電感耦合等離子體(ICP)和質譜(MS)技術的聯姻成為20世紀80年代初分析化學領域最成功的創(chuàng)舉，也是分析科學家們最富有成果的一次國際性技術合作。

從1980年Houk等人的第一篇ICP-MS可行性文章發(fā)表，到1983年第一臺商品化儀器的問世只有3年時間。

盡管早期ICP-MS系統昂貴、龐大、復雜、自動化程度有限，而且信號漂移嚴重，但低檢出限的多元素同時檢測和簡單的質譜信息輸出(包含同位素比值信息)等顯著的優(yōu)點使人們很快接受了這項剛出現的技術。

常用術語

1.ICP-MS基本原理

樣品進行ICP-MS分析時一般經過以下四步：

（1）分析樣品通常以水溶液的氣溶膠形式引入氬氣流中，然后進入由射頻能量激發(fā)的處于大氣壓下的氬等離子體中心區(qū)；

（2）等離子的高溫使樣品去溶劑化、汽化解離和電離；

（3）部分等離子體經過不同的壓力區(qū)進入真空系統，在真空系統內，正離子被拉出并按其質荷比分離；

（4）檢測器將離子轉化為電子脈沖，然后由積分測量線路計數；

電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關，通過與已知的標準或參比物質比較，實現未知樣品的痕量元素定量分析。

2.ICP-MS基本構造

一個標準的ICP-MS儀器分為三個基本部分：

（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）

1.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。

（1）流動注射進樣特點：樣品用量少，對溶液TDS和粘度要求不高，設備簡單靈活；

（2）電熱蒸發(fā)直接進樣特點：進樣量少，傳輸率高（＞60%），可預先去除溶劑，可預先去除基體；

（3）氫化物發(fā)生進樣特點：接近于100%的傳輸率，與溶液基體充分分離，具有預富集的效果；

（4）激光燒蝕法進樣特點：原位無損分析，重現性好，線性范圍寬，適用于多種樣品（包括鋼鐵、陶瓷、礦物、核材料、食品等）。

2.霧化器

ICP-MS中主要使用三種類型的霧化器：

（1）同心霧化器。

氣流與毛細管平行，氣流迅速通過毛細管末端，溶液由毛細管引入低壓區(qū)，低壓與高速氣流共同將溶液破碎成氣溶膠。

優(yōu)點：靈敏度高、穩(wěn)定性好

缺點：易堵塞、更換成本高、玻璃材質不耐氫氟酸。

（2）交叉流霧化器。

利用高速氣流與液流之間接觸使液體破碎產生氣溶膠。

優(yōu)點：堅固且易于清洗、不宜堵塞

缺點：霧化效果比同心霧化器略差。

（3）Babington型霧化器。

氣流從一細孔中高速噴出，將沿V型槽流下的蒲層液流破碎成霧滴。Babington型霧化器事實上是交叉流霧化器中的一種。

優(yōu)點：適應高鹽分試樣

缺點：霧化效率低

3.離子源

ICP-MS 是以電感耦合等離子體作為離子源。

ICP火焰的形成有三個條件：高頻電磁場、工作氣體、能維持氣體穩(wěn)定放電的石英炬管。如上圖，在管子的上部環(huán)繞著一水冷感應線圈，當高頻發(fā)生器供電時，線圈軸線方向上產生強烈振蕩的磁場。用高頻火花等方法使中間流動的工作氣體電離，產生的離子和電子再與感應線圈所產生的起伏磁場作用，這一相互作用使線圈內的離子和電子沿圖示所示的封閉環(huán)路流動。它們對這一運動的阻力則導致歐姆加熱作用。由于強大的電流產生的高溫，使氣體加熱，從而形成火炬狀的等離子體。

等離子體指的是含有一定濃度陰陽離子，能夠導電的氣體混合物。在等離子體中，陰陽離子的濃度是相同的，凈電荷為零。通常用氬形成等離子體。氬離子和電子是主要導電物質，一般溫度可以達到10,000K。等離子體是一種電荷放電，而不是化學火焰！

4.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(qū)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。

ICP-MS對離子采集接口的要求:

（1）最大限度的讓所生成的離子通過；

（2）保持樣品離子的完整性；

（3）氧化物和二次離子產率盡可能低；

（4）等離子體的二次放電盡可能小；

（5）不易堵塞；

（6）產生熱量盡可能少；

（7）采樣錐在等離子體內,通過軟件操作,自動確定最佳位置(X、Y、Z方向)；

（8）易于拆卸和維護(錐口拆冼過程中,不影響真空系統,無需卸真空)。

采樣錐：作用是把來自等離子體中心通道的載氣流，即離子流大部分吸入錐孔，進入第一級真空室。采樣錐通常由Ni、Al、Cu、Pt等金屬制成，Ni錐使用最多。

截取錐：作用是選擇來自采樣錐孔的膨脹射流的中心部分，并讓其通過截取錐進入下一級真空。截取錐安裝在采樣錐后，并與其在同軸線，兩者相距6-7mm，通常也由鎳材料制成，截取錐通常比采樣錐的角度更尖一些，以便在尖口邊緣形成的沖擊波最小。

5.離子聚焦系統

ICP-MS的離子聚焦系統與原子發(fā)射或吸收光譜中的光學透鏡一樣起聚焦作用，但聚焦的是離子，而不是光子。透鏡材料及聚焦原理基于靜電透鏡。整個離子聚集系統由一組靜電控制的金屬片或金屬筒或金屬環(huán)組成,其上施加一定值電壓。

其原理是利用離子的帶電性質,用電場聚集或偏轉牽引離子，將離子限制在通向質量分析器的路徑上，也就是將來自截取錐的離子聚焦到質量過濾器。而光子以直線傳播，中性粒子不受電場牽引，因而可以離軸方式偏轉或采用擋板、90°轉彎等方式，拒絕中性原子并消除來自ICP的光子通過。

6.四極桿濾質器

四極桿的工作原理是基于在四根電極之間的空間產生一個隨時間變化的特殊電場，只有給定質荷比(m/z)的離子才能獲得穩(wěn)定的路徑而通過極棒，從其另一端出射。其離子將被過分偏轉，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而丟失。

四極桿是一個順序質量分析器，必須依次對目標質量進行掃描，并在一個測量周期內采集離子。其掃描速度很快，大約每100毫秒可掃描整個元素覆蓋的質量范圍。

7.離子檢測器

四極桿系統將離子按質荷比分離后最終引入檢測器。檢測器將離子轉換成電子脈沖，然后由積分線路計數。電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關。通過與己知濃度的標準比較,實現未知樣品的痕量元素的定量分析。