ICPMS淺談（二）

陳登云：現代的四極桿ICP-MS儀器均采用碰撞/反應池（CRC）技術來消除質譜干擾，最近這些年最重要的創新在于各種新型的碰撞/反應池技術越來越得到實用化。傳統上，碰撞/反應池技術都是需要采用反應性氣體來消除干擾，如氫氣、氨氣、氧氣、甲烷或者它們的混合氣體。對于高純材料和半導體行業等組成單一且穩定的樣品而言，反應氣消除干擾被證明十分有效。但是，對于環境、食品、醫藥、臨床等樣品組成復雜、未知而且多變的多種樣品類型，反應性氣體卻有難以克服的局限性，原因在于不同的目標元素必須采用不同的反應氣體消除干擾，沒有一種反應氣可以用于所有目標元素。更重要的是，反應氣體可能與樣品的復雜基體反應生成副產物離子產生新的干擾，需要依靠操作者的分析經驗和樣品類型來優化儀器多種工作參數。過于復雜的工作參數使反應池技術一直難以推廣應用。最新出現的純He碰撞技術對所有常規環境、水體、食品、醫藥、臨床、地質等樣品中所有常見目標元素可以采用完全相同的碰撞反應池工作參數來消除干擾，無需復雜的方法開發，使碰撞池技術得到真正實用化。

ICP-MS儀器對樣品的含鹽量（TDS） 有嚴格的要求，一般限制在TDS<0.1%。高含鹽量的樣品必須稀釋，否則將很容易產生信號漂移現象和信號抑制現象，導致測定誤差。在各種手動或自動的溶液稀釋技術和裝置之外，一個創新技術是由安捷倫公司推出的干氣溶膠氣體稀釋技術（HMI），它利用精密電子控制的氬氣來在線稀釋霧化后的高鹽度樣品，避免了傳統溶液稀釋可能帶來的污染（從水、試劑、容器、連接管等的污染），高鹽度樣品如海水、尿液、固廢提取液等可以利用HMI技術直接進樣分析，達到最好的方法檢測限。與傳統溶液稀釋技術相比，HMI氣體稀釋的更重要優勢是可以極大降低氧化物干擾水平，提高等離子體中心的通道溫度，實現樣品基體的高效解離，避免了高鹽度樣品帶來的信號抑制，從而可以使用普通稀硝酸配制的標準溶液直接分析高鹽樣品，而不需要標準加入法或樣品基體匹配工作曲線等復雜步驟。

布魯克：離子透鏡系統技術、消除干擾技術和檢測器技術等方面，在近年ICP-MS的技術創新方面有了突破性的發展。

2、未來ICP-MS可能會有哪些新的應用熱點?

嚴冬：傳統的元素形態分析是將不同形態的化合物的分離和檢測工作分別進行，操作過程比較繁瑣，而且在操作過程中有可能造成樣品損失甚至導致元素形態發生未知的改變，從而對最終結果產生較大的影響。而聯用技術恰恰能把高效的分離技術與高靈敏度的檢測技術結合在一起，元素形態經過分離后通過在線的接口直接進入檢測器進行檢測，從而滿足了人們在測定靈敏度和準確度等方面的需求。HPLC作為最常用的分離手段對于元素形態的分離也有很好的表現，而電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）相對于AA和ICP-OES而言，具有更高的靈敏度和分辨率，還具有多元素同時分析等優點，越來越多應用于元素的形態分析領域。雖然元素的形態分析越來越被人們所重視，但直到20世紀末HPLC-ICPMS一直未能作為一種常規分析手段而廣泛推廣，究其原因，主要為以下三方面：

ICP-MS直接分析和HPLC-ICP-MS形態分析切換較為繁瑣。因為ICP-MS直接分析時，是通過進樣針插入樣品中靠蠕動泵帶動毛細管直接將樣品吸入ICP-MS；而ICP-MS與HPLC聯用時，樣品需要先進入色譜分離，然后從色譜柱進入ICP-MS。因此當操作者每次進行ICP-MS直接分析和HPLC-ICP-MS聯用分析之間切換時，均需要重新連接管路。這一過程是較為繁瑣的，同時由于每次連接的差異性還會影響分析結果的準確性。

ICP-MS很難耐受從HPLC流出的含有大量有機及高鹽溶液。眾所周知，HPLC所使用的流動相中含有大量有機溶劑（如甲醇或乙腈等）和鹽分（含鹽的緩沖體系）。這些物質進入到ICP-MS中會造成儀器的污染和分析數據的不穩定。

缺乏成熟的HPLC-ICP-MS一體化控制系統，使得儀器操作繁瑣，數據處理困難。元素形態分析需要HPLC提供優越的分離條件和ICPMS靈敏精確的檢測條件，如果沒有一個一體化的控制系統而將HPLC和ICP-MS分別優化，其操作是非常繁瑣和困難的。同時如果沒有實時的數據處理功能，而需要將采集的原始數據導入到其他軟件進行再處理，這將給分析工作者帶來大量不必要的麻煩。

近年來針對以上情況， ICP-MS在軟硬件設計上引入了如下技術創新：1. 全自動六通閥快速切換技術，利用一個六通閥將HPLC與ICP-MS連接起來，通過軟件控制即可實現ICPMS直接分析和HPLC-ICP-MS形態分析之間的快速切換，而免去每次切換時管路的重復連接；2. 針對高含量有機溶液（如80%乙腈）進樣的有機基體進樣系統。該系統由一個可通氧的制冷霧室和一個軟件控制的氧氣流量控制裝置組成。該系統可以向霧室中通入適量氧氣，使之和樣品一同進入等離子體時使有機碳氧化為氣態的CO或CO2，從而有效消除有機基體對分析的干擾；3. HPLC-ICP-MS一體化控制系統。該系統包含了一套硬件控制數據鏈，其可實現HPLC－ICP-MS－workstation三點數據互聯；一個內嵌在ICP-MS軟件中的形態分析子系統，其可以實現HPLC和ICP-MS所有儀器參數的設置及分析數據處理、編輯和導出。

陳登云：ICP-MS儀器由于其超高的靈敏度、超低的檢出限以及快速的樣品處理能力，是很多領域的第一選擇甚至是唯一選擇，這其中包括環境分析、食品安全、半導體材料領域、新能源領域等，未來這些領域將仍然是應用的熱點。另外在生命科學研究、環境和食品領域中的元素形態分析將是ICP-MS的各種聯機技術的發展方向。

布魯克：ICP-MS最大的優點在于儀器具有非常低的檢測下限，隨著各個行業對樣品檢測元素含量下限的要求越來越低，ICP-MS的優勢就更加突顯。近年來，食品、環境、藥品等行業對質量的要求越來越高，檢測要求更加嚴格。ICP-MS因其具有獨特的性能優勢，在這些行業發揮了巨大的作用，成為近年的應用熱點行業。

3、在ICP-MS的操作過程中需要注意哪些問題以保證儀器的正常運轉？

嚴冬：雖然ICP-MS發展到今天，已經大大簡化了操作人員的工作強度和難度，但仍對操作人員要求比較高，在操作過程中還需要注意以下幾個問題以保證儀器的正常運轉。一，注意調節ICP-MS排風量在一個要適度的值，如果排風量過大會抽吸炬管中Ar使之無法維持一定濃度和純度的Ar氛圍，造成無法點炬；如果排風量過小，炬管箱內大量熱能無法排出，ICP-MS工作一段時間后會自動息炬防止炬管箱過熱。二，當分析樣品中含有大量有機基體或鹽分時，應適當調高射頻發生器的功率以提供更強的能量，同時要注意在調高射頻發生器功率以先務必要調大等離子體氣（plasma gas）流量，防止過高溫度損壞炬管。三，在分析未消解完全樣品時，務必要通過離心分離或過濾的方式除去樣品中的絮狀物或懸浮物，以防止其堵塞ICP-MS的進樣系統。四，當儀器使用一段時間后，需進行性能檢查。當發現儀器性能下降時需及時對儀器進行維護保養。

陳登云：首先，要制訂嚴格細致的操作規程，所有操作人員一定要按照規程操作儀器，這樣一方面減少了儀器的人為故障，另一方面也能保證結果的準確。

其次，儀器要按照廠家推薦的計劃，結合用戶自己的實際條件進行維護，保證儀器的最優狀態。ICP-MS屬于精密的質譜儀器，操作人員一定要培訓后才能上崗，牢記廠家的售后服務電話，實際操作過程出現狀況，自己解決不了可以多和廠家的工程師聯系。

布魯克：第一、操作人員必須接受儀器操作培訓后，才能獨立進行儀器操作。

第二、要定期檢查實驗室的狀況，包括電源、接地、排風、實驗室溫度、實驗室濕度、實驗室潔凈狀況。

第三、定期進行儀器的維護，主要包括如下幾個方面：

1、真空泵的維護：根據真空泵油的使用狀況更換泵油；

2、循環冷卻水器的維護：根據循環水的使用狀況，更換循環水；

3、清洗進樣系統的維護：霧化室、炬管、錐的清洗；進樣管、廢液管的更換。

第四、儀器操作參數的優化：將儀器調節到最佳狀態（其中包括靈敏度、背景、氧化物、二價電荷等），再進行樣品的測試。

4、正確的維護保養對ICP-MS非常重要，請分享一下維護經驗？

嚴冬：正確的維護保養對ICP-MS非常重要，在對儀器進行維護時需注意一下幾點：1. 在清洗易碎部件時要格外小心，如石英霧化器和石英霧室不能使用超聲波清洗而應用硝酸浸泡，以防止超聲波損壞其內部結構；而在使用超聲波清洗炬管時，應該用手（戴潔凈手套）抓住炬管一端，以防止炬管與燒杯相碰撞損壞炬管。2. 在清洗接口錐時，要防止錐口與堅硬物接觸，以防止圓形錐口變形。3.如有離子透鏡、碰撞池需要清洗時，在打開真空腔前需關閉排風系統和門窗，防止室內空氣對流污染真空腔。操作人員須穿著防靜電潔凈服，佩戴潔凈帽、口罩和無粉潔凈手套。4.所有部件的清洗必須使用超純水和高純酸，以防止水和酸中雜質污染儀器部件。5. 所有清洗好部件，均不能放入烘箱中烘干或用電吹風吹干，應使用高純氣體如氮氣吹干，以防止清洗好的部件二次污染。6. 要定期更換機械泵油，如果泵油須更換時未更換會影響儀器性能和使用壽命。

陳登云：制訂合適的維護計劃，一般如下：

清洗錐的頻率：一般200~400個樣品清洗1次，如果樣品很臟需要每天清洗。

檢查及清洗霧化腔、矩管等進樣系統的頻率：每周1次。

檢查及更換泵油的頻率：2周檢查1次，如果泵油變色更換泵油，平均半年到一年更換一次。

儀器真空腔外的透鏡組在需要時可以定期打磨清洗，以保證真空腔內部件的潔凈。根據不同儀器型號和樣品數量決定維護頻率，平均每年一次。

其余的相關維護項目和具體的維護計劃，要結合自己樣品的性質和數量，與ICP-MS廠家工程師咨詢確認，最好要制定一個定期維護計劃并嚴格執行。

5、您認為ICP-MS未來的發展趨勢將是什么？

嚴冬：自從1983年第一臺商品化的ICPMS面式以來，經過近30年的發展如今的ICPMS已經和當年的ICPMS有了翻天覆地的變化，無論是外形上還是內在的設計都有了質的不同。隨著電子和工程技術的發展，現在的ICPMS更加小型化；計算機硬件和軟件的發展使得ICPMS操作更加簡單方便；ICPMS自身的諸多創新的設計，如等離子體炬實現了三維全自動優化和等離子體的全景在線觀測等設計也使得ICPMS的使用更加人性化；而與其他儀器的聯用，如GC-ICPMS, LC-ICPMS和LA-ICPMS將會使得ICPMS的應用領域更加廣闊。

陳登云：從最近幾年各個廠家推出的新儀器以及國內外的法規可以看出來，碰撞反應池使用的簡單化將是一個大趨勢，配合儀器操作軟件的智能化，進一步降低對操作者的技術背景要求。另外ICP-MS對于不同含鹽量樣品的廣譜適應性也是儀器硬件發展的另一個重點方向。在應用方面，在常規分析之外，元素形態分析技術的發展將是熱點方向。

專家視角

文/ 陳杭亭

1984年商品化的電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）儀的問世，無疑是原子光譜分析發展進程中具有里程碑意義的一件大事。二十多年來，ICP-MS儀器不斷發展和普及，分析方法日漸豐富，已經成為無機元素分析最重要的方法之一。由于四級桿質譜儀屬低分辨的結構，存在較多的質譜干擾，此后又有高分辨的雙聚焦ICP-MS儀、輝光放電質譜儀（GD-MS），以及時間質譜儀（ICP-TOF-MS，澳大利亞GBC科學世界公司）相繼問世，大大擴展了ICP-MS方法的應用領域，也給予用戶更多的選擇。

ICP-MS的創新技術

四級桿ICP-MS儀具有很好的性價比，一直是ICP-MS儀市場的主流產品。目前，PerkinElmer公司、賽默飛世爾公司、安捷倫公司、瓦里安公司仍是ICP-MS儀的主要廠商，各自占據一定的市場份額。另外，安捷倫公司剛剛完成對瓦里安公司的收購，引起了分析儀器界的很大震動，也可能影響到ICP-MS的市場格局。激烈的市場競爭，也不斷推動著ICP-MS技術的改進和升級。其中最主要的技術是在串聯有機質譜的基礎上發展的碰撞反應池技術，目的是解決質荷比低于80的多原子離子的干擾問題。應該說，這項技術是比較成功和有效的。
在二十余年的發展進程中，各廠商都有自己的ZL和特點，不斷推出不同型號系列的ICP-MS儀，分析性能得到很大提升。例如PerkinElmer公司從SciexElan系列發展到Elan DRC II；賽默飛世爾公司從POEMS系列，到并購VG公司有了從四級桿ICP-MS儀（X Series 2）到高分辨質譜的多種產品；安捷倫公司從最初的HP 4500也發展到Agilent 7500和7700系列；瓦里安公司也后起直追，開發了Varian-820型90°偏轉離子透鏡新型結構的儀器。

應該說，今年4月PerkinElmer公司推出的新款NexION 300型ICP-MS儀是采用新技術最多的一款四級桿質譜儀，例如，三重四級桿結構的第一級四級桿類似Varian-820型的離子束90°角偏轉，省去了離子透鏡組，使離子的傳輸效率更高，以及三錐接口、風冷感應線圈、低流量進樣系統、同時型脈沖/模擬雙模式檢測器等等。人們正期待來自這款儀器新客戶的客觀評價。

從用戶需求看ICP-MS的提升空間

四級桿ICP-MS儀技術不斷完善，儀器的性能是否還能有更新的突破嗎？回答是肯定的。例如，改進設計，進一步提高離子束的傳輸效率。我們可以根據標準溶液的濃度、樣品提升速率、霧化效率、元素在等離子體炬焰中的電離度和電子倍增檢測器的質譜響應，推斷進入采樣錐離子的傳輸效率。目前離子束的傳輸效率還有相當大的提升空間。另外，靈敏度（cps/ppm）也存在幾個數量級的提升空間。質譜儀分析靈敏度的大幅提高，必然會增加更多元素的檢出，以及線性響應區間的擴展。此外，提高掃描速率（快速單點跳峰），降低背景計數，以及對儀器工作狀態進行實時監控、預警提示和故障的自動診斷和提示，更加方便快捷的日常維護和保養等等，都是ICP-MS可提升的方面。

另外，計算機技術的發展同樣會為ICP-MS用戶帶來欣喜。用戶希望儀器生產廠商根據不同客戶的需求，設計出更加人性化、操作更加方便和靈活的使用軟件。現在多數ICP-MS儀器已有炬管全自動三維定位、同質異序素干擾校正、與HPLC聯用接口、自動質量數校正、分析報告自動生成、多內標同位素選擇等功能，并能根據客戶的需求靈活選擇配置并預留后續儀器升級的能力。我們同樣期盼功能更強大的操作軟件支持ICP-MS儀，例如，設定分析方法的程序編輯具有隨時增減同位素的記憶功能，并能方便地恢復原工作程序；高分辨和普通分辨模式的自動切換、脈沖計數和模擬檢測快速切換等等。

儀器生產廠商需要及時掌握客戶的需求，客戶同樣希望充分理解儀器的設計理念、熟練靈活地使用好儀器，實現新型儀器功能的最大化。這對安裝工程師提出了很高的要求，不僅能夠使新客戶通過短期培訓掌握儀器最基本的操作，還要全面介紹儀器的各種功能，而不是依靠客戶根據操作手冊和自身的努力來“開發”儀器的各項功能。