Obecne metody analizy pierwiastkowej są znane z tego, że są czasochłonne, wymagają wielu etapów i stosowania niebezpiecznych chemikaliów oraz drogich gazów. Wszystko to zmieniło się wraz z wprowadzeniem rozwiązania Micral™ LIBS, które znacząco przyspiesza proces analizy. Wiemy jednak, że przejście na nową metodę ma duży wpływ na codzienne funkcjonowanie laboratorium, w którym panuje duży ruch. Możesz pomyśleć: „Nasze obecne laboratorium działa wolno, ale działa, więc czy warto je zmieniać?”
W tym wywiadzie starszy naukowiec dr Daniel Adén dzieli się swoimi spostrzeżeniami na temat korzyści i ograniczeń spektroskopii przebicia indukowanego laserem (LIBS) do analizy pierwiastków i wyjaśnia, jak LIBS wypada w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak plazma sprzężona indukcyjnie (ICP).
P: Jakie są zalety LIBS jako metody?
O: Spektroskopia przebicia indukowanego laserem (LIBS) ma wiele zalet w analizie ilościowej pierwiastków w próbkach. LIBS jest ogólnie bardzo szybki. Impulsowe lasery LIBS dostarczają obecnie w każdej sekundzie setki, a nawet tysiące impulsów o wysokiej energii w kierunku powierzchni próbki, gdzie każdy impuls skutkuje powstaniem świetlistej plazmy. Dzięki temu w ciągu zaledwie minuty analizy otrzymasz tysiące widm podrzędnych, które przedstawiają skład pierwiastkowy badanego materiału.
W porównaniu z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP) najważniejszą zaletą jest łatwe przygotowanie próbki. Czas odpowiedzi (bez uwzględnienia suszenia i mielenia próbki) wynosi tylko kilka minut w przypadku LIBS, natomiast w przypadku ICP może to trwać dłużej niż jeden dzień w zależności od metody mineralizacji próbki. Ponadto w przygotowywaniu i analizie próbek LIBS nie uczestniczą agresywne substancje chemiczne ani drogie gazy, takie jak argon czy hel. Zapewnia to niskie koszty analizy. Wreszcie, pokrycie pierwiastków dla LIBS jest bardzo dobre, np. boru i sodu, które są problematyczne dla XRF, oraz węgla, który nie jest możliwy w przypadku ICP lub XRF.
P: Jakie są ograniczenia tej metody?
O: Podobnie jak w przypadku wszystkich spektroskopowych technik analitycznych, LIBS jest obciążony efektami matrycy. Różne składy materiału próbki mogą powodować odchylenie w zakresie mocy linii emisyjnych pierwiastków będących przedmiotem zainteresowania. Ponadto, w zależności od konfiguracji aparatu, LIBS nie jest optymalny do analizy cieczy. Wiadomo, że tłuszcz i wilgoć tłumią emisję osocza. W związku z tym w przypadku urządzenia Micral możliwe są tylko próbki stałe. Wreszcie, w przeszłości system LIBS był znany ze słabej powtarzalności. Jednak dzięki odpowiedniej inżynierii, zoptymalizowanej prezentacji próbki i laserom o wysokiej częstotliwości powtarzania, powtarzalność można znacznie poprawić.
P: Dlaczego te ograniczenia nie stanowią problemu?
O: Efekt matrycy próbki w przypadku próbek roślinnych jest minimalizowany dzięki przełomowemu etapowi przygotowania próbki zwanemu wypalaniem/zwęglaniem powierzchni próbki. Podsmażanie odbywa się automatycznie i zajmuje tylko kilka sekund dla każdej próbki. Co ciekawe, z mojego punktu widzenia nie jesteśmy pewni, dlaczego działa tak dobrze. Przyszłe badania mogłyby przynieść więcej informacji na temat tego, co dzieje się w sensie naukowym. Ponadto podsmażanie znacznie poprawia poziom kwantyfikacji poprzez zwiększenie siły linii emisji pierwiastków.
Powtarzalność dla LIBS można poprawić dzięki inżynierii i przygotowaniu próbek. W przypadku Micral stosujemy metodę zwaną autofokusem, która wykorzystuje sam system LIBS do dokładnego przewidywania położenia powierzchni próbki w stosunku do soczewki laserowej. Procedura ta jest wykonywana automatycznie przed każdym pomiarem próbki. Ostateczne widmo próbki opiera się na 6000 plazm rozmieszczonych na powierzchni próbki, co dodatkowo poprawia powtarzalność próbek heterogenicznych.
P: Jakie korzyści przyniesie przejście z ugruntowanej/szanowanej metody, takiej jak ICP na LIBS?
O: Największą zaletą systemu Micral LIBS jest prosta procedura przygotowywania próbek, która wpływa na ogólne wymagania organizacji przepustowości w laboratorium. Pojedynczy operator, po niewielkim przeszkoleniu, może z łatwością przygotować pełną kasetę autosamplera (60 próbek) w ciągu godziny. Urządzenie automatycznie zmierzy wszystkie 60 próbek w ciągu około godziny, co jest wystarczającym czasem na przygotowanie kolejnej kasety. ICP to kolejny poziom w przygotowaniu próbek, co nie jest zaskakujące, ponieważ trzeba przekształcić próbkę stałą w ciecz. Łatwo jest nie docenić dodatkowej złożoności i wymogów organizacyjnych, gdy w przygotowanie próbki zaangażowanych jest kilka etapów. Do pomiarów ICP należy zważyć próbkę, dodać mocny kwas, roztrawić, ochłodzić, rozcieńczyć, przefiltrować i na koniec poddać analizie. W przypadku Micral należy granulować i przypalać, co zajmuje tylko kilka minut, przed analizą LIBS. Na początku tego roku zabraliśmy Micral do laboratorium rolniczego w USA. W ciągu zaledwie dwóch dni byliśmy w stanie zmierzyć 600 próbek i na podstawie tych pomiarów stworzyliśmy model predykcyjny dla indeksu DCAD (liniowa kombinacja kilku elementów), który został załadowany do urządzenia.
P: Co należy wziąć pod uwagę przed wprowadzeniem zmiany?
O: Sposób, w jaki przeprowadzamy analizę pierwiastków za pomocą Micral, nie jest absolutny, tzn. Micral zależy od metody referencyjnej w celu kalibracji prognoz stężeń pierwiastków. Jest to wykonywane podczas instalacji, a jeśli przewidywane stężenia znacząco się zmieniają z czasem, procedurę należy powtórzyć. W związku z tym w tej chwili Micral LIBS nie zastępuje w pełni ICP w laboratoriach rolniczych. Zamiast tego należy go traktować przede wszystkim jako jednostkę analityczną współpracującą z metodą referencyjną, odciążającą laboratorium ze znacznej ilości pracy. Oczywiście analizę referencyjną można przeprowadzić w innym laboratorium analizy pierwiastków. Dodatkowo, dotychczas Micral kwalifikował się tylko do próbek pasz, np. siana, kiszonki, lucerny itp. Przyszłe prace pokażą, jakie inne aplikacje jesteśmy w stanie włączyć dla LIBS. Nasi doktoranci z powodzeniem badali system Micral LIBS pod kątem tkanki liściowej roślin, gleby i innych rodzajów próbek, ale nie są one oficjalnie wspierane.
P: Co będzie potrzebne, aby system LIBS został uznany w branży laboratoryjnej?
O: LIBS najprawdopodobniej przejdzie tę samą drogę, co inne metody analityczne, np. NIR, promieniowanie rentgenowskie i ICP, w przypadku których po wprowadzeniu technologii istniał pewien stopień sceptycyzmu. Kiedy metoda NIR pojawiła się na rynku w latach 70. XX w., była przeznaczona głównie do analizy zbóż i pasz, co wiązało się z szeregiem własnych problemów. Obecnie metoda NIR jest narzędziem, z którym należy się liczyć przy analizie karmy dla zwierząt domowych, mąki, mączki rybnej, trzciny cukrowej, mleka, oleju, lodów itp. Aby doświadczyć tej samej podróży, system Micral musi zostać wdrożony przez niektóre z dużych laboratoriów rolniczych, w których przepustowość ma kluczowe znaczenie. Ponadto uznanie dla LIBS uległoby dalszemu przyspieszeniu, gdyby laboratoria zorientowane na badania, wraz z FOSS, zbadały przyszłe zastosowania.
