現(xiàn)代分析化學(xué)-電感耦合等離子體質(zhì)譜的原理,進(jìn)展及應(yīng)用_第1頁(yè)
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1、 現(xiàn)代分析技術(shù)學(xué) 號(hào): 姓 名: 專(zhuān) 業(yè): 分析化學(xué) 班 級(jí): 學(xué) 院: 化學(xué)學(xué)院 2016 年 12月 28日電感耦合等離子體質(zhì)譜的原理,進(jìn)展及應(yīng)用摘 要: 電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)(ICP-MS)是一種有效用于元素檢測(cè)的現(xiàn)代分析方法。該技術(shù)除了提供極低的檢測(cè)限,寬的動(dòng)態(tài)線(xiàn)性范圍,干擾少,分析精密度高,可進(jìn)行多種元素的同時(shí)快速分析,可與多種分離技術(shù)及樣品前處理以及進(jìn)樣方法相結(jié)合等優(yōu)勢(shì)。文中簡(jiǎn)述了ICP-MS 的基本原理和儀器構(gòu)造,ICP-MS 技術(shù)在生物樣品、藥品、食品等樣品中的應(yīng)用進(jìn)展,著重介紹了其在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用,最后探討了ICP-MS與液相色譜、氣相色譜和毛細(xì)管電泳的聯(lián)

2、用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),并指出隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng), 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將會(huì)使ICP-MS 越來(lái)越普及,其應(yīng)用范圍也將會(huì)大大拓寬。1引言電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, 簡(jiǎn)稱(chēng)ICP-MS),是將感耦合等離子體技術(shù)(ICP)與質(zhì)譜技術(shù)(MS)聯(lián)合起來(lái)的一種新分析方法1-2。自1980年美國(guó)Iowa大學(xué)AITIes實(shí)驗(yàn)室的Houk和Fassel等人以及英國(guó)Surrey大學(xué)的Gray等聯(lián)名發(fā)表了“里程碑”文章至今已有三十多年”。1983年由加拿大的Sciex 公司和英國(guó)VG 公司先后推出的商品化儀器誕生以來(lái),ICP-MS迅速發(fā)展起來(lái)并成為

3、一種新型分析測(cè)試技術(shù)。該技術(shù)除了可快速同時(shí)檢測(cè)元素周期表中除C 、H 、O 等極少數(shù)元素外的絕大多數(shù)元素,還可應(yīng)用于同位素比值分析、形態(tài)分析方面,具有高靈敏度、干擾少、多元素同時(shí)分析等諸多優(yōu)勢(shì)因此ICP-MS技術(shù)已從最初的地質(zhì)科學(xué)研究廣泛應(yīng)用到環(huán)境、生化、醫(yī)學(xué)、冶金、材料和其它工業(yè)等領(lǐng)域3-4。 Barnes曾預(yù)言“21世紀(jì)將是ICP-MS儀器激增的時(shí)代”馮先進(jìn)等曾從樣品處理、進(jìn)樣技術(shù)、內(nèi)標(biāo)元素選擇等多方面綜述ICP-MS在地質(zhì)科學(xué)、生物與醫(yī)學(xué)、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、材料科學(xué)、冶金工業(yè)、環(huán)境分析中的應(yīng)用。ICP-MS技術(shù)的發(fā)展至今已有幾十年歷史,目前仍然是無(wú)機(jī)分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),本文重點(diǎn)將就以上

4、各主要ICP-MS技術(shù)的特點(diǎn)及其近十年來(lái)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,以及聯(lián)用技術(shù)進(jìn)展做綜合介紹,并對(duì)其發(fā)展前景做展望。2 ICP-MS的原理以及儀器構(gòu)造 ICP-MS是一種將ICP技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合的分析儀器,ICP-MS的主要組成包括進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、接口、離子透鏡、八極桿碰撞反應(yīng)池、四極桿濾質(zhì)器、檢測(cè)器及真空系統(tǒng),附屬設(shè)備包括循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。ICP 作為質(zhì)譜的高溫離子源,利用在電感線(xiàn)圈上施加強(qiáng)大功率的高頻射頻信號(hào)在線(xiàn)圈內(nèi)部形成高溫,并在高溫炬管中蒸發(fā)、離解、原子化和電離,使大多數(shù)樣品中的元素都電離出一個(gè)電子而形成了一價(jià)正離子。ICP 中心通道溫度高達(dá)約7000K, 引入的樣品

5、完全解離, 通過(guò)氣體的推動(dòng),保證了等離子體的平衡和持續(xù)電離,具有高的單電荷分析物離子產(chǎn)率、低的雙電荷離子、氧化物及其他分子復(fù)合離子產(chǎn)率, 是比較理想的離子源。ICP-MS 的接口由采樣錐和截取錐組成, 兩錐之間為第1級(jí)真空。等離子體離子束以超音速通過(guò)采樣錐孔并迅速膨脹, 形成超聲射流通過(guò)截取錐,中性粒子和光子在此被分離掉,而離子進(jìn)入第二級(jí)真空的離子在離子透鏡的電場(chǎng)作用下聚焦成離子束并進(jìn)入四極桿離子分離系統(tǒng)。這級(jí)真空的壓力必須保證四極桿分析器和倍增器在施加高壓的操作過(guò)程中不致產(chǎn)生電弧, 同時(shí)使由于離子束與真空中存在的氣體分子的碰撞而產(chǎn)生的散射不致過(guò)于嚴(yán)重。離子進(jìn)入加有直流和射頻電壓的四極桿過(guò)濾器

6、的一端, 桿上施加的射頻電壓使所有離子偏轉(zhuǎn)進(jìn)入一個(gè)振蕩路徑而通過(guò)極棒。根據(jù)質(zhì)量/電荷比的不同依次分開(kāi)。最后由離子檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),然后由積分測(cè)量線(xiàn)路計(jì)數(shù)。電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關(guān)。通過(guò)與已知的標(biāo)準(zhǔn)或參考物質(zhì)比較, 實(shí)現(xiàn)未知樣品的痕量元素定量分析。自然界出現(xiàn)的每種元素都有一個(gè)簡(jiǎn)單的或幾個(gè)同位素, 每個(gè)特定同位素離子給出的信號(hào)與該元素在樣品中的濃度成線(xiàn)性關(guān)系。近年來(lái), 隨著人們對(duì)四極桿ICP-MS 技術(shù)內(nèi)在缺陷的研究革新, 等離子體質(zhì)譜的分析性能, 尤其是同位素分析能力有了顯著進(jìn)步。當(dāng)然, 目前“ICP-MS” 的概念, 已經(jīng)不僅僅是最早起步的普通四極桿質(zhì)譜儀( ICP-QMS)了。

7、它包括后來(lái)相繼推出的其他類(lèi)型的等離子體質(zhì)譜技術(shù), 比如高分辨扇形磁場(chǎng)等離子體質(zhì)譜儀( ICP-SFMS) 、多接收器等離子體質(zhì)譜儀(ICP- MCMS) 、飛行時(shí)間等離子體質(zhì)譜儀(ICP-TOFMS) 以及離子阱三維四極等離子體質(zhì)譜儀(DQMS) 等。四極桿ICP-MS 儀器也不斷升級(jí)換代, 由于諸如動(dòng)態(tài)碰撞反應(yīng)池(DRC) 等技術(shù)的引入, 分析性能大大改善。各種聯(lián)用技術(shù)如液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、離子色譜(1C)、氫化物發(fā)生(HG)等技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用被廣泛運(yùn)用于在線(xiàn)分析、形態(tài)分析;而激光燒蝕(LAS)、同位素稀釋(ID)以及毛細(xì)管電泳(CE)等技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用使分析

8、范圍從整體分析擴(kuò)大到微區(qū)、表層分析。3 ICP-MS技術(shù)的應(yīng)用3.1地質(zhì)樣品分析中的應(yīng)用ICP-MS以獨(dú)特的接口技術(shù)將杰出的ICP離子源與質(zhì)譜儀所具有的靈敏、快速掃描以及干擾較少的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,形成一種元素和同位素分析技術(shù)。不但靈敏度高、可測(cè)定元素多、而且可進(jìn)行同位素分析,因此最早也最是最為廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)樣品分析。當(dāng)前,地學(xué)研究和正在開(kāi)展的多目標(biāo)地質(zhì)調(diào)查對(duì)分析技術(shù)提出越來(lái)越高的要求,要求測(cè)定的元素越來(lái)越多,測(cè)定限越來(lái)越低。目前,ICP-MS主要用來(lái)測(cè)定巖礦、痕量稀土、貴金屬、水質(zhì)、土壤、水系沉積物、環(huán)境地質(zhì)等樣品中的微量、痕量元素。Masudat5采用ICP-MS同時(shí)測(cè)定了地質(zhì)樣品中超痕量的釕

9、、鈀、銥和鉑,F(xiàn)ujimori6也使用該儀器成功地進(jìn)行了地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)巖石樣品中多元素同時(shí)分析。國(guó)內(nèi)學(xué)者施意華7-8等采用ICPMS測(cè)定地球化學(xué)勘探樣品中超痕量金、鉑、鈀,并研究了共沉淀時(shí)各種因素的影響。同時(shí)還建立了锍鎳試金富集電感耦合等離子質(zhì)譜法測(cè)定地質(zhì)樣品中金鉑鈀銠銥釕的方法,研究了富集時(shí)各種實(shí)驗(yàn)因素的影響。楊永麗9利用ICP-MS測(cè)定地質(zhì)標(biāo)樣中的貴金屬元素Pt、Pd、Rh,比較了不同消解方法對(duì)地質(zhì)樣品中貴金屬含量的影響,研究建立了Pd的校正方程,有效克服了質(zhì)譜干擾。3.2 ICP-MS在食品、生物樣品中的應(yīng)用ICP-MS在食品、生物領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步開(kāi)展。聶剛10等人建立基于同位素77Se、乙醇

10、基體改進(jìn)電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)直接測(cè)定食品原料中微量硒的方法。實(shí)驗(yàn)以2 % (V/V )乙醇作為基體改進(jìn)劑,采用Y元素作內(nèi)標(biāo)補(bǔ)償基體效應(yīng),選擇同位素77Se測(cè)定樣品中的硒,方法檢出限為0.87 ng/g,精密度(RSD,n = 6) 5 %,回收率為98.1 % 106.0 %。該方法具有簡(jiǎn)便、快速、靈敏、準(zhǔn)確、消耗小等優(yōu)點(diǎn),可為食品原料中微量硒的測(cè)定提供參考。展向娟11建立了微波輔助HNO3消解樣品,ICP-MS快速測(cè)定生物樣品中Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、As、Se、Sr、Mo、Ag、Cd、I、Ba、Hg、Tl、Pb、Bi共21種微量及痕量元素。等

11、通過(guò)在線(xiàn)加入內(nèi)標(biāo)來(lái)校正基體效應(yīng)和信號(hào)漂移對(duì)測(cè)量所造成的影響。各元素線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)在0.9990以上。RSD小于6.0%。用本方法對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07601a(頭發(fā)),GBW10010(大米),GBW10016(茶葉),GBW10023(紫菜)進(jìn)行分析,結(jié)果滿(mǎn)意。王小平12等人收集了13種中國(guó)茶葉和6種日本茶葉,在進(jìn)行密封消解后,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定了茶葉中23種礦質(zhì)元素的含量,并用茶葉標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(GBW07605)評(píng)價(jià)了分析方法的準(zhǔn)確度。研究結(jié)果表明:密封消解有助于獲得較為準(zhǔn)確的茶葉中礦質(zhì)元素含量的分析結(jié)果;與日本茶葉

12、相比,中國(guó)茶葉中Cd,Co,Cr,Cs,F(xiàn)e,Pb,Rb,Sb,Th,U和Zn等元素含量顯著偏高(P0.05),預(yù)示大氣重金屬污染程度中國(guó)較日本嚴(yán)重。另外,還發(fā)現(xiàn)茶葉中一些礦質(zhì)元素含量之間有很強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)性。3.3 ICP-MS用于大氣顆粒物中金屬元素的分析大氣中的超細(xì)顆粒物具有能夠強(qiáng)烈吸附多種無(wú)機(jī)有機(jī)污染物,極易被人體吸入肺部甚至進(jìn)入血液的特征,也是影響城市大氣能見(jiàn)度的重要因素之一,嚴(yán)重地危害人類(lèi)的健康和生態(tài)環(huán)境,已成為大氣環(huán)境污染的突出問(wèn)題等近些年來(lái),ICP-MS 成為常用的分析顆粒物中痕量金屬元素的重要方法。有人13-14用方法分析了大氣顆粒物中的無(wú)機(jī)元素,研究了部分污染元素在不同粒徑顆

13、粒物中的富集特征以及不同季節(jié)的濃度變化。郝春莉15等通過(guò)對(duì)的工作條件和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,建立了測(cè)定鉛同位素比值的精確方法,測(cè)量了2007-2008年南極中山站采集到的氣溶膠樣品中鉛同位素的比值。陳曦等人16采用ICP-MS與電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析2013年1-2月北京某城區(qū)采集獲得的PM2.5樣品,通過(guò)測(cè)試其中40種元素的總量分析了PM2.5元素污染特征,并輔以絕對(duì)主因子分析法對(duì)霧霾天氣PM2.5的污染來(lái)源進(jìn)行解析。從各元素含量所占顆粒物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)看,F(xiàn)e,Zn,Pb,Ti等含量超過(guò)0.1 %,是PM2.5中的主要重金屬離子,Mn,Cu,As,Se等含量超過(guò)顆粒物質(zhì)量分

14、數(shù)0.01%,是PM2.5中的重要的無(wú)機(jī)金屬污染物,這些金屬成分來(lái)源及健康影響值得重視。3.4 ICP-MS在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用ICP-MS在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟,汪瓊17以微波消解ICP-MS法測(cè)定冬蟲(chóng)夏草中30種無(wú)機(jī)元素含量,結(jié)果表明冬蟲(chóng)夏草中含有較豐富的人體必需宏量元素和微量元素,此法可為冬蟲(chóng)夏草的食品開(kāi)發(fā)、中藥研究提供參考。劉玲Il引采用ICPMS法測(cè)定阿壩年地區(qū)不用病情程度大骨節(jié)患者與健康對(duì)照人群血液中18中元素,結(jié)果表明多種元素水平存在一定差異。王國(guó)凱等人18采用微波消解ICP-MS法測(cè)定不同產(chǎn)地馬蘭重金屬元素的含量,并運(yùn)用主成分分析法和聚類(lèi)分析法對(duì)含量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果說(shuō)明IC

15、P-MS法快速、靈敏、準(zhǔn)確,可作為馬蘭中重金屬元素含量分析方法,并為馬蘭的質(zhì)量控制與安全評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。4 ICP-MS聯(lián)用技術(shù)ICP-MS雖然具有高靈敏度、檢測(cè)限低、多元素同時(shí)分析等諸多優(yōu)勢(shì),但在很多情況下,ICP-MS特別低的檢出限并沒(méi)有使它的樣品定量下限較其他分析技術(shù)得到改善,這主要是因?yàn)镮CP-MS對(duì)高含量的可溶固體的承受能力有限以及高濃度的個(gè)別元素或幾個(gè)基體元素所產(chǎn)牛的基體效應(yīng)所致。研究表明,將主基體元素與待測(cè)分析元素分離是解決這個(gè)問(wèn)題的主要方法,分離不僅除去可能有的基體效應(yīng),而且更重要的是,使分析溶液達(dá)到預(yù)富集的作用,這對(duì)復(fù)雜體系下超痕量分析具有尤為重要的意義。因此,采用單極甚至

16、多極聯(lián)用技術(shù),以提高柱分離效果,克服基體效應(yīng)和干擾,進(jìn)一步降低檢出限,擴(kuò)大可測(cè)定的元素范圍,乃是檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)19-21。4.1液相色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(LC-ICP-MS)根據(jù)液相色譜(LC)的保留時(shí)間的差別反映元素的不同形態(tài)22。ICP-MS作為L(zhǎng)C的檢測(cè)器,跟蹤待測(cè)元素各種形態(tài)的變化,使色譜圖變得簡(jiǎn)單,可進(jìn)行元素形態(tài)的定性和定量分析。此聯(lián)用技術(shù)的特點(diǎn)是:檢測(cè)限低,測(cè)定范圍廣;較少的分離步驟和較快的分離程序,使元素形態(tài)較少改變而被直接檢測(cè);封閉系統(tǒng)不受污染干擾,提高了分離效率。劉峰23以磷酸和抗壞血酸為提取試劑,對(duì)太湖沉積物樣品進(jìn)行微波萃取,采用HPLC-ICP-MS聯(lián)用技

17、術(shù)測(cè)定萃取液中4種形態(tài)的砷的含量,4種形態(tài)砷的色譜峰在10 min內(nèi)可完全分離,標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)現(xiàn)行良好,并對(duì)太湖沉積物中砷的形態(tài)及分布特征做了研究。4.2氣相色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(GC-ICP-MS)在ICP-MS分析中,樣品元素注入儀器瞬間就原子和離子化,得不到有關(guān)元素化學(xué)形態(tài)的信息。氣相色譜(Gc)具有分辨率高、分離速度快和效率高等優(yōu)點(diǎn),與ICP-MS聯(lián)用在一定程度上解決了ICP-MS進(jìn)行形態(tài)分析時(shí)的困難。GC-ICP-MS直接將氣態(tài)分析物倒入ICP-MS,避免了使用霧化器,從GC到ICP-MS的樣品傳輸率接近100 %,可得到極低的檢出限和良好的回收率,由于分析物已經(jīng)處于氣態(tài),在進(jìn)入I

18、CP-MS前不需要去溶劑和氣化,水和有機(jī)溶劑在進(jìn)入等離子體前被物理地分離,減少了等離子體的負(fù)載量,可以實(shí)現(xiàn)更有效的電離。GC中沒(méi)有液態(tài)流動(dòng)相,可以產(chǎn)生更少的同量異位素干擾。GC-ICP-MS在生物、臨床樣品、環(huán)境樣品及汽油分析中已有較多文獻(xiàn)報(bào)道。Nelson24等利用GC-ICP-MS作為有力工具檢測(cè)了食品中鹵素元素,并取得很好地效果。4.3毛細(xì)管電泳電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(CE-ICP-MS)毛細(xì)管電泳(CE)作為一種強(qiáng)有力的、多用途的分離技術(shù),能應(yīng)用于從無(wú)機(jī)離子到蛋白質(zhì)的廣譜分析,CE在分離效率方面(尤其對(duì)于高分子量物種)、樣品需要量(1-30nL)、分析時(shí)問(wèn)、實(shí)際消耗量及分析能力等的優(yōu)

19、勢(shì)使其迅速應(yīng)用于離子形態(tài)的分析以及生物分子如蛋白、肽和藥物領(lǐng)域。CE分離目標(biāo)分析物是通過(guò)將填充有背景緩沖溶液的毛細(xì)管置于一定的強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行的,目標(biāo)分析物因其在毛細(xì)管中的遷移行為不同而達(dá)到分離。Timerbaev25等綜述了CE-ICP-MS在基于金屬類(lèi)的抗癌藥物金屬-蛋白質(zhì)作用中相關(guān)形態(tài)分析的研究進(jìn)展,總結(jié)了CE-ICP-MS在金屬藥物蛋白體系中的應(yīng)用。結(jié)語(yǔ)在ICP-MS技術(shù)近30年的研究應(yīng)用中,從早期僅對(duì)簡(jiǎn)單水溶液樣品直接分析,到通過(guò)ICP-MS與各種技術(shù)聯(lián)用,綜合采用各種預(yù)富集或預(yù)分離手段,并更為合理地結(jié)合適當(dāng)?shù)倪M(jìn)樣方法對(duì)存在基體干擾的復(fù)雜體系進(jìn)行分析,無(wú)論從樣品測(cè)定精度、元素覆蓋廣度、元

20、素形態(tài)分離以及技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,均取得極大的進(jìn)展。同時(shí),CP-MS的高靈敏度和低檢出限同時(shí)給痕量超痕量分析的人員、樣品制備以及分析環(huán)境提出了更高的要求。樣品制備新技術(shù)式發(fā)揮ICP-MS潛力的重要環(huán)節(jié)。和任何技術(shù)一樣,ICP-MS也仍然有一些有待不斷完善和進(jìn)一步挖掘潛力的問(wèn)題,比如易污染問(wèn)題,記憶效應(yīng)問(wèn)題,樣品引入效率等問(wèn)題。相信在未來(lái)的科技發(fā)展中,基于ICP-MS將在同位素分析、形態(tài)分析、微區(qū)分析等方面取得不斷突破與創(chuàng)新,也必將以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)地質(zhì)科學(xué)、生物與醫(yī)學(xué)、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、材料科學(xué)、冶金工業(yè)、環(huán)境分析等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更為廣泛、更加重要的作用。參考文獻(xiàn)1 Yang L. Accur

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