主题：【分享】12月第二周主打——ICP-MS

感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）的组成及工作原理
　　ICP-MS是利用感应耦合等离子体作为离子源，产生的样品离子经质量分析器和检测器后得到质谱，因此，与有机质谱仪类似，ICP-MS也是由离子源、分析器、检测器、真空系统和数据处理系统组成。

10.3.1.1 电离源
　　ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体（ICP），它与原子发射光谱仪所用的ICP是一样的，其主体是一个由三层石英套管组成的炬管，炬管上端绕有负载线圈，三层管从里到外分别通载气，辅助气和冷却气，负载线圈由高频电源耦合供电，产生垂直于线圈平面的磁场。如果通过高频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。强大的电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000k的等离子焰炬。样品由载气带入等离子体焰炬会发生蒸发、分解、激发和电离，辅助气用来维持等离子体，需要量大约为1L/min。冷却气以切线方向引入外管，产生螺旋形气流，使负载线圈处外管的内壁得到冷却，冷却气流量为10-15L/min。
　　最常用的进样方式是利用同心型或直角型气动雾化器产生气溶胶，在载气载带下喷入焰炬，样品进样量大约为1ml/min，是靠蠕动泵送入雾化器的。
　　在负载线圈上面约10mm处,焰炬温度大约为8000K,在这么高的温度下,电离能低于7eV的元素完全电离，电离能低于10.5ev的元素电离度大于20%。由于大部分重要的元素电离能都低于10.5eV，因此都有很高的灵敏度，少数电离能较高的元素，如C，O，Cl，Br等也能检测，只是灵敏度较低。

10.3.1.2 接口装置
　　ICP是在大气压下工作，而质量分析器是在真空下工作，为了使ICP产生的离子能够进入质量分析器而不破坏真空，在ICP焰炬和质量分析器之间有一个用于离子引出的接口装置，下图是这种接口装置的示意图。
该装置主要由两个锥体组成，靠近焰炬的称为取样锥，靠近分析器的为分离锥，取样锥装在一个水冷挡板上，锥体材料为镍，取样孔径为0.5-1mm。分离锥与取样锥类似，经过两级锥体的阻挡和两级真空泵的抽气，使得分离锥后的压力可以达到10^-3Pa。等离子体的气体以大约6000K的高温进入取样锥孔，由于气体极迅速的膨胀，使等离子体原子碰撞频率下降，气体的温度也迅速下降，使得等离子体的化学成分不再变化。通过分离锥后，依靠一个静电透镜将离子与中性粒子分开，中性粒子被真空系统抽离，离子则被聚焦后进入质量分析器。
该装置主要由两个锥体组成，靠近焰炬的称为取样锥，靠近分析器的为分离锥，取样锥装在一个水冷挡板上，锥体材料为镍，取样孔径为0.5-1mm。分离锥与取样锥类似，经过两级锥体的阻挡和两级真空泵的抽气，使得分离锥后的压力可以达到10^-3Pa。等离子体的气体以大约6000K的高温进入取样锥孔，由于气体极迅速的膨胀，使等离子体原子碰撞频率下降，气体的温度也迅速下降，使得等离子体的化学成分不再变化。通过分离锥后，依靠一个静电透镜将离子与中性粒子分开，中性粒子被真空系统抽离，离子则被聚焦后进入质量分析器。

质量分析与离子检测
　　经过离子透镜的离子能量分散较小，可以用四极滤质器进行质量分离。分析器的质量范围大约为3-300，具有一个质量单位的分辨能力，为了提高分辨率，也可以应用磁式双聚焦质量分析器。离子的检测主要应用电子倍增器，产生的脉冲信号直接输入到多道脉冲分析器中，得到每一个质荷比的离子的计数，即质谱。

质谱仪工作条件
主要是设置扫描的范围。为了减少空气中成分的干扰，一般要避免采集N2、O2、Ar等离子，进行定量分析时，质谱扫描要挑选没有其它元素及氧化物干扰的质量。 　　同时还要有合适的倍增器电压。 　　事实上，在每次分析之前，需要用多元素标准溶液对仪器整体性能进行测试，如果仪器灵敏度能达到预期水平，则仪器不再需要调整，如果灵敏度偏低，则需要调节载气流量，锥孔位置和透镜电压等参数。

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术及其应用
元素分析是化学分析的一个重要组成部分，传统的元素分析方法包括分光光度法、原子吸收法（火焰与石墨炉）、原子荧光光谱法、ICP发射光谱法等。这些方法都各有其优点，但也有其局限性，例如：或是样品前处理复杂，需萃取、浓缩富集或抑制干扰；或是不能进行多组分或多元素同时测定，耗时费力；或是仪器的检测限或灵敏度达不到指标要求等。电感耦合等离子体质谱—ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)技术是几乎克服了传统方法的大多数缺点，并在此基础上发展起来的更加完善的元素分析法，因而被称为当代分析技术的重大发展。

ICP-MS的工作原理及其分析特性: 在ICP-MS中，ICP作为质谱的高温离子源（7000K），样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的MS部分，MS部分为四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子，扫描元素质量数范围从6到260，并通过高速双通道分离后的离子进行检测，浓度线性动态范围达9个数量级从ppq到1000ppm直接测定。因此，与传统无机分析技术相比，ICP-MS技术提供了最低的检出限、最宽的动态线性范围、干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定以及可提供精确的同位素信息等分析特性。ICP-MS的谱线简单，检测模式灵活多样：　 （1）通过谱线的质荷之比进行定性分析； （2）通过谱线全扫描测定所有元素的大致浓度范围，即半定量分析，不需要标准溶液，多数元素测定误差小于20%； （3）用标准溶液校正而进行定量分析，这是在日常分析工作中应用最为广泛的功能； （4）同位素比测定是ICP-MS的一个重要功能，可用于地质学、生物学及中医药学研究上的追踪来源的研究及同位素示踪。

ICP-MS发展简史及应用范围:电感耦合等离子体质谱ICP-MS，是20世纪80年代发展起来的新的分析测试技术。它以独特的接口技术将ICP-MS的高温（7000K）电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合而形成一种新型的元素和同位素分析技术，可分析几乎地球上所有元素。ICP-MS技术的分析能力不仅可以取代传统的无机分析技术如电感耦合等离子体光谱技术、石墨炉原子吸收进行定性、半定量、定量分析及同位素比值的准确测量等。还可以与其他技术如HPLC、HPCE、GC联用进行元素的形态、分布特性等的分析。随着这项技术的迅速发展，现已被广泛地应用于环境、半导体、医学、生物、冶金、石油、核材料分析等领域。

1. ICP-MS在环境样品分析中的应用 保护环境，实现可持续发展，正成为全世界的共识。世界各国政府及组织纷纷通过各种环境保护法规，对环境分析化学提出了越来越高的要求，环境分析化学样品多种多样，包括大气、水、岩石、砂土、泥土、污泥以及和生态环境相关的各种植物样品。世界各国的法规对这一些样品的浓度范围均作了严格的规定。为了保证所测定的结果的准确性，对于这些环境样品的分析所采用的分析仪器，分析方法、采样方法等也作了严格的法规规定，其中最典型的就是美国国家环保局所规定的ICP-MS技术用语，饮用水、地表水、地下水各种元素的EPA method 200.8和用于废水、固体废弃物、沉积物、泥土等样品中的各种元素分析的EPA method 6020。 随着环境法规对一些有毒有害元素的检测限的要求提高，对分析技术也提出了越来越多的需求。比如，根据建设部《城市供水业2000年技术进步发展规划》，新增水质指标项，其中要求检测的金属和非金属元素共有23种（新增12种）：Fe、Mn、Cu、Zn、As、Se、Hg、Cd、Cr、（Ⅳ）、Pb、Ag、Al、Na、Ca、Mg、Si、Ba、B、Be、Ni、Sb、V、Co。这些元素的浓度范围大到数十甚至数百ppm（如Na、Ca、Mg、Si等），小至ppt级（如Hg）。由于检测项目大量增加，而且它们的基准和测限（浓度）都非常低，传统的分析方法如ICP-AES技术对Se、Hg、Be、As、Pb、Tl、U等元素不能达到检测限要求，必须与石墨炉原子吸收（GF-AAS）和汞冷原子吸收（CV-AAS）技术结合使用才能达到大部分元素的分析要求。而ICP-MS技术的出现，在某种程度上可以取代ICP-AES、GF-AAS和CV-AAS等分析，且可以测定它们均不能分析的饮用水标准中特殊要求的U和Tl。同时ICP-MS技术还可以直接测定海水中与环境污染或水文变化相关的多种元素。

2、ICP-MS与其他技术的联用及其在生命科学研究中的应用 随着生命科学研究发展的需要，对环境卫生规划的新要求也不断提高，要求对元素分析的检测限也越来越低，对元素存在的形态要求也越明确。因为元素的形态不同，其作用的机理完全不同。因此，如果仅研究体系中元素的总含量，已经不足于研究该元素在体系中的生理和毒理作用。如Cr(Ⅲ)对人体大有益处，而Cr(Ⅵ)则会引起皮肤病、肺癌等，ICP-MS技术与离子色谱技术联用分别测定Cr(Ⅲ) 和Cr(Ⅵ)已经是十分成熟的方法，其检测限可以达ppt级，每个样品的操作时间不超过7分钟，操作简便，大大节省人力、物力。 HG-ICP-MS（氢化物发生器与ICP-MS）联用技术应用于海水中超痕量污染物如As、Se、Sb等易受干扰难测元素的分析具有优越性。 GC-ICP-MS技术已被用于多种污染物的形态分析，如船用涂料中有机Sn的影响，使牡蛎大量死亡，用GC-ICP-MS技术可分离出不同形态的有机锡代谢产物，从而推动了船用涂料的改进。在低泥中也曾用GC-ICP-MS联用技术分离测定二甲基铅、二乙基铅多种有机铅形态，推动汽车污染的环境迁移研究。生物对Hg的甲基化及富集作用是GC-ICP-MS技术的另一个应用范围。
高效毛细管电泳（CE）技术是目前最强有力的分离技术，CE与ICP-MS的强检测能力结合起来是将来联用技术最有潜力的应用领域。许多科学家都已在这一领域作了探索工作，并在生物化学领域有了一些具体的应用。 与环境化学、毒理学等生命科学研究关系最密切的应用当属高效液相色谱分离（HPLC）与ICP-MS联用技术。HPLC是一种具有高效的分离技术，尤其适用于热稳定性差、分子量大、极性较强的物质的分离。把HPLC与具有极低的检测限、宽的动态线性范围、干扰少、分析精密度高、速度快和可测定多元素等优点的ICP-MS联用，可用于研究中草药、藻类、鱼类、人类等生物体内含Cd、Se、As、Cu、Zn、Pb等元素与多种氨基酸、多肽和蛋白质结合的机理以及某些元素对酶的位点的作用过程。另外，某些维生素大环化合物和DNA片断与金属元素的作用也在HPLC-ICP-MS的联用技术发展中得到应用。能在复杂的基体中准确地分析微量、痕量元素同位素，同时将ICP-MS用作HPLC的检测器跟踪被测元素同位素在各形态中的信号变化，使得色谱图变得简单，有助于元素形态的确认及进行定量析。