Hinweis: Dieser Beitrag dient ausschließlich der allgemeinen Information und dem besseren Verständnis des Themas. Er stellt keine individuelle rechtliche, gesundheitliche oder fachtechnische Beratung dar und ersetzt nicht die Beurteilung durch eine qualifizierte Fachperson oder ein akkreditiertes Prüflabor. Verbindliche Aussagen zu Ihrem konkreten Fall sind nur auf Basis einer fachgerechten Probenahme und Laboranalyse möglich.

ICP-MS oder ICP-OES? Die Elementanalytik verständlich verglichen

ICP-MS und ICP-OES sind zwei eng verwandte Verfahren der Elementanalytik – und werden trotzdem oft verwechselt. Die kurze Antwort auf die häufigste Frage vorweg: Beide zerlegen die Probe im selben, extrem heißen Argon-Plasma in Atome und Ionen; der Unterschied liegt allein darin, was danach gemessen wird. ICP-OES misst das Licht, das die angeregten Atome aussenden, ICP-MS zählt die erzeugten Ionen nach ihrer Masse. Daraus folgt eine einfache Faustregel: ICP-MS ist deutlich empfindlicher und damit erste Wahl für Spuren, ICP-OES ist robuster und passt besser zu höheren Konzentrationen und salzreichen Proben. Dieser Ratgeber erklärt die Unterschiede im Detail, ordnet die einschlägigen Normen ein und zeigt, warum die Kationen-Analyse in der Regel per ICP-MS läuft.

Ein Plasma, zwei Detektionswege

Das Herzstück beider Verfahren ist identisch: ein induktiv gekoppeltes Plasma (englisch inductively coupled plasma, kurz ICP). Dabei handelt es sich um ein rund 6.000 bis 10.000 Grad Celsius heißes Argon-Plasma, in das die vorbereitete Probe eingebracht wird. In dieser extremen Hitze wird die Probe verdampft, in einzelne Atome zerlegt (atomisiert) und schließlich ionisiert. Bis zu diesem Punkt arbeiten ICP-MS und ICP-OES praktisch gleich. Der Unterschied entsteht erst danach – bei der Frage, wie das erzeugte Signal in einen Messwert übersetzt wird.

ICP-OES steht für „optische Emissionsspektrometrie" und wird gleichbedeutend auch ICP-AES (Atom-Emissionsspektrometrie) genannt. Gemessen wird hier das Licht, das die angeregten Atome und Ionen aussenden, wenn sie in einen energieärmeren Zustand zurückfallen. Jedes Element strahlt dabei bei charakteristischen, elementspezifischen Wellenlängen. Die Intensität dieses Lichts ist proportional zur Konzentration des Elements in der Probe – je mehr eines Elements vorhanden ist, desto heller die zugehörige Linie.

ICP-MS steht dagegen für „Massenspektrometrie". Hier werden nicht Lichtsignale, sondern die im Plasma erzeugten Ionen selbst ausgewertet: Sie werden nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung getrennt und einzeln gezählt. Weil dabei die Massen erfasst werden, lassen sich mit ICP-MS über die reine Elementbestimmung hinaus auch einzelne Isotope eines Elements unterscheiden und messen – etwas, das der optischen Emissionsspektrometrie prinzipiell nicht möglich ist.

Die Normen: DIN EN ISO 17294-2 und DIN EN ISO 11885

Für beide Verfahren gibt es etablierte Normen aus der Wasseranalytik, die den Anwendungsbereich und die Durchführung festlegen.

Für die ICP-MS ist das DIN EN ISO 17294-2 mit dem Titel „Wasserbeschaffenheit – Anwendung der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)". Die aktuelle Ausgabe trägt das Datum 2017-01 und löst frühere Fassungen (2005 beziehungsweise 2004) ab. Die Methode deckt die Bestimmung von bis zu 62 Elementen ab.

Für die ICP-OES gilt DIN EN ISO 11885:2009-09 „Wasserbeschaffenheit – Bestimmung von ausgewählten Elementen durch induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie (ICP-OES)". Sie basiert auf der internationalen Norm ISO 11885:2007 und umfasst 33 Elemente.

Beide Normen stammen ursprünglich aus dem Bereich der Wasseranalytik, werden in der Praxis aber – oft nach einem vorgeschalteten Aufschluss oder einer Eluat-Herstellung – auch auf Feststoffe und deren wässrige Auszüge angewendet. Welche Norm im Einzelfall herangezogen wird, hängt von der Matrix, der Fragestellung und den erwarteten Konzentrationen ab.

Der entscheidende Unterschied: Empfindlichkeit

Der praktisch wichtigste Unterschied zwischen den beiden Verfahren ist die Empfindlichkeit, also die kleinste noch zuverlässig erfassbare Konzentration.

ICP-MS erreicht typischerweise Nachweisgrenzen im Nanogramm-pro-Liter-Bereich (ng/L), was Teilen pro Billion (englisch parts per trillion, ppt) entspricht. ICP-OES bewegt sich üblicherweise im Bereich von Mikrogramm bis Milligramm pro Liter (µg/L bis mg/L), also im ppb- bis ppm-Bereich. In der Summe ist ICP-MS damit für viele Elemente etwa 10- bis 1000-fach empfindlicher als ICP-OES.

Wie tief die ICP-MS im Alltag geht, macht der Anwendungsbereich der Norm deutlich: Laut DIN EN ISO 17294-2 liegt die untere Grenze des Anwendungsbereichs für die meisten Elemente in Trinkwasser und relativ gering belastetem Wasser zwischen 0,1 µg/L und 1,0 µg/L. Für echte Spuren- und Ultraspurenanalytik führt an der ICP-MS deshalb in der Regel kein Weg vorbei.

Wo ICP-OES ihre Stärken hat: Matrixtoleranz

Empfindlichkeit ist nicht alles. Bei anspruchsvollen Proben spielt die ICP-OES ihre eigene Stärke aus: die Toleranz gegenüber hohen Salz- und Säurefrachten.

ICP-OES verträgt deutlich höhere Feststoffgehalte in der Lösung. Moderne ICP-MS-Geräte sind dagegen meist auf rund 0,2 Prozent gelöste Feststoffe begrenzt – das entspricht etwa 2.000 mg/L und liegt ungefähr um den Faktor 100 unter dem, was die ICP-OES verkraftet. Salzreiche Proben sprechen daher tendenziell eher für die ICP-OES, weil die ICP-MS bei solchen Matrizes oft erst stark verdünnt werden müsste – was ihren Empfindlichkeitsvorteil wieder aufzehrt.

Hinzu kommt ein weiteres Thema, das bei der ICP-MS Aufmerksamkeit verlangt: spektrale beziehungsweise polyatomare Interferenzen. Dabei bilden Atome aus Plasma, Lösungsmittel oder Matrix mehratomige Ionen, deren Masse zufällig mit der eines Zielelements zusammenfällt. Bekannte Beispiele sind ArO⁺ auf Masse 56, das die Bestimmung von Eisen stören kann, und ArCl⁺ auf Masse 75, das Arsen überlagert. Moderne ICP-MS-Geräte reduzieren solche Störungen mit einer sogenannten Kollisions- beziehungsweise Reaktionszelle. Die ICP-OES ist von genau diesen massenbasierten Interferenzen naturgemäß nicht betroffen, kennt dafür aber eigene, optische Linienüberlagerungen.

Faustregel zur Verfahrenswahl

Aus den genannten Eigenschaften ergibt sich eine praxisnahe Orientierung, welches Verfahren in welcher Situation üblicherweise sinnvoll ist:

• ICP-MS eignet sich in der Regel für die Spuren- und Ultraspurenanalytik sowie überall dort, wo niedrige gesetzliche Grenzwerte einzuhalten sind und entsprechend niedrige Nachweisgrenzen gebraucht werden.
• ICP-OES ist üblicherweise die passende Wahl für Haupt- und höhere Nebenbestandteile sowie für schwierige, salz- oder säurereiche Matrizes, bei denen die ICP-MS an ihre Matrixgrenze stößt.

Ein wichtiger Punkt, der beide verbindet: Beide Verfahren sind multielementfähig. Sie erfassen also in einem einzigen Messlauf zahlreiche Elemente gleichzeitig. Das macht sie in der Umwelt- und Materialanalytik so verbreitet – man erhält mit einem Verfahren ein breites Elementspektrum statt Element für Element einzeln messen zu müssen. Die Entscheidung zwischen den beiden ist deshalb selten eine „entweder/oder"-Grundsatzfrage, sondern eine Frage der konkreten Probe: erwartete Konzentration, geforderte Nachweisgrenze und Matrix.

Bezug zur Kationen-Analyse: Warum hier ICP-MS

Die Kationen-Analyse von Schadstoffalarm.de wird mit ICP-MS durchgeführt. Der Grund ergibt sich unmittelbar aus dem oben Gesagten: Kationen und Metalle liegen in vielen Proben nur in Spuren vor. Um sie belastbar zu erfassen, sind niedrige Nachweisgrenzen erforderlich – und genau die liefert die ICP-MS. Für ein Verfahren, das positiv geladene Ionen und Metalle bis in den µg/L-Bereich und darunter erfassen soll, ist die Massenspektrometrie daher die sachgerechte Wahl.

Das schließt nicht aus, dass in bestimmten Konstellationen – etwa bei sehr hohen Gehalten oder ausgeprägt salzreichen Matrizes – die ICP-OES das robustere Werkzeug wäre. Welche Norm und welches Verfahren im Einzelfall angewendet werden, hängt immer von Matrix und Fragestellung ab und davon, ob das konkrete Verfahren im jeweiligen Partnerlabor akkreditiert ist. Wer die Details zum Verfahren und Umfang nachlesen möchte, findet sie auf der Seite zur Kationen-Analyse per ICP-MS.

Ehrlichkeit zu Akkreditierung und Angebot

Zwei Punkte gehören der Fairness halber klar benannt.

Erstens die Akkreditierung: Der Betreiber der Plattform, die GUNICO Crown UG aus Büttelborn, ist selbst nicht akkreditiert. Die Auswertung erfolgt in externen, teils DAkkS-akkreditierten Partnerlaboren – wobei nicht jedes Verfahren automatisch DAkkS-akkreditiert ist. Die ICP-MS- und ICP-OES-Verfahren nach DIN EN ISO sind genormt, das heißt sie folgen einem festgelegten, überprüfbaren Regelwerk. Genormt zu sein bedeutet aber nicht automatisch, dass der konkrete Auftrag akkreditiert bearbeitet wird. Ob eine Akkreditierung für ein bestimmtes Verfahren vorliegt, hängt vom jeweiligen Partnerlabor und seinem Prüfumfang ab und wird nicht pauschal versprochen.

Zweitens der Leistungsumfang: Schadstoffalarm.de bietet aktuell ausschließlich PAK, Asbest, die Kationen-Analyse (ICP-MS), Chlorid-Eluat und Chlorid-Feststoff an. Themen wie Formaldehyd, Schimmel, PCB, künstliche Mineralfasern (KMF), separate Schwermetall-Pakete oder Radon gehören derzeit nicht zum Angebot und lassen sich hier nicht bestellen. Wer speziell nach diesen Untersuchungen sucht, ist auf andere Anbieter angewiesen. Ein Hinweis am Rande: Falls im Zuge einer Materialuntersuchung ein Asbestverdacht besteht, ist zu bedenken, dass bei der Probenahme Fasern freigesetzt werden können; hier ist es in der Regel ratsam, die Probenahme einer qualifizierten Fachfirma zu überlassen, statt selbst Hand anzulegen.

Häufige Fragen

Was ist der Hauptunterschied zwischen ICP-MS und ICP-OES? Beide verdampfen und ionisieren die Probe im Argon-Plasma. ICP-OES misst das von den Atomen ausgesandte Licht (Emission), ICP-MS zählt die Ionen nach ihrer Masse. Dadurch ist ICP-MS deutlich empfindlicher, ICP-OES dafür robuster bei hohen Konzentrationen und salzreichen Proben.

Welches Verfahren ist empfindlicher? ICP-MS. Es erreicht Nachweisgrenzen im ng/L-Bereich (ppt), ICP-OES typischerweise im µg/L- bis mg/L-Bereich (ppb bis ppm) – also grob 10- bis 1000-fach weniger empfindlich. Für echte Spuren führt daher meist an ICP-MS kein Weg vorbei.

Wann nimmt man ICP-OES statt ICP-MS? Wenn die Elemente in höheren Konzentrationen (Haupt- oder Nebenbestandteile) vorliegen oder die Probe sehr salz- beziehungsweise säurereich ist. ICP-OES verträgt deutlich höhere Feststofffrachten und ist für viele Routineanalysen völlig ausreichend.

Welche Normen gelten für die beiden Verfahren? Für ICP-MS in Wasser DIN EN ISO 17294-2 (bis zu 62 Elemente), für ICP-OES DIN EN ISO 11885 (33 Elemente). Welche Norm im Einzelfall angewandt wird, hängt von Matrix und Fragestellung ab – und davon, ob das konkrete Verfahren im Partnerlabor akkreditiert ist.

Womit wird die Kationen-Analyse von Schadstoffalarm.de gemessen? Mit ICP-MS. Kationen und Metalle liegen oft in Spuren vor, daher sind die niedrigen Nachweisgrenzen der ICP-MS sinnvoll. Die Auswertung erfolgt in externen, teils DAkkS-akkreditierten Partnerlaboren; der Betreiber selbst ist nicht akkreditiert.

Hinweis: Dieser Beitrag dient ausschließlich der allgemeinen Information und dem besseren Verständnis des Themas. Er stellt keine individuelle rechtliche, gesundheitliche oder fachtechnische Beratung dar und ersetzt nicht die Beurteilung durch eine qualifizierte Fachperson oder ein akkreditiertes Prüflabor. Verbindliche Aussagen zu Ihrem konkreten Fall sind nur auf Basis einer fachgerechten Probenahme und Laboranalyse möglich.