什么是ICP-MS？

电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是一种灵活的化学分析方法，可以量身定制以满足对各种行业的需求包括：

• 自然资源探索
• 石化
• 环境（包括土壤分析)
• 食品和饮料（包括wine和饮用水分析和农药筛查)
• 监管
• 医疗的
• 药物
• 材料和冶金
• 核
• Nanotechnology

ICP-MS以最简单的形式采用了包含分析物的预先准备的液体，将其通过雾化器泵送，以创建引入氩气血浆中的气溶胶。等离子体的高温（〜5500-6500 K）足以使几乎所有元素（包括电离电位最高的元素）雾化和电离。因此，因此产生的分析物离子可以用静电离子光学元件转向A质谱仪可以将离子分成质量以充电（m/z）比率并检测到。由于对于大多数元素，电离效率接近100％，因此检测到的元素离子计数代表了其在分析物中的浓度。

该方法于1983年推出，从具有单个检测器和四极质量光谱仪的仪器成熟到今天，该仪器随着飞行时间（TOF）质谱仪提供，允许并行测量整个质谱，从- 配备了单个或多层面检测系统的双重关注磁性扇形仪器，允许高精度同位素比率测量。¹

样品预先准备的方法从简单酸消化的初始步骤到今天，在该方法中，激光消融（LA）通常与ICP-MS结合使用，用于空间分析和实心样品的元素映射。此外，分离技术已与ICP-MS耦合，以允许分子，特别是生物分子的测量。电离过程通常会破坏样品中的所有分子信息，但是通过配对分离技术（例如液相色谱法（LC），气相色谱（GC），毛细管电泳（CE），通过对样品选择性引入样品选择性元素，这一问题已在很大程度上被征服了。，具有ICP-MS的凝胶电泳（GE））。^2,3分离技术可以隔离所有包含感兴趣元素的物种，并将其顺序将其转发到ICP-MS系统以进行检测。

ICP-MS如何工作？

A schematic diagram showing the various components of an ICP-MS system is illustrated in Figure 1. Liquid samples are introduced into the nebulizer by a peristaltic pump or self-aspiration where they form an aerosol of fine droplets. Not all nebulizers are the same, and the type chosen is based on factors such as the viscosity, volume and cleanliness of the sample to be analyzed.

Figure 1:示意图显示了文本中更详细地描述的ICP-MS系统的主要组件。

在进入等离子体之前，由雾化器产生的细滴通过喷雾室。再次可用，但是该功能保持不变：允许大量的小液滴进入血浆，同时区分较大的液滴，如果允许进入等离子体，这些液滴可能会造成分析问题。

The argon plasma generated in the ICP reaches temperatures of between 5500-6500 K and is generated by passing argon gas through concentric quartz tubes (commonly referred to as the ICP torch) that are contained at one end within a radio frequency (RF) coil. Energy supplied to the coil by an RF generator couples with the argon gas to produce the plasma. As the liquid droplets enter the high temperature plasma, they are converted to the gaseous state. As they absorb more energy, they will eventually release an electron to form a single, positively charged ion.

将血浆产生的离子引入质谱仪的界面区域提出了工程挑战。首先，火炬区域达到约6000k的温度，界面的另一侧保持在室温下。其次，火炬将必然用产生血浆所需的AR气体回填，而质谱仪将在高真空条件下进行。每个制造商都有不同的溶液，但是两个或多个锥体结构（镜头）用于防止离子进入高真空区域时的较大差异，并将其聚焦到碰撞电池或直接进入质谱仪中。

Watch this video from the Teach Me in 10 series to get an introduction to ICP-MS from Abe Gutierrez and Ed McCurdy.

离子将不会是唯一出现血浆的物种 - 中性原子和光子将存在。光子可以引起虚假离子计数，因此必须将其从离子路径中取出很重要。关于不同制造商如何处理此问题的主题有很多变化，但是一个常见的解决方案是将某种形式的镜头元素置于选择性地将离子弯曲到四极杆质谱仪中。

大多数现代仪器将在离子光学元件和质谱仪之间具有“通用”或“反应/碰撞”细胞，以帮助减少质量干扰问题。当两个离子，一个元素离子时，就会发生这种情况（例如⁵⁶铁⁺）和由于样品基质与血浆中的AR气体之间的相互作用而产生的分子离子（例如⁴⁰Ar¹⁶O⁺), have ostensibly the same m/z value – 56 amu (atomic mass units). Many of these interferences will be difficult to separate based only on the mass resolving power of the mass spectrometer. Unless this mass interference is eliminated, the resultant measurement will have a high background and lower detection limit directly attributable to the⁴⁰Ar¹⁶O⁺or other干扰离子。

在碰撞模式下，该细胞被惰性气体的部分压力回填，元素和分子离子都会通过与惰性气体通过细胞时的碰撞来失去其某些动能。对于更大的人来说，这种碰撞的可能性将更大⁴⁰Ar¹⁶O⁺，因此，当它到达细胞的末端时，它将失去更多的动能。通过放置动能带通滤波器，这两种类型的离子可以通过它们在动能中的差异而有效地分离⁵⁶铁⁺将继续前进到四极群质谱仪。然而⁵⁶铁⁺能量过滤器也将略微切割强度，尽管比例较小。尽管如此，检测极限将受到不利影响。

在反应细胞中，惰性气体原子被反应性气体物种取代。理由是引入的气体将与干扰物种反应，以产生不再受离子光学或四极杆静电场影响的中性物种。它将有效地过滤。分析物离子不受影响，因此与碰撞电池进行了比较，这是消除质量干扰的更强大的方法。但是，需要注意确保在此过程中不会产生“新”的质量干扰。

四极质量光谱仪最常见于ICP-MS仪器中，尽管可以使用基于磁性扇区和飞行时间的其他仪器。四极质量光谱仪一次测量一个质量，带有RF电压和直流电流（DC）偏移电压设置，仅允许单个特定M/z值的离子通过组成光谱仪的四个杆之间的区域振荡。其他质量的离子将与杆相撞并消除。RF和DC电压可以串行扫描，以在分析中通过所需的M/Z范围进行检测。根据配置的不同，磁性扇形质谱仪以类似的方式工作，除了扫描磁场以弯曲所需的M/Z范围内的离子轨迹至检测器。

由于质谱仪可以具有显着的长度，因此离子必须通过以实现质量分离，因此该区域绝对必须在高真空下。否则，分析物离子可能与气体分子相撞，从而导致可能的电荷交换反应并降低总体敏感性并增加不需要的质量干扰。

How do you analyze ICP-MS data and what does it tell you?

通常在定量或半定量上分析ICP-MS中的数据，以及同位素比测量值或同位素稀释分析中的数据。

Figure 2: ICP-MS质谱的示例。

With this knowledge, full quantitative analyses can be planned with appropriate standards, and instrument operation protocols adjusted in the event of identified potential mass interference problems. Quantitative analysis proceeds by deriving calibration curves that will convert measured analyte counts to a concentration. To create this curve, a set of reference standards that have a verified concentration of the analyte are measured under the exact same instrumental conditions as the unknown sample. For these types of analyses the quadrupole RF and DC voltage settings or the magnetic sector magnetic fields need only be set for the m/z values of interest. There is no need to scan through the entire mass range. Finally, the method of isotope dilution is a means of achieving the highest quantitative accuracy. For example, if the analyte is⁵⁶铁⁺，可以通过添加已知数量来稀释样品⁵⁷Fe，一种稳定的同位素，自然丰度为0.29％，具有相同的化学和物理特性⁵⁶铁。It therefore acts as an internal standard. By measuring the isotope ratio⁵⁷fe/⁵⁶FE，以及添加的金额⁵⁷FE是已知的，浓度⁵⁶铁can be calculated. The beauty of this method is that the analysis, standardization and quantification is all done in a single experiment, and the end result is arrived at by a ratio, so any instrumental effects will be ruled out.

Strengths and limitations of ICP-MS

The strengths of ICP-MS include its ability to analyze almost all elements in the periodic table at concentrations in the low ng/L range with a high dynamic range. High sample throughput is another forte which is particularly important in industrial applications. Low sample volumes, often with reasonably simple preparation methods, are generally sufficient to produce the required results. The method is also capable of distinguishing isotopes, both stable and radioactive, for high precision measurement of isotope ratios. Finally, as discussed previously, ICP-MS is highly suitable as a selective detector in hyphenated methods using some form of separation method to allow determination of analyte species.

限制包括设备的相对较高的成本，需要高水平的员工水平。质量干扰也可能是一个问题，但是如所讨论的那样，可以将这些影响最小化或消除的各种方式。

ICP-MS的常见问题

与ICP-MS有关的一些最常见的问题通常在雾化器或锥体光学元件上存在其起源问题。如果这些元素肮脏或损坏，则可能会观察到离子计数率和从同一样品反复测量的不一致。副泵的问题也可能导致类似的问题。

由于该技术是如此敏感，因此它也容易出现记忆或结转效应，因此，由于先前对样品或高浓度具有相同元素的样品或校准标准而导致的分析中的分析物的检测极限可能会人为地增加。。

群众干扰始终是一个问题，并且已经描述了帮助减轻其效果的解决方案。尽管单双极系统中的碰撞和反应细胞在消除元素和分子离子质量干扰方面有效，但在消除同位质量干扰方面，它们的有效性要小得多（两个具有相同同位素质量的元素离子，例如。⁵⁸ni和⁵⁸Fe）或由双电荷离子引起的M/Z干扰（Z = 2;例如。⁵⁶铁⁺⁺和²⁸si⁺）。分离这些类型的干扰通常需要三倍四极杆系统。

Finally, lab components, from reagents to water to glassware, must be impeccably clean and of high purity in order to prevent unintentional sample or standard contamination.

扩大分析能力-MC-ICP-MS和LA-ICP-MS

扩展ICP-MS功能的进步包括引入多策略器（MC）ICP-MS系统以及使用固体样品的激光消融（LA）作为将样本引入ICP-MS系统的手段，而无需求助于某种形式的消化形式在液体中并删除所有空间信息。

MC-ICP-MS系统是在磁性扇形仪器上发现的，因此，磁场引起的质量分离离子的分散可以集中在多层阵列中的不同检测器上。这允许对所有同位素同位素进行同时测量的样品进行稳态分析，从而使仪器效应成为时间不变。他们最大的应用是需要高精度同位素比率的地质学和宇宙化学。

LA-ICP-MS被广泛用于确定具有最小样品制备的实心样品中的元素，并且需要在样品（或特定区域）中分析物的空间分布。它启用成像ICP-MS。样品表面用高能激光器（例如深紫外线，213 nm波长）在消融室或用AR净化的细胞中辐照。梁直径可以调节至低于300 µm的5 µm以下，并且是该方法的空间分辨率的第一个近似值。激光与样品相互作用产生的气溶胶被携带到AR中的ICP，随后将其电离和分析。梁可以在点模式下用于分析样品上的特定特征，也可以在样品上栅格间栅格，以提供样品中微量元素分布的图像图。量化更加棘手，因为矩阵效应更丰富 - 不同的材料会以不同的方式与激光束相互作用。结果，为了获得最佳的量化结果，首选矩阵匹配的标准。LA-ICP-MS在生物成像中应用的一个显着示例如图3所示，其中显示了小鼠脑中金属的积累。⁴

图3： 小鼠脑中金属的LA-ICP-MS成像的示例。信用：来自 (4)。

ICP-MS vs ICP-QQQ

尽管在减少ICP-MS中的反应和碰撞细胞的质量干扰方面取得了进步，但仍有一些情况下，所需的检测极限低于这些细胞可实现的。将存在分析物和样品基质的组合，可产生无法通过反应或碰撞细胞解决的质量干扰。等距干扰和第5节中提到的双重离子的问题就是示例。具体而言，稀土元素nd，sm和gd的双重电荷离子在⁷⁵As and⁷⁸SE，食品工业中重要性的痕量因素（AS和SE高水平）和营养重要性（SE，这对于硒蛋白的生产至关重要）。在ICP-QQQ（“三重四核”），放置一个额外的四极杆。因此，在进入反应细胞之前，所有离子在1 AMU内有效地质量过滤。换句话说，只有带有例如m/z = 75（AS及其质量干扰）进入单元格。这允许设计特定的靶向化学反应。在这种情况下，o₂可以在反应细胞中使用以生成⁷⁵As¹⁶O⁺（一种称为质量转移的技术），可以在m/z = 91处检测到，并且没有任何潜在干扰⁹¹Zr as these ions would have already been rejected by the first quadrupole.⁵

观看这段视频，《教我10系》，以了解有关ICP-QQQ的更多信息。

ICP-MS与ICP-OES

ICP-MS和ICP-OES（电感耦合等离子体光学发射光谱法）相似，因为两种技术都通过抽吸或泵从液体中引入样品中的样品中，将气溶胶生成被注入氩等离子体中的气溶胶。顾名思义，光学发射光谱没有分析电离原子的m/z，而是测量从原子发出的特征能的波长，因为它们的电子从高度激发的状态落回到基态。

ICP-OES是一种更方便的使用方法。与ICP-MS相比，该仪器的价格更低，它不需要相同水平的员工专业知识来运行，而试剂级化学品通常足以进行分析。它还可以通过查看具有较高溶解固体含量的解决方案的能力来受益，否则这些解决方案将给ICP-MS仪器带来问题。但是，检测极限不会像ICP-MS那样低。

参考

1. Meermann B，Nischwitz V. ICP -MS用于纳米级分析 - 教程评论。j肛门在光谱中。2018年9月； 33（9）。https://doi.org/10.1039/c8ja00037a

2. Bustos Arm。ICP-MS在分离科学中的作用。色谱。2020年2月17日； 83（2）：145–7。https://doi.org/10.1007/s10337-019-03846-2

3. Xu X, Wang H, Li H, Sun H. Metalloproteomic Approaches for Matching Metals to Proteins: The Power of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Chem Lett. 2020 Jun;49(6):697–704.https://doi.org/10.1246/cl.200155

4. Weiskirchen S，Kim P，Weiskirchen R.激光消融电感耦合的血浆光谱法：实验和临床威尔逊病中的金属成像。无机物质。2019年4月19日； 7（4）：54。https://doi.org/10.3390/inorganics7040054

5. Jackson BP，Liba A，Nelson J.反应细胞ICP-MS对食品中砷和硒分析的双重干扰的优势。j肛门在光谱中。2015; 30（5）：1179–83。doi：10.1039/C4JA00310A