电感耦合等离子体质谱仪(简称 ICP-MS)是一种高灵敏度、高选择性的元素分析技术，广泛应用于环境、地质、生物医学、材料科学、食品和核工业等领域。它结合了电感耦合等离子体(ICP)的高效离子化能力和质谱(MS)的高分辨检测能力，能够对样品中痕量甚至超痕量(ppt至ppq级别)的金属和部分非金属元素进行定性和定量分析。

一、基本原理

●样品引入：液体样品通常通过雾化器转化为气溶胶，再经雾化室筛选后送入等离子体;固体或气体样品可通过激光烧蚀或气体进样系统引入。

●电感耦合等离子体(ICP)：

利用高频电磁场(通常为27或40 MHz)在氩气氛围中产生高温(约6000–10000 K)等离子体。

高温使样品中的元素原子化并高效电离，形成带正电荷的离子(主要是单电荷离子 M?)。

●质谱检测(MS)：

离子通过接口(采样锥和截取锥)进入真空系统。

经离子透镜聚焦后，由质量分析器(如四极杆、磁扇区、飞行时间TOF等)按质荷比(m/z)分离。

检测器(如电子倍增器)记录不同 m/z 对应的离子强度，从而实现元素识别与定量。

 ICP-MS原理图

二、主要特点

●高灵敏度：检测限通常在 ppt(10?¹²)至 ppq(10?¹?)级别。

●多元素同时/快速分析：可在数分钟内完成数十种元素的测定。

●宽动态范围：可达9个数量级(从 ppt 到百分比浓度)。

●同位素分析能力：可用于同位素比值测定(如地质年代学、示踪研究)。

●干扰问题：存在质谱干扰(如多原子离子、同量异位素)和基体效应，需通过碰撞/反应池(CRC)、高分辨(HR-ICP-MS)或数学校正等手段消除。

ICP-OES 与 ICP-MS 区别图示

三、仪器组成

●进样系统：雾化器、雾化室、蠕动泵(液体);激光剥蚀系统(固体)。

●ICP源：射频发生器、石英炬管、冷却/辅助/载气系统(通常为高纯氩气)。

●接口系统：采样锥(通常为镍或铂)、截取锥。

●真空系统：维持质谱分析区域的高真空。

●质量分析器：

四极杆(最常见，成本低、速度快)

磁扇区(高分辨，可分辨复杂干扰)

飞行时间(TOF，全谱同时采集)

●检测器与数据系统：电子倍增器、脉冲/模拟双模式检测、控制与分析软件。

四、应用领域

●环境监测：水中重金属、土壤污染物分析。

●地质与矿产：岩石、矿物中微量元素及同位素比值测定。

●生物医学：血液、尿液中痕量元素(如As、Pb、Hg)检测;金属药物代谢研究。

●食品安全：食品中重金属污染监控(如Cd、As、Pb)。

●半导体工业：高纯材料中超痕量杂质控制。

●核工业：铀、钚等放射性元素及其同位素分析。

五、发展趋势

●联用技术：如LC-ICP-MS(液相色谱联用)用于元素形态分析(如As(III)/As(V)、甲基汞)。

●单颗粒/单细胞ICP-MS：用于纳米颗粒表征或细胞内金属分布研究。

●便携式/小型化ICP-MS：拓展现场快速检测能力。

●人工智能辅助数据处理：提升干扰校正与定量精度。

ICP-MS因其优秀的分析性能，已成为现代实验室中重要的元素分析工具。随着技术不断进步，其应用范围和分析能力仍在持续扩展。