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ICP-MS电感耦合等离子体质谱技术的原理应用与发展简介

电感耦合等离子体质谱技术问世至今已有34年。在这段时间里, ICP - MS 技术以其灵敏、快速扫描以及干扰较少的特点迅速发展成为一种应用广泛且广受好评的分析技术。从各种国际分析化学会议和分析化学期刊上涌现出的学术文章数量不仅可看出ICP - MS技术被高度重视的程度, 同时也可看到该技术的日趋成熟。目前, 该技术已被广泛地应用于地质、环境、冶金、生物、医学、工业等各个领域, 成为最有冲击力的分析技术。

尽管按照检测技术( 原理) 归类的常规, ICP - MS 技术似乎应该归类于“ 质谱”, 但有趣的是, ICP - MS技术从问世至今, 在许多分析化学会议和文献中, 更多的是随ICP 与“ 原子发射光谱” 归为一类。这是因为, 尽管质谱法所依据的原理与一般光谱法并不相同，但其把不同质荷比的离子分别聚焦并分辨开的过程( 质量色散) 与光谱法中把不同波长的辐射分别聚焦并分开的过程( 波长色散) 有些类似。另外一个重要因素是许多从事ICP -MS 的分析专家大多是从ICP - AES 转过来的。

近年来, 随着人们对四极杆ICP - MS 技术内在缺陷的研究革新, 等离子体质谱的分析性能, 尤其是同位素分析能力有了显著进步。当然, 目前“ ICP - MS” 的概念, 已经不仅仅是最早起步的普通四极杆质谱仪( ICP-QMS)了。它包括后来相继推出的其他类型的等离子体质谱技术, 比如高分辨扇形磁场等离子体质谱仪( ICP - SFMS) 、多接收器等离子体质谱仪( ICP - MCMS) 、飞行时间等离子体质谱仪( ICP - TOFMS) 以及离子阱三维四极等离子体质谱仪( DQMS) 等。四极杆ICP - MS 仪器也不断升级换代, 由于诸如动态碰撞反应池( DRC) 等技术的引入, 分析性能大大改善。各种联用技术, 如液相和气相色谱以及毛细管电泳等分离技术与ICP -MS 的联用, 激光剥蚀ICP - MS 等联用技术发展迅速。

ICP - MS 是以电感耦合等离子体为离子源, 以质谱计进行检测的无机多元素分析技术。被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中, 然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区, 等离子体的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离。部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统, 在真空系统内, 正离子被拉出并按照其质荷比分离。检测器将离子转换成电子脉冲, 然后由积分测量线路计数。电子脉冲的大小与样品中分析离子的浓度有关。通过与已知的标准或参考物质比较, 实现未知样品的痕量元素定量分析。自然界出现的每种元素都有一个简单的或几个同位素, 每个特定同位素离子给出的信号与该元素在样品中的浓度成线性关系。

ICP 中心通道温度高达约7000K, 引入的样品完全解离, 具有高的单电荷分析物离子产率、低的双电荷离子、氧化物及其他分子复合离子产率, 是比较理想的离子源。样品随载气进入高温ICP 中被蒸发、解离、原子化和离子化。等离子体的中心部分进入接口部分。等离子体质谱的接口由采样锥和截取锥组成, 两锥之间为第一级真空。离子束以超音速通过采样锥孔并迅速膨胀, 形成超声射流通过截取锥。中性粒子和光子在此被分离掉,而离子进入第二级真空的离子透镜系统被聚焦。聚焦后的离子束传输至第三级真空质谱分析器。这级真空的压力必须保证四极杆分析器和倍增器在施加高压的操作过程中不致产生电弧,同时使由于离子束与真空中存在的气体分子的碰撞而产生的散射不致过于严重。离子进入加有直流和射频电压的四极杆过滤器的一端, 杆上施加的射频电压使所有离子偏转进入一个振荡路径而通过极棒。

目前, ICP - MS 尤其是四极杆ICP - MS 在元素分析方面已经成为常规的分析技术,但是 , 拥有了那么多一流的ICP - MS 仪器, 样品制备和样品引入仍然是目前最薄弱的环节, 需要给予足够的重视并投入更多的精力去解决它, 使之充分发挥作用。对于微升和纳升级的分析, 将样品直接引入等离子体将是21世纪的研究热点。