電感耦合等離子體質譜儀(簡稱 ICP-MS)是一種高靈敏度、高選擇性的元素分析技術，廣泛應用于環境、地質、生物醫學、材料科學、食品和核工業等領域。它結合了電感耦合等離子體(ICP)的高效離子化能力和質譜(MS)的高分辨檢測能力，能夠對樣品中痕量甚至超痕量(ppt至ppq級別)的金屬和部分非金屬元素進行定性和定量分析。

一、基本原理

●樣品引入：液體樣品通常通過霧化器轉化為氣溶膠，再經霧化室篩選后送入等離子體;固體或氣體樣品可通過激光燒蝕或氣體進樣系統引入。

●電感耦合等離子體(ICP)：

利用高頻電磁場(通常為27或40 MHz)在氬氣氛圍中產生高溫(約6000–10000 K)等離子體。

高溫使樣品中的元素原子化并高效電離，形成帶正電荷的離子(主要是單電荷離子 M?)。

●質譜檢測(MS)：

離子通過接口(采樣錐和截取錐)進入真空系統。

經離子透鏡聚焦后，由質量分析器(如四極桿、磁扇區、飛行時間TOF等)按質荷比(m/z)分離。

檢測器(如電子倍增器)記錄不同 m/z 對應的離子強度，從而實現元素識別與定量。

 ICP-MS原理圖

二、主要特點

●高靈敏度：檢測限通常在 ppt(10?¹²)至 ppq(10?¹?)級別。

●多元素同時/快速分析：可在數分鐘內完成數十種元素的測定。

●寬動態范圍：可達9個數量級(從 ppt 到百分比濃度)。

●同位素分析能力：可用于同位素比值測定(如地質年代學、示蹤研究)。

●干擾問題：存在質譜干擾(如多原子離子、同量異位素)和基體效應，需通過碰撞/反應池(CRC)、高分辨(HR-ICP-MS)或數學校正等手段消除。

ICP-OES 與 ICP-MS 區別圖示

三、儀器組成

●進樣系統：霧化器、霧化室、蠕動泵(液體);激光剝蝕系統(固體)。

●ICP源：射頻發生器、石英炬管、冷卻/輔助/載氣系統(通常為高純氬氣)。

●接口系統：采樣錐(通常為鎳或鉑)、截取錐。

●真空系統：維持質譜分析區域的高真空。

●質量分析器：

四極桿(最常見，成本低、速度快)

磁扇區(高分辨，可分辨復雜干擾)

飛行時間(TOF，全譜同時采集)

●檢測器與數據系統：電子倍增器、脈沖/模擬雙模式檢測、控制與分析軟件。

四、應用領域

●環境監測：水中重金屬、土壤污染物分析。

●地質與礦產：巖石、礦物中微量元素及同位素比值測定。

●生物醫學：血液、尿液中痕量元素(如As、Pb、Hg)檢測;金屬藥物代謝研究。

●食品安全：食品中重金屬污染監控(如Cd、As、Pb)。

●半導體工業：高純材料中超痕量雜質控制。

●核工業：鈾、钚等放射性元素及其同位素分析。

五、發展趨勢

●聯用技術：如LC-ICP-MS(液相色譜聯用)用于元素形態分析(如As(III)/As(V)、甲基汞)。

●單顆粒/單細胞ICP-MS：用于納米顆粒表征或細胞內金屬分布研究。

●便攜式/小型化ICP-MS：拓展現場快速檢測能力。

●人工智能輔助數據處理：提升干擾校正與定量精度。

ICP-MS因其優秀的分析性能，已成為現代實驗室中重要的元素分析工具。隨著技術不斷進步，其應用范圍和分析能力仍在持續擴展。