ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望(下)
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)
ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望(中)
形态分析
形态分析是ICP-MS的另一项重要应用领域，而且它也获得越来越多的关注，特别是期望一些有毒有害元素(例如食品中的砷和水中的铬)受到管控的领域。如欲对未知化合物进行完整的形态分析，ICP-MS技术还需要和其他补充相关结构信息的手段相结合，例如ESI-MS。ESI-MS用于确定有机分子的化学式和结构已经有很长的时间了。由于ESI是一种软电离源，故可通过所产生的分子离子来确定其结构信息。所以我们也询问了专家们，ESI-MS是否可以取代ICP-MS的联用来进行定量的形态分析?
达成的共识是“不会”，因为对于定量形态分析而言，相比ESI-MS，ICP-MS具有一些特殊的优势。在ESI-MS中，电离效率和基体类型息息相关，故许多的定量分析都必须使用内标法来校正。与此相反的是如ICP等原子离子源，几乎以相同的效率产生离子，并且与元素的化学结构很少或者几乎无关。“当进行定量分析的时候，这个特性是十分重要的，特别是待分析物是未知类型样品的时候。”Ray如是说。
Westphal指出：在形态分析当中，ICP-MS的另一项优势是它很容易与其他的分离技术连接。他说：“最新改进的为LC、GC、IC连用ICP-MS的接口和软件，再加上ICP-MS容易定量和谱线比较简单。这些都导致ESI-MS完全无法取代ICP-MS和其他仪器的联用，尤其是进行痕量、超痕量分析的时候。”
Hanley阐述了这一因素的重要性。她指出：金属或者非金属的形态分析通常需要连接IC或者反相IC。用IC法来进行形态分离时，通常会使用含盐的流动相。她说：“当色谱和ICP-MS连用时，ICP-MS具有一定程度的耐盐性。这使得LC-ICP-MS的分析方法具有稳健性、可重复以及低达亚ppb的检出限。”而对于ESI-MS而言，盐分是一种不利的因素，它的存在既影响检出限也使得分析方法的稳健性下降。
Hanley指出：此外，在形态分析上ICP-MS具有其他一些优点。当使用LC-ICP-MS来做形态分析时，检测器仅对金属/非金属元素有信号的相应，对于那些经过消解的有机成分则不会有相应的信号干扰。她说：“这使得一些复杂样品——从生物类样品如尿液血液到食品如大米和海鲜——的分析变得简单。”与此相反，当使用LC-ESI-MS时，有机组分和无机组分一起被洗脱下来进样，此时无机组分离子的含量过低导致ESI-MS不容易检测。她说：“上述提到的那些复杂样品，如果使用同样的前处理方法，然后采用LC-ESI-MS来检测的话，得到的LC-ESI-MS谱图将会过于复杂从而使得无法获得有意义的数据——因为检测器会对任何能电离的东西有响应。”
虽然考虑到这些因素，一些专家仍然认为技术是互补的。Vanhaecke说：“我希望色谱柱分离产物可以分别被分流进ICP-MS和ESI-MS，这样可以更加有通用性。”
Koppenaal同意这点，他说：“将ESI-MS和ICP-MS结合起来将被继续使用，以实现更好的形态分析。这种方法既对元素分析有好处同时也有利于明确分子结构的确定。”
解决尚存问题
我们也请专家们讨论目前有哪些尚未解决的问题，特别是复杂基体样品的测试，以及如何开发ICP-MS方法、技术来攻克这些问题。
Ray明智地回答到：“没有一种方法能一劳永逸地解决复杂基体的分析问题。”他说道：“碰撞反应池解决了很多的问题，但随着这些问题的解决，剩下的麻烦则越来越困难。奇怪的是，造成这些困扰的原因并不是ICP-MS的质谱部分，而是来自于离子源。对ICP-MS的离子源开展更多的研究是十分必要的，特别是对应于激光烧蚀联用和纳米颗粒分析应用。”
Westphal将话题转回样品的处理上：“现在的ICP-MS已经可以直接分析高总固体溶解度样品，这堪比ICP-OES。然而交叉污染以及仪器背景值，使得我们即便使用专用的样品导入系统，也无法轻易地在同一台仪器上进行百分含量和低达ppt级别的分析。”不过他认为在他所从事的工业环境研究应用当中，现有的仪器已可提供足够的检出限。“虽然我们总是希望仪器可以更快、更佳同时又更便宜。”他补充说道。
Hanley说：大部分尚未解决的问题都涉及到干扰的消除问题，多电荷离子的干扰依然是ICP的痼疾。虽然碰撞反应池的使用大大增强了去除同量异位素的干扰能力，但是在单四极杆系统中，碰撞反应池的消干扰能力是和基体息息相关的——任何进入碰撞反应池中的离子都将影响着池系统的再现性和稳健性。
她说：“三重四极杆型ICP-MS系统的出现，在不损失灵敏度的前提下，革命性地取得了消除双电荷离子干扰、同量异位干扰离子和仪器背景干扰的效果。”她解释道：在三重四极杆仪器中，第一个四极杆用于消除基体离子，同量异位干扰离子和多电荷干扰离子在碰撞反应池系统中被加以消除/降低，然后第二个四极杆作为滤质器。
Koppenaal说：“三重四极杆型ICP-MS有其独特的优势，但并非最终的‘灵丹妙药’。新型的、综合的样品前处理方法和仪器分析方法仍然必须继续加以发展。长久以来，仪器制造商们都将这两个视为独立开发的问题，并以这样的方式处理——样品的前处理问题给予其他独立的小公司加以解决，而他们则专注于仪器本身。”
未来的展望
最后，我们请专家们谈论这项技术在近期内有没有可能就仪器本身或者应用领域出现突破?
Ray指出：“一些不利因素正在持续改进当中：仪器朝着高速分析、低价方向发展;低样品量的分析结果更加精准;其他的能力也将不断地提高。”
不过，他和Denton、Vanhaecke一致认为需要有一个重点的发展方向——同时型多接收ICP-MS。他说：“这就像多色器在ICP-OES领域里面占据了主流一样。在未来，一个真正的多元素、多同位素同时型质谱平台将超越现有产品，并取代之。”
Vanhaecke同意上述观点，他提到：在生物成像方面，由于激光烧蚀细胞术的发展，组织的二维扫描获得了提高，样品的分析通量得到了增加并且空间分辨率也提高了。他说：“这意味着扫描型ICP-MS成为了阻碍该领域进一步发展的瓶颈。生物成像和纳米颗粒分析这两方面的需求，将有力地推动着仪器制造商向着同时型或同步型ICP-MS方面的投资。”
Westphal也呼吁同时型检测器的研究开发工作。他说：“当前扫描型质谱系统一般强制要求用户在进行样品分析之前预先选择好相应的同位素。这意味着假如在分析过程当中出现了不可预知的干扰，那么用户就不得不重复整个样品的分析过程。”
他说：“在高速质谱系统的帮助下，常规样品的定量(而非定性)分析过程完全可以被扭转——分析者可以先行收集数据，然后再决定选择哪个元素和同位素。最起码，这将是一个不错的‘智能软件’——当分析过程中发现有干扰存在时，它可以根据现有已知干扰信息来进行校正。”
Koppenaal同意“同时型多元素检测器”的必要性。他觉得利用CMOS阵列检测器仍然需要时日方可成功，但当分析人员意识到它的优势后，将会获得发展。他指出：其他的进展例如飞行距离质谱仪(DOF-MS)也可以在一个小的质量段内提供近似“同时”的检测，并提供人们所熟悉的TOF-MS所不具有的优势。他说：“我想这也是一种值得进一步开发和加以应用的、激动人心的技术。它还提供了制备(毫克)水平上的收集、分离分析物能力。”
Hanley重申她期望能见到一款同时具有元素和分子检测能力的质谱仪。她说：“这种原型机已经出现了，它将会是商业市场上的竞争者。”
她还认为，采用联用技术，ICP-MS对金属纳米颗粒进行表征将会从一种研究工具逐渐变成日常的应用。她说：“各种同行评审刊物显示，光谱分析法如UV-Vis或者动态光散射法对于纳米颗粒表征达检出限不够时，ICP-MS联用如场流分离效应、高效液相色谱和毛细管电泳色谱技术却能达到。而用于单颗粒检测的进样系统已经在研究工作中获得了进展。”
Vanhaecke预见了另一个领域——生物医学领域的进步。他说：“几个实验室(包括我这里)正在探索用于医疗方面的高精度矿质元素同位素分析。目前所知道的是，一些疾病会明显地影响人体体液当中某些元素同位素的组成。这方面的研究可用于疾病的早期诊断，否则只能在后期或者通过一些创伤性方法了。当然，我是有偏心的，但确实应该看到这个领域的创新性应用。”
Westphal希望我们能把目光注意到软件和数据处理工具上的进步。令人欣慰的是，关于软件和联用技术的接口方面已经有了长足的进展，这点包括用于纳米颗粒分析的软件模块。他希望激光烧蚀方面也能有如此的进步：“激光烧蚀领域如果能有类似的改进那将会很受欢迎，因为目前数据的处理和分析已经成了瓶颈。通过LA-ICP-MS得到二维和三维化学成像的定量分析数据，是一个具有广泛应用并且激动人心的领域，并且与LA-ESI-MS和TOF-SIMS技术相互补充。”
Hanley预见激光烧蚀的另一项新进展：LA-ICP-MS的内标和定量分析方法。她说：“新的LA-ICP-MS标准已经在进行内部测试，以验证内标和定量标准的有效性。”
总结
近年ICP-MS仪器取得了一些重大的突破。由于碰撞/反应池系统和三重四极杆的出现，光谱干扰被有效地降低;基于CMOS技术的检测器取得了长足的进步;微流技术的发展促使了等离子源的改善，使得样品的需求量更低、进入质谱系统的样品基体量更少，并且在单细胞分析领域表现突出;微电子学的进展使仪器具有更快的数据采集速度并改善了数据的存储，从而使得痕量级别的分析成为可能，并且还促进了高性能的CMOS检测器的发展。
时至今日，仪器本身已经足以应对超痕量级别的分析，制约许多分析的瓶颈反而是来自于样品的前处理步骤，这催生了试剂和器皿的发展，同时也促进了洁净室、密闭样品处理系统和自动化操作的广泛应用。
ICP-MS技术的发展也推动着应用领域拓展。ICP-MS强有力的技术能力使之可对应ppb级别的纳米粒子浓度、粒径大小和粒径分布的测试，这些信息可使研究人员、监管机构和消费者了解纳米颗粒在环境和食品当中的影响，也可以了解其对生物的潜在影响;ICP-MS既是金属组学研究的关键设备，也是推动单细胞研究向前发展的利器，质谱流式术和地质年代学的发展也和ICP-MS系统的进展息息相关;多接收扇形磁质谱仪保证了同位素比例测试结果的准确度和精确度;利用ESI-MS和ICP-MS所获得数据的相互补充，形态分析也在不断地发展着。
未来理想中的质谱仪是那种具有同时检测能力和超大线性范围的设备。使用CMOS作为检测器可使得这样的仪器成为现实，但飞行时间或者飞行距离质谱仪则可能更早地实现这个目标。最后也期盼能够出现这样的仪器——同时带有元素检测和分子检测的质谱检测器。
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)
ICP-MS技术与应用最新进展及未来展望(中)
形态分析
形态分析是ICP-MS的另一项重要应用领域，而且它也获得越来越多的关注，特别是期望一些有毒有害元素(例如食品中的砷和水中的铬)受到管控的领域。如欲对未知化合物进行完整的形态分析，ICP-MS技术还需要和其他补充相关结构信息的手段相结合，例如ESI-MS。ESI-MS用于确定有机分子的化学式和结构已经有很长的时间了。由于ESI是一种软电离源，故可通过所产生的分子离子来确定其结构信息。所以我们也询问了专家们，ESI-MS是否可以取代ICP-MS的联用来进行定量的形态分析?
达成的共识是“不会”，因为对于定量形态分析而言，相比ESI-MS，ICP-MS具有一些特殊的优势。在ESI-MS中，电离效率和基体类型息息相关，故许多的定量分析都必须使用内标法来校正。与此相反的是如ICP等原子离子源，几乎以相同的效率产生离子，并且与元素的化学结构很少或者几乎无关。“当进行定量分析的时候，这个特性是十分重要的，特别是待分析物是未知类型样品的时候。”Ray如是说。
Westphal指出：在形态分析当中，ICP-MS的另一项优势是它很容易与其他的分离技术连接。他说：“最新改进的为LC、GC、IC连用ICP-MS的接口和软件，再加上ICP-MS容易定量和谱线比较简单。这些都导致ESI-MS完全无法取代ICP-MS和其他仪器的联用，尤其是进行痕量、超痕量分析的时候。”
Hanley阐述了这一因素的重要性。她指出：金属或者非金属的形态分析通常需要连接IC或者反相IC。用IC法来进行形态分离时，通常会使用含盐的流动相。她说：“当色谱和ICP-MS连用时，ICP-MS具有一定程度的耐盐性。这使得LC-ICP-MS的分析方法具有稳健性、可重复以及低达亚ppb的检出限。”而对于ESI-MS而言，盐分是一种不利的因素，它的存在既影响检出限也使得分析方法的稳健性下降。
Hanley指出：此外，在形态分析上ICP-MS具有其他一些优点。当使用LC-ICP-MS来做形态分析时，检测器仅对金属/非金属元素有信号的相应，对于那些经过消解的有机成分则不会有相应的信号干扰。她说：“这使得一些复杂样品——从生物类样品如尿液血液到食品如大米和海鲜——的分析变得简单。”与此相反，当使用LC-ESI-MS时，有机组分和无机组分一起被洗脱下来进样，此时无机组分离子的含量过低导致ESI-MS不容易检测。她说：“上述提到的那些复杂样品，如果使用同样的前处理方法，然后采用LC-ESI-MS来检测的话，得到的LC-ESI-MS谱图将会过于复杂从而使得无法获得有意义的数据——因为检测器会对任何能电离的东西有响应。”
虽然考虑到这些因素，一些专家仍然认为技术是互补的。Vanhaecke说：“我希望色谱柱分离产物可以分别被分流进ICP-MS和ESI-MS，这样可以更加有通用性。”
Koppenaal同意这点，他说：“将ESI-MS和ICP-MS结合起来将被继续使用，以实现更好的形态分析。这种方法既对元素分析有好处同时也有利于明确分子结构的确定。”
解决尚存问题
我们也请专家们讨论目前有哪些尚未解决的问题，特别是复杂基体样品的测试，以及如何开发ICP-MS方法、技术来攻克这些问题。
Ray明智地回答到：“没有一种方法能一劳永逸地解决复杂基体的分析问题。”他说道：“碰撞反应池解决了很多的问题，但随着这些问题的解决，剩下的麻烦则越来越困难。奇怪的是，造成这些困扰的原因并不是ICP-MS的质谱部分，而是来自于离子源。对ICP-MS的离子源开展更多的研究是十分必要的，特别是对应于激光烧蚀联用和纳米颗粒分析应用。”
Westphal将话题转回样品的处理上：“现在的ICP-MS已经可以直接分析高总固体溶解度样品，这堪比ICP-OES。然而交叉污染以及仪器背景值，使得我们即便使用专用的样品导入系统，也无法轻易地在同一台仪器上进行百分含量和低达ppt级别的分析。”不过他认为在他所从事的工业环境研究应用当中，现有的仪器已可提供足够的检出限。“虽然我们总是希望仪器可以更快、更佳同时又更便宜。”他补充说道。
Hanley说：大部分尚未解决的问题都涉及到干扰的消除问题，多电荷离子的干扰依然是ICP的痼疾。虽然碰撞反应池的使用大大增强了去除同量异位素的干扰能力，但是在单四极杆系统中，碰撞反应池的消干扰能力是和基体息息相关的——任何进入碰撞反应池中的离子都将影响着池系统的再现性和稳健性。
她说：“三重四极杆型ICP-MS系统的出现，在不损失灵敏度的前提下，革命性地取得了消除双电荷离子干扰、同量异位干扰离子和仪器背景干扰的效果。”她解释道：在三重四极杆仪器中，第一个四极杆用于消除基体离子，同量异位干扰离子和多电荷干扰离子在碰撞反应池系统中被加以消除/降低，然后第二个四极杆作为滤质器。
Koppenaal说：“三重四极杆型ICP-MS有其独特的优势，但并非最终的‘灵丹妙药’。新型的、综合的样品前处理方法和仪器分析方法仍然必须继续加以发展。长久以来，仪器制造商们都将这两个视为独立开发的问题，并以这样的方式处理——样品的前处理问题给予其他独立的小公司加以解决，而他们则专注于仪器本身。”
未来的展望
最后，我们请专家们谈论这项技术在近期内有没有可能就仪器本身或者应用领域出现突破?
Ray指出：“一些不利因素正在持续改进当中：仪器朝着高速分析、低价方向发展;低样品量的分析结果更加精准;其他的能力也将不断地提高。”
不过，他和Denton、Vanhaecke一致认为需要有一个重点的发展方向——同时型多接收ICP-MS。他说：“这就像多色器在ICP-OES领域里面占据了主流一样。在未来，一个真正的多元素、多同位素同时型质谱平台将超越现有产品，并取代之。”
Vanhaecke同意上述观点，他提到：在生物成像方面，由于激光烧蚀细胞术的发展，组织的二维扫描获得了提高，样品的分析通量得到了增加并且空间分辨率也提高了。他说：“这意味着扫描型ICP-MS成为了阻碍该领域进一步发展的瓶颈。生物成像和纳米颗粒分析这两方面的需求，将有力地推动着仪器制造商向着同时型或同步型ICP-MS方面的投资。”
Westphal也呼吁同时型检测器的研究开发工作。他说：“当前扫描型质谱系统一般强制要求用户在进行样品分析之前预先选择好相应的同位素。这意味着假如在分析过程当中出现了不可预知的干扰，那么用户就不得不重复整个样品的分析过程。”
他说：“在高速质谱系统的帮助下，常规样品的定量(而非定性)分析过程完全可以被扭转——分析者可以先行收集数据，然后再决定选择哪个元素和同位素。最起码，这将是一个不错的‘智能软件’——当分析过程中发现有干扰存在时，它可以根据现有已知干扰信息来进行校正。”
Koppenaal同意“同时型多元素检测器”的必要性。他觉得利用CMOS阵列检测器仍然需要时日方可成功，但当分析人员意识到它的优势后，将会获得发展。他指出：其他的进展例如飞行距离质谱仪(DOF-MS)也可以在一个小的质量段内提供近似“同时”的检测，并提供人们所熟悉的TOF-MS所不具有的优势。他说：“我想这也是一种值得进一步开发和加以应用的、激动人心的技术。它还提供了制备(毫克)水平上的收集、分离分析物能力。”
Hanley重申她期望能见到一款同时具有元素和分子检测能力的质谱仪。她说：“这种原型机已经出现了，它将会是商业市场上的竞争者。”
她还认为，采用联用技术，ICP-MS对金属纳米颗粒进行表征将会从一种研究工具逐渐变成日常的应用。她说：“各种同行评审刊物显示，光谱分析法如UV-Vis或者动态光散射法对于纳米颗粒表征达检出限不够时，ICP-MS联用如场流分离效应、高效液相色谱和毛细管电泳色谱技术却能达到。而用于单颗粒检测的进样系统已经在研究工作中获得了进展。”
Vanhaecke预见了另一个领域——生物医学领域的进步。他说：“几个实验室(包括我这里)正在探索用于医疗方面的高精度矿质元素同位素分析。目前所知道的是，一些疾病会明显地影响人体体液当中某些元素同位素的组成。这方面的研究可用于疾病的早期诊断，否则只能在后期或者通过一些创伤性方法了。当然，我是有偏心的，但确实应该看到这个领域的创新性应用。”
Westphal希望我们能把目光注意到软件和数据处理工具上的进步。令人欣慰的是，关于软件和联用技术的接口方面已经有了长足的进展，这点包括用于纳米颗粒分析的软件模块。他希望激光烧蚀方面也能有如此的进步：“激光烧蚀领域如果能有类似的改进那将会很受欢迎，因为目前数据的处理和分析已经成了瓶颈。通过LA-ICP-MS得到二维和三维化学成像的定量分析数据，是一个具有广泛应用并且激动人心的领域，并且与LA-ESI-MS和TOF-SIMS技术相互补充。”
Hanley预见激光烧蚀的另一项新进展：LA-ICP-MS的内标和定量分析方法。她说：“新的LA-ICP-MS标准已经在进行内部测试，以验证内标和定量标准的有效性。”
总结
近年ICP-MS仪器取得了一些重大的突破。由于碰撞/反应池系统和三重四极杆的出现，光谱干扰被有效地降低;基于CMOS技术的检测器取得了长足的进步;微流技术的发展促使了等离子源的改善，使得样品的需求量更低、进入质谱系统的样品基体量更少，并且在单细胞分析领域表现突出;微电子学的进展使仪器具有更快的数据采集速度并改善了数据的存储，从而使得痕量级别的分析成为可能，并且还促进了高性能的CMOS检测器的发展。
时至今日，仪器本身已经足以应对超痕量级别的分析，制约许多分析的瓶颈反而是来自于样品的前处理步骤，这催生了试剂和器皿的发展，同时也促进了洁净室、密闭样品处理系统和自动化操作的广泛应用。
ICP-MS技术的发展也推动着应用领域拓展。ICP-MS强有力的技术能力使之可对应ppb级别的纳米粒子浓度、粒径大小和粒径分布的测试，这些信息可使研究人员、监管机构和消费者了解纳米颗粒在环境和食品当中的影响，也可以了解其对生物的潜在影响;ICP-MS既是金属组学研究的关键设备，也是推动单细胞研究向前发展的利器，质谱流式术和地质年代学的发展也和ICP-MS系统的进展息息相关;多接收扇形磁质谱仪保证了同位素比例测试结果的准确度和精确度;利用ESI-MS和ICP-MS所获得数据的相互补充，形态分析也在不断地发展着。
未来理想中的质谱仪是那种具有同时检测能力和超大线性范围的设备。使用CMOS作为检测器可使得这样的仪器成为现实，但飞行时间或者飞行距离质谱仪则可能更早地实现这个目标。最后也期盼能够出现这样的仪器——同时带有元素检测和分子检测的质谱检测器。
