ICP-MS基本知识和原理

电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS)是20世纪80年代发展起来的无机元素分析技术。它以独特的接口技术将ICP的高温等离子体电离特性与质谱仪的灵敏、快速扫描的优点相结合，形成一种新型的元素分析技术。

基本原理：

ICP-MS技术的发展史

1897，汤姆孙发现电子，获诺贝尔奖，开创质谱时代

1906，汤姆孙发现离子在电磁场中的运动轨迹与其质荷比有关

1912，世界第一台质谱仪

1942，第一台商品质谱仪诞生

1978，Houk搭建了全球第一台可以从ICP中提取离子的ICP-MS，弥补了光谱干扰严重，检出限高等缺点

1980，Houk & Fassel首次分别报道ICP做离子源的质谱分析法

1983-1987，SCIEX和VG推出了商品化ICP-MS仪器，第一台计算机控制ICP-MS

1989，高分辨率磁质谱ICP-MS

1990-1992，第一个使用离轴透镜，研制出了屏蔽炬技术

1994，推出第一台台式ICP-MS，首次采用屏蔽炬技术与帕尔帖控温雾室

1997-1998，商品化碰撞池ICP-MS

2000-至今，引入全新接口技术，串接技术等

阿斯顿与质谱仪

质谱仪的发明者阿斯顿Francis William Aston 1877-1945阿斯顿是英国物理学家，他长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。阿斯顿一生发生许多论文，1922年出版专著Isotopes（《同位素》），1933年重印时更名为Mass-spectra- and Isotopes（《质谱与同位素》）。月球上有以其名字命名的“阿斯顿环形山”。

毕业于英国伯明翰大学的阿斯顿，在大学学习期间，特别是他当物理研究生时，已显示出他在制作实验仪器和实验技巧上有着出众的才能。毕业后他的导师波印亭就将他留在身边作助手。这时，作为著名的科研机构——卡文迪许实验室主任的汤姆逊急需聘任一个助手，一个擅长制作仪器、并有一定实验技术的助手。为了阿斯顿有更快的发展和更好的前途，波印亭十分慷慨地把他得意的助手阿斯顿推荐给汤姆逊。这样阿斯顿来到了这个人才辈出的卡文迪许实验室，开始了新的科研生涯。

汤姆逊交给阿斯顿一个重要任务，即改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置，以更准确地测定阳射线在电磁场中的偏转度，从而来决定氖的组成和其原子量。灵巧的阿斯顿在汤姆逊的指导下，制造了一个球形放电管和带切口的阴极，改进了真空泵，发明了可以检查放电管真空泄漏的螺管和拍摄抛物线轨迹的照相机，这些改进明显地提高了实验的水平与此同时他们也改进了实验方法。他们通过装置的改进，将电场和磁场前后排列，但是二者的方向相互垂直，还使它们的作用力与阳射线平行而方向相反。在这种实验装置中，阳射线在两种场的作用下，经过不同玻璃制造的棱镜后，分别向相反方向偏斜，然后又聚焦到同一点上，使感光底片感光乙被检测的气体元素的同位素会因为原子量不同，阳射线的速度也不同，致使其偏斜后的曲线曲率不同。据此就可以测出同位素及其原子量。

思想活跃年轻的阿斯顿思想活跃，勇于接受新事物。他不同于汤姆逊，当他仔细地研读了索迪的同位素假说后，立即认为这一假说是可以成立的。他采用了同位素的概念，用以解释他在实验中的发现。阳射线在电磁场作用下出现两条抛物线轨迹，表明同位素确实存在。由于同位素的质量不同，所以扩散时的速度也不同，固而出现丽条抛物轨线。为了更清楚地证实这点，他先用分馏技术，然后又用扩散法，将氖同位素进行分离，最后再精确地测定它们的原子量，证实了Ne20和Ne22的存在。1913年在全英科学促进会的会议上，阿斯顿宣读了由这些工作而撰写的论文，并做了实验演示，展示了两种氖同位素的试样。对于他的这项研究，同行们给予很高的评价。他也由此而获得了麦克斯韦奖。

第一次世界大战爆发后，阿斯顿应征入伍，来到皇家空军的一个部门，从事战时的科学研究。虽然身在军营，但是他从未忘记思考和整理前段时间对阳射线和同位素的研究。设想假若能发明一种仪器，可以测定各种元素均有同位素的存在。那么他的研究就可以有新的突破。为此，等到战争刚宣布结束；他就急忙地赶回卡文迪许实验室，开始新的攻关。

阿斯顿回到卡文迪许实验室不久，汤姆逊就任剑桥大学三一学院院长，著名物理学家卢瑟福接替了汤姆逊原先的工作，成为卡文迪许实验室的负责人。卢瑟福最早提出放射性元素的擅变理论，因而对同位素的假说是理解的。他对阿斯顿的工作给予了很大的鼓励和具体的指导，使阿斯顿有更足够的信心来实现自己的计划。

阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置，又参照了当时光谱分析的原理，设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的，可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器。这就是质谱仪。离子源部分使用来研究其同位素的物质形成离子，然后将离子流经过分析器，在恒定的电场和磁场作用下，各同位素的离子由于质量不同，各循不同的路径到达收集器，从它们到达收集器的位置和强度，可测得各同位素的质量和丰度。阿斯顿所研制的这一仪器也可以称为阳射线的光谱仪，是他从事阳射线和同位素研究的结晶。这种仪器对于测量的结果精度达到千分之一。因此使用这一仪器能帮助阿斯顿在同位素的研究中大显身手。

ICP-MS的应用

ICP-MS技术被称为“用于超痕量、多元素分析的最佳技术”，可同时分析几乎地球上的所有元素的技术，目前ICP-MS已被广泛地应用于地球科学、环境科学、生命科学、材料科学、半导体工业以及公安侦探等领域。

地质样品

ICP-MS在地质样品分析中应用的最早也最为广泛，并始终是ICP-MS应用的一个重要领域。对地质学来说，精密而准确地测定地质物质中的痕量和超痕量元素是至关重要的。火成体系中的晶态—液态分馏过程的地球化学模型是现代岩石生成学研究的一个关键方面。痕量元素的分布模型,通常标准化为原始地球成分，能够帮助我们区分出资源产地，确定岩石的类型。

环境领域

ICP-MS在环境领域的化学分析也十分重要，世界各国的环境标准对环境样品中的一些有毒有害元素种类和限量做出明确规定，因而环境监测是环境管理的基础。我国在大气、水、土壤、污泥、各种固体废弃物等领域制定了系列的环境标准。很多元素的浓度范围大到数十甚至数百mg/L，小到μg/L。传统的元素分析方法如原子吸收法(火焰及石墨炉)、原子荧光光谱法、分光光度法不能同时测定多元素且耗时、费力。而ICP-MS以其独特的技术几乎克服了所有的传统元素分析的缺点。

食品科学

ICP-MS在食品科学领域有着广泛的应用，因为ICP-MS不仅可以测定几乎全部元素的浓度，还可以给出同位素的信息，这种同位素测量能力使同位素稀释分析技术得到了广泛的应用，并可采用稳定的非放射性同位素进行示踪研究。而重金属元素的测定在食品污染检测中也是非常重要的一项。