电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）是一种高灵敏度的元素分析技术，能够检测和定量超低浓度的元素，从毫克到纳克每升。通过将用于雾化样品的ICP仪器与用于精确检测的质谱仪（MS）相结合，ICP-MS为各研究和工业领域的元素分析提供了全面的解决方案。
 

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是什么使电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）成为元素分析的理想选择？
电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是一种分析技术，它将产生离子的氩等离子体源与质谱检测相结合，以确定固体、液体或气体样品中的同位素和痕量元素浓度。

ICP光谱仪通过电离样品基质中的元素来检测和定量样品中的元素，然后由质谱仪根据其质量电荷比进行分离。检测器每秒对所选离子进行计数，从而确定元素浓度。

ICP-MS具有检测限低、元素检测范围宽、可同时分析多种元素等特点，是环境监测、食品和药品安全、生命科学研究、消费品检测、采矿和金属分析等各行业进行元素分析的重要工具。

如何使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行元素分析？
使用ICP-MS进行元素分析包括以下步骤：

样品引入
ICP-MS分析需要液化的样品溶液，固体和生物样品在分析前通常需要消化。在雾化器中使用氩气将样品溶液转化为气雾。通过喷雾室去除较大的雾滴后，氩气将细小的雾滴带到ICP等离子体炬。

样品导入组件经过优化，可与ICP有效配合，确保气溶胶中的小液滴大小均匀，分散在等离子体的中央通道上，从而有效产生离子。

ICP（等离子体）离子源
离子源（ICP）使用功率约为1.5KW的射频（RF）发生器在石英管中产生电离氩气等离子体。携带样品材料的气溶胶液滴在高温等离子体中被干燥和分解，形成单个原子，然后被电离。

等离子体中每种元素的电离水平取决于其电离能量和等离子体温度。通常情况下，在正常等离子体条件下，天然元素的电离度最低为75%，这也是ICP-MS灵敏度高的原因之一。

然而，砷（As）、镉（Cd）和汞（Hg）等某些元素的电离程度较低，需要对等离子体进行仔细优化，以实现这些元素的低检测限和高灵敏度。

真空界面
真空接口将等离子体离子源与四极杆质谱仪隔开，便于离子从大气压等离子体转移到质谱仪的真空室。

该接口包括带小孔的金属板或锥体，采样锥从等离子体中提取离子，撇离子锥将离子导入高真空区。

0.5至1.0毫米的最佳孔径尺寸对于高效运行质量过滤器和检测器、平衡离子传输和背景水平至关重要。较小的锥孔在真空条件下具有优势，但需要坚固的等离子体和高透射离子透镜系统才能达到最佳效果。

离子聚焦和分离
一旦离子穿过界面锥，它们就会被离子 "透镜 "集中成一个窄束。透镜由可调节电压的金属板组成，可根据离子的电荷吸引或排斥离子。

通过调节极板电压，离子被引导并聚焦成狭窄的光束。不同的离子透镜设计可确保离子的高传输率，并减少不带电粒子的干扰。

碰撞/反应池
碰撞/反应池（CRC）安装在现代ICP-MS系统中，通过碰撞或反应模式帮助分离分析离子和干扰离子，特别是多原子离子。

在碰撞模式下，使用氦气（He）等非反应气体通过碰撞降低离子的动能，选择性地从离子束中去除多原子离子。

另一方面，反应模式是用氢气（H2）或氧气（O2）等活性气体对CRC加压，促进干扰离子和气体分子之间的快速反应，从而消除干扰。

质谱仪（MS）
ICP-MS仪器中的质谱仪(MS)使用四极杆，根据离子的质量电荷比(m/z)过滤离子。

四极杆由一对施加射频和直流电压的杆组成，产生的电场只允许设定质量的离子通过过滤器。此外，四极杆还可在较大的质量范围内快速扫描，从而检测并计算每种特定质量的离子。

在标准元素分析中，质谱是通过对所需质量的多次扫描累积数据来构建的。其他测量模式包括每次扫描记录离子计数的时间分辨分析，以及用于单纳米粒子分析等特殊测量的单质量监测。

电子倍增检测器
ICP-MS电子倍增器（EM）检测器使用电离Dynodes（高压电极）释放电子，电子向下级联并产生可检测脉冲。

EM检测器具有检测超低浓度的高灵敏度和大约10-11个数量级的宽动态范围。这使得在测量浓度低于0.1 ppt的痕量元素的同时，还能测量浓度高得多的主要元素，所有这些都能在同一分析中完成。

数据处理
最后，数据分析软件处理每个质量的检测器计数，通过校准图与已知浓度的参考溶液进行比较，计算未知样品中的元素浓度。

通过ICP-MS进行元素分析的局限性和挑战
ICP-MS的准确性取决于用户的技能和技术，需要仔细制备标准和样品，以避免校准曲线误差和污染。

当等离子体产生的物质与被分析物质量相同时，可能会产生干扰，但可以通过检测低丰度同位素或使用元素校正方程来解决这些问题。

ICP-MS在检测碳、氦、氢等气态元素和无天然同位素的元素方面受到限制。

随着对改进检测能力的需求不断增长，在最大限度地降低背景噪声的同时实现高灵敏度是仪器开发中的一个重大障碍。因此，保持实验室的超洁净并确保原始的样品制备环境对检测极低浓度的元素至关重要。

三重四极杆ICP-MS：推进临床应用中的元素分析
在ICP-MS中引入三重四极杆（串联质谱）大大改进了元素分析。这些仪器多了一个四极杆，使样品中的反应过程更可控、更可预测。这一进步尤其有利于临床应用，如测量血液中的钛。

三重四极杆配置有助于准确排除等压元素和多原子离子的干扰，从而实现更高的定量化，在检测钛浓度升高（表明手术重建应用中的关节失效）方面具有更大的临床意义。

未来展望
由于ICP-MS具有无与伦比的检测限和多功能性，它将继续在元素分析领域占据主导地位。此外，在提高灵敏度、降低成本和干扰、与分离技术整合方面的不断努力，以及数据处理和自动化方面的进步，将进一步提高这项技术的效率和可靠性。

参考资料

Reddy, D. N., Al-Rajab, A. J., & Reddy, G. R. (2018). Biomedical and Pharmaceutical Applications of Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS). InTech. https://doi.org/10.5772/intechopen.74787

Wilschefski, S. C., & Baxter, M. R. (2019). Inductively coupled plasma mass spectrometry: introduction to analytical aspects. The Clinical Biochemist Reviews, 40(3), 115. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6719745/

Agilent. (2023). An Introduction to the Fundamentals of Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS). [Online]. https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/what-is-icp-ms-icp-ms-faqs

Barron, A. R. (2015). ICP-MS for Trace Metal Analysis - Physical methods in chemistry and nano science. Available from: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Physical_Methods_in_Chemistry_and_Nano_Science_(Barron)/01%3A_Elemental_Analysis/1.06%3A_ICP-MS_for_Trace_Metal_Analysis

ICP-MS Systems and Technologies- (2023). ICP-MS Systems and Technologies. [Online]. https://www.thermofisher.com/pk/en/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/spectroscopy-elemental-isotope-analysis-learning-center/trace-elemental-analysis-tea-information/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms-information/icp-ms-systems-technologies.html

Thomas, R. (2013). Practical guide to ICP-MS: a tutorial for beginners. https://doi.org/10.1201/b1492

作者：Owais Ali