大型精密仪器ICP-MS实验教学的探索

杨丽婷 王 静 郭怀兰*

(1.湖北医药学院生物医药研究院，十堰 442000；2.湖北医药学院公共卫生与管理学院，十堰 442000；3.湖北医药学院南水北调水源地环境与健康研究中心，十堰 442000)

1 ICP-MS基础地位与实验教学现状

电感耦合等离子体质谱(Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)是以独特的接口技术将MS的快速灵敏扫描的性能与ICP的高温电离特性结合成的一种新型的元素分析仪器[1，2]，其具有线性范围宽、精密度高、干扰少、多元素同时分析的优势[3]；另外，ICP-MS与其他技术联用，如气相色谱[4，5]、液相色谱[6，7]等可实现元素同位素分析、形态分析等多种应用。因此，ICP-MS现已在药品、食品和环境样品的分析中表现出显著的优越性[8，9]。近年来，随着国家对科学研究的重视和投入不断提高，越来越多的事业单位、科研院所及第三方检测公司配置了ICP-MS，使其普及率迅速提升。与此同时，国家相关部门也出台了土壤和固体废物[10]、水[11]、大气颗粒物[12]、食品[13]中金属元素的ICP-MS分析方法。

顺应时代要求，越来越多的高校将ICP-MS纳入实验教学内容，但集中在仪器的基本原理和基础使用[8,14]，对实验设计的介绍比较缺乏，然而这部分内容对学生奠定科研发展基础和培养自主创新能力十分重要；另外，作为微量、痕量元素分析的大型精密仪器，ICP-MS操作复杂、注意事项较多，传统单一的教学模式，无疑会增加学习焦虑和折损学习兴趣，从而达不到满意的教学效果。本校针对研究生开设有“现代仪器分析”实验课程 ，ICP-MS综合实验课为该课程的核心课程之一。本课程采用“线上线下”混合教学模式，将理论教学和实践教学有机结合，主要从ICP-MS概述、无机元素分析实验设计、仪器的使用及样品测定和仪器关键部位的维护四个方面内容展开教学，不断探索ICP-MS教学模式和教学内容，以期提高实验教学质量，使学生在基础技能知识、科研素养和创新意识得到综合提高。

2 ICP-MS实验教学内容

2.1 理论教学

本实验课理论教学主要包括ICP-MS概述和无机元素分析实验设计两部分内容。通过概述内容的介绍，使学生初步、系统地认识ICP-MS仪器结构、原理及发展应用等；实验设计从仪器选择、样品前处理技术及方法验证阐述了无机元素分析的实验要点，为实践教学奠定坚实的基础。

2.1.1ICP-MS概述

(1)ICP-MS仪器主要结构及工作原理。

(2)ICP-MS发展和应用。近年，ICP-MS仪器自身性能及其分析测试的方法都有显著提升，主要表现为4个方面：1)四级杆质谱的升级换代，如采用碰撞/反应池技术，改善分析性能；2)通过MS技术的改进及信息处理研究，推出其他类型的等离子体质谱仪，如多接收高分辨等离子体质谱仪、双聚焦扇形磁场等离子体质谱仪、飞行时间质谱仪等，以减少质谱干扰、提高仪器精密度，主要用于同位素组成的高精度测定；3)各种色谱技术与ICP-MS的接口研究，主要应用于元素形态分析；4)进样技术和前处理技术如激光烧蚀、冷蒸发进样、微波消解等。目前市场上主要以性价比高的四级杆质谱为主，因此本实验课以四级杆ICP-MS为例，探讨ICP-MS在实验教学中的应用。

(3)ICP-MS相关实验课题，激励学生积极参与实验研究，调动学生学习ICP-MS的兴趣。列举本校ICP-MS涉及的国家级、省部级和校级的科研项目，ICP-MS涉及食品、药品、环境、地质及生物样品等近期的时事要闻等。

2.1.2无机元素分析实验设计

(1)仪器的选择

实验前根据实验需求、仪器特性、操作性及成本等相关因素选择合适的检测仪器。ICP-MS作为最先进的元素分析仪器之一，可以测量元素周期表上除了放射性元素以外的几乎所有的元素，在元素分析中占有不可替代的作用，但在具体的实验中，并不是所有的元素分析都会选用ICP-MS。目前无机元素分析方法主要有原子荧光光谱法(atomic fluorescence spectrometry，AFS)、原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy，AAS)、电感耦合等离子体发射光谱法(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy，ICP-AES)法和ICP-MS法，这4种技术的比较见表1[15，16]，前3种技术动态范围窄，适用于单元素分析，确保所有元素测定结果准确可靠；ICP-MS线性范围宽，适合多元素高通量分析。

表1 无机元素分析方法的比较

(2)样品前处理方法的选择

常见的前处理方法包括直接稀释法、固相提取、液相萃取、干法灰化、湿法消解和微波消解等[17]，目前还没有一种前处理方法可以普遍适用于不同类型样品中不同元素的测定。样品前处理是无机元素分析难点，实验前应根据样品和待测元素的的特性，操作性及对环境的污染程度等因素选择合适的前处理方法。本实验课着重比较了常用的3种完全分解方法，特性比较见表2。

表2 3种无机元素分析前处理方法的比较

(3)方法验证

样品上机前需要对实验测试方法进行验证，确保元素分析结果的准确、可靠。方法验证的主要内容包括无机元素同位素的选择，方法的标准曲线及线性、检测限、定量限、精密度、准确度(加标回收率、质控，内标回收率)的实验设计及判定标准。

2.2 实践教学

电感耦合等离子体质谱仪是前沿大型精密仪器，只有经过实践才能真正掌握操作技能，并在实践中加强理论知识的理解，获取准确、可靠的结果。本实践教学重点介绍仪器使用、样品测定及会影响结果的仪器关键部位的基本维护。

2.2.1ICP-MS仪器使用及样品测定

(1)ICP-MS实验室基本情况的了解，如维持室内洁净、湿度35～50%、温度18～25℃，实验室的布局如气路系统、电路系统、冷却循环水系统及真空系统等，以及实验室规章制度等，使学生从宏观上把握ICP-MS实验室环境，认识到符合条件的外部环境对大型仪器的正常稳定运行是非常必要的。

(2)仪器的正确开关机程序，真空，气源、风机、冷凝水及UPS等各项状态符合标准，保障仪器正常开机并减少仪器损坏。

(3)仪器相关软件的学习，了解仪器状态的控制、基础调谐、样品测试及数据处理的步骤。

(4)应用ICP-MS测定饮用水中砷、镉、铊和铅元素[3]。

2.2.2ICP-MS关键部位的维护

ICP-MS灵敏度高，仪器关键部位的日常维护直接影响着实验结果的准确度，了解仪器相关的维护操作，有助于加深对理论知识的理解、指导样品前处理操作及对异常数据的解释与处理，并减少仪器的损坏、延长仪器使用寿命。

(1)集成的蠕动泵系统：保证液体样品以一定的流速被送入雾化器，在确认进样和排废液方向正确后，将蠕动泵管以适当的松紧程度放置在泵管槽；实验结束后，将泵管放松。一旦发现泵管变形或任何磨损都应该及时更换，避免因进样不均影响分析精度，或者因漏液腐蚀蠕动泵滚柱。另外为减少对测试样品的污染，进样毛细管需要定期更换。

(2)雾化器、雾室、矩管及中心管：输入的液体样品经雾化器转变成细微的气溶胶，经雾室的分离，允许大约1%的液滴进入ICP炬管而被离子化。样品上机前需要离心或过滤，否则很容易堵塞雾化喷嘴内的毛细管，如果堵塞可以反转蠕动泵管冲出堵塞物。为了减少交叉污染、改善仪器氧化物噪音，每批样品分析结束后，将雾化器、雾室、矩管及中心管放入5%HNO3溶液(体积比)中浸泡16h，以清除沉积物，再用去离子水清洗，禁止超声，干燥后即可安装使用。如果炬管和中心管清洗不干净或者出现变形、磨损，都应该及时进行更换。

(3)采样锥、截取锥、离子透镜：选取富含样品离子的气体进入接口区域，离子光学透镜提取离子流聚焦成散角尽量小的离子束，被拦截的大部分等离子体被真空泵抽走。在实验一段时间后，采样锥和截取锥表面会附着有许多残留物并且丝口处松动，锥口会堵塞、变形，离子透镜可能会积累一些沉积物等，因此在测试前应该检查需采样锥、截取锥及离子透镜是否达到测样的要求，必要时需要用纯水超声清洗15～20min(3次)，彻底干燥后安装。

(4)其他。测试前需确保循环冷却水的水位正常，并定期更换为新鲜双蒸水。空气过滤网过滤空气中尘粒，需要定期清洗或更换。

3 ICP-MS实验教学模式

ICP-MS实验教学是顺应时代要求发展起来的，但是由于ICP-MS操作的复杂性和实践操作的限制，在短时间内掌握此类仪器的使用难度较大，传统单一的实验教学模式已无法有效的承担大型精密仪器的实验教学任务。鉴于此，本实验教学利用数字信息资源，对接线上线下教育资源，建立以微信公众号、讨论群和现场实验教学三位一体的“线上线下”混合实验教学模式，以期营造灵活的学习环境，实现符合时代要求的教与学方式的变革，提升实验教学质量。线上教学即学生通过微信公众号中的视频、PPT文档资料库和群在线交流自主学习与探索的教学，主要内容包括仪器应用、工作原理、样品准备和仪器日常维护等，线上教学突破时间和空间的限制，允许学生自己安排学习时间及学习进度，并可以及时进入讨论群探讨问题，实现大型仪器的个性化学习和使用；线下的现场实验教学即通过集中的理论和实践教学，一方面讲解并实践仪器的开关机、软件使用、数据处理和仪器日常维护等内容，加深知识的理解，另一方面传授实验设计和实验思维，培养学生自主创新能力。

4 ICP-MS实验教学的成效

为了更好的加深学生对本实验课内容的印象及了解学生对本实验课教学模式的满意度，在实验课结束时针对ICP-MS相关知识及其实验教学相关问题进行问卷调查。结果显示，由于学生的医学背景，有60.6%的同学有接触大型仪器的经历，但是仍有50.9%的同学对使用ICP-MS有畏惧心理，甚至20.3%的学生非常畏惧，他们都一致认为ICP-MS的理论复杂难理解以及操作繁杂是使用中最大的难点。在这种背景下，90.8%的同学认为本实验课不仅对正在进行的科研有帮助，并且有助于提高学生的科研兴趣、综合科研能力以及科研创新能力。99.8%的同学对这种线上线下的混合教学模式表示认可和接受。对ICP-MS基础知识和实验技术掌握情况统计显示，学生对该仪器的应用范围，开关机注意事项，样品前处理、实验设计及测试流程等都有了一定的了解但是细节掌握情况并不理想，究其原因可能是ICP-MS的理论复杂，实验经验要求较高，短时间内掌握有一定的难度。另外，有2位同学以此为基础设计了创新课题，由此可见，本实验课有助于培养学生的创新性和探索性，使学生在知识技能和综合素养方面都得到了提高。

5 结语

ICP-MS是目前无机元素分析中不可替代的基础设备，在环境调查、突发公卫事件及科技创新等方面发挥重要作用，将其纳入实验教学内容是时代发展的要求。本实验课采用“线上线下”混合实验教学模式，完成ICP-MS概述、无机元素分析实验设计、ICP-MS仪器的使用及样品测定、会影响实验结果的关键部位的维护共四部分内容的讲解，取得了较好的成效。作为前沿精密大型仪器，ICP-MS仪器原理复杂和操作繁杂，对基础知识要求较高，只有通过不断改进实验教学模式、完善教学内容，提高教学质量，才能将更高效的运用短暂的课堂时间，提高学生使用ICP-MS的能力，同时培养学生的创新能力和探索能力。