ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望（中）
发布时间：2015-10-20
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电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)及电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)在某些领域例如地质学，始终扮演着独具魅力的角色。时至今日，ICP-MS仍然活跃在新进展的前沿，在某些热点领域如金属组学和纳米颗粒分析方面继续大放异彩。
为庆祝《Spectroscopy》创刊30周年，该刊特邀几位ICP-MS专家就ICP-MS的近期技术进展、存在的挑战和未来发展方向做了一个综述，以飨读者。
ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望(上)
应用新进展
所有这些ICP-MS仪器的进展都导致许多新研究领域的出现。ICP技术在这些重点领域扮演着关键的角色：金属组学、形态分析、纳米颗粒分析、新材料、年代学和质谱流式细胞技术。专家们将谈到这些领域的进展，并对它们在今后十年的发展做一些预测。
纳米颗粒分析
在原子光谱会议上，由于关注工程式纳米颗粒对健康和环境潜在的影响，以及如何在制造过程当中对其加以表征等，使得它的表征方法开发进展受到了极大的关注。由于具有非常优秀的检测能力，ICP-MS走在了这些方法的最前沿。Westphal说：“有许多合适的技术来测量纳米粒子粒径，但在测量尺寸和组分(包括识别包覆颗粒)上，ICP-MS有其独特的能力。这点即使是在复杂的基体当中也是一样。”
虽然ICP-MS是一种强有力的技术，但纳米颗粒分析对于当前的仪器设备仍然是个挑战。Vanhaecke指出，这种挑战的结果导致仪器制造商努力提高设备的能力。他说：“例如，最低驻留时间被努力地做到50微秒，亦即每秒钟有20000次独立的测量。这使得实时的单粒子信息采集成为可能，并由此可提供纳米离子的浓度、大小和粒径分布等信息。然而在单元素纳米粒子的研究上，即便有这样的改善，扫描型的ICP-MS(例如四极杆型ICP-MS)仪器依然只是一种辅助手段。因为选择另一个质荷比之后典型的稳定时间为毫秒级别，这意味着表征独立纳米粒子当中两个或多个元素变成了不可能。”
“因此，我希望那些基于飞行时间、飞行距离、Mattauch-Herzog型双聚焦的同时型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke预测说：“鉴于上述第二种类型的质谱仪尚未商品化，第三种类型质谱的实际应用又迟迟未有进展。在这种情况下，ICP-TOF-MS看起来是一种有利的选择。”
金属组学和其他生物医学方面的应用
金属组学是另一个从ICP-MS技术当中获益良多的领域。这是最近发展的一个“组学”领域，它着重关注于生物系统如人体当中金属的作用，包括必需金属如铜、铁、锌或钼等供给不足的影响，或者过量有害元素如砷、铬或镍所造成的危害。
Koppenaal说：“我所看到的是，ICP-OES和ICP-MS在金属组学和纳米粒子研究领域有着最佳的机会。近来的生物学研究基金和技术必须遵循这个研究方向，并将它们的应用延伸到金属和同位素生物化学等科学前沿。”
专家指出，ICP-MS仪器上的多项进展，有助于上述这些领域的持续发展。
Vanhaecke将话题转回到同时型和多接收型检测上来：“对于使用LA-ICP-MS来做元素分布或者生物成像研究来说，同时型和多接收型仪器提供了非常重要的便利。因为大量目标元素——理论上覆盖所有的元素——的信息可以精确地同时获得，从而避免图像的偏移和获得更高的空间分辨率，而不是受制于所选择的目标元素。”
Hanley指出，另一种以ICP-MS研究推进生物医学领域如金属组学发展的方式是，通过努力将ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性统合到同一个仪器当中。她说：“此外，医学领域的应用不断地涌现，其中LC-ICP-MS连用技术可用于鉴别那些用于标记和替换的金属——在这之前这类金属的检测则依赖于传统的放射性同位素标记法。”
Koppenaal也考虑了如何让金属组学的研究者们思路进一步的拓展。他说：“现今的金属组学犹如往昔的形态研究，因为一个特定的生物系统中的金属仍需大量的研究。金属不会表现出特立的性质，而更像是蛋白质那样，不同的金属之间相互有关联。因此，金属组学的研究更多地转变为多金属和多组学性质的研究。”最后他总结道：“研究人员需要考虑生物系统当中所有金属的行为，明确其浓度、通量以及和蛋白质或酶之间的关系。”
质谱流式细胞术
利用ICP-TOF-MS的质谱流式细胞术，已经成为细胞生物学和癌症研究应用的重要工具。在该技术中，通常使用纯稀土同位素(REEs)来标记流式抗体等报告分子。将这些标定过的报告分子与细胞的特异组分进行结合，然后用质谱流式细胞术来表征这些报告分子在每个个体细胞中的表现。ICP和TOF-MS技术的发展成为质谱流式细胞仪发展必不可少的前提。
Hanley说：“相比较于传统的流式细胞仪，质谱流式细胞仪更具有优势。因为对于传统的流式细胞仪而言，后者对所标签的重金属元素检出限更低。相比较于使用荧光标示的传统流式细胞仪，这些标签的金属元素更容易被ICP-TOF-MS所检测。”
Ray说：“质谱流式细胞仪的发展，是一个洞悉未来社会需求的很好例子。的确，如果不是等离子体源的TOF-MS的发展和过去20年中ICP-MS的发展，质谱流式细胞仪的进展是不可能有成效的。也就是说，这项技术的发明人完全可以获得‘难以置信的天才’这样的美誉，并且他们的洞察力、毅力和天赋都是值得称赞的。”
Vanhaecke也同意这样的观点，他说：“就我个人的看法，我认为我们应当感激质谱流式细胞仪的发明人Scott Tanner和他的同事们，感谢他们的智慧和胆量。当他们所建立的公司不支持他们的项目时，他们迈出了重要的一步——成立了一个新的公司来继续。对于这样大胆的行动，我标示非常的钦佩。”
Koppenaal补充道：“我们很高兴地看到：这项技术在单细胞评价以及在单细胞水平上就生物的异质性加深理解方面，发挥了它的影响力并获得了成功。它的进展使得利用金属和同位素标记特定蛋白质的方法得以广泛推广。相比较于使用传统的荧光标记方法，它的分析性能获得了长足的进步。”
Ray总结道：“毫无疑问，这项技术对实现单细胞流式仪的改进，具有深远的影响。它也将会越来越广泛地被加以应用。”
地质年代学
地质年代学是另一项得益于ICP-MS技术发展的学科。
Ray说：“在很长一段时间里面，地质年代学推动着同位素比值测定朝着更加准确和精确的方向改进。反之，这些改进又促使地质年代学进一步拓展和系统化。这种相互促进始终存在。”
Vanhaecke说：“具体而言，这些进步是由MC-ICP-MS(多接收电感耦合等离子体质谱)的引入所导致的。这种仪器相较于TIMS(热电离质谱)而言具有巨大的优势。MC-ICP-MS的应用，彻底改变了地球化学和宇宙化学。”
他解释道：“一个重要的原因是，相比TIMS，MC-ICP-MS具有更高的元素电离效率，包括那些具有高电离能的元素。在TIMS中，仅有电离能≤7.5eV的元素才能被有效地电离。而在MC-ICP-MS中，即便是非金属如硫、溴等同位素比值分析，也是基于这些元素被电离为M+的基础上。”
特别重要的一项应用是关于汞元素的同位素测试，由于它的毒性和长距离迁移能力，该元素在环境领域方面是一个很重要研究。MC-ICP-MS使得该元素的检测成为可能，而这个对TIMS来说却是不可完成的任务。Vanhaecke说：“目前已知的汞的同位素组成分析既受质量依赖也受非质量依赖同位素分馏的影响。这使得汞的研究兴趣点——污染的溯源和生物体内的机理研究成为可能。”
此外，不同于TIMS的离子化过程产生于真空中，ICP工作在大气压下。这就意味着可以将样品直接导入到ICP-MS的离子源之中。Vanhaecke说：“溶液的雾化进样是标准的途径，但激光消融、蒸气发生以及色谱分离技术(例如高效液相色谱和气相色谱)都已经有了相应的应用。”
Koppenaal说：“MC-ICP-MS在地质年代学的推广速度是十分惊人的。”他回顾多年前就这方面的发展对仪器制造商所提出的建议，但得到的答复却是“我们为什么要那么做?”他说：“我怀疑他们并不清楚为何要往这方面努力，但现在看起来他们自己回答了这个问题。”
进一步的发展：加速同位素分析
鉴于在地质年代学等领域中，稳定同位素多接收扇形质谱仪已经能进行高精度的同位素分析，我们请专家们讨论仪器哪方面的进步，足以加快同位素分析的速度和减少样品的前处理步骤。
尽管MC-ICP-MS的引入推动同位素分析取得了长足的进展，Vanhaecke仍然期望这些方面能够获得改进：“例如，具有更高的灵敏度和更快响应速度的法拉第杯检测器，使同位素分析获益匪浅。但最重要制约因素依然是质量歧视效应，这种现象的存在会导致同位素比值分析中实际测试结果和参考值存在偏差，而这样的偏差甚至可能是数量级的。至今仍然无法完全理解质量歧视效应产生的根本原因，而质量偏差校正的最佳方法则仍然存在着争议。进一步地了解质量歧视效应的机理是十分必要的，这也有利于指导仪器制造商调整仪器的设计，从而最大程度地降低质量歧视效应的影响。”
这样的进展可避免目标元素的完全隔离，大幅度提高样品通量并使多个研究领域受益。他说：“它还使激光消融作为样品引入手段的使用更加广泛，提高样品通量，实现可靠的空间分辨同位素分析。”
Ray指出：当待测样品量很少(例如生物样品)或者对瞬时信号(例如)处理要求较高时，飞行时间质谱仪和飞行距离质谱仪比MC-ICP-MS更具有潜在的应用价值。但是提高分析速度的重点仍然在于样品的前处理——尤其是机械化和自动化的样品处理。他幽默地说：“就像R.Browner说的那样，样品的导入步骤仍然是原子光谱的‘阿喀琉斯之踵’，对许多其他的技术来说也是这样。”
Koppenaal同意自动化和在线样品处理方法的关键性。他说：“对元素和同位素分析前处理的传统方法是使用湿法消解，我们必须摆脱这类单调的工作。使用自动化仪器来实现待测物和基体分离的过程，是未来的发展方向。”
Denton则觉得问题完全偏离了焦点：“相比新型的CMOS检测器技术，稳定同位素磁质谱仪不能进行同位素比值的同时性测试，也不具有CMOS的灵活性。”他解释道：法拉第杯检测器的灵敏度比较低，倍增器检测器的线性范围比较窄，这意味着这两种技术依赖于特定同位素的离子流。
他说：“CMOS检测器可提供类似于倍增器的灵敏度，同时具有高达10个数量级的动态范围，而且还具有同时地检测所有同位素的能力。我觉得可以有把握地预言，这种新型的阵列式离子检测器所产生的影响，将会像阵列式检测器对OES的革命性影响那样。”（转自仪器信息网）
为庆祝《Spectroscopy》创刊30周年，该刊特邀几位ICP-MS专家就ICP-MS的近期技术进展、存在的挑战和未来发展方向做了一个综述，以飨读者。
ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望(上)
应用新进展
所有这些ICP-MS仪器的进展都导致许多新研究领域的出现。ICP技术在这些重点领域扮演着关键的角色：金属组学、形态分析、纳米颗粒分析、新材料、年代学和质谱流式细胞技术。专家们将谈到这些领域的进展，并对它们在今后十年的发展做一些预测。
纳米颗粒分析
在原子光谱会议上，由于关注工程式纳米颗粒对健康和环境潜在的影响，以及如何在制造过程当中对其加以表征等，使得它的表征方法开发进展受到了极大的关注。由于具有非常优秀的检测能力，ICP-MS走在了这些方法的最前沿。Westphal说：“有许多合适的技术来测量纳米粒子粒径，但在测量尺寸和组分(包括识别包覆颗粒)上，ICP-MS有其独特的能力。这点即使是在复杂的基体当中也是一样。”
虽然ICP-MS是一种强有力的技术，但纳米颗粒分析对于当前的仪器设备仍然是个挑战。Vanhaecke指出，这种挑战的结果导致仪器制造商努力提高设备的能力。他说：“例如，最低驻留时间被努力地做到50微秒，亦即每秒钟有20000次独立的测量。这使得实时的单粒子信息采集成为可能，并由此可提供纳米离子的浓度、大小和粒径分布等信息。然而在单元素纳米粒子的研究上，即便有这样的改善，扫描型的ICP-MS(例如四极杆型ICP-MS)仪器依然只是一种辅助手段。因为选择另一个质荷比之后典型的稳定时间为毫秒级别，这意味着表征独立纳米粒子当中两个或多个元素变成了不可能。”
“因此，我希望那些基于飞行时间、飞行距离、Mattauch-Herzog型双聚焦的同时型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke预测说：“鉴于上述第二种类型的质谱仪尚未商品化，第三种类型质谱的实际应用又迟迟未有进展。在这种情况下，ICP-TOF-MS看起来是一种有利的选择。”
金属组学和其他生物医学方面的应用
金属组学是另一个从ICP-MS技术当中获益良多的领域。这是最近发展的一个“组学”领域，它着重关注于生物系统如人体当中金属的作用，包括必需金属如铜、铁、锌或钼等供给不足的影响，或者过量有害元素如砷、铬或镍所造成的危害。
Koppenaal说：“我所看到的是，ICP-OES和ICP-MS在金属组学和纳米粒子研究领域有着最佳的机会。近来的生物学研究基金和技术必须遵循这个研究方向，并将它们的应用延伸到金属和同位素生物化学等科学前沿。”
专家指出，ICP-MS仪器上的多项进展，有助于上述这些领域的持续发展。
Vanhaecke将话题转回到同时型和多接收型检测上来：“对于使用LA-ICP-MS来做元素分布或者生物成像研究来说，同时型和多接收型仪器提供了非常重要的便利。因为大量目标元素——理论上覆盖所有的元素——的信息可以精确地同时获得，从而避免图像的偏移和获得更高的空间分辨率，而不是受制于所选择的目标元素。”
Hanley指出，另一种以ICP-MS研究推进生物医学领域如金属组学发展的方式是，通过努力将ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性统合到同一个仪器当中。她说：“此外，医学领域的应用不断地涌现，其中LC-ICP-MS连用技术可用于鉴别那些用于标记和替换的金属——在这之前这类金属的检测则依赖于传统的放射性同位素标记法。”
Koppenaal也考虑了如何让金属组学的研究者们思路进一步的拓展。他说：“现今的金属组学犹如往昔的形态研究，因为一个特定的生物系统中的金属仍需大量的研究。金属不会表现出特立的性质，而更像是蛋白质那样，不同的金属之间相互有关联。因此，金属组学的研究更多地转变为多金属和多组学性质的研究。”最后他总结道：“研究人员需要考虑生物系统当中所有金属的行为，明确其浓度、通量以及和蛋白质或酶之间的关系。”
质谱流式细胞术
利用ICP-TOF-MS的质谱流式细胞术，已经成为细胞生物学和癌症研究应用的重要工具。在该技术中，通常使用纯稀土同位素(REEs)来标记流式抗体等报告分子。将这些标定过的报告分子与细胞的特异组分进行结合，然后用质谱流式细胞术来表征这些报告分子在每个个体细胞中的表现。ICP和TOF-MS技术的发展成为质谱流式细胞仪发展必不可少的前提。
Hanley说：“相比较于传统的流式细胞仪，质谱流式细胞仪更具有优势。因为对于传统的流式细胞仪而言，后者对所标签的重金属元素检出限更低。相比较于使用荧光标示的传统流式细胞仪，这些标签的金属元素更容易被ICP-TOF-MS所检测。”
Ray说：“质谱流式细胞仪的发展，是一个洞悉未来社会需求的很好例子。的确，如果不是等离子体源的TOF-MS的发展和过去20年中ICP-MS的发展，质谱流式细胞仪的进展是不可能有成效的。也就是说，这项技术的发明人完全可以获得‘难以置信的天才’这样的美誉，并且他们的洞察力、毅力和天赋都是值得称赞的。”
Vanhaecke也同意这样的观点，他说：“就我个人的看法，我认为我们应当感激质谱流式细胞仪的发明人Scott Tanner和他的同事们，感谢他们的智慧和胆量。当他们所建立的公司不支持他们的项目时，他们迈出了重要的一步——成立了一个新的公司来继续。对于这样大胆的行动，我标示非常的钦佩。”
Koppenaal补充道：“我们很高兴地看到：这项技术在单细胞评价以及在单细胞水平上就生物的异质性加深理解方面，发挥了它的影响力并获得了成功。它的进展使得利用金属和同位素标记特定蛋白质的方法得以广泛推广。相比较于使用传统的荧光标记方法，它的分析性能获得了长足的进步。”
Ray总结道：“毫无疑问，这项技术对实现单细胞流式仪的改进，具有深远的影响。它也将会越来越广泛地被加以应用。”
地质年代学
地质年代学是另一项得益于ICP-MS技术发展的学科。
Ray说：“在很长一段时间里面，地质年代学推动着同位素比值测定朝着更加准确和精确的方向改进。反之，这些改进又促使地质年代学进一步拓展和系统化。这种相互促进始终存在。”
Vanhaecke说：“具体而言，这些进步是由MC-ICP-MS(多接收电感耦合等离子体质谱)的引入所导致的。这种仪器相较于TIMS(热电离质谱)而言具有巨大的优势。MC-ICP-MS的应用，彻底改变了地球化学和宇宙化学。”
他解释道：“一个重要的原因是，相比TIMS，MC-ICP-MS具有更高的元素电离效率，包括那些具有高电离能的元素。在TIMS中，仅有电离能≤7.5eV的元素才能被有效地电离。而在MC-ICP-MS中，即便是非金属如硫、溴等同位素比值分析，也是基于这些元素被电离为M+的基础上。”
特别重要的一项应用是关于汞元素的同位素测试，由于它的毒性和长距离迁移能力，该元素在环境领域方面是一个很重要研究。MC-ICP-MS使得该元素的检测成为可能，而这个对TIMS来说却是不可完成的任务。Vanhaecke说：“目前已知的汞的同位素组成分析既受质量依赖也受非质量依赖同位素分馏的影响。这使得汞的研究兴趣点——污染的溯源和生物体内的机理研究成为可能。”
此外，不同于TIMS的离子化过程产生于真空中，ICP工作在大气压下。这就意味着可以将样品直接导入到ICP-MS的离子源之中。Vanhaecke说：“溶液的雾化进样是标准的途径，但激光消融、蒸气发生以及色谱分离技术(例如高效液相色谱和气相色谱)都已经有了相应的应用。”
Koppenaal说：“MC-ICP-MS在地质年代学的推广速度是十分惊人的。”他回顾多年前就这方面的发展对仪器制造商所提出的建议，但得到的答复却是“我们为什么要那么做?”他说：“我怀疑他们并不清楚为何要往这方面努力，但现在看起来他们自己回答了这个问题。”
进一步的发展：加速同位素分析
鉴于在地质年代学等领域中，稳定同位素多接收扇形质谱仪已经能进行高精度的同位素分析，我们请专家们讨论仪器哪方面的进步，足以加快同位素分析的速度和减少样品的前处理步骤。
尽管MC-ICP-MS的引入推动同位素分析取得了长足的进展，Vanhaecke仍然期望这些方面能够获得改进：“例如，具有更高的灵敏度和更快响应速度的法拉第杯检测器，使同位素分析获益匪浅。但最重要制约因素依然是质量歧视效应，这种现象的存在会导致同位素比值分析中实际测试结果和参考值存在偏差，而这样的偏差甚至可能是数量级的。至今仍然无法完全理解质量歧视效应产生的根本原因，而质量偏差校正的最佳方法则仍然存在着争议。进一步地了解质量歧视效应的机理是十分必要的，这也有利于指导仪器制造商调整仪器的设计，从而最大程度地降低质量歧视效应的影响。”
这样的进展可避免目标元素的完全隔离，大幅度提高样品通量并使多个研究领域受益。他说：“它还使激光消融作为样品引入手段的使用更加广泛，提高样品通量，实现可靠的空间分辨同位素分析。”
Ray指出：当待测样品量很少(例如生物样品)或者对瞬时信号(例如)处理要求较高时，飞行时间质谱仪和飞行距离质谱仪比MC-ICP-MS更具有潜在的应用价值。但是提高分析速度的重点仍然在于样品的前处理——尤其是机械化和自动化的样品处理。他幽默地说：“就像R.Browner说的那样，样品的导入步骤仍然是原子光谱的‘阿喀琉斯之踵’，对许多其他的技术来说也是这样。”
Koppenaal同意自动化和在线样品处理方法的关键性。他说：“对元素和同位素分析前处理的传统方法是使用湿法消解，我们必须摆脱这类单调的工作。使用自动化仪器来实现待测物和基体分离的过程，是未来的发展方向。”
Denton则觉得问题完全偏离了焦点：“相比新型的CMOS检测器技术，稳定同位素磁质谱仪不能进行同位素比值的同时性测试，也不具有CMOS的灵活性。”他解释道：法拉第杯检测器的灵敏度比较低，倍增器检测器的线性范围比较窄，这意味着这两种技术依赖于特定同位素的离子流。
他说：“CMOS检测器可提供类似于倍增器的灵敏度，同时具有高达10个数量级的动态范围，而且还具有同时地检测所有同位素的能力。我觉得可以有把握地预言，这种新型的阵列式离子检测器所产生的影响，将会像阵列式检测器对OES的革命性影响那样。”（转自仪器信息网）
