6.5 ICP-MS的联用技术与最新进展
6.5.1 联用研究
（1）作为气体进样方式之一的氢化物进样法，在与ICP-MS结合测定氢化物形成元素砷、硒、锑和锡时，灵敏度可提高2个数量级左右。氢化物法也是一种良好的分离富集方法，具有灵敏度高和同量异质离子干扰少等特点，但是，氢化物反应时化学干扰较严重。对汞的测定一般仍采用硼氢化钠还原成汞蒸气的方法进样。用氢化物法与ICP-MS结合，对水中有毒元素存在形态，如三价砷和五价砷的分析也有报道。用化学分离或预浓缩后再用ICP-MS测定的方法报道也很多。刘湘生等人运用自制接口，实现了氢化物发生与ICP-MS的联用；考察了连续流动氢化物发生器、气动型断流式氢化物发生器及气动型流动注射氢化物发生器与ICP-MS的联用性能；确定了仪器最佳参数，研究了系统分析性能，实现了能生成氢化物的8种元素的定量测定。李冰等用自行改造的连续氢化物发生系统，实现了与ICP-MS的联用；研究了该系统分析性能，并以乙醇为信号增强剂建立了在折中条件下同时测定As、Sb、Bi、Se和Te的方法以及在预还原剂体系中同时测定As、Sb和Bi，在高HCl体系中单独测定Se的方法；考察了该氢化物发生系统中一些过渡元素干扰情况、分析元素的价态影响以及碘化钾、硫脲和抗坏血酸抗干扰效果。方法经水系沉积物标准物质以及生物和植物标准物质分析验证，分析结果除了Te外，均与标准值基本吻合。
（2）毛细管电泳是20世纪80年代初迅速发展起来的一种新型电泳与色谱相结合的分离分析技术，具有分离效率高，分析速度快，样品用量少，应用范围广等特点。ICP-MS是80年代中期诞生，90年代初基本完善，目前仍处于迅速发展的一种先进多元素痕量分析技术。它具有较高灵敏度，较低检测限，并可提供同位素丰度比等优点。因此，毛细管电泳与ICP-MS联用具有分离分析速度快、灵敏度高、分辨率高、样品用量少、检测限低等优点。
近年来，元素形态分析越来越受到人们的重视。由于生物及环境样品中待测元素含量通常极低，同一元素不同形态物种的含量更低，并且基体复杂，对分离分析技术提出了很高要求。由于CE-ICP-MS联用技术具有以上一些突出优点，因此被广泛地应用于环境和生物等样品的元素形态分析（Jiang SJ等，1987；Rivas C等，1996）。
毛细管电泳与ICP-MS雾化器之间接口是CE-ICP-MS联用技术的关键。叶美英等综述了影响接口性能的重要因素，包括毛细管出口端电流导通、雾化器设计和流速匹配等；讨论了保证毛细管内电流导通并稳定的4种方法，即同心包层液导电、不锈钢组件导电、银箔导电及铂丝导电等；综述并比较了同心气动雾化器、微同心雾化器、高效雾化器、新接口技术、超声雾化器和直接注射雾化器6种类型雾化器的结构和性能。
（3）高效液相色谱由于柱效高、分离速度快和分离效果好，与元素选择性好及灵敏度高的ICP-MS联用有着许多潜在的优势。刘湘生等评述了HPLC-ICP-MS联用技术的发展情况，简要介绍了该联用技术的应用概况、接口及主要困难。Jiang采用在线HPLC-ICP-MS方法从沉积物和金属参考物质中分离Mo和Ti的基体，消除了基体对待测杂质元素的谱干扰，准确测定了Cd、Cu和Zn的含量，这些分离过程在数分钟内即可完成。由于HPLC能有效分离性质相近成分，所以HPLC-ICP-MS联用技术主要应用于形态分析。As、Se、Sb、Cd、Sn、Pb、Hg、Te和Cr等元素的形态分析是目前生命科学和环境科学中的前沿课题。HPLC-ICP-MS联用技术是进行形态分析最好的测试技术之一，它的检测限低于HPLC-ICP-AES等一些其他联用技术，应用前景十分诱人。国外该技术一直是研究热点，主要研究方向有：采用多级联用技术，降低检出限；提高柱分离效果、克服基体效应和谱干扰，扩大可测定元素范围。
Rivas等对单层管雾屋、双层管雾室和旋流雾室进行了比较研究，认为旋流雾室可提高测定灵敏度，减弱记忆效应，但分析重现性变差。与ICP-MS中mL级进样量相比，HPLC-ICP-MS中μL级进样量是使测定灵敏度降低的主要原因之一，所以在HPLC与ICP-MS间接口研究中，想法尽量补偿这一损失。具体办法是：尽量减少色谱流出物与炬管间传输距离；小流量；高雾化效率。例如，高效雾化器、高水压雾化器、微型同心雾化器、振荡毛细管雾化器、热喷雾雾化器和微流超声雾化器等就是这些办法的产物。
目前用HPLC-ICP-MS做形态分析时，大多采用直接注射雾化器。这些接口的主要优点是样品传输效率高，死体积小，柱外效应小，提高了测定灵敏度。但是超声雾化器和热喷雾雾化器，记忆效应较强；高效雾化器和直接注射雾化器其信号稳定性差，由于喷雾气体流速过大及过量溶剂引入影响ICP的稳定性。HPLC流出物中的有机成分，会在ICP-MS采样锥和截取锥上产生碳沉积，阻塞两锥孔，通入5%以下的氧气虽然能减轻碳沉积，但由于ICP温度下降，亦会影响灵敏度。此外，某些色谱流出物还会迅速腐蚀采样锥，选择铝制采样锥会减轻这一腐蚀过程。HPLC-ICP-MS在形态分析中应用虽有特长，但进入常规分析尚有相当距离。随着生命科学和环境科学中相关问题研究的深化，会进一步加强这一领域的研究工作。
6.5.2 最新进展研究
目前，ICP-MS，尤其是四极杆ICP-MS在元素分析方面已经成为常规的分析技术，发表的文章基本上集中在一般应用以及与之相关的一些样品处理技术的研究。近年来ICP-MS的最大研究进展是围绕着解决四极杆ICP-MS的多原子离子干扰新途径的研究（如动态碰撞/反应池技术）以及提高同位素比值分析精密度的新途径（如多接收器磁扇形等离子体质谱仪和飞行时间等离子体质谱仪）。李冰等人对此做了详细阐述。
（1）同位素比值分析
同位素比值测量在一些研究领域具有重要意义。热电离质谱（TIMS）在同位素比值分析中一直占据优势地位。自从ICP-MS出现以来，尤其是近年来，由于等离子体质谱仪器的发展，热电离质谱正在不断被ICP-MS所取代。这主要是因为ICP-MS不仅具有杰出的灵敏度、好的准确度和精密度，而且样品制备简单，可测定几乎所有元素，样品分析速度快，样品需要量少。不过，专家们同时也指出，对于标准物质的标定以及某些特定应用，热电离质谱仍然是绝对必要的技术。由于四极杆质量分析器测定同位素比值的精度很难达到优于0.1%的RSD（一般为0.1%～1%RSD），而一般同位素分析，尤其是地质定年分析，要检测出样品间同位素比值的差异通常都需要极为精确的测量方法，所以其初期应用仅局限在一些要求可以放宽的应用中，例如地质和环境研究中Pb来源的鉴别。但最近几年来，随着ICP-MS技术的进步以及其他质量分析器的ICP-MS的出现，比如多接收器的高分辨磁扇形等离子体质谱仪以及飞行时间等离子质谱仪，同位素分析精密度大大改善，和传统使用的热电离源质谱、二次电离质谱等技术相比具有了真正的竞争力。等离子体的离子化效率比热电离源质谱高一个数量级左右，许多热电离源质谱无法测定或难以测定的高电离能元素，利用MC-ICP-MS都可以精确测定其同位素组成，而且ICP-MS可以方便地实现与激光系统联用，直接用于固体样品微区分析，由此大大拓展了同位素年代学和地球化学的研究范围。
MC-ICP-MS是近年来发展起来的高精度同位素分析仪器，它是ICP-MS仪器的一个非常重要的进步，同位素比值测定精密度有了实质性的改善。同位素比值精密度最低可达0.002%。分析市场出现的第一台六极杆碰撞池多接收器扇场ICP-MS仪器是Micromass公司的IsoProbe，通过六极杆池的碰撞诱导中和反应，Ar+的强度降低几个数量级。
（2）“冷”等离子体及屏蔽炬技术
磁扇形场质谱仪可以分辨ICP-MS中的许多质谱干扰，因此大大改善了ICP-MS的检测能力和可测元素范围，但高分辨ICP-MS仪器成本高，目前实验室普及率远不如四极杆ICP-MS。所以人们一直在寻求减少四极杆ICP-MS中质谱干扰，降低背景，进一步改善四极杆ICP-MS分析性能的途径。“冷”等离子体条件是四极杆ICP-MS的一个重要进步。采用“冷”等离子体条件，可以改善碱金属和碱土金属元素的测定能力。“冷”等离子体技术主要是通过调整ICP操作参数，降低ICP功率，增大载气流速，加长采样深度来降低Ar产生的多原子离子干扰；主要用于痕量Fe、Ca和K的测定。等离子体与样品锥之间的二次放电现象是导致多原子干扰离子形成的原因，而“冷”等离子体的工作原理就在于尽量地消除等离子体与样品锥之间的电势差。“冷”等离子体的ICP的RF线圈采用中心接地，采用较低功率（一般为500～600W），所以电势差较小而消除二次放电，多原子离子生成量减少。原子离子生成量减少，但是早期的“冷”等离子体技术存在一些问题，如必须用低功率操作来降低多原子离子干扰；低功率使得一些难电离元素诸如B、Be、Zn和Cd等电离效率大大降低；低功率使得等离子体中心通道温度较低，基体分解不完全，基体耐受性差，氧化物干扰更大。
还有一种改善ICP-MS分析性能的技术就是在等离子体负载线圈和炬管之间插入一种屏蔽装置，比如用于四极杆ICP-MS的被称为“屏蔽炬”。屏蔽炬技术实际上是“冷”等离子体技术的一种最有效改进。其工作原理是在等离子体工作线圈和ICP炬管之间，利用一个接地的薄屏蔽板更为有效地降低电势差。其最大优势在于可以使用较高ICP输出功率 （900～1000W），而同时消除了二次放电，某些多原子离子大大降低。与早期“冷”等离子体技术相比，又叫高功率“冷”等离子体技术。
（3）动态碰撞反应池技术
动态碰撞反应池技术是解决ICP-MS多原子离子干扰的一个重要突破。碰撞池技术的原理和运用源于有机质谱分析中混合物结构分析和离子-分子反应的基础研究。碰撞池技术是在截取锥和质谱仪之间安置一个六极杆或八极杆，其中填充适当气体，比如氦气以及氙气，对于反应池技术（四极杆），填充的是H2、O2、N2和NH3等，通过与多原子离子进行碰撞或反应以消除多原子离子。碰撞反应池技术可以选择性地减少基体干扰，由于碰撞反应池是由多极杆（六极杆、四极杆或八极杆）构成，通常仅由射频驱动，所以这种多极杆不像传统四极杆，不能分离质荷比，只有聚焦离子作用，使离子与池内气体碰撞或反应。
1997年，Micromass推出了具有六极杆碰撞池技术的商品ICP-MS仪器，引入H2或He为反应气。在碰撞池中，发生诸如电荷转移和质子转移的碰撞诱导反应，致使一些氩分子离子通过与H2反应以及Ar+的中和而发生解离。另外，离子能量扩散的降低也提高了元素的传输效率，改善了测定灵敏度和精密度。1998年Micromass公司又推出了带有六极杆碰撞池的多接收器单聚焦扇场ICP-MS仪器。六极杆系统要选择那些并不很活跃的气体，如He和H2等。高活性的气体，如NH3、CH4会产生更复杂的干扰，不能用在只有射频驱动却不能扫描的六极杆系统中。因为六极杆系统不能提供充分的质量选择能力来筛选出那些不需要的二级碰撞产物。Perkin Elmer在Elan 6000的基础上推出了Elan6100 DRC四极杆动态反应池的ICP-MS仪器，引入NH3、CH4、H2和He为反应气。四极杆动态反应池技术选择一些复杂和高活性反应性气体，如NH3或CH4，通过一系列的化学反应机理，与多原子离子反应，以有效去除干扰。由于四极杆可以进行扫描，因此可以使它成为一个带通过滤器，而不仅仅是离子聚焦系统，可以通过仔细的调节四极杆的扫描电压参数，每一次分析物和干扰离子进入动态反应池，带通过滤器与四极杆分析器扫描可以同步扫描，以选择通过质量分析器的反应产物的质量区域，避免二次反应产生的二次离子进入四极杆。不过，没有一种气体可以适用于所有的元素，反应的过程太具有选择性，所以要取得预期的结果可能需要不同种类的气体。
Agilent 7500c八极杆反应系统（ORS）ICP-MS与六极杆工作原理相似，其特点在于使用Shield Torch和八极杆可极大改善离子传输效率，尤其是对低质量端元素。ORS系统应用更高的ICP工作功率和优化的进样系统，使高基体样品中的多原子离子得到最大可能的解离，而后使用较低活性的气体，如H2和He进一步消除残余的多原子离子干扰。Koppenaal等将碰撞池技术应用到离子阱ICP-MS仪器上，显著降低了许多分子离子干扰，同位素比值测定精度可达0.06% RSD。不过，碰撞反应或动态反应池技术不是万能的，并不能解决所有的分析问题。在具体应用中，必须根据实际分析要求选择特效的分析方法。Feldmann等报道了有关六极杆碰撞池和反应池技术的装置和分析特点。He作为缓冲气，H2作为反应气。加入H2可以将Ar的多原子离子干扰降低4个数量级。而在反应池中形成的分子粒子则通过一个六极杆偏压确定的延缓电场得到抑制；有效地除去了ArCl的干扰。
ICP-MS碰撞反应池技术通过解离许多氩基分子离子，热能化离子以及中和氩等离子气的干扰离子，达到了较高离子传输效率，所以不仅降低了某些多原子离子干扰，而且也改进了灵敏度和同位素比值测定精密度。Bandura等最近介绍了在动态反应池中碰撞缓冲作用和发生的反应对同位素测定精密度影响。