電感耦合等離子體(ICP)和質(zhì)譜(MS)技術(shù)的聯(lián)姻成為20世紀(jì)80年代初分析化學(xué)領(lǐng)域最成功的創(chuàng)舉，也是分析科學(xué)家們最富有成果的一次國(guó)際性技術(shù)合作。

從1980年Houk等人的第一篇ICP-MS可行性文章發(fā)表，到1983年第一臺(tái)商品化儀器的問(wèn)世只有3年時(shí)間。

盡管早期ICP-MS系統(tǒng)昂貴、龐大、復(fù)雜、自動(dòng)化程度有限，而且信號(hào)漂移嚴(yán)重，但低檢出限的多元素同時(shí)檢測(cè)和簡(jiǎn)單的質(zhì)譜信息輸出(包含同位素比值信息)等顯著的優(yōu)點(diǎn)使人們很快接受了這項(xiàng)剛出現(xiàn)的技術(shù)。

常用術(shù)語(yǔ)

1.ICP-MS基本原理

樣品進(jìn)行ICP-MS分析時(shí)一般經(jīng)過(guò)以下四步：

（1）分析樣品通常以水溶液的氣溶膠形式引入氬氣流中，然后進(jìn)入由射頻能量激發(fā)的處于大氣壓下的氬等離子體中心區(qū)；

（2）等離子的高溫使樣品去溶劑化、汽化解離和電離；

（3）部分等離子體經(jīng)過(guò)不同的壓力區(qū)進(jìn)入真空系統(tǒng)，在真空系統(tǒng)內(nèi)，正離子被拉出并按其質(zhì)荷比分離；

（4）檢測(cè)器將離子轉(zhuǎn)化為電子脈沖，然后由積分測(cè)量線路計(jì)數(shù)；

電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關(guān)，通過(guò)與已知的標(biāo)準(zhǔn)或參比物質(zhì)比較，實(shí)現(xiàn)未知樣品的痕量元素定量分析。

2.ICP-MS基本構(gòu)造

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ICP-MS儀器分為三個(gè)基本部分：

（1）ICP（樣品引入系統(tǒng)，離子源）

（2）接口（采樣錐，截取錐）

（3）質(zhì)譜儀（離子聚焦系統(tǒng)，四級(jí)桿過(guò)濾器，離子檢測(cè)器）

1.樣品引入系統(tǒng)

ICP要求所有樣品以氣體、蒸汽和細(xì)霧滴的氣溶膠或固體小顆粒的形式進(jìn)入中心通道氣流中。針對(duì)于不同樣品性狀，有多種引入方式。

（1）流動(dòng)注射進(jìn)樣特點(diǎn)：樣品用量少，對(duì)溶液TDS和粘度要求不高，設(shè)備簡(jiǎn)單靈活；

（2）電熱蒸發(fā)直接進(jìn)樣特點(diǎn)：進(jìn)樣量少，傳輸率高（＞60%），可預(yù)先去除溶劑，可預(yù)先去除基體；

（3）氫化物發(fā)生進(jìn)樣特點(diǎn)：接近于100%的傳輸率，與溶液基體充分分離，具有預(yù)富集的效果；

（4）激光燒蝕法進(jìn)樣特點(diǎn)：原位無(wú)損分析，重現(xiàn)性好，線性范圍寬，適用于多種樣品（包括鋼鐵、陶瓷、礦物、核材料、食品等）。

2.霧化器

ICP-MS中主要使用三種類型的霧化器：

（1）同心霧化器。

氣流與毛細(xì)管平行，氣流迅速通過(guò)毛細(xì)管末端，溶液由毛細(xì)管引入低壓區(qū)，低壓與高速氣流共同將溶液破碎成氣溶膠。

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、穩(wěn)定性好

缺點(diǎn)：易堵塞、更換成本高、玻璃材質(zhì)不耐氫氟酸。

（2）交叉流霧化器。

利用高速氣流與液流之間接觸使液體破碎產(chǎn)生氣溶膠。

優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固且易于清洗、不宜堵塞

缺點(diǎn)：霧化效果比同心霧化器略差。

（3）Babington型霧化器。

氣流從一細(xì)孔中高速噴出，將沿V型槽流下的蒲層液流破碎成霧滴。Babington型霧化器事實(shí)上是交叉流霧化器中的一種。

優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)高鹽分試樣

缺點(diǎn)：霧化效率低

3.離子源

ICP-MS 是以電感耦合等離子體作為離子源。

ICP火焰的形成有三個(gè)條件：高頻電磁場(chǎng)、工作氣體、能維持氣體穩(wěn)定放電的石英炬管。如上圖，在管子的上部環(huán)繞著一水冷感應(yīng)線圈，當(dāng)高頻發(fā)生器供電時(shí)，線圈軸線方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈振蕩的磁場(chǎng)。用高頻火花等方法使中間流動(dòng)的工作氣體電離，產(chǎn)生的離子和電子再與感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的起伏磁場(chǎng)作用，這一相互作用使線圈內(nèi)的離子和電子沿圖示所示的封閉環(huán)路流動(dòng)。它們對(duì)這一運(yùn)動(dòng)的阻力則導(dǎo)致歐姆加熱作用。由于強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的高溫，使氣體加熱，從而形成火炬狀的等離子體。

等離子體指的是含有一定濃度陰陽(yáng)離子，能夠?qū)щ姷臍怏w混合物。在等離子體中，陰陽(yáng)離子的濃度是相同的，凈電荷為零。通常用氬形成等離子體。氬離子和電子是主要導(dǎo)電物質(zhì)，一般溫度可以達(dá)到10,000K。等離子體是一種電荷放電，而不是化學(xué)火焰！

4.接口

接口是整個(gè)ICP-MS系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分。其功能是將等離子體中的離子有效傳出到質(zhì)譜。

在質(zhì)譜和等離子體之間存在溫度、壓力和濃度的巨大差異，前者要求在高真空和常溫條件下工作(質(zhì)譜技術(shù)要求離子在運(yùn)動(dòng)中不產(chǎn)生碰撞)，而后者則是在常壓下工作。

如何將高溫、常壓下的等離子體中的離子有效地傳輸?shù)礁哒婵�、常溫下的質(zhì)譜儀，這是接口技術(shù)所要解決的難題。必須使足夠多的等離子體在這兩個(gè)壓力差別非常大的區(qū)域之間有效傳輸，而且在離子傳輸?shù)娜�過(guò)程中，不應(yīng)該產(chǎn)生任何影響最終分析結(jié)果可靠性的反應(yīng)，即樣品離子在性質(zhì)和相對(duì)比例上不應(yīng)有變化。

ICP-MS對(duì)離子采集接口的要求:

（1）最大限度的讓所生成的離子通過(guò)；

（2）保持樣品離子的完整性；

（3）氧化物和二次離子產(chǎn)率盡可能低；

（4）等離子體的二次放電盡可能小；

（5）不易堵塞；

（6）產(chǎn)生熱量盡可能少；

（7）采樣錐在等離子體內(nèi),通過(guò)軟件操作,自動(dòng)確定最佳位置(X、Y、Z方向)；

（8）易于拆卸和維護(hù)(錐口拆冼過(guò)程中,不影響真空系統(tǒng),無(wú)需卸真空)。

采樣錐：作用是把來(lái)自等離子體中心通道的載氣流，即離子流大部分吸入錐孔，進(jìn)入第一級(jí)真空室。采樣錐通常由Ni、Al、Cu、Pt等金屬制成，Ni錐使用最多。

截取錐：作用是選擇來(lái)自采樣錐孔的膨脹射流的中心部分，并讓其通過(guò)截取錐進(jìn)入下一級(jí)真空。截取錐安裝在采樣錐后，并與其在同軸線，兩者相距6-7mm，通常也由鎳材料制成，截取錐通常比采樣錐的角度更尖一些，以便在尖口邊緣形成的沖擊波最小。

5.離子聚焦系統(tǒng)

ICP-MS的離子聚焦系統(tǒng)與原子發(fā)射或吸收光譜中的光學(xué)透鏡一樣起聚焦作用，但聚焦的是離子，而不是光子。透鏡材料及聚焦原理基于靜電透鏡。整個(gè)離子聚集系統(tǒng)由一組靜電控制的金屬片或金屬筒或金屬環(huán)組成,其上施加一定值電壓。

其原理是利用離子的帶電性質(zhì),用電場(chǎng)聚集或偏轉(zhuǎn)牽引離子，將離子限制在通向質(zhì)量分析器的路徑上，也就是將來(lái)自截取錐的離子聚焦到質(zhì)量過(guò)濾器。而光子以直線傳播，中性粒子不受電場(chǎng)牽引，因而可以離軸方式偏轉(zhuǎn)或采用擋板、90°轉(zhuǎn)彎等方式，拒絕中性原子并消除來(lái)自ICP的光子通過(guò)。

6.四極桿濾質(zhì)器

四極桿的工作原理是基于在四根電極之間的空間產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的特殊電場(chǎng)，只有給定質(zhì)荷比(m/z)的離子才能獲得穩(wěn)定的路徑而通過(guò)極棒，從其另一端出射。其離子將被過(guò)分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而丟失。

四極桿是一個(gè)順序質(zhì)量分析器，必須依次對(duì)目標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行掃描，并在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)采集離子。其掃描速度很快，大約每100毫秒可掃描整個(gè)元素覆蓋的質(zhì)量范圍。

7.離子檢測(cè)器

四極桿系統(tǒng)將離子按質(zhì)荷比分離后最終引入檢測(cè)器。檢測(cè)器將離子轉(zhuǎn)換成電子脈沖，然后由積分線路計(jì)數(shù)。電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關(guān)。通過(guò)與己知濃度的標(biāo)準(zhǔn)比較,實(shí)現(xiàn)未知樣品的痕量元素的定量分析。