电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术进展

肖亚兵，蔡国瑞，王伟

（天津出入境检验检疫局，天津 300461）

重金属元素是食品安全领域重要的检测项目，目前在重金属检测所用的仪器主要有原子吸收光谱仪，包括火焰法（FAAS）和石墨炉法（GFAAS）、原子荧光光谱（AFS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled Plasma Mass Spectrometry，缩写ICP-MS）四大类。原子吸收和原子荧光光谱法都不能进行多元素的同时测定，而且在与色谱联用进行形态分析时接口复杂。ICP-AES 虽然能进行多元素的同时测定，但检出限不能满足部分元素的要求。ICP-MS 是80 年代发展起来的新的元素分析测试技术。它以独特的接口技术将ICP 的高温（8 000 K）电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合而形成一种新型的元素和同位素分析技术，可同时分析几乎地球上所有元素，目前已广泛应用于食品安全领域样品中的多元素同时分析。在分析性能上，它与电感耦合等离子体光谱（ICPAES）、原子吸收（AAS）的比较见表1。

由表1 可见，ICP－MS 具有其它仪器无可比拟的性能，高灵敏度、最低的检测限，对试际样品分析有最好的抗干扰能力，可以分析元素周期表上几乎所有的元素、可在三四十秒内分析出七八十种元素，其性能价格比远高于其它几种仪器，甚至可以取代传统的无机分析技术如电感耦合等离子体光谱技术（ICPAES）、石墨炉原子吸收（GFAAS）等。

表1 AAS，ICP－AES 和ICP－MS 的性能比较[1]Table 1 Performance comparison of AAS，ICP－AES and ICP－MS

ICP-MS 具有以下分析特点：1）ICP 离子源产生超高温，能使所有的金属和一些非金属元素电离测定元素范围广，因此几乎能分析周期表上所有元素，并可同时测定多种元素。2）灵敏度高，比ICP-AES 普遍高2 个～3 个数量级，特别是测量质量数在100 以上的元素时，灵敏度更高。因此可试现痕量、超痕量元素测定。3）样品干扰小，由于全部同位素总和仅300 多个，质谱比光谱简单得多，谱干扰明显减少。4）分析速度快，1 min/样品～3 min/样品，分析过程自动化程度较高，性价比极佳。5）线性范围宽，高达9 个数量级，测定元素的浓度范围大至数十mg/L 甚至数百个mg/L，小至ng/L 级。6）分析模式灵活多样。可通过元素质荷比进行定性分析；也可通过质谱全扫描测定所有元素的大致浓度范围，进行半定量分析；还可用标准溶液校正进行定量分析。7）样品处理简单，甚至可以直接分析液体，与其它配件结合还可进行固体、气体样品的测定。如与激光烧蚀、电热蒸发等结合。8）与高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳等进样或分离技术联用应用于元素形态、元素蛋白质结合态等分析。9）能进行元素的同位素稀释和比值测定。

1 电感耦合等离子体质谱的基本原理

在电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）中，ICP 是质谱的高温离子源（5 000 K～10 000 K）。雾化器将样品溶液转化为极细的气溶胶雾滴（大颗粒碰撞沉积，小颗粒进入等离子体）后，以氩气作为载气将气溶胶雾滴带入等离子体，在中心通道进行样品蒸发、解离、原子化、电离等过程。采样锥和截取锥将ICP 和质谱联接起来，离子通过样品锥进入高真空的质谱系统，离子透镜对离子进行聚焦和偏转，使之与光子、中性粒子分离，进入质量分析器。质谱部分为四级快速扫描质谱仪，离子通过高速双通道后按质荷比分离，根据元素的分子离子峰进行分析。

2 电感耦合等离子体质谱样品分析

电感耦合等离子体质谱样品分析主要包括以下6个步骤：样品引入等离子体、样品的离子化、离子的提取-接口、离子聚焦传输、离子的分离、离子检测。

2.1 样品引入等离子体

目前，已经有很多文献介绍了固体，液体和气体样品导入ICP-MS 系统[2-10]，本章仅介绍液体样品的导入。对ICP 来说，样品尽量以小颗粒引入，否则等离子体可能会变得不稳定，甚至焠灭。雾化器是用来将样品溶液转化为极细的气溶胶雾滴，雾室主要用于去除气流中较大的液滴。最常用的是气动雾化器，包括同心喷雾器、交叉流雾化器和Babington 雾化器。每种雾化器都有不同的雾化效率、灵敏度和抗堵塞能力。典型的雾化器流速通常1 mL/min 左右。最近Bjorn 等[11]介绍了一种高效的雾化器“total consumption”，其中气溶胶全部引入到了等离子体。整个操作都在更低的溶液提升率（10 μL/min～100 μL/min） 下进行。“total consumption”雾化器有更好的信噪比，但由于泵的影响，精密度较差。

气动雾化器所产生的雾滴直径分布范围很广，最大可达100 μm，但只有约1%的雾滴小于10 μm，从而能有效地电离。雾室主要作用是通过重力或惯性筛除气溶胶中不适合的大雾粒。雾室需要合适的温度、稳定的压力和较短的清洗时间（最好不超过两分钟），而不应受到严重的记忆效应。特别是一些元素，例如碘，硼，汞，可以长时间保留在玻璃器皿上，因此需要特殊的预防措施，以确保有效清洗[12]。

雾室的另一功能是去除气溶胶中的溶剂，从而提高电离效率。雾室在冷却至2 ℃时元素的信号可能比雾室在18 ℃时（较少的能量用于蒸发溶剂）多达3 倍，这是由于雾室在18 ℃时，较少的能量用于蒸发溶剂，另外基质中的H 和O 形成了多原子的形态也有干扰。表2 说明了在雾室在冷却至2 ℃时H 和O 的干扰减少了2 至4 倍。

表2 雾室温度对H、O 和H、O 形成的多原子形态的影响Table 2 Effect of spray chamber temperature on the selected polyatomic ions containing O and H

2.2 样品的离子化

样品在被转换为合适的气溶胶后，引入到ICP 中电离。等离子是一个由离子、电子和中性粒子组成的高度离子化的高温气体。

虽然有很多种气体都能产生等离子体，但氩气是最适合于ICP-MS 的气体。因为氩气是惰性的，很难形成稳定的化合物。氩气的电离能（15.2 eV）能确保大多数元素离子化（表3）[13]。对于一些元素（如，钡和Ce）需要第二电离能使得第一电离能比氩气低，因而这些元素将双电荷离子代替单电荷。

ICP 由包含3 个同心管的石英炬管组成。炬管外套有水冷铜线圈，给等离子体提供磁场能量。射频（RF）发生器（通常为1 000 W～1 500 W）在线圈内产生一个交流电，在27 MHz～40 MHz 之间振荡，并在炬管的末端产生高强度电磁场。氩气在中、外管以15 L/min的流速流动，而中间管以轴向或切向通入辅助气（约1 L/min）。高压火花产生自由电子，在振荡磁场中加速，和氩气碰撞、离子化，在炬管的末端形成等离子体。这样，分析样品就通过高速的喷射气流产生的中心通道进入等离子体。化合物首先原子化，然后单个原子再离子化，分析离子（或信号）可以通过五个与等离子体相关的因素优化：雾化器、辅助气流量、RF 功率、离子提取和炬管之间的距离和角度。

表3 单电荷离子和双电荷离子元素电离能分布Table 3 Distribution of elemental ionisation energies for singlyand doubly-charged ions at 1 eV intervals

2.3 离子的提取-接口

接口的两端是不同的环境，一边是常压高温的气氛，另一边是高真空常温的环境。通常接口包括两阶段。第一阶段为采样锥，有一个约1 mm 直径的小孔，与等离子体直接连接。采样锥的材质通常为镍或铂。通过采样锥后，等离子体气流在低真空（1×10-2kPa和1×10-1kPa）造成的压差下迅速膨胀形成超声射流，流经第二阶段-截取锥，截取锥材质也是镍或铂，有一个比采样锥小的园孔（约0.4 mm～0.7 mm）。两锥孔相距约6 mm～7 mm，在截取锥后面是离子透镜室，压力一般在3×10-2Pa 以下。这样的逐级压差使等离子气流经截取锥小孔吸进离子透镜室，最后进入高真空的质谱仪。

另外，分析后的残留物可能会堵塞采样锥和截取锥的小孔，尤其是测量高盐的样品。因此应定期采样锥和清洗截取锥。

2.4 离子聚焦传输

尽管ICP-MS 的灵敏度很高，但离子在传输过程中的损失还是很大的。Niu 和Houk[14]计算出在每50 000～500 000 个分析物离子中仅有1 个试际到达检测器。离子透镜由一个或多个园筒形的电极组成，在离子透镜组上施加电压，将离开截取锥后的离子传输到质量分析器。经过透镜组聚焦，去除离子束中的中性粒子和光子，避免它们到达质量分析器。这种设计没有使用光子挡板，是利用中性粒子和光子不受电场作用仍沿光轴前进的特点与离子分开，这样离子的传输效率更高，有更低的检测限。

离子透镜将离子聚焦成离子束，但当离子束密度非常高时，同电荷离子会相互排斥使离子束明显膨胀，造成离子束发散现象，这被称为“空间电荷效应”。空间电荷效应对离子束中所有离子都有影响，影响的程度取决于离子质量和密度。当样品基质离子中质量重的更多时，空间电荷效应会加剧，被分析物离子质量轻的比质量重的离子偏离束轴就更严重。

2.5 离子的分离

为了对每个元素进行定量分析，离子束中的离子必须分开后进行计算。质谱仪根据质荷比（m/z）大小来分开不同质量的离子。最常见的质谱仪是四极杆质量过滤器，四根笔直的金属杆与轴线平行并等距离的悬置着。施加在每对杆上的电压幅度相同，但正负极相反。当离子束进入四极空间后，在行进过程中与施加在四极杆上的电压所产生的电磁场相互作用，以确保只有单一质荷比（m/z）的离子不受阻碍的穿过四极场，到达检测器。而其它质荷比（m/z）的所有离子都会在四极场作用下以渐开的螺旋式轨道行进，最终碰到四极杆而被吸收。

另一个质谱仪是高分辨磁式质量分析器。这种质量分析器根据质荷比（m/z）、复合磁铁、动能和静电分析器（ESA）来使离子分离的。磁式质量分析器主要优点是具有高分辨率的工作性能，通常能达10 000，这意味着它可以分辨出质荷比（m/z）在0.01 amu～0.001 amu，而四极杆质量过滤器仅可以分辨出0.5 amu，所以极大的提高了无干扰检测能力。另外它还具有测量灵敏度高和背景信号低的特点。

2.6 离子检测

被质量分析器分离后的离子到达检测系统，通过接收、测量、数据处理给出最终结果。由于电脉冲数与样品中被分析物离子的浓度相关，因而测量电脉冲大小的检测系统必须在线性工作范围、稳定性、响应时间、质量歧视效应等方面具有很好的特性，才能给出理想的分析结果。

ICP-MS 的脉冲计数器都采用电子倍增器。这种电子倍增器是一个一端具有锥形开口的玻璃管，内壁均涂有半导体材料。当离子撞击到它的表面时就能产生一个或更多的二次电子。这些电子被加速撞击到打拿极又产生出更多的二次电子，随着二次电子在玻璃管中向另一端运动，这个过程不断重复，电子被增值的数额非常大，在接收极形成一个输出脉冲，接收极输出的是放大的离子信号，可达108以上。

在脉冲计数模式下，如果离子到达接收器的速度非常快，那么在前面离子产生输出脉冲期间，后面的离子将会到达检测器，发生脉冲堆积，后者就不能被计数系统测量检测系统不能区分连续脉冲的这段时间称为“死时间”。当离子计数很多时，死时间可用来校正丢失离子的信号。脉冲计数系统在0～106cps 之间呈线性。

3 电感耦合等离子体质谱联用技术

元素的生理活性或毒性在很大程度上取决于它的存在形态，因而在测定元素含量时不仅仅只是检测元素的总量，而应对元素的多个化学形态进行定性或定量分析。单一的的仪器或技术很难完成元素的形态分析，这样联用技术就是形态分析的重要手段。联用技术的发展以ICP-MS 与色谱技术联用发展最为完善，目前该技术已广泛应用于元素的形态分析。这种联用技术主要有高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、毛细管电泳（CE）、离子色谱（IC）等。

3.1 高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLCICP-MS）联用技术

HPLC 具有高度样品预处理能力，不需复杂的萃取和衍生步骤，是一种具有高效、高灵敏度的分离手段，尤其适用于热稳定性差、分子量大、极性强的物质的分离，根据分离机制的不同，液相色谱有多种分离方式。ICP-MS 作为HPLC 的检测器，跟踪被测元素在各形态中的信号变化，使得色谱图变得简单，消除了基体干扰，有助于元素形态确认和进行定量分析。因此HPLC-ICP-MS 联用技术已成为元素形态分析的强有力的手段。

ICP-MS 技术在前面已有了全面的介绍。HPLC 与ICP-MS 联用的关键是接口技术，即样品溶液经HPLC分离后在线的引入ICP 的雾化系统。ICP-MS 是为液体样品基质而设计的，HPLC 柱与雾化器连接也没什么问题，而且HPLC 的柱后流出液的压力与ICP 样品导入系统都是在常压下进行的，因此将HPLC 与ICP联机就变得十分简单。HPLC 与ICP 接口技术是与检测器的类型有很大关系，HPLC 应用的主要原则之一就是流动相要与检测系统相匹配。HPLC 流动相的流速通常为0.1 mL/min～1 mL/min，这与ICP 常用的气动式雾化器的样品导入流速是相匹配的。对ICP-MS 来说，要使用挥发性缓冲盐溶液或是在ICP-MS 系统中残留低的溶剂，有机酸的铵盐和碳酸铵由于其低残留就很适合于ICP-MS。另外，HPLC 的流动相中通常含有一定比例的有机溶剂，如甲醇和乙睛等，有机溶剂在ICP 中所产生的碳可造成ICP-MS 的进样管和采样锥、截取锥两锥孔变得越来越小甚至堵塞，导致ICPMS 的信号不稳定，因此可在溶剂到达ICP 前将样品溶液雾化成气溶胶，或降低喷射室温度使溶剂浓缩都能起到去溶作用，从而保持ICP 的稳定。在HPLC 柱后采取低流速或者使用小孔或微孔柱也可以减少有机溶剂进入检测器的量，小孔和微孔柱是HPLC 色谱柱技术的发展方向，它可以降低流动相的消耗量并且降低组分在色谱柱分散变宽，提高柱效。

HPLC-ICP-MS 技术在元素形态分析中的应用最为广泛。如Zoorob 等[15]用ODS 柱分离偶氮染料中的Cr（Ⅲ）和C（rⅥ），用甲醇/水（80∶20，体积比）作洗脱液，以流速为1.0 mL/min 作等度洗脱。Thomas 等[16]在C18柱上用混有30 mmol/L 甲酸铵的甲醇/水（5∶90，体积比）为流动相，分离硒代胱氨酸（SeCys）、硒代胱胺（SeCM）、硒代蛋氨酸（SeMet）和硒代乙基硫氨酸（SeEt）4 种Se 的形态化合物。肖亚兵等[17]以甲醇/含0.1%三氟乙酸的水（10∶90，体积比）作流动相，流速为1.0 mL/min 对动物源性食品中的阿散酸、硝苯砷酸和洛克沙砷的残留量进行测定，结果满意。

3.2 气相色谱-电感耦合等离子体质谱（GC-ICP-MS）联用技术

气相色谱（GC）具有分辨率高、分离速度快和效率高等优点，和ICP-MS 在线耦合（GC-ICP-MS）在一定程度上解决了ICP-MS 进行形态分析时的困难，近年来广为关注。由于GC 和ICP-MS 联用，把气态的气相色谱流出物引入ICP-MS 的过程中要保持色谱流出物呈气体状态，不象液相色谱和ICP-MS 联用那样直接，GC-ICP-MS 的研究相对比较晚。GC-ICP-MS 研究的真正突破是在毛细管气相色谱柱商品化以后，由于使用了毛细管气相色谱柱，分离效率和分辨率大大提高。自此之后GC-ICP-MS 逐渐得到应用推广[18]。尽管气相色谱（GC）只能分离挥发性的和热稳定的化合物，其应用也不如液相色谱广泛，但是随着分析技术的发展和接口的不断改进，分析时间缩短使之在大批量测定时独具魅力。

GC-ICP-MS 的应用主要集中在Sn、Hg、Se、Pb 等元素的形态分析。如俞是聃等[19]用气相色谱和电感耦合等离子体质谱联用法测定海产品中的有机锡。用该联用技术测定三氯丁基锡、二丁基锡二氯化物、氯化三丁基锡，可以在14 min 内分离完全。结果较为满意。李妍等[20]对气相色谱（GC）与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）联用的商品化接口进行了改进，并将GCICP-MS 联用技术应用于水产品中汞的形态分析。

3.3 毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱（CE-ICPMS）联用技术

毛细管电泳是一种具有优良分离性能的分离技术，毛细管电泳电感耦合等离子体质谱联用（CEICP-MS）具有样品需要量少、分离效率高、运行成本低、适用范围广、尤其是能分离与分子结合的元素形态（如蛋白质分子和肽分子）等优点。因此特别适于金属元素的化学形态分离。Kannamkumarath 等[21]综述了CE-ICP-MS 技术的原理、接口以及在元素形态分析中的应用。Alvarez-Llamas 等[22]采用在线CE-ICP-MS 技术分离了不同形态的Cd-金属硫蛋白。Profrock[23]优化了CE-ICP-MS 的工作参数，分析了鹿肝脏中提取的金属硫蛋白形态。Lusting 等[24]分离了土壤中铂的形态。由于CE 的流动体积小（10 nL～100 nL），流速低（＜40 nL/min），因此，接口问题是CE 面临的主要困难。另外，样品的基质效应以及CE 分离的化学条件也限制了它在元素形态分析中的广泛应用。

3.4 离子色谱-电感耦合等离子体质谱（IC-ICP-MS）联用技术

离子色谱法是70 年代中期发展起来的一项新的色谱技术，它类似于高效液相色谱分析技术。离子色谱已经在金属和非金属离子的测定中得到了较多的应用，是目前分离测定阳离子和阴离子最有效的方法。离子色谱与电感耦合等离子体质谱（IC-ICP-MS）联用用于元素形态分析也是当前分析化学的热点，该技术已成为解决复杂基体中离子形态分析的有效工具。如黄旭等[25]验采用了离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术测定西湖水中的痕量Sb（Ⅴ）和Sb（Ⅲ）。荆淼等[26]采用阴离子交换色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术分析了面粉中的痕量BrO3-和Br-。

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