电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术原理与应用综述

一、引言

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）是当今元素分析领域最先进的技术之一，兼具高灵敏度、宽线性范围和多元素同时检测能力。其检测限可达ng/L（ppt）级，线性动态范围跨越9个数量级，可对周期表中75种以上金属及部分非金属元素进行精确痕量分析，广泛应用于环境监测、地质勘探、生物医药、食品安全及材料科学等领域。

二、技术原理详解

1. 进样系统

液态样品经雾化器转化为气溶胶，经雾室筛选后（粒径<10μm的液滴进入等离子体），由载气（通常为高纯氩气）导入。

2. 电感耦合等离子体（ICP）源

在27MHz高频电磁场作用下，氩气电离形成温度高达6000-10000K的等离子体炬。样品气溶胶在此高温环境中经历脱溶剂、汽化、原子化及离子化过程，转化率达90%以上。

3. 接口区域

关键的双锥接口设计（采样锥与截取锥）实现等离子体（常压环境）与质谱检测器（高真空环境）的耦合，离子束经此进入真空系统。

4. 质量分析器

离子束通过离子透镜聚焦后进入质量分析器（常用四极杆或飞行时间型）。四极杆通过特定RF/DC电压筛选目标质荷比（m/z）离子，实现元素分离。

5. 检测系统

离子经电子倍增器转化为电信号，脉冲计数模式可检测单个离子事件，实现超高灵敏度（部分元素检测限<0.1 ng/L）。

三、核心技术优势

四、关键应用领域

1. 环境监测

水体中重金属污染监控（As, Cd, Hg, Pb等）
土壤/沉积物中微量元素迁移研究
大气颗粒物来源解析（通过元素指纹图谱）

2. 生物医药

临床样本（血清、尿液）中必需/毒性元素分析
药物金属杂质检测（符合ICH Q3D指导原则）
纳米药物载体金属含量测定

3. 材料科学

高纯材料（半导体级硅）痕量杂质检测
合金材料成分精确控制
催化剂活性金属负载量测定

4. 地质学研究

稀土元素（REE）配分模式分析
同位素定年（U-Pb, Lu-Hf等）
矿床成因微量元素示踪

五、技术挑战与解决方案

1. 谱线干扰

物理成因：同质异位素（如^{58}Ni与^{58}Fe）、多原子离子（如^{40}Ar^{16}O干扰^{56}Fe）
对策：
- 碰撞/反应池技术（动能歧视或化学反应消除干扰）
- 高分辨率质谱（m/Δm > 10,000）
- 数学干扰校正方程

2. 基体效应

表现：高盐样品导致锥孔堵塞及信号抑制
对策：
- 在线稀释或基体匹配校准
- 内标法补偿（选用质量相近元素如^{103}Rh,^{115}In）
- 稀释进样结合耐高盐接口

3. 非质谱干扰

类型：空间电荷效应、电离抑制
解决方案：
- 优化离子透镜电压
- 采用冷等离子体模式（降低RF功率）
- 标准加入法定量

六、分析方法开发流程

样品前处理
- 生物样品：微波消解（HNO_3/H_2O_2体系）
- 固体样品：高压罐消解或锂硼酸盐熔融
- 水样：酸化保存（0.2% HNO_3）
仪器参数优化
- 射频功率（1000-1600 W）
- 载气流速（0.8-1.2 L/min）
- 透镜电压调谐（最大化^{89}Y/^{205}Tl响应）
质量校准与分辨率设置
- 使用含Li, Co, Y, Ce, Tl的混合校准液
- 根据目标元素选择标准/高分辨模式
定量方法验证
- 线性验证（R^2>0.999）
- 加标回收率（85-115%）
- 重复性测试（RSD<5%）

七、发展趋势

联用技术拓展
- LC-ICP-MS：砷/汞等元素形态分析（如As(III)/As(V)分离）
- LA-ICP-MS：固体样品直接微区分析（空间分辨率<10μm）
新型离子源开发
- 低氩耗微型等离子体（氩气消耗<5 L/min）
- 微波等离子体源（适用于高基体样品）
人工智能应用
- 机器学习算法自动识别干扰模式
- 大数据平台构建元素分布图谱数据库

八、结论

ICP-MS技术凭借其卓越的灵敏度与多元素分析能力，已成为现代分析实验室的核心工具。随着联用技术的发展和智能化数据处理的应用，其在超痕量元素分析、元素形态研究及原位微区分析等领域将持续发挥关键作用，为科学研究和工业质量控制提供不可替代的技术支撑。