原子光譜是通過(guò)電磁或質(zhì)譜確定分析物元素組成的技術(shù)。有幾種原子光譜分析技術(shù)可供使用，選擇最合適的一種是獲得準確、可靠、真實(shí)結果的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)介紹 ICP-MS。

概述

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀是一種分析工具，能夠測量非常低水平的約 72 種不同元素。大多數這些元素的檢測限都低于萬(wàn)億分之幾，有些甚至在萬(wàn)億分之幾的范圍內。

樣品以氣溶膠形式引入氬等離子體。等離子體干燥這種氣溶膠，分解分子，然后從組件中去除電子。這會(huì )形成單電荷離子，然后將其導入質(zhì)譜儀 (MS)。

MS 實(shí)際上是一種過(guò)濾裝置，在任何給定時(shí)間只允許一個(gè)質(zhì)荷比通過(guò)。在通過(guò) MS 后，離子撞擊電子倍增器檢測器。離子的影響釋放出電子級聯(lián)，該級聯(lián)被放大直到成為可測量的信號。該軟件將測量信號的強度與已知校準標準的強度進(jìn)行比較，以確定元素的濃度。

任何 ICP-MS 均由以下組件組成：

• 樣品引入系統 - 引入 ICP-MS 系統的絕大多數樣品是液體（可以通過(guò)使用高性能激光燒蝕樣品來(lái)引入固體顆粒。激光燒蝕 ICP-MS 的專(zhuān)業(yè)應用范圍很小并且這里不詳細討論）。液體樣品通常由蠕動(dòng)泵輸送到霧化器，霧化器會(huì )產(chǎn)生細小液滴的氣溶膠，然后將其引入氬等離子體。使用的霧化器類(lèi)型取決于待分析樣品的粘度、清潔度和基質(zhì)。

每種類(lèi)型的霧化器都將優(yōu)化特定樣品類(lèi)型的引入，從而實(shí)現 ICP-MS 的最佳性能。一旦產(chǎn)生細小液滴，它們將在進(jìn)入等離子體之前通過(guò)霧化室。同樣，選擇的霧化室將最適合樣品和應用。

霧化器和霧化室選擇和配置的目的是確保始終均勻的液滴形成氣溶膠，然后進(jìn)入炬管。

• ICP 炬管和 RF 線(xiàn)圈——它們結合產(chǎn)生氬等離子體，用作 ICP-MS 的離子源。ICP-MS 炬管中產(chǎn)生的等離子體會(huì )形成一個(gè)溫度約為 6000 °C 的區域，該區域類(lèi)似于太陽(yáng)表面。

等離子體是通過(guò)將氬氣通過(guò)一系列同心石英管（炬管）產(chǎn)生的，這些石英管的一端封閉在射頻 (RF) 線(xiàn)圈內。能量由射頻發(fā)生器提供給線(xiàn)圈，頻率通常為 27 MHz，并與氬氣耦合以產(chǎn)生等離子體。通過(guò)控制和改變等離子體的功率，可以處理包括有機溶劑在內的各種樣品基質(zhì)。

仍然包含樣品基質(zhì)和待測定元素的氣溶膠液滴通過(guò)這個(gè) 6000 o C 區域，首先干燥成固體，然后加熱成氣體。然后原子吸收更多能量并最終釋放一個(gè)電子形成單電荷離子。單電荷離子然后穿過(guò)等離子體并進(jìn)入界面區域和真空系統。

• 接口 – 等離子體與 ICP-MS 的離子透鏡和 MS 部件之間存在很大的溫度和壓力差。接口區域將 ICP-MS 的這兩個(gè)獨立區域連接在一起，使單電荷離子能夠繼續它們的旅程到達檢測器。該接口通常由兩個(gè)錐體組成，允許兩級減壓，錐體由鉑或鎳制成。

• 真空系統——單電荷離子需要在不與任何其他氣體分子碰撞的情況下到達檢測器。為了實(shí)現這一點(diǎn)，有必要通過(guò)創(chuàng )建真空系統來(lái)去除盡可能多的潛在阻礙氣體分子；這通常需要一個(gè)低真空泵和一個(gè)渦輪分子泵。現代 ICP-MS 系統現在擁有幾乎不需要維護的渦輪泵。

• 碰撞/反應池——該池旨在消除可能降低可達到的潛在檢測限的干擾。大多數現代 ICP-MS 都有一個(gè)可用于碰撞池和反應池模式的池。

當生成的離子具有與分析物離子相同的質(zhì)荷比時(shí)，會(huì )導致 ICP-MS 中的干擾。常見(jiàn)的來(lái)源是血漿、樣品或兩者的組合。一些常見(jiàn)的干擾是

1. 質(zhì)量為 56 的鐵受到 ArO 的干擾

2. 質(zhì)量為 75 的砷受到 ArCl 的干擾

3. 質(zhì)量為 80 的硒受到 ArAr 二聚體的干擾

在質(zhì)量為 56 的鐵的情況下，iCRC（碰撞/反應）電池可以將氦氣引入電池，其物理上比鐵離子大。干擾離子將比 Fe 更頻繁地與氦原子碰撞，并且每次碰撞都會(huì )失去動(dòng)能。細胞出口處有一個(gè)能量屏障，它被設置為只允許更高能量的離子通過(guò)。因此，在這種情況下，ArO 干擾物被移除。這被稱(chēng)為動(dòng)能辨別。

我們也可以在 Reaction 模式下操作；在這里，我們在電池中使用氫，氫會(huì )與干擾離子發(fā)生反應，使其質(zhì)量增加 1 amu。該質(zhì)量將不允許通過(guò) MS。例如，通過(guò)這種方法可以消除測量質(zhì)量為 75 的 Ar 時(shí)的 ArCl 干擾。

如果沒(méi)有干擾（某些質(zhì)量沒(méi)有干擾離子或基質(zhì)非常干凈），那么池實(shí)際上是空的，我們可以在“無(wú)氣體”模式下運行。

大多數 ICP-MS 都有碰撞/反應池作為離子源和 MS 之間的特定單元。更高效、更強大的 ICP-MS 的單元位于界面區域，可以更高效、更快速地引入更多氣體。

• 離子光學(xué) - 不同的制造商對他們的離子光學(xué)有不同的方法和設計，但他們都試圖達到相同的結果；只有所需的目標離子進(jìn)入四極質(zhì)譜儀，同時(shí)確保任何剩余的中性物質(zhì)和光子不會(huì )到達 MS。

離子束被離子光學(xué)器件彎曲 90 0度，不需要的中性粒子和光子直接通過(guò)并被真空系統去除。

一個(gè)問(wèn)題是，當離子束從界面區域通過(guò) ICP-MS 移動(dòng)到 MS 時(shí)，它會(huì )不斷發(fā)散，并且更少的離子會(huì )通過(guò)檢測器。所有設計都試圖彌補這一點(diǎn)，但更有效的是創(chuàng )建一個(gè) 3D 靜電場(chǎng)，可以非常精細地調整和聚焦每個(gè)樣品中正在分析的質(zhì)量。

• 質(zhì)譜儀——這是一種按質(zhì)荷比 (m/z) 對離子進(jìn)行分類(lèi)的質(zhì)量過(guò)濾器。商用 ICP-MS 系統中使用了幾種質(zhì)譜儀：四極桿、飛行時(shí)間和扇形磁場(chǎng)。由于整體性能和經(jīng)濟價(jià)值，大多數實(shí)驗室選擇配備四極桿質(zhì)譜儀的 ICP-MS。

四極桿通過(guò)設置電壓和射頻來(lái)工作，只允許特定質(zhì)荷比的離子在棒內保持穩定，從而通過(guò)檢測器。任何具有不同質(zhì)荷比的離子在電池中都是不穩定的并被排出。為了覆蓋整個(gè)質(zhì)量范圍，電子器件會(huì )迅速改變四極桿的條件，以允許不同質(zhì)荷比的離子通過(guò)。

因此，盡管 ICP-MS 實(shí)際上是逐個(gè)質(zhì)量地連續測量，但四極桿能夠以每秒超過(guò) 5000 個(gè)原子質(zhì)量單位 (amu) 的速率進(jìn)行掃描。這使得 ICP-MS 能夠非常快速地測量許多不同的元素，即使在任何時(shí)候只有一個(gè)質(zhì)量通過(guò)四極桿。

• 檢測器 – 當離子離開(kāi) MS 時(shí)，它們撞擊檢測器的活性表面并產(chǎn)生可測量的電子信號。每次離子撞擊該活性表面（打拿極）并開(kāi)始放大過(guò)程時(shí)，它都會(huì )釋放一個(gè)電子。這種電子級聯(lián)一直持續到記錄到可測量的信號。

一些探測器使用雙模式，包括數字模式和模擬模式，但現在人們普遍認為純數字探測器更高效、更可靠且使用壽命更長(cháng)。商業(yè)儀器中使用的檢測器具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，因此 ICP-MS 儀器仍然可以在高濃度水平和極低水平下進(jìn)行測量。

ICP-MS 儀器在哪里使用？

ICP-MS 儀器的購買(mǎi)和運行成本相對較高。根據最終配置，一個(gè)典型系統的購買(mǎi)成本約為 120,000 英鎊，每年運行成本為數千英鎊。因此，如果有監管要求測量非常低水平的某些元素或對元素有特定的研究興趣，則購買(mǎi)儀器。

ICP-MS 的一些較大市場(chǎng)是

• 水或土壤的環(huán)境分析以確保合規性

• 食品或飲料分析以保護消費者免受傷害

• 需要同時(shí)測量 QC 和污染水平的制藥

• 確定人體元素水平的臨床分析

ICP-MS 的一些更具體的市場(chǎng)是

• 測量巖石或冰芯中極低元素含量的地質(zhì)研究

• 制造材料必須盡可能純凈的半導體行業(yè)

• As、Se 和 Hg 的形態(tài)分析——人類(lèi)健康的關(guān)鍵元素

由于 ICP-MS 儀器測量元素的特定同位素，因此可以很容易地確定兩種或多種同位素的比率。在同位素稀釋中，樣品中加入了感興趣元素的富集同位素。富集同位素既可用作校準標準，也可用作內標。因為富集同位素具有與分析元素相同的化學(xué)和物理特性，所以它是可能的最佳內標。出于這個(gè)原因，同位素稀釋被認為是所有分析中最準確的類(lèi)型，并且通常用于認證標準參考物質(zhì)。

同位素比測定用于各種應用，包括巖石地質(zhì)年代測定、核應用、確定污染物來(lái)源和生物示蹤研究。

如果需要非常低水平的檢測或需要大量樣品通量，那么 ICP-MS 可能是您的最佳解決方案。