淄博环境监测电感耦合等离子体质谱法应用

[摘要]电感耦合等离子体质谱法被称为“ICP-MS技术”，可以对样品中的多种元素同时鉴定，目前在生活饮用水水样、水源地水样以及地表水水样的监测中的应用较为广泛，我国《生活应用水标准检验方法》即包含该方法。本文主要论述了电感耦合等离子体质谱法的工作原理、仪器的基本构成、一般操作步骤及注意事项以及列举一些其在国内项目中的应用。

[关键词]电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)；环境监测；应用

1仪器的基本原理

电感耦合等离子体质谱法主要用于样品中多种元素的同时鉴定，其仪器由两部分组成，即ICP与MS。其中ICP为温度为8000K的高温离子源，MS为四极快速扫描质谱仪。放入仪器中的样品在高温离子源的作用下会在通道中发生蒸发、解离、原子化、电离等过程。电离出的离子会继续前进、通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子。具体过程如下：向样品锥中注射样品，之后样品在雾化器中随氩气(或者其他的载气)雾化，雾化后进入高温状态的(10000K左右)等离子体中心区，在其中发生去溶剂化、汽化解离和电离，最终以离子形式继续前进进入质谱仪进行检测，最终得出定性与定量分析结果。

2仪器的基本构成与常见型号

ICP-MS仪器的基本构成大体上可分为电感耦合等离子体发生器部分、电磁分离分离部分、检测器、真空装置和取样锥。其中电感耦合等离子体发生器部分包含雾化系统与等离子体中心区，由高频功放管、线圈、同心石英管、雾化器、载气源组成。电磁分离分离部分，有很多类型，如四极(4个质量过滤器)，单焦点，双聚焦，离子阱等。其中以四级杆最常见，结构较为简单，效果较好，成本相对较低，有少数装置为提高空间分辨率以八级杆为分析器。检测器，用来将离子信号转化为电信号。真空装置，用以保持检测器和电磁分离部分的真空状态，这样离子就能得到尽量大的自由程，便于通过分离器到达检测装置。取样锥一般由金属材料制成，常见的是铂锥和镍锥，铂锥成本相对较高但耐腐蚀性好。它可以使等离子体发生器产生的离子进入电磁分离器，并减少等离子体尾焰的电磁干扰。检测器用来将离子信号转化为电信号。

3一般操作步骤及注意事项

3.1操作步骤流程图

3.2维护及注意事项

使用者需要定期检查机械泵涂油的位置，如果油量少了或者颜色暗淡就及时补救，另外要定期检查油气过滤器，不要让泵中的油在此积累。及时更换循环水，次数视具体情况而定。若在仪器使用过程中灵敏度降低了，可检查是否仪器内部需要清洗。在使用ICP-MS的过程中存在四种需要注意的干扰。种是质量近乎相等的不同元素引起的同位素干扰，如遇此情况，尽量选择其他合适的仪器。第二种是由于多原子分子离子引起的干扰，在电离产生离子时，大气或者基体中的组分会与等离子体相互作用从而引起干扰，可以通过设置对照扣除空白、再选分析同位素等解决。第三种是氢氧化和氧化离子干扰，由等离子体气体、分析物、溶剂和基体组分等形成的氢氧化和氧化离子干扰，可通过矫正试验方法、优化功率、去溶进样等实验条件解决。第四种是在前期准备过程中或者进样过程中意外引入的杂质干扰、可通过硝酸溶解、使用超纯试剂/水来减少干扰。

4国内的监测项目应用

4.1ICP-MS在水质监测中的应用

在运用ICP-MS法检测水质时，主要目标是水中的锌、银等痕量元素，在检测的同时还会系统分析相关匀速，并始终将相关系数控制在0.9995。另外，为了检测结果的准确性，要将ICP-MS技术的检出范围控制在0.01~4.12μg/L之间，并且要控制好相关回收率。在运用此方法检测生活饮用水时，具有干扰少、检测速度迅速、结果准确可靠等特点。当前，我国的ICP-MS分析法(《生活应用水标准检验方法》)可分析多达31种元素，用于生活饮用水水样、水源地水样以及地表水水样的监测。但是在《生活应用水标准检验方法》的论述中存在着方法论述不全面、过于简略等问题，如缺少对各种样本的前期处理规定、对样品分析过程、仪器分析条件描述不全面等。且该方法中提供的水质样品的精密度和准确度参考指标也与现今大部分地表水样分析不符。另外举一些近几年实际应用的例子，王俊平等对采集到的水样用硝酸酸化处理后经滤膜过滤后，用ICP-MS法测定饮用水中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu和Ni6种元素的含量。闵广全等采用ICP-MS对水中的Li、Zn、Ag等痕量元素进行系统分析和理解，相关系数控制在0.9995，检出极限控制在0.01~4.12μg/L之间，控制好加标回收率。

4.2ICP-MS在土壤监测中的应用

除了对水中的元素进行检测外，ICP-MS法还可以有效检测土壤中的化学元素，因此其在土壤污染监测领域也发挥着重要作用。在运用ICP-MS法对土壤进行检测时，首先要对样品进行消解，具体做法是在低温低压环境中，向样品中加入特定浓度的硝酸与氢氟酸的混合液(混合液的成分可根据检测元素调整)，然后使用仪器进行检测。黄冬根等用Sc45、In115、Tl2O4作为基础元素，采用ICP-MS对水稻土壤中过的金属元素进行测量，检测其中的标准物，使得检验结果与标准要求相一致；王斯娜等采用硝酸－氢氟酸－硫酸混合液前处理并赶酸后定容，用ICP-MS检测，优化仪器参数、选取合适的同位素和内标元素来消除干扰，并与一级标准元素作对比，具有精度高、线性宽、检出限低等优点。

4.3与其他技术联合使用

前文中提及ICP-MS随应用广泛、但在使用中还是存在一些不足，为了改善这些不足，出现了ICP-MS与其他技术联合应用的现象。例如与色谱技术联合应用、与激光烧蚀技术联合应用等等。其中与高效液相色谱联合使用较为广泛，具有高效分离检测相似组分(如上文叙述的四种干扰)、可用于物质形态的分析、等优势、现常用于提高柱分离效果、多级联用、降低检出限等方向的研究。

5前景展望

距离九十年代ICP-MS技术出现以来已经发展了近三十年，该技术由于使用起来高效快捷、能够同时检测多种痕量微量物质等优点而逐渐受到人们的重视，先后开发了色谱联用、激光烧蚀联用等多种先进技术。到2020年的今天也倍受关注，是研究人员的热点研究领域，相信在未来一定还会有更好的研究成果与运用，起到更好的作用。

6结语

电感耦合等离子体质谱法主要用于样品中多种元素的同时鉴定，其仪器由两部分组成，即ICP与MS。其中ICP为温度为8000K的高温离子源，MS为四极快速扫描质谱仪。放入仪器中的样品在高温离子源的作用下会在通道中发生蒸发、解离、原子化、电离等过程，最终进入高真空的四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子。该方法目前在国内外应用都较为广泛，有大量学者对其进行研究。

参考文献

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作者：孙鑫 赵金媛 曹文倩 孙泽林 单位：东北林业大学