電感耦合等離子體串聯質譜技術(ICP-MS/MS)的原理、組成和應用

電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）作為一種高靈敏度、高選擇性的元素分析技術，自問世以來不斷得到改進和發展。

隨著分析要求的不斷提升，研究人員開始探索將串聯質譜（MS/MS）技術融入ICP-MS，以期大程度解決質譜干擾并進一步提高分析性能。

一、電感耦合等離子體串聯質譜儀(ICP-MS/MS)的基本原理

ICP-MS/MS是在ICP-MS基礎上發展而來的技術，它擁有ICP-MS的所有組件，包括進樣系統、錐口、離子透鏡、碰撞反應池、四極桿和檢測器，并創新性地在離子透鏡和碰撞反應池之間增加了另一個四極桿。因此，樣品在經過ICP-MS/MS時會涉及如下過程：

1、樣品溶液在進樣系統中形成氣溶膠狀態，經過離子源的作用，發生去溶劑、蒸發、原子化和離子化過程。緊接著，錐口對離子源進行采樣，離子進入真空系統并在離子透鏡的電場作用下發生偏轉，加速，其中負離子、中性粒子以及光子通常會被攔截或者偏轉，而正離子則可以正常通過，達到聚焦的效果。

2、 ICP-MS/MS中增加的第一重四極桿(Q1)在離子到達碰撞反應池之前過濾離子束，任何時間內都只有單一目標質量數的離子進入池中。正因為此，ICP-MS/MS可以通過在碰撞反應池中選擇活性氣體（如氧氣、氨氣等）實現更強的化學反應控制，并通過第二重四極桿(Q2)完成二次篩選。這意味著其存在兩種模式：原位模式和質移模式，前者選擇的反應氣只改變干擾離子的質量數，使目標離子以原狀態通過；后者選擇的反應氣只改變目標離子的質量數，使目標離子以新的狀態通過。

原位模式：核燃料及環境樣品中239Pu 檢測受238U1H+(m/z=239)同量異位素干擾，傳統ICP-MS難以準確定量；ICP-MS/MS通過CO2反應氣使238U生成質量數偏移的氧化物離子，經Q1篩選、Q2檢測未反應的239Pu+，鈾的總干擾被降低到<1×108，比傳統的ICP-MS提高了三個數量級。該技術為核材料燃耗評估、環境核污染監測等提供了高效精準的分析工具。

質移模式：稀土元素雙電荷離子（如150Nd2+、150Sm2+）因m/z=75 與75As+一致，對傳統ICP-MS檢測砷形成嚴重干擾，導致定量困難。ICP-MS/MS通過質移模式，利用O2作為反應氣，使75As+生成質量數91的75AsO+，而干擾離子因化學性質穩定保持原質荷比。儀器通過Q1篩選75As+進入反應池，Q2檢測生成的75AsO+，消除干擾。該技術將砷檢測限降至ng/L級，滿足地下水、土壤等環境基質中超痕量砷的精準分析需求。

通過這種多級質譜掃描的方式，ICP-MS/MS可以提高分析的選擇性和靈敏度，降低干擾物質的影響，從而在復雜樣品分析和痕量元素測定中發揮重要作用。

二、電感耦合等離子體串聯質譜儀(ICP-MS/MS)的應用領域

?地球化學：在海洋化學、地質和礦產資源等研究中，相對穩定的稀土元素(REEs)和具有衰變性質的放射性元素扮演著重要的角色，其組成不僅可以示蹤海洋中元素的循環過程、生物地球化學反應以及海洋環境變化，還可以揭示地質過程、巖石成因和地質年代學信息，同時識別礦床類型、劃分礦化帶、評估礦產資源量和品質。ICP-MS/MS有能力精確測定痕量水平的含量和同位素比值，為地球化學領域的分析提供更可靠的數據支持。

?材料科學：在半導體、能源等領域，高純材料中含有的痕量雜質元素會大幅影響最終性能，因此痕量雜質的檢測對于材料純度和性能的保證至關重要。ICP-MS/MS可以提供高靈敏度、高選擇性、精準的定量分析以及有效的干擾消除，從而幫助實現每種分析物的低檢測限要求，可以用于檢測材料中的微量污染物，幫助識別和定量分析可能存在的雜質，保障材料的質量。

?醫學診斷：鐵、銅、鋅等微量元素與人體健康密切相關，但含量通常很低，同時受到其他物質的干擾，因此需要精密的分析方法來準確檢測含量。ICP-MS/MS對于復雜生物樣本（如血液、尿液）中的干擾物質具有更好的耐受性，能夠準確測定目標元素而不受干擾影響，適用于長期分析。借助ICP-MS/MS的分析技術，結合人體生物樣本的檢測，可以建立微量元素從環境到人體內的完整檢測鏈條，實現對人體的全面監測和評估。

?核能：在中國及全球范圍內，發展清潔能源已被視為重要戰略選擇，核能作為一種成熟的清潔能源技術，在這一進程中扮演著重要角色。然而，核設施中存在的鈾(236U)、钚(239,240Pu)、镅(241Am)等放射性核素對人體和環境都有著不可逆的傷害，因此對受輻射人員的應急監測和核事故后的環境評估都至關重要。ICP-MS/MS可以快速準確地分析樣品中的放射性含量，有助于指導應急處理和決策，保障公眾和環境安全，在核事件應急響應中發揮重要作用。

總的來說，ICP-MS/MS作為一種高靈敏度、高選擇性的分析技術，在地球化學、材料科學、醫學診斷和核能等領域都有廣泛的應用，為各種樣品的微量元素分析和研究提供了重要的手段和支持。