ICP-MS Analyseverfahren: Methoden der Elementanalytik

Wie die uns bekannten Elemente überhaupt entstehen und inwiefern sie für die Medizin relevant sind, wurde bereits in vorhergegangenen Beiträgen dargestellt. Nach Abschluss des präanalytischen Prozesses, der auch die Auswahl des geeigneten Untersuchungsmaterials beinhaltet, stellt sich nun die Frage, wie denn bei der Elementanalytik gemessen werden soll. Harald Hagendorfer, Deputy Managing Director und Head of „Special Analytics“ unseres Partnerlabors Ortho-Analytic gibt Einblicke in das komplexe ICP-MS-Verfahren der Aniveri Analyse.

Grundsätzlich haben sich in der Elementanalytik drei unterschiedliche Methoden durchgesetzt.

Einerseits gibt es die Photometrie, bei welcher man die Absorption von Licht misst. Diese Methode ist jedoch nur für Elemente in sehr hohen Konzentrationen anwendbar.
Bei der Spektroskopie hingegen wird eine Anregung von Elektronen mittels Flamme oder Plasma durchgeführt und so eine messbare Emission erzeugt. Hier kann man bereits Konzentrationen bis in den Mikrogramm pro Liter Bereich messen.
Will man jedoch die ganze Bandbreite der Elemente in verschiedenen Konzentrationsbereichen – von mg/L bis ng/L – messen, braucht es massenspektrometrische Methoden. Als Goldstandard hat sich im Bereich der Elementanalytik die sogenannte induktiv gekoppelte Plasma Massenspektrometrie – oder kurz ICP-MS – durchgesetzt.

ICP-MS: Die Aniveri-Analysemethode im Detail

Was geschieht nun bei der ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma), die für die Aniveri Analyse zum Einsatz kommt? Die Feststoffprobe – in unserem Fall die Haare – müssen zuerst in flüssige Form überführt werden. Dafür bereitet man die Proben im ersten Schritt für den Analyseprozess vor, indem man sie von externer Kontamination befreit. Hier haben wir ein aufwendiges Waschprozedere entwickelt, auf welches auch die Normwerte der Analyse abgestimmt sind. Im Anschluss muss die Probe, wie bereits angedeutet, vom Feststoff in eine flüssige Form überführt werden. Bei der Aniveri ICP-MS-Analyse kommt ein Mikrowellenaufschlussverfahren zum Einsatz, um voll mineralisierte Proben zu erhalten. Dafür werden die Haare mit Salpetersäure unter Druck und Temperaturen bis zu 250°C mineralisiert und gelöst.

Die aufgeschlossenen Proben werden dann mittels Autosampler dem ICP-MS zugeführt. Die Probe wird in einem ersten Schritt zerstäubt, mithilfe einer Sprühkammer werden Tröpfchen, die größer als 10 µm sind, abgeschieden. Das dadurch entstandene homogene Aerosol wird danach in das induktiv gekoppelte Argon Plasma transportiert. Die Temperaturen, welche das Plasma erzeugt, sind vergleichbar mit denen der Oberfläche der Sonne, die zwischen 6.000 und 8.000 Grad Celsius betragen. Um diesen Prozess so sicher und kontrolliert durchführen zu können, brauchte es einen langen wissenschaftlichen Entwicklungsprozess. Die ersten Prototypen entstanden bereits in den frühen 80er Jahren, erste routinefähige Messgeräte kamen Ende der 90er Jahre auf den Markt.

Ein Bestandteil der Laborausstattung, welche für die Durchführung des ICP-MS Analyseverfahrens für die Aniveri Analyse benötigt wird. — Für das komplexe ICP-MS Verfahren der Aniveri Analyse kommt modernstes Laborequipment zum Einsatz.

Im Plasma selbst werden die Tröpfchen dann sofort verdampft und die darin enthaltenen Moleküle atomisiert und einfach positiv ionisiert. Somit können die Ionen im Anschluss in ein Hochvakuum extrahiert und nach Masse sowie Ladung getrennt und detektiert werden. Mit der ICP-MS-Methode kann man – bis auf ein paar einzelne Ausnahmen (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Fluor) – alle Elemente des gesamten Periodensystems messen. Des Weiteren ermöglicht die ICP-MS Methode die Automatisierung der Totalelementanalytik. Während die Geräte dafür vor 25 Jahren noch so groß waren wie ein ganzer Büroraum, kommen sie heute in etwa auf die Größe eines Bürotisches.

Stets unter Kontrolle: die ICP-MS-Messung

Um die Qualität der Messung immer gleich zu halten, wurde ein aufwändiges, jahrelang entwickeltes und stetig verbessertes Qualitätssicherungssystem aufgebaut. Das gesamte Verfahren ist nach Vorgaben der ISO 15189 Norm für medizinische Diagnostik validiert. Vor jeder einzelnen Messung überprüfen und kalibrieren wir das Analysegerät anhand von sogenannten NIST-zertifizierten Standards. Die US-amerikanische Institution „National Institute of Standardization“ ist eine der wenigen, die solche Ursubstanzen anbieten und alle Standards, die im Prozess zum Einsatz kommen, lassen sich auf jene Ursubstanzen zurückführen.

Vor der Messung der eigentlichen Proben durchlaufen außerdem Qualitätskontrollproben, die einen zertifizierten Gehalt an Elementen aufweisen, die Messung. Dieses Material durchläuft ebenso die gesamte Probenvorbereitung, um auch hier etwaige Fehler auszuschließen. Danach erfolgt die Messung der aufgeschlossenen Patientenproben sowie eine weitere Kontrolle durch die Qualitätskontrollproben. Um Verschleppungen zwischen den Proben zu vermeiden, werden auch sogenannte Blankkontrollen mitgemessen. Als integraler Bestandteil des Qualitätssicherungssystems analysiert unser Labor Ortho-Analytic dreimal jährlich Ringversuchsproben. Dabei schickt uns das kanadische „Institut national de santé publique du Québec“ unbekannte Haarproben, die wir mit der soeben beschriebenen Methode messen. So erhält das Labor abhängig von den rapportierten Ergebnissen jährlich eine Bewertung. Bis dato haben wir alle Ringversuche der letzten sechs Jahre bestanden.

Was ermöglicht die moderne Elementanalytik?

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Einsatz modernster analytischer Methoden einen tieferen Einblick in die Versorgungslage mit Spurenelementen und Mineralstoffen sowie die Belastung mit Schwermetallen erlaubt. Eine automatisierte Analytik mit genau definierten Prozessen und entsprechender Qualitätssicherung macht diese Analytik auch für Endkonsument:innen erschwinglich. Sie ist also nicht mehr ausschließlich größeren Forschungsinstituten oder der Industrie zugänglich. Durch die Multielementfähigkeit der ICP-MS Methode ergibt sich ein weiterer Vorteil: Wir analysieren 38 Elemente gleichzeitig und können somit ein umfassenderes Bild „aufnehmen“ und Korrelationen zwischen Spurenelementversorgung und Schwermetallbelastung feststellen.

ICP-MS analysis method: Methods of elemental analysis

/ Analytik / By Jasmin Pluch

How the elements we know occur and to what extent they are relevant to medicine has already been described in previous articles. After completing the pre-analytical process, which includes the selection of suitable test material, the next question is how the element analysis should be measured. Harald Hagendorfer, Deputy Managing Director and Head of “Special Analytics” at our partner laboratory Ortho-Analytic explains the complex ICP-MS procedure of the Aniveri Analysis.

In principle, there are three different methods of element analysis.

Firstly there is photometry, which measures the absorption of light. This method is only applicable to elements in very high concentrations.
With spectroscopy, electrons are excited by a flame or plasma, thus generating a measurable emission. Concentrations can be measured to the range of micrograms per litre.
However, if you want to measure the whole spectrum of elements in different concentration ranges, from mg/L to ng/L, you need mass spectrometric methods. Inductively coupled plasma mass spectrometry, or ICP-MS for short, has become the gold standard in the field of element analysis.

ICP-MS: The Aniveri Analysis method in detail

How does the ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) used for the Aniveri Analysis work? The solid sample, in our case the hair, must first be converted into liquid form. The first step is to prepare the samples for the analysis process by removing external contamination. We have developed a complex washing procedure and coordinated the standard values of the analysis to it. Next the sample must be converted from a solid to a liquid form. The Aniveri ICP-MS analysis uses a microwave decomposition technique to achieve fully mineralized samples. The hair is mineralized and dissolved with nitric acid under pressure and temperatures of up to 250°C.

The prepared samples are then fed into the ICP-MS using an autosampler. First the sample is atomized and droplets larger than 10 µm are separated using a spray chamber. The resulting homogeneous aerosol is then transported into the inductively coupled argon plasma. The temperatures generated by the plasma are comparable to those of the sun’s surface: between 6,000 and 8,000 degrees Celsius. A long scientific development process was required to ensure the process could be conducted in such a safe and controlled way. The first prototypes were created in the early 1980s, and the first routine measuring devices came onto the market at the end of the 1990s.

A piece of laboratory equipment required to perform the ICP-MS analysis method for Aniveri Analysis. — The most modern laboratory equipment is used for the complex ICP-MS procedure of the Aniveri Analysis.

The droplets are immediately vaporized in the plasma itself and their molecules are atomized and positively ionized. The ions can then be extracted in a high vacuum, separated and detected by mass and charge. The ICP-MS method enables you to measure all elements of the periodic table with a few exceptions (oxygen, nitrogen, carbon and fluorine). Furthermore, the ICP-MS method also allows the total element analysis to be automated. 25 years ago this required equipment the size of an entire office room, but today it is about the size of an office desk.

Always under control: the ICP-MS measurement

To maintain the quality of the measurements, we have a complex quality assurance system that was developed over many years and is continually being improved. The entire procedure is validated according to the specifications of the ISO 15189 standard for medical diagnostics. Before each individual measurement, we check and calibrate the analysis device using NIST-certified standards. The US “National Institute of Standardization” is one of the few institutions to offer such stocks and all standards used in the process can be traced back to these stocks.

Before the actual samples are measured, quality control samples that have a certified content of elements undergo measurement. This material also goes through the entire sample preparation process to rule out any errors here as well. This is followed by the measurement of the prepared patient samples and a further check using the quality control samples. To avoid carryover between the samples, blank controls are also measured. As an integral part of the quality assurance system, our Ortho-Analytic laboratory analyses interlaboratory test samples three times a year. The Canadian “Institut national de santé publique du Québec” sends us unknown hair samples, which we measure using the method just described. Depending on the reported results, the laboratory receives an annual evaluation. To date we have passed all ring tests in the last six years.

What does modern element analysis enable?

In summary, by using the most modern analytical methods we gain deeper insights into the supply levels of trace elements and minerals, as well as the heavy metal load. Automated analysis with precisely defined processes and corresponding quality assurance makes this analysis affordable for end consumers. So it is no longer only accessible to larger research institutes and industry. There is another benefit to the multi-element capability of the ICP-MS method: We analyse 38 elements at the same time, so we can give a more comprehensive picture and determine correlations between trace element supply and heavy metal pollution.

ICP-MS metoda: Metode elementarne analitike

/ Analytik / By Jasmin Pluch

Kako nastanejo nam poznani elementi in v kolikšni meri so relevantni za medicino, smo že opisali v prejšnjih člankih. Po opravljenem predanalitičnem procesu, ki vključuje tudi izbiro primernega vzorčnega materiala, se zdaj postavlja vprašanje, kako se pri elementarni analitiki izvajajo meritve. Harald Hagendorfer, namestnik generalnega direktorja in vodja “Special Analytics” našega partnerskega laboratorija Ortho-Analytic, daje vpogled v kompleksen ICP-MS postopek Aniveri analize.

Pri elementarni analitiki so načeloma prevladovale tri različne metode.

Fotometrija je metoda, pri kateri se meri absorpcija svetlobe. Ta metoda je uporabna samo za elemente v zelo visokih koncentracijah.
Pri spektroskopiji pa se vzbudijo elektroni s plamenom ali plazmo pri čemer nastanejo merljive emisije. Ta postopek že omogoča meritve koncentracij do mikrograma na liter.
Če pa želimo izmeriti celotno paleto elementov v različnih koncentracijskih območjih – od mg/L do ng/L – potrebujemo metode masne spektrometrije. Tako imenovana masna spektrometrija z induktivno sklopljeno plazmo – ali na kratko ICP-MS – se je uveljavila kot zlati standard na področju elementarne analitike.

ICP-MS: Podrobno o Aniverijevi analizni metodi

Kaj se torej zgodi pri ICP-MS (masna spektrometrija z induktivno sklopljeno plazmo) metodi, ki se uporablja za Aniveri analizo? Trden vzorec – v našem primeru dlako – je treba najprej pretvoriti v tekoče stanje. Prvi korak je priprava vzorcev za postopek analize z odstranitvijo zunanjih kontaminacij. V ta namen smo razvili kompleksen postopek pranja na katerega so usklajene tudi povprečne vrednosti analize. Kot je bilo že omenjeno, je treba vzorec nato pretvoriti iz trdnega v tekoče stanje. Pri Aniveri ICP-MS analizi se za pridobitev popolnoma mineraliziranih vzorcev, uporabi postopek razgradnje v mikrovalovnem sistemu. Pri tem se dlake mineralizirajo in raztopijo z solitrno kislino pod pritiskom in pri temperaturah do 250 °C.

Razgrajeni vzorci se nato s samodejnim vzorčevalnikom dovajajo v ICP-MS instrument. V prvem koraku se vzorec razprši, kapljice ki so večje od 10 µm pa se ločijo s pomočjo pršilne komore. Nastali homogeni aerosol se nato prenese v induktivno sklopljeno argonovo plazmo. Temperature, ki jih ustvarja ta plazma, so primerljive s temperaturami na površini sonca, ki znašajo med 6.000 in 8.000 stopinj Celzija. Preden je bilo mogoče ta postopek narediti tako nadzorovan in varen, je bil potreben dolg znanstveni razvoj. Prvi prototipi so nastali v začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja, prve rutinske merilne naprave pa so prišle na trg konec devetdesetih let prejšnjega stoletja.

Del laboratorijske opreme, potreben za ICP-MS metodo, ki je temelj Aniveri analize. — Za kompleksen postopek Aniveri analize se uporablja najsodobnejša laboratorijska oprema.

Kapljice v sami plazmi takoj uparijo, molekule, ki jih vsebujejo pa atomizirajo in preprosto pozitivno ionizirajo. Ione je nato mogoče ekstrahirati v visokem vakuumu ter jih ločiti in zaznati glede na maso in naboj. Z ICP-MS metodo je mogoče meriti vse elemente periodnega sistema – z nekaj izjemami (kisik, dušik, ogljik in fluor). Poleg tega ICP-MS metoda omogoča avtomatizacijo celotne elementarne analitike. Medtem ko so bile pred 25 leti naprave za to velike kot cela pisarniška soba, so danes velike približno kot pisarniška miza.

Vedno pod nadzorom: ICP-MS meritve

Da bi bila kakovost meritev vedno enaka, je bil vzpostavljen kompleksen sistem nadzora kakovosti, ki se je razvijal in izpopolnjeval več let. Celoten postopek je validiran po specifikacijah standarda ISO 15189 za medicinsko diagnostiko. Pred vsako posamezno meritvijo se naprava preveri in kalibrira z uporabo standardov, certificiranih s strani NIST. “National Institute of Standardization” je ena redkih ustanov, ki ponuja kontrolne vzorce, vsi standardi, ki se upoštevajo v procesu pa temeljijo na teh vzorcih.

Pred merjenjem dejanskih vzorcev se za zagotavljanje kakovosti izmerijo kontrolni vzorci s potrjeno vsebnostjo elementov. Ta material spremlja celotno pripravo, da se izključijo kakršnekoli napake. Nato se izmerijo vzorci bolnikov, nakar pa se ponovno preverijo kontrolni vzorci. Izvaja se tudi “blank control”. Kot sestavni del sistema zagotavljanja kakovosti se trikrat na leto izvedejo medlaboratorijski preizkusi. Neznane vzorce dlake nam pošlje kanadski inštitut “Institut national de santé publique du Québec”, ki se jih izmeri po pravkar opisani metodi. Na ta način se laboratorij vsako leto oceni glede na sporočene rezultate. Do danes smo prestali vse preizkuse zadnjih šestih let.

Kaj omogoča sodobna analiza elementov?

Če povzamemo, lahko rečemo, da uporaba najsodobnejših analitskih metod omogoča globlji vpogled v stanje oskrbe z elementi v sledovih in minerali ter v obremenitve s težkimi kovinami. Avtomatizirana analiza z natančno opredeljenimi postopki in ustreznim zagotavljanjem kakovosti omogoča, da je ta analiza dostopna končnim uporabnikom. Zato ni več dostopna le večjim raziskovalnim inštitutom ali industriji. Večelementna zmožnost ICP-MS metode, ponuja dodatno prednost: Hkrati analiziramo 39 elementov in tako lahko “zajamemo” celovitejšo sliko ter zaznamo korelacije med elementi v sledovih in obremenitvam s težkimi kovinami.