什么是ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)?

原子光谱是通过电磁或质谱确定分析物元素组成的技术。有几种原子光谱分析技术可供使用,选择最合适的一种是获得准确、可靠、真实结果的关键。本文重点介绍 ICP-MS。

概述

电感耦合等离子体质谱仪是一种分析工具,能够测量非常低水平的约 72 种不同元素。大多数这些元素的检测限都低于万亿分之几,有些甚至在万亿分之几的范围内。

样品以气溶胶形式引入氩等离子体。等离子体干燥这种气溶胶,分解分子,然后从组件中去除电子。这会形成单电荷离子,然后将其导入质谱仪 (MS)。

MS 实际上是一种过滤装置,在任何给定时间只允许一个质荷比通过。在通过 MS 后,离子撞击电子倍增器检测器。离子的影响释放出电子级联,该级联被放大直到成为可测量的信号。该软件将测量信号的强度与已知校准标准的强度进行比较,以确定元素的浓度。

任何 ICP-MS 均由以下组件组成:

  • 样品引入系统 - 引入 ICP-MS 系统的绝大多数样品是液体(可以通过使用高性能激光烧蚀样品来引入固体颗粒。激光烧蚀 ICP-MS 的专业应用范围很小并且这里不详细讨论)。液体样品通常由蠕动泵输送到雾化器,雾化器会产生细小液滴的气溶胶,然后将其引入氩等离子体。使用的雾化器类型取决于待分析样品的粘度、清洁度和基质。

每种类型的雾化器都将优化特定样品类型的引入,从而实现 ICP-MS 的最佳性能。一旦产生细小液滴,它们将在进入等离子体之前通过雾化室。同样,选择的雾化室将最适合样品和应用。

雾化器和雾化室选择和配置的目的是确保始终均匀的液滴形成气溶胶,然后进入炬管。

  • ICP 炬管和 RF 线圈——它们结合产生氩等离子体,用作 ICP-MS 的离子源。ICP-MS 炬管中产生的等离子体会形成一个温度约为 6000 °C 的区域,该区域类似于太阳表面。

等离子体是通过将氩气通过一系列同心石英管(炬管)产生的,这些石英管的一端封闭在射频 (RF) 线圈内。能量由射频发生器提供给线圈,频率通常为 27 MHz,并与氩气耦合以产生等离子体。通过控制和改变等离子体的功率,可以处理包括有机溶剂在内的各种样品基质。

仍然包含样品基质和待测定元素的气溶胶液滴通过这个 6000 o C 区域,首先干燥成固体,然后加热成气体。然后原子吸收更多能量并最终释放一个电子形成单电荷离子。单电荷离子然后穿过等离子体并进入界面区域和真空系统。

  • 接口 – 等离子体与 ICP-MS 的离子透镜和 MS 部件之间存在很大的温度和压力差。接口区域将 ICP-MS 的这两个独立区域连接在一起,使单电荷离子能够继续它们的旅程到达检测器。该接口通常由两个锥体组成,允许两级减压,锥体由铂或镍制成。

  • 真空系统——单电荷离子需要在不与任何其他气体分子碰撞的情况下到达检测器。为了实现这一点,有必要通过创建真空系统来去除尽可能多的潜在阻碍气体分子;这通常需要一个低真空泵和一个涡轮分子泵。现代 ICP-MS 系统现在拥有几乎不需要维护的涡轮泵。

  • 碰撞/反应池——该池旨在消除可能降低可达到的潜在检测限的干扰。大多数现代 ICP-MS 都有一个可用于碰撞池和反应池模式的池。

当生成的离子具有与分析物离子相同的质荷比时,会导致 ICP-MS 中的干扰。常见的来源是血浆、样品或两者的组合。一些常见的干扰是

  1. 质量为 56 的铁受到 ArO 的干扰

  2. 质量为 75 的砷受到 ArCl 的干扰

  3. 质量为 80 的硒受到 ArAr 二聚体的干扰

在质量为 56 的铁的情况下,iCRC(碰撞/反应)电池可以将氦气引入电池,其物理上比铁离子大。干扰离子将比 Fe 更频繁地与氦原子碰撞,并且每次碰撞都会失去动能。细胞出口处有一个能量屏障,它被设置为只允许更高能量的离子通过。因此,在这种情况下,ArO 干扰物被移除。这被称为动能辨别。

我们也可以在 Reaction 模式下操作;在这里,我们在电池中使用氢,氢会与干扰离子发生反应,使其质量增加 1 amu。该质量将不允许通过 MS。例如,通过这种方法可以消除测量质量为 75 的 Ar 时的 ArCl 干扰。

如果没有干扰(某些质量没有干扰离子或基质非常干净),那么池实际上是空的,我们可以在“无气体”模式下运行。

大多数 ICP-MS 都有碰撞/反应池作为离子源和 MS 之间的特定单元。更高效、更强大的 ICP-MS 的单元位于界面区域,可以更高效、更快速地引入更多气体。

  • 离子光学 - 不同的制造商对他们的离子光学有不同的方法和设计,但他们都试图达到相同的结果;只有所需的目标离子进入四极质谱仪,同时确保任何剩余的中性物质和光子不会到达 MS。

离子束被离子光学器件弯曲 90 0度,不需要的中性粒子和光子直接通过并被真空系统去除。

一个问题是,当离子束从界面区域通过 ICP-MS 移动到 MS 时,它会不断发散,并且更少的离子会通过检测器。所有设计都试图弥补这一点,但更有效的是创建一个 3D 静电场,可以非常精细地调整和聚焦每个样品中正在分析的质量。

  • 质谱仪——这是一种按质荷比 (m/z) 对离子进行分类的质量过滤器。商用 ICP-MS 系统中使用了几种质谱仪:四极杆、飞行时间和扇形磁场。由于整体性能和经济价值,大多数实验室选择配备四极杆质谱仪的 ICP-MS。

四极杆通过设置电压和射频来工作,只允许特定质荷比的离子在棒内保持稳定,从而通过检测器。任何具有不同质荷比的离子在电池中都是不稳定的并被排出。为了覆盖整个质量范围,电子器件会迅速改变四极杆的条件,以允许不同质荷比的离子通过。

因此,尽管 ICP-MS 实际上是逐个质量地连续测量,但四极杆能够以每秒超过 5000 个原子质量单位 (amu) 的速率进行扫描。这使得 ICP-MS 能够非??焖俚夭饬啃矶嗖煌脑?,即使在任何时候只有一个质量通过四极杆。

  • 检测器 – 当离子离开 MS 时,它们撞击检测器的活性表面并产生可测量的电子信号。每次离子撞击该活性表面(打拿极)并开始放大过程时,它都会释放一个电子。这种电子级联一直持续到记录到可测量的信号。

一些探测器使用双模式,包括数字模式和模拟模式,但现在人们普遍认为纯数字探测器更高效、更可靠且使用寿命更长。商业仪器中使用的检测器具有较宽的动态范围,因此 ICP-MS 仪器仍然可以在高浓度水平和极低水平下进行测量。

ICP-MS 仪器在哪里使用?

ICP-MS 仪器的购买和运行成本相对较高。根据最终配置,一个典型系统的购买成本约为 120,000 英镑,每年运行成本为数千英镑。因此,如果有监管要求测量非常低水平的某些元素或对元素有特定的研究兴趣,则购买仪器。

ICP-MS 的一些较大市场是

  • 水或土壤的环境分析以确保合规性

  • 食品或饮料分析以?;は颜呙馐苌撕?/p>

  • 需要同时测量 QC 和污染水平的制药

  • 确定人体元素水平的临床分析

ICP-MS 的一些更具体的市场是

  • 测量岩石或冰芯中极低元素含量的地质研究

  • 制造材料必须尽可能纯净的半导体行业

  • As、Se 和 Hg 的形态分析——人类健康的关键元素

由于 ICP-MS 仪器测量元素的特定同位素,因此可以很容易地确定两种或多种同位素的比率。在同位素稀释中,样品中加入了感兴趣元素的富集同位素。富集同位素既可用作校准标准,也可用作内标。因为富集同位素具有与分析元素相同的化学和物理特性,所以它是可能的最佳内标。出于这个原因,同位素稀释被认为是所有分析中最准确的类型,并且通常用于认证标准参考物质。

同位素比测定用于各种应用,包括岩石地质年代测定、核应用、确定污染物来源和生物示踪研究。

如果需要非常低水平的检测或需要大量样品通量,那么 ICP-MS 可能是您的最佳解决方案。