Hygiene and SanitationHygiene and SanitationГигиена и санитария0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman64024910.47470/0016-9900-2019-98-4-461-467METHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙInductively coupled plasma mass-spectrometry in contemporary hygienic examinations of atmospheric airМасс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой в современных гигиенических исследованиях атмосферного воздухаhttps://orcid.org/0000-0002-9238-5598UlanovaTatyana S.УлановаТатьяна Сергеевна
Russian Federation

MD, Ph.D., DSci., Head of the Department of Chemical and Analytical Research Methods of the Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies, 82 Monastyrskaya Str., Perm, 614045, Russian Federation.

e-mail: Ulanova@fcrisk.ru

Доктор биол. наук, зав. отд. химико-аналитических методов исследования ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь.

e-mail: Ulanova@fcrisk.ru

Ulanova@fcrisk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8490-7624VeikhmanG. A.ВейхманГ. А.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0001-5772-2379StennoE. V.СтенноЕ. В.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0001-6514-7239NedoshitovaA. V.НедошитоваА. В.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0002-0600-4075VolkovaM. V.ВолковаМ. В.
Russian Federation
Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management TechnologiesФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»1404201998446146729102024Copyright ©; 2024, Ulanova T.S., Veikhman G.A., Stenno E.V., Nedoshitova A.V., Volkova M.V.Copyright ©; 2024, Уланова Т.С., Вейхман Г.А., Стенно Е.В., Недошитова А.В., Волкова М.В.2024Ulanova T.S., Veikhman G.A., Stenno E.V., Nedoshitova A.V., Volkova M.V.Уланова Т.С., Вейхман Г.А., Стенно Е.В., Недошитова А.В., Волкова М.В.https://journals.eco-vector.com/0016-9900/article/view/640249

Introduction. The optimal conditions for taking of samples, sample preparation and selective quantitative measurement from one sample of 19 chemical elements, such as lithium, magnesium, aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, arsenic, selenium, strontium, cadmium, tungsten, thallium, lead in the atmosphere using inductively coupled plasma mass spectrometry method are proved and recommended for the practical application.

Material and methods. The settings of a quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometer are described. The optimal scale for sample preparation to eliminate the “matrix” effect is proposed. The device operation mode with a collision/reaction cell for interference suppression for overlays, as well as the choice of the internal comparison element is proved. Limit of detection (LOD) and limit of quantitation (LOQ) are calculated for each element. 

Results. The determination technique of 19 priority elements in the atmosphere using ISP-MS (Methodological guidelines 4.1. 3481-17) is developed. Accordingly, to obtained results the level of 19 elements in the atmosphere appeared to be at the level of reference concentrations (RfC) and much lower than the daily mean of threshold limit value for all elements with a measurement accuracy of 14 to 21%.

Conclusion. The technique developed (Methodological guidelines 4.1. 3481-17) has been used when studying samples of the atmosphere in different territories of the Russian Federation.

Введение. Обоснованы и рекомендованы для практического использования оптимальные условия отбора проб, пробоподготовки и селективного количественного измерения из одной пробы 19 химических элементов – лития, магния, алюминия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, мышьяка, селена, стронция, кадмия, вольфрама, таллия, свинца в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой. 

Материал и методы. Приведены параметры настройки квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой, представлена оптимальная схема подготовки образцов для устранения «матричного» эффекта, обоснован режим работы прибора с реакционно/столкновительной ячейкой для подавления интерференционных наложений, обоснован выбор элемента внутреннего сравнения. Рассчитаны пределы обнаружения (LOD) и количественного определения (LOQ) для каждого элемента. 

Результаты. Разработана методика определения 19 приоритетных элементов в атмосферном воздухе методом ИСП-МС (МУК 4.1.3481–17). Методика позволяет выполнять измерения 19 элементов в атмосферном воздухе на уровне референтных концентраций (RfC), значительно ниже ПДКс.с. для всех элементов с показателем точности измерений от14 до 21%. 

Заключение. Разработанная методика МУК 4.1.3481–17 использована при исследовании проб атмосферного воздуха на различных территориях РФ.

ISP-MScollision / reaction cell (ORS)internal standardatmosphereИСП-MСреакционная/столкновительная ячейка (ORS)внутренний стандартатмосферный воздухWHO recommendations on air quality in Europe [Rekomendatsii VOZ po kachestvu vozdukha v Evrope]. Moscow: Ves’ mir; 2004: 312. (in Russian).Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха в Европе. М: Весь мир; 2004: 312.Atiskova N.G., Shur P.Z., Romanenko K.V. et al. Forming a list of priority hygenic standards of ambient air ingredients for harmonization. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya. 2013; 248 (11): 7–9. (in Russian).Атискова Н.Г., Шур П.З., Романенко К.В. и др. Формирование списков приоритетных для гармонизации гигиенических нормативов содержания химических веществ в атмосферном воздухе. Здоровье населения и среда обитания. 2013; 248 (11): 7-9.Onishchenko G.G., Zaitseva N.V., Ulanova T.S. Control of the content of chemical compounds and elements in biological media. Perm: Knizhnyj format; 2011: 520. (in Russian).Онищенко Г.Г., Зайцева Н.В., Уланова Т.С. Контроль содержания химических соединений и элементов в биологических средах. Пермь: Книжный формат; 2011: 520.Muzgin V.N., Emel’yanova N.N., Pupyshev A.A. Mass spectrometry with inductively coupled plasma - a new method in analytical chemistry. Analitika i kontrol’. 1998; 3-4: 3-25 (in Russian).Музгин В.Н., Емельянова Н.Н., Пупышев А.А. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой - новый метод в аналитической химии. Аналитика и контроль. 1998; 3-4: 3-25.Karandashev V.K., Turanov A.N., Orlova T.A., Lezhnev A.Е., Nosenko S.V., Zolotareva N.I., Moskvina I.R. Use of the mass spectrometry method with inductively coupled plasma in elemental analysis of environmental objects. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2007; 73 (1): 12–22. (in Russian).Карандашев В.К., Туранов А.Н., Орлова Т.А., Лежнев А.Е., Носенко С.В., Золотарева Н.И., Москвина И.Р. Использование метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в элементном анализе объектов окружающей среды. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007; 73 (1): 12-22.Pupyshev A.A., Surikov V.T. Mass spectrometry with inductively coupled plasma. Formation of ions [Mass-spektrometriya s induktivno svyazannoy plazmoy. Obrazovanie ionov]. Ekaterinburg: UrO RAN; 2006. 276 p. (in Russian).Пупышев А.А., Суриков В.Т. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. Образование ионов. Екатеринбург: УрО РАН; 2006: 276.Nelms S.M., ed. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Handbook. Blackwell Publishing Ltd.: 2005.Nelms S.M., ed. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Handbook. Blackwell Publishing Ltd.: 2005Ulanova T.S., Stenno E.V., Veikhman G.A., Shardakova YU.V., Bakanina M.A. Development of methodical methods for determination of vanadium in atmospheric air and biomedids by mass spectrometry with inductively coupled argon plasma. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. 2011; 12: 32–8 (in Russian).Уланова Т.С., Стенно Е.В., Вейхман Г.А., Шардакова Ю.В., Баканина М.А. Разработка методических приемов определения ванадия в атмосферном воздухе и биосредах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой. Вестник Тюменского государственного университета. 2011; 12: 32-8.Veikhman G.A., Ulanova T.S., Stenno E.V., Gileva O.V., Bakanina M.A. Evaluating chemical exposure in vannadium iron alloys production. Medicina truda i promyshlennaya ehkologiya. 2011; 11: 20–5. (in Russian).Вейхман Г.А., Уланова Т.С., Стенно Е.В., Гилева О.В., Баканина М.А. Оценка воздействия химического фактора в производстве феррованадиевых сплавов. Медицина труда и промышленная экология. 2011; 11: 20-5.Ulanova T.S., Nurislamova T.V., Karnazhitskaya T.D., Stenno E.V., Veikhman G.A. Use of a complex of current physicochemical methods of environmental investigations and human biological samples analysis for adverse chemical impact assessment. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya. 2012; 230 (5): 25–8. (in Russian).Уланова Т.С., Нурисламова Т.В., Карнажицкая Т.Д., Стенно Е.В., Вейхман Г.А. Использование комплекса современных физико-химических методов исследования объектов среды обитания и биологических сред населения для оценки неблагоприятного воздействия химических факторов. Здоровье населения и среда обитания. 2012; 230 (5): 25-8.Ulanova T.S., Karnazhitskaya T.D., Nakhieva E.A. Indoor and outdoor air quality assessment in facilities of the preschool educational establishments of large industrial center. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya. 2015; 12: 19–22. (in Russian).Уланова Т.С., Карнажицкая Т.Д., Нахиева Э.А. Исследования качества воздуха помещений и атмосферного воздуха дошкольных образовательных учреждений в крупном промышленном центре. Здоровье населения и среда обитания. 2015; 12: 19-22.Zaitseva N.V., Ulanova T.S., Sinitsyna O.O., Gileva O.V. Methodical ware for the hygienic risk assessment of vanadium exposure to the children’s health. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2014; 93 (4): 115–9. (in Russian).Зайцева Н.В., Уланова Т.С., Синицына О.О., Гилева О.В. Методическое обеспечение гигиенической оценки опасности воздействия ванадия на здоровье детского населения. Гигиена и санитария. 2014; 93 (4): 115-9.Kleyn S.V., Vekovshinina S.A., Balashov S.YU., Kamaltdinov M.R., Atiskova N.G., Nedoshitova A.V. et al. Analysis of cause-effect relations of the levels of biological markers of exposure to heavy metals with their personalized loading dose in the areas of wastes’ influence induced by the operation of the metallurgical plant in the past. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2017; 96 (1): 29–35 (in Russian).Клейн С.В., Вековшинина С.А., Балашов С.Ю., Камалтдинов М.Р., Атискова Н.Г., Недошитова А.В. и др. Анализ причинно-следственных связей уровней биологических маркеров экспозиции тяжелых металлов с их персонифицированной дозовой нагрузкой в зоне влияния отходов крупного металлургического комбината. Гигиена и санитария. 2017; 96 (1): 29-35.Pupyshev A.A., Epova E.N. Spectral interference of polyatomic ions in an inductively coupled plasma mass spectrometry method. Analitika i kontrol’. 2001; 5 (4): 335–369. (in Russian).Пупышев А.А., Эпова Е.Н. Спектральные помехи полиатомных ионов в методе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Аналитика и контроль. 2001; 5 (4): 335-69.Dorogova V.B., Zhurba O.M. Some aspects of air sampling. Sanitarnyy vrach. 2014; 2: 66–8 (in Russian).Дорогова В.Б., Журба О.М. Некоторые аспекты отбора проб воздуха. Санитарный врач. 2014; 2: 66-8.Dorogova V.B. About the sampling of air for the analysis of pollutants. Ekologiya cheloveka. 2010; 3: 16–8 (in Russian).Дорогова В.Б. Об отборе проб воздуха для анализа загрязняющих веществ. Экология человека. 2010; 3: 16-18.Pekney N., Davidson C. Determination of trace elements in ambient aerosol samples. Analytica Chimica Acta. 2005; 540 (2): 269–77.Pekney N., Davidson C. Determination of trace elements in ambient aerosol samples. Analytica Chimica Acta. 2005; 540 (2): 269-77.Amodio М., Catino S., Dambruoso P.R, et al. Atmospheric Deposition: Sampling Procedures, Analytical Methods, and Main Recent Findings from the Scientific Literature. Advances in Meteorology. 2014: 27. https://doi.org/10.1155/2014/161730Celo V., Dabek-Zlotorzynska E., Mathieuу D. et al. Validation of a simple microwave – assisted acid digestion method using microvessels for analysis of trace elements in atmospheric PM in monitoring and fingerprinting studies. The Open Chemical and Biomedical Methods Journal. 2010; 3: 143–52.Celo V., Dabek-Zlotorzynska E., Mathieuу D. et al. Validation of a simple microwave - assisted acid digestion method using microvessels for analysis of trace elements in atmospheric PM in monitoring and fingerprinting studies. The Open Chemical and Biomedical Methods Journal. 2010; 3: 143-52.Tursic J., Radić H., Kovacević M., Veber M. Determination of selected trace elements in airborne aerosol particles using different sample preparation. Arhiv za higijenu rada i toksikologiju. 2008; 59: 111–116.Tursic J., Radić H., Kovacević M., Veber M. Determination of selected trace elements in airborne aerosol particles using different sample preparation. Arhiv za higijenu rada i toksikologiju. 2008; 59: 111-116.Palomo-Marín M.R., Pinilla-Gil Е., Calvo-Blázquez L., Querol-Carceller Х. Method validation and quality assurance of an ICP-MS protocol for the evaluation of trace and major elements in ambient aerosol samples and application to an air quality surveillance network. Accreditation and Quality Assurance. 2015; 20(1): 17–23.Palomo-Marín M.R., Pinilla-Gil Е., Calvo-Blázquez L., Querol-Carceller Х. Method validation and quality assurance of an ICP-MS protocol for the evaluation of trace and major elements in ambient aerosol samples and application to an air quality surveillance network. Accreditation and Quality Assurance. 2015; 20(1): 17-23.Danadurai K.S.K., Chellam S., Lee C.-T., Fraser M.P. Trace elemental analysis of airborne particulate matter using dynamic reaction cell inductively coupled plasma – mass spectrometry: Application to monitoring episodic industrial emission events. Analytica Chemica Acta. 2011; 686: 40–44.Danadurai K.S.K., Chellam S., Lee C.-T., Fraser M.P. Trace elemental analysis of airborne particulate matter using dynamic reaction cell inductively coupled plasma - mass spectrometry: Application to monitoring episodic industrial emission events. Analytica Chemica Acta. 2011; 686: 40-44.Toscano G., Gambaro A., Capodaglio G., Cairns W.R.L., Cescon P. Assessment of a procedure to determine trace and major elements in atmospheric aerosols. Journal of Environmental Monitoring. 2009; (11):193–199.Toscano G., Gambaro A., Capodaglio G., Cairns W.R.L., Cescon P. Assessment of a procedure to determine trace and major elements in atmospheric aerosols. Journal of Environmental Monitoring. 2009; (11):193-199.Yang K.X., Swami K., Husain L. Determination of trace metals in atmospheric aerosols with a heavy matrix of cellulose by microwave digestion-inductively coupled plasma mass spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2002; 57(1): 73–84.Yang K.X., Swami K., Husain L. Determination of trace metals in atmospheric aerosols with a heavy matrix of cellulose by microwave digestion-inductively coupled plasma mass spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2002; 57(1): 73-84.Swami K., Judd C.D., Orsini J., Yang K.X., Husain L. Microwave assisted digestion of atmospheric aerosol samples followed by inductively coupled plasma mass spectrometry determination of trace elements. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2001; 369(1): 63–70.Swami K., Judd C.D., Orsini J., Yang K.X., Husain L. Microwave assisted digestion of atmospheric aerosol samples followed by inductively coupled plasma mass spectrometry determination of trace elements. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2001; 369(1): 63-70.Kubrakova I.V., Toropchenova E.S. Microwave sample preparation for geochemical and ecological studies. Zhurnal analiticheskoj himii.2013; 68 (6): 524–534 (in Russian).Кубракова И.В., Торопченкова Е.С. Микроволновая подготовка проб в геохимических и экологических исследованиях. Журнал аналитической химии. 2013; 68 (6): 524-34.Kiseleva M.S., Tyutyunnik O.A., Nikulin A.V. i dr. Microwave Treatment of Natural Objects Using New Technical Solutions. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2014; 80(6): 7–11 (in Russian).Киселева М.С., Тютюнник О.А., Никулин А.В. и др. Микроволновая подготовка природных объектов с использованием новых технических решений. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014; 80 (6): 7-11.Karthikeyan S., Joshi U.M., Balasubramanian R. Microwave assisted sample preparation for determining water-soluble fraction of trace elements in urban airborne particulate matter: Evaluation of bioavailability. Analytica Chimica Acta. 2006; 576(1): 23–30.Karthikeyan S., Joshi U.M., Balasubramanian R. Microwave assisted sample preparation for determining water-soluble fraction of trace elements in urban airborne particulate matter: Evaluation of bioavailability. Analytica Chimica Acta. 2006; 576(1): 23-30.Sastre J., Sahuquillo A., Vidal M., Rauret G. Determination of Cd, Cu, Pb and Zn in environmental samples: Microwave-assisted total digestion versus aqua regia and nitric acid extraction. Analytica Chimica Acta. 2002; 462 (1): 59–72.Sastre J., Sahuquillo A., Vidal M., Rauret G. Determination of Cd, Cu, Pb and Zn in environmental samples: Microwave-assisted total digestion versus aqua regia and nitric acid extraction. Analytica Chimica Acta. 2002; 462 (1): 59-72.Ermolin M.S., Fedotov P.S., Ivaneev A.I., Karandashev V.K. et al. Isolation and quantitative analysis of road dust nanoparticles. Zhurnal analiticheskoj himii. 2017; 72 (5): 448-461.Ермолин М.С., Федотов П.С., Иванеев А.И., Карандашев В.К. и др. Выделение и количественный анализ наночастиц дорожной пыли. Журнал аналитической химии. 2017; 72 (5): 448-61