ein induktiv gekoppeltes Plasma. Der Unterschied liegt in der Detektion: ICP-MS misst Ionen nach Masse-Ladungs-Verhältnis, ICP-OES misst elementspezifische Lichtemissionen angeregter Atome und Ionen.

ICP-MS ist in der Regel empfindlicher und besser geeignet für Spuren- und Ultraspurenanalytik sowie Isotopenfragestellungen. ICP-OES ist häufig robuster bei höheren Konzentrationen und höheren Gehalten an gelösten Feststoffen, hat aber typischerweise höhere Nachweisgrenzen.

Eigenschaft ICP-MS ICP-OES
Messprinzip Massenspektrometrische Detektion von Ionen nach m/z Optische Detektion elementspezifischer Emissionslinien
Empfindlichkeit Sehr hoch, besonders für Spuren- und Ultraspurenbereich Gut für höhere Konzentrationsbereiche, aber meist höhere Nachweisgrenzen
Isotopeninformation Möglich, abhängig von Gerät und Methode Nicht die typische Stärke des Verfahrens
Matrixrobustheit Empfindlicher gegenüber Matrixeffekten und Interferenzen Häufig robuster bei höheren Salz- und Elementfrachten
Typische Anwendung Spurenelemente, toxikologisch relevante Elemente, Isotope Haupt- und Nebenelemente, Prozesskontrolle, höhere Konzentrationen
Kosten und Fachaufwand Hoch, insbesondere bei Interferenzkontrolle und Qualitätssicherung Meist geringer, aber abhängig von Methode und Ausstattung

Welche Fragen beantwortet ICP-MS?

Pb

Sind kritische Elemente im Wasser vorhanden?

ICP-MS kann toxikologisch relevante Elemente wie Blei, Cadmium, Arsen, Nickel, Chrom, Quecksilber oder Uran in sehr niedrigen Konzentrationen bestimmen.

Δ

Verändert eine Aufbereitung die Elementkonzentration?

Vorher-Nachher-Messungen zeigen, ob Filtration, Adsorption, Ionenaustausch oder andere Aufbereitungsschritte die Konzentration ausgewählter Elemente senken oder verändern.

Σ

Wie sieht das Elementprofil aus?

Multi-Element-Analysen liefern ein breites Profil und können Hinweise auf geogene Einträge, technische Kontaminationen oder materialbedingte Abgaben geben.

U

Sind Isotope relevant?

Für bestimmte Fragestellungen können Isotopeninformationen hilfreich sein, etwa bei Uranisotopen oder bei der Plausibilisierung ausgewählter Elementquellen.

Literaturverzeichnis

  1. International Organization for Standardization. ISO 17294-2:2023: Water quality - Application of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) - Part 2: Determination of selected elements including uranium isotopes. ISO. https://www.iso.org/standard/82245.html
  2. U.S. Environmental Protection Agency. Method 200.8: Determination of Trace Elements in Waters and Wastes by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. EPA. https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-06/documents/epa-200.8.pdf
  3. Wilschefski, S. C.; Baxter, M. R. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry: Introduction to Analytical Aspects. The Clinical Biochemist Reviews, 2019. https://doi.org/10.33176/AACB-19-00024
  4. Pröfrock, D.; Prange, A. Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS) for Quantitative Analysis in Environmental and Life Sciences: A Review of Challenges, Solutions, and Trends. Applied Spectroscopy, 2012. https://doi.org/10.1366/12-06681
  5. Tanner, S. D.; Baranov, V. I.; Bandura, D. R. Reaction cells and collision cells for ICP-MS: a tutorial review. Spectrochimica Acta Part B, 2002. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(02)00069-1
  6. Thermo Fisher Scientific. Comparison of ICP-OES and ICP-MS for Trace Element Analysis. https://www.thermofisher.com/de/en/home/industrial/environmental/environmental-learning-center/contaminant-analysis-information/metal-analysis/comparison-icp-oes-icp-ms-trace-element-analysis.html
  7. International Organization for Standardization. ISO 17294-1:2024: Water quality - Application of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) - Part 1: General requirements. ISO. https://www.iso.org/standard/32957.html

Funktionsprinzip

ICP-MS kombiniert ein sehr heißes Argonplasma als Ionenquelle mit einem Massenspektrometer als selektivem Detektionssystem.

1. Probe wird als Aerosol eingebracht

Die Wasserprobe wird über einen Zerstäuber in feine Tröpfchen überführt. In der Sprühkammer wird der Aerosolstrom stabilisiert, während größere Tröpfchen abgeschieden werden. Nur der geeignete Aerosolanteil gelangt in das Argonplasma.

Dieser Schritt ist entscheidend für Signalstabilität, Nachweisgrenzen und Reproduzierbarkeit. Stark salzhaltige oder partikelreiche Proben müssen je nach Fragestellung filtriert, verdünnt oder aufgeschlossen werden.