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ICP-MS的原理及應用

來源：本站時間：2020-08-21 13:39:31 瀏覽：33145次

1. ICP-MS的基本介紹

ICP-MS全稱是電感耦合等離子體-質譜法(Inductively coupled plasma-Mass Spectrometry)它是一種將ICP技術和質譜技術結合在一起的分析儀器。自1984年第一臺商品儀器問世以來，這項技術已從最初在地質科學研究的應用迅速發展到廣泛應用于材料、化工、生物、醫學、冶金、石油、環境等領域。

ICP-MS法具有樣品制備和進樣技術簡單、質量掃描速度快、運行周期短、所提供的離子信息受干擾程度小等優點。對于大多數元素而言，有著極低的檢出限，被公認為最理想的無機元素分析方法。此外，ICP-MS法幾乎可以分析元素周期表中所有金屬元素，檢測限在1 ppt以下，同時也可以分析絕大部分非金屬元素。

對于擁有ICP測試技術背景的人來講，ICP-MS是一個以質譜儀作為檢測器的等離子體（ICP），而質譜學家則認為ICP-MS是一個以ICP為源的質譜儀。但不管何種看法，我們基本可以認為：ICP-MS = ICP + MS。

總結起來就是：ICP-MS將原子化的原子大部分轉化為離子，隨后按照按照質荷比分離，最終計算得到各種離子的數目。

2. ICP-MS的結構和原理

2.1 ICP-MS的原理

圖1. ICP-MS的原理圖

1. 在ICP-MS中，ICP起到離子源的作用，ICP利用在電感線圈上施加強大功率的高頻射頻信號在線圈內部形成高溫等離子體，并通過氣體的推動，保證了等離子體的平衡和持續電離，被分析樣品由蠕動泵送入霧化器形成氣溶膠，由載氣帶入等離子體焰炬中心區，發生蒸發、分解、激發和電離。高溫的等離子體使大多數樣品中的元素都電離出一個電子而形成了一價正離子；

2. 通過ICP-MS的接口將等離子體中的離子有效傳輸到質譜儀；

3. 質譜是一個質量篩選和分析器，通過選擇不同質核比（m/z）的離子通過來檢測到某個離子的強度，進而分析計算出某種元素的強度（圖1）。

2.2 ICP-MS的結構

標準的ICP-MS儀器分為三個基本部分（圖2）：

（1）ICP（樣品引入系統，離子源）

（2）接口（采樣錐，截取錐）

（3）質譜儀（離子聚焦系統，四級桿過濾器，離子檢測器）

ICP-MS的原理及應用演示參考圖2

圖2. ICP-MS的基本結構

樣品引入系統

ICP要求所有樣品以氣體、蒸汽和細霧滴的氣溶膠或固體小顆粒的形式進入中心通道氣流中。針對于不同樣品性狀，有多種引入方式（圖3）。總結起來，主要包括：

溶液氣動或超聲方式引入

電熱蒸發方式引入

激光或火花方式引入

氣體發生方式引入

ICP-MS的原理及應用演示參考圖3

圖3. ICP-MS的樣品引入方式

離子源

電離源是電感耦合等離子體（ICP），其主體是一個由三層石英套管組成的炬管，炬管上端繞有負載線圈，三層管從里到外分別通載氣，輔助氣和冷卻氣，負載線圈由高頻電源耦合供電，產生垂直于線圈平面的磁場。如果通過高頻裝置使氬氣電離，則氬離子和電子在電磁場作用下又會與其它氬原子碰撞產生更多的離子和電子，形成渦流。

接口

接口是整個ICP-MS系統最關鍵的部分，其功能是將等離子體中的離子有效傳出到質譜。

在質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(質譜技術要求離子在運動中不產生碰撞)，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到高真空、常溫下的質譜儀，這是接口技術所要解決的難題。必須使足夠多的等離子體在這兩個壓力差別非常大的區域之間有效傳輸，而且在離子傳輸的全過程中，不應該產生任何影響最終分析結果可靠性的反應，即樣品離子在性質和相對比例上不應有變化。

質譜（四級桿質譜）

利用靜電透鏡系統將穿過截取錐的離子拉出來，輸送到四極桿濾質器。四極桿的工作是在四根電極之間的空間產生一隨時間變化的特殊電場，只有給定M/Z的離子才能獲得穩定的路徑而通過極棒，從其另一端出射。其它離子將被過分偏轉，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而丟失。四極桿掃描速度很快，大約每100毫秒可掃描整個元素覆蓋的質量范圍。

3.制作過程

圖4. ICP-MS制樣樣品

ICP-MS制樣（圖4）要求樣品可以溶解于酸中，配成離子溶液，使待測元素以離子形式存在。若樣品不溶于強酸，需對樣品進行前置處理，一般為空氣中燒結使待測元素變成金屬氧化物形式存在；對溶于酸的樣品（金屬氧化物），直接溶于鹽酸/硝酸/硫酸/王水中，需確保濃酸原始體積小于稀釋后總體積的5%（酸度小于5%）；溶液樣品送樣濃度要求待測各種離子濃度均在1～10 ppm （ppm為質量分數百萬分之一）之間。

具體制樣步驟如下：

3.1 濃度計算

假定配置溶液體積為100 ml濃度為1～10 ppm的液體試樣，為使測試準確，樣品濃度最好在1～10 ppm之間，總溶液質量以100 g計算，則溶液中Ni，Co，Mn三種元素的質量均應在0.0004～0.0008 g之間。

考慮相對原子質量鎳元素59、鈷元素59、錳元素55、氧元素16、氫元素1，可以算出Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2相對分子質量為92.2，三種元素的質量分數分別為鎳38%，鈷13%，錳12%。考慮最高濃度鎳元素為上限，計算可知元素樣品質量應小于0.0010 g/38%=0.0026 g，考慮質量分數最低的錳為下限，可樣品質量應大于0.0001 g/12%=0.0009 g。可確定所需樣品質量為0.0009～0.0026 g之間，考慮測試上下限稱取0.002 g的Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2較好，此時鈷和錳的離子質量分數約在2-3 ppm，鎳的質量分數為8 ppm。

3.2 樣品溶解

稱取0.002 g的Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2樣品，置于透明有蓋的離心管中，轉移于通風櫥，打開通風，加入濃酸溶解（考慮濃酸危險性：濃硫酸稀釋放大量熱，濃硝酸白煙揮發，濃鹽酸易揮發，優先選擇順序為濃鹽酸>濃硝酸>濃硫酸）。基于酸度要求，選用濃酸體積小于5%，當總體積為100 ml時，濃酸體積小于5 ml，移取濃酸使用移液槍，分批次移取，一般一次1～2 ml，第一次加入濃酸后，輕搖離心管，觀察樣品是否溶解，若未溶解，繼續加入濃酸，之后搖晃直至樣品完全溶解。

3.3 槍頭處理

樣品溶解后，吸取濃酸的移液槍槍頭先放置于通風櫥內的水槽中，開細流自來水緩慢沖洗，沖洗1小時后取出放入垃圾桶。

3.4 溶液滴定

在離心管中加入去離子水40 ml稀釋成稀酸，轉移到100 ml容量瓶中，繼續加入去離子水，滴定至100 ml刻度線。

3.5 磁力攪拌

用小磁鐵輔助，向容量瓶中加入小磁子，磁力攪拌1 h之后，即可用50 ml離心管裝取40 ml左右的溶液，進行送樣測試。

4.干擾分析

ICP-MS的圖譜非常簡單，容易解析和解釋，但是也不可避免的存在相應干擾問題，總結起來，主要有以下幾種：

4.1 質譜干擾

ICP-MS中質譜的干擾（同量異位素干擾）是預知的，而且其數量少于300個，分辨率為0.8 amu的質譜儀不能將它們分辨開，例如58Ni 對58Fe、40Ar對40Ca、40Ar-16O對56Fe或40Ar-Ar對80Se的干擾（質譜疊加）。可采用元素校正方程式對其進行校正，即選擇性地選用一些低自然豐度的同位素、采用“冷等離子體炬焰屏蔽技術”或“碰撞池技術”可有效地降低干擾影響。

4.2 基體酸干擾

必須指出，HCl 、HClO4、H3PO4和H2SO4將引起相當大的質譜干擾。Cl+、P+、S+離子將與其他基體元素Ar+、O+、H+結合生成多原子，例如35Cl 40Ar對75As、35Cl-16O對51V的疊加干擾。因此在ICP-MS的許多分析中避免使用HCl 、HClO4 、H3PO4和H2SO4是至關重要的，但這是不可能的。克服該問題的方法有：“碰撞池技術”、在試樣導入ICP之前使用色譜（微栓）分離、電熱蒸發（ETV）技術等，另外一個比較昂貴的選擇是使用高分辨率的扇形磁場的ICP-MS，它具有分辨小于0.01 amu的能力，可以清除許多質譜的干擾。

4.3 雙電荷離子干擾

雙電荷離子產生的質譜干擾是單電荷離子M/Z的一半，例如138Ba2+對69Ga+或208Pb2+對104Ru+。這類干擾是比較少的，且可以在進行分析前將系統最佳化而有效地消除。

4.4 空間電荷效應

空間電荷效應主要發生在截取錐的后面，在此處的凈電荷密度明顯的偏離了零。高的離子密度導致離子束中的離子之間的相互作用，形成重離子時首先損失掉輕離子，例如Pb+對Li+。

基體匹配或仔細在被測物質的質量范圍內選用內標有助于補嘗這個影響，但這在實際應用中是有困難的。同位素稀釋法雖有效，但費用高，最簡單有效的方法是稀釋樣品。

4.5 基體效應

試液與標準溶液粘度的差別將改變各個溶液產生氣溶膠的效率，采用基體匹配法或內標法可有效地消除。

4.6 電離子干擾

電離干擾是由于試樣中含有高濃度的第I族和第II族元素而產生的，采用基體匹配、稀釋試樣、標準加入法、同位素稀釋法、萃取或用色譜分離等措施是行之有效的策略。

5.常見問題

隨著ICP-MS的普及，越來越多的科研人員開始接觸并使用該技術，然而，從儀器的基本操作到最后的數據分析等一系列的相關問題也是層出不窮，給廣大使用該測試技術的科研人員造成了極大的困擾。鑒于此，筆者通過大量資料查閱，結合自己的科研經驗，對其中部分典型問題進行了匯總、解答：

1. 是否可以用ICP-MS來分析鉬原礦及尾礦中鉬的含量？

答：質譜儀器適合測量痕量組分，而測試樣中鉬含量太高，高含量可使霧化及四極桿等整個系統污染，造成測量空白太高，以后無法使用。當然，過分地稀釋也可以測量，但無法滿足測試質量要求的需要。

2.采用微波消解對試樣進行預處理，最終平行樣的結果相差很大，可能是什么原因？

答：如果所有的元素含量都不好那說明是制樣或消解過程有問題，如果只是個別元素如鐵，可能是污染引起的，此外，樣品不均勻也有可能造成平行性差。

3.在使用HF溶樣的情況下能否測量其中的痕量硅？

答：難度較大，制樣過程中要格外小心Si形成SiF4跑掉；同時盡量避免加HNO3，N有干擾；最后，可以考慮用堿熔。

4.在預處理的過程中，能否加入鹽酸或王水?

答：鹽酸和王水中均存在Cl-，引入Cl會對許多元素的測量產生干擾，其干擾通常是可預見的，如ArCl對As75的干擾，ClO對V51與Cr53的干擾等。此外，ICP中的Ar、N、O等元素會與樣品消化過程中引入的Cl、S、C等生成多原子離子，干擾某些元素的測定。比如ArCl會干擾As的測定。酸產生的元素干擾按嚴重性依次增加的排列順序為：N、Cl、P、S，這可以為消解液的選擇提供一個依據。由于具有掃描速度快、精密度高和檢測范圍廣等諸多優點，ICP-MS的應用越發廣泛。

ICP-MS的原理及應用演示參考表1

表1. 不同污染區域土壤的元素含量（ppm）

眾所周知，隨著科技的革新，重金屬造成的土壤污染來源較多，如各類工業廢棄物，金屬礦山開采尾礦堆積以及污水排放，污水農業灌溉等，都可能造成土壤重金屬污染。目前對于土壤重金屬污染的測定方法較多，其準確度與精密度也各有差異。韓潔課題組[1]采用微波消解，利用ICP-MS 法對其進行測定，同時結合內標校正以及元素間干擾校正體系，很好的應對了測定土壤元素中基體干擾以及共存干擾，元素含量如表1所示。通過研究發現，Pb、Cr、Hg 達到了2.1%～3.0% 的精密度，以及90.0%～96.3%的加標回收率，可以對元素展開同時測定工作。

ICP-MS的原理及應用演示參考表2

表2 不同昆蟲體內微量元素含量

如表2所示，由于食用昆蟲體內的糖類、蛋白質、氨基酸、纖維素等含量較多，很多昆蟲還具有一定的藥用價值，因此，李學玲等人[2]將食用昆蟲微波消解后，用ICP-MS法進行測定。

測定元素的工作曲線方程的相關系數均在0.996以上，精密度RSD<7%，回收率在80%～120%之間，測定方法準確、簡便、靈敏度高。從食用昆蟲中檢測了12種微量元素，各微量元素在食用昆蟲中的含量可為今后食用昆蟲的研究與產品開發提供一定的理論參考。

ICP-MS的原理及應用演示參考圖5

圖5. ICP-MS測定Li+損失與容量衰減關系

當然，除了核工業、生物、醫學、冶金、石油、環境等領域，ICP-MS目前也逐漸開始應用于電化學、化工領域，如圖5所示，李雪敏等人[3]利用ICP-MS測量鋰離子電池中鋰的損失量，并分析了其與鋰離子電池容量衰減的關系。相信在未來，ICP-MS這一元素分析技術會在更多實際應用領域大放異彩。

[1] 韓潔. ICP-MS等離子體質譜法在同時檢測土壤鉛、鉻、汞重金屬元素含量中的應用[J]，中國金屬通報. 2019，12，206-208.

[2] 李學玲，楊春曉，王潤潤，張建強. ICP-MS法同時測定食用昆蟲中的微量元素[J]，普洱學院學報. 2019，35（3），12-16.

[3] Xuemin Li, Fulya Dogan, Yingqi Lu, Christopher Antunes, Ying Shi, Anthony Burrell, and Chunmei Ban. Fast Determination of Lithium Content in Spent Cathodes for Direct Battery Recycling, Adv. Sustainable Syst. 2020, 2000073.

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