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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年第一臺商品化儀器的問世只有3年時間。
盡管早期ICP-MS系統(tǒng)昂貴、龐大、復(fù)雜、自動化程度有限，而且信號漂移嚴(yán)重，但低檢出限的多元素同時檢測和簡單的質(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
質(zhì)量數(shù)：在核子/原子中，中子和質(zhì)子的總數(shù)。
核素（Nuclide）：給定M值和Z值的一種核子。
同中子異荷素（Isotone）：中子數(shù)（N）相同，質(zhì)子數(shù)或質(zhì)量數(shù)不同的核素。
同位素（Isotope）：質(zhì)子數(shù)相同（Z），中子數(shù)或質(zhì)量數(shù)不同的核素。
同量異位素/同質(zhì)異位素（Isobar）：質(zhì)量數(shù)（M）相同，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同的核素。
豐度靈敏度：一個分析物譜峰的拖尾對相鄰質(zhì)量處的重疊程度。
背景等效濃度（BEC）：測定純水或樣品時，與待測元素質(zhì)量數(shù)處的背景絕對計(jì)數(shù)值相當(dāng)?shù)脑貪舛戎�；BEC=待測元素的背景絕對計(jì)數(shù)值/方法的靈敏度。
掃描方式（scanning）：對每個峰在數(shù)個通道內(nèi)的整個質(zhì)量連續(xù)掃描，可獲得完整的譜圖形狀。
跳峰方式（peakjumping/peak hopping）：質(zhì)譜儀在幾個固定質(zhì)量位置上對目標(biāo)同位素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
掃描時間（sweep time）：在完整的選定質(zhì)量表中采集數(shù)據(jù)所需的總時間。
停留時間（dwell time）：測量一個特定質(zhì)量的信號所需的時間。
總?cè)芙夤腆w量（TDS）：溶解在溶劑中的固體物質(zhì)總濃度。
ICP-MS原理及基本結(jié)構(gòu)
1.ICP-MS基本原理
樣品進(jìn)行ICP-MS分析時一般經(jīng)過以下四步：
（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）檢測器將離子轉(zhuǎn)化為電子脈沖，然后由積分測量線路計(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
一個標(biāo)準(zhǔn)的ICP-MS儀器分為三個基本部分：
（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)，四級桿過濾器，離子檢測器）
主要結(jié)構(gòu)解析
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。針對于不同樣品性狀，有多種引入方式。
（1）流動注射進(jìn)樣特點(diǎn)：樣品用量少，對溶液TDS和粘度要求不高，設(shè)備簡單靈活；
（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火焰的形成有三個條件：高頻電磁場、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，線圈軸線方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈振蕩的磁場。用高頻火花等方法使中間流動的工作氣體電離，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。它們對這一運(yùn)動的阻力則導(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離子，能夠?qū)щ姷臍怏w混合物。在等離子體中，陰陽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)礁哒婵铡⒊叵碌馁|(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^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)和相對比例上不應(yīng)有變化。
ICP-MS對離子采集接口的要求:
（1）最大限度的讓所生成的離子通過；
（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),通過軟件操作,自動確定最佳位置(X、Y、Z方向)；
（8）易于拆卸和維護(hù)(錐口拆冼過程中,不影響真空系統(tǒng),無需卸真空)。
采樣錐：作用是把來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：作用是選擇來自采樣錐孔的膨脹射流的中心部分，并讓其通過截取錐進(jìn)入下一級真空。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，也就是將來自截取錐的離子聚焦到質(zhì)量過濾器。而光子以直線傳播，中性粒子不受電場牽引，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自ICP的光子通過。
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)生一個隨時間變化的特殊電場，只有給定質(zhì)荷比(m/z)的離子才能獲得穩(wěn)定的路徑而通過極棒，從其另一端出射。其離子將被過分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而丟失。
四極桿是一個順序質(zhì)量分析器，必須依次對目標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行掃描，并在一個測量周期內(nèi)采集離子。其掃描速度很快，大約每100毫秒可掃描整個元素覆蓋的質(zhì)量范圍。
7.離子檢測器
四極桿系統(tǒng)將離子按質(zhì)荷比分離后最終引入檢測器。檢測器將離子轉(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。
