【科普】电感耦合等离子体质谱法
- 2022/9/20 18:51:45 21302
- 来源：化工仪器网
【仪表网 仪表科普】本文将从仪器的一般要求、干扰和校正、测定方法、检测限与定量限四个方面为大家介绍药品质量检测方法之电感耦合等离子体质谱法。此外，还将为带大家了解高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法的相关内容。
电感耦合等离子体质谱法是以等离子体为离子源的一种质谱型元素分析方法。主要用于进行多种元素的同时测定，并可与其他色谱分离技术联用，进行元素形态及其价态分析。本法灵敏度高，适用于各类药品从痕量到微量的元素分析，尤其是痕量重金属元素的测定。
样品由载气(氩气)引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体中心区，在高温和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离，转化成带正电荷的正离子，经离子采集系统进入质量分析器，质量分析器根据质荷比进行分离，根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量。
一、仪器的一般要求
电感耦合等离子体质谱仪由样品引入系统、电感耦合等离子体（ICP）离子源、接口、离子透镜系统、四极杆质量分析器、检测器等构成，其他支持系统有真空系统、冷却系统、气体控制系统、计算机控制及数据处理系统等。
1、样品引入系统：按样品的状态不同分为液体、气体或固体进样，通常采用液体进样方式。样品引入系统主要由样品导入和雾化两个部分组成。样品导入部分一般为蠕动泵，也可使用自提升雾化器。要求蠕动泵转速稳定，泵管弹性良好，使样品溶液匀速泵入，废液顺畅排出。雾化部分包括雾化器和雾化室。样品以泵入方式或自提升方式进入雾化器后，在载气作用下形成小雾滴并进入雾化室，大雾滴碰到雾化室壁后被排除，只有小雾滴可进入等离子体离子源。要求雾化器雾化效率高，雾化稳定性好，记忆效应小，耐腐蚀；雾化室应保持稳定的低温环境，并应经常清洗。常用的溶液型雾化器有同心雾化器、交叉型雾化器等；常见的雾化室有双通路型和旋流型。实际应用中应根据样品基质、待测元素、灵敏度等因素选择合适的雾化器和雾化室。
2、电感耦合等离子体离子源：电感耦合等离子体的“点燃”，需具备持续稳定的高纯氩气流(纯度应不小于99.99%)、炬管、感应圈、高频发生器、冷却系统等条件。样品气溶胶被引入等离子体离子源，在6000-10000K的高温下，发生去溶剂、蒸发、解离、原子化、电离等过程，转化成带正电荷的正离子。测定条件如射频功率，气体流量，炬管位置，蠕动泵流速等工作参数可以根据供试品的具体情况进行优化，使灵敏度最佳，干扰最小。
3、接口系统：接口系统的功能是将等离子体中的样品离子有效地传输到质谱仪。其关键部件是采样锥和截取锥，平时应经常清洗，并注意确保锥孔不损坏，否则将影响仪器的检测性能。
4、离子透镜系统：位于截取锥后面高真空区的离子透镜系统的作用是将来自截取锥的离子聚焦到质量过滤器，并阻止中性原子进入和减少来自ICP的光子通过量。离子透镜参数的设置应适当，要注意兼顾低、中、高质量的离子都具有高灵敏度。
5、四极杆质量分析器：质量分析器通常为四极杆质量分析器，可以实现质谱扫描功能。四极杆的作用是基于在四根电极之间的空间产生一随时间变化的特殊电场，只有给定m/z的离子才能获得稳定的路径而通过极棒，从另一端射出。其他离子则将被过分偏转，与极棒碰撞，并在极棒上被中和而丢失，从而实现质量选择。测定中应设置适当的四极杆质量分析器参数，优化质谱分辨率和响应并校准质量轴。
6、检测器：通常使用的检测器是双通道模式的电子倍增器，四极杆系统将离子按质荷比分离后引入检测器，检测器将离子转换成电子脉冲，由积分线路计数。双模式检测器釆用脉冲计数和模拟两种模式，可同时测定同一样品中的低浓度和高浓度元素。检测低含量信号时，检测器使用脉冲模式，直接记录撞击到检测器的总离子数量；当离子浓度较大时，检测器则自动切换到模拟模式进行检测，以保护检测器，延长使用寿命。测定中应注意设置适当的检测器参数，以优化灵敏度，对双模式检测信号(脉冲和模拟)进行归一化校准。
7、其他支持系统：真空系统由机械泵和分子涡轮泵组成，用于维持质谱分析器工作所需的真空度，真空度应达到仪器使用要求值。冷却系统包括排风系统和循环水系统，其功能是排出仪器内部的热量，循环水温度和排风口温度应控制在仪器要求范围内。气体控制系统运行应稳定，氩气的纯度应不小于99.99%。
二、干扰和校正
电感耦合等离子体质谱法测定中的干扰大致可分为两类：一类是质谱型干扰，主要包括同质异位素、多原子离子、双电荷离子等；另一类是非质谱型干扰，主要包括物理干扰、基体效应、记忆效应等。
干扰的消除和校正方法有优化仪器参数、内标校正、干扰方程校正、碰撞反应池技术、稀释校正、标准加入法等。
三、供试品溶液的制备
供试品消解的常用试剂一般是酸类，包括硝酸、盐酸、高氯酸、硫酸、氢氟酸，以及一定比例的混合酸[如硝酸：盐酸(4:1)等]，也可使用少量过氧化氢；其中硝酸引起的干扰最小，是供试品制备的首选酸。试剂的纯度应为优级纯以上。所用水应为去离子水(电阻率应不小于18MΩ・cm)。
供试品溶液制备时应同时制备试剂空白，标准溶液的介质和酸度应与供试品溶液保持一致。
固体样品：除另有规定外，称取样品适量(0.1～3g)，结合实验室条件以及样品基质类型选用合适的消解方法。消解方法有敞口容器消解法、密闭容器消解法和微波消解法。微波消解法所需试剂少，消解效率高，利于降低试剂空白值、减少样品制备过程中的污染或待测元素的挥发损失。样品消解后根据待测元素含量定容至适当体积后即可进行质谱测定。
液体样品：根据样品的基质、有机物含量和待测元素含量等情况，可选用直接分析、稀释或浓缩后分析、消化处理后分析等不同的测定方式。
四、测定方法
对待测元素，目标同位素的选择一般需根据待测样品基体中可能出现的干扰情况，选取干扰少，丰度较高的同位素进行测定；有些同位素需采用干扰方程校正；对于干扰不确定的情况亦可选择多个同位素测定，以便比较。常用测定方法如下。
1、标准曲线法
在选定的分析条件下，测定不同浓度的标准系列溶液(标准溶液的介质和酸度应与供试品溶液一致)，以待测元素的响应值为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线，计算回归方程，相关系数应不低于0.99。在同样的分析条件下，进行空白试验，根据仪器说明书要求扣除空白。
在每个样品(包括标准溶液、供试品溶液和试剂空白)中添加相同浓度的内标(ISTD)元素，以标准溶液待测元素分析峰响应值与内标元素参比峰响应值的比值为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线，计算回归方程。利用供试品中待测元素分析峰响应值和内标元素参比峰响应值的比值，扣除试剂空白后，从标准曲线或回归方程中查得相应的浓度，计算样品中各待测元素的含量。使用内标可有效地校正响应信号的波动，内标校正的标准曲线法为最常用的测定法。
选择内标时应考虑如下因素：待测样品中不含有该元素；与待测元素质量数接近；电离能与待测元素电离能相近；元素的化学特性。内标的加入可以在每个样品和标准溶液中分别加入，也可通过蠕动泵在线加入。
2、标准加入法
取同体积的供试品溶液4份，分别置4个同体积的量瓶中，除第1个量瓶外，在其他3个量瓶中分别精密加入不同浓度的待测元素标准溶液，分别稀释至刻度，摇匀，制成系列待测溶液。在选定的分析条件下分别测定，以分析峰的响应值为纵坐标，待测元素加入量为横坐标，绘制标准曲线，相关系数应不低于0.99，将标准曲线延长交于横坐标，交点与原点的距离所相应的含量，即为供试品取用量中待测元素的含量，再以此计算供试品中待测元素的含量。
五、检测限与定量限
在最佳实验条件下，测定不少于7份的空白样品溶液，以连续测定空白样品溶液响应值的3倍标准偏差(3SD)所对应的待测元素浓度作为检测限；以连续测定空白溶液响应值的10倍标准偏差(10SD)所对应的待测元素浓度作为定量限。
六、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法
本法以高效液相色谱(HPLC)作为分离工具分离元素的不同形态，以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)作为检测器，在线检测元素不同形态的一种方法。可用于砷、汞、硒、锑、铅、锡、铬、溴、碘等元素的形态分析。
供试品中不同形态及其价态元素通过高效液相色谱进行分离，随流动相引入电感耦合等离子体质谱系统进行检测，根据保留时间的差别确定元素形态分析次序；电感耦合等离子体质谱检测待测元素各形态的信号变化，根据色谱图的保留时间确定样品中是否含有某种元素形态(定性分析)，以色谱峰面积或峰高确定样品中相应元素形态的含量(定量分析)。
1、仪器的一般要求
仪器除电感耦合等离子质谱仪外，还包括高效液相色谱仪、接口系统及数据处理系统。高效液相色谱仪应通过适当的接口与电感耦合等离子体质谱仪连接，仪器软件应具有可同时控制两者参数设置和进样分析的功能。
①高效液相色谱系统：应包括高压输液泵系统、进样系统、色谱柱等，如果需要也可配备柱温箱和紫外检测器；相应部件应定期检定并符合有关规定。
目前用于元素形态分析的高效液相色谱类型根据分离原理可分为：离子交换色谱、反相离子对色谱、分配色谱、排阻色谱和手性色谱等，根据所测元素形态化合物的性质，选择适当的色谱柱和流动相进行分离。
常用的色谱柱为离子交换色谱柱和反相键合相色谱柱，其流动相多用甲醇、乙腈、水和无机盐的缓冲溶液，常用两元或四元梯度泵将有机调节剂与水相混合作为流动相。对高电离能元素(砷、硒、溴、碘、汞等)而言，等离子体中心通道若存在一定量的碳，可改善等离子体环境，提高元素灵敏度，特别是对低质量数元素影响，如需可在流动相中适当加入一定比例的有机调节剂，其比例视待测元素以及有机调节剂碳链长短优化条件而定。当流动相采用高比例的有机调节剂(如超过20%甲醇或10%乙腈)时，需要电感耦合等离子体质谱仪配备专用的有机进样系统如加配有机加氧通道、采用铂锥，使用有机炬管(内径为1.5mm或1.0mm)及有机排废液系统等。
高效液相色谱使用的流动相必须与电感耦合等离子体质谱仪的工作条件匹配，并根据实际情况对电感耦合等离子体质谱仪工作条件进行优化；流动相流速一般为每分钟0.1～1ml，流速过大(超过每分钟1.5ml)需考虑使用柱后分流，流速过小(小于每分钟0.1ml)需考虑在样品溶液通道加入补偿液或采用特制微量雾化器以保证雾化正常。
②接口系统：通常用聚四氟乙烯管(内径为0.12～0.18mm)将经高效液相色谱仪分离后的样品溶液在线引入电感耦合等离子体质谱仪的雾化器。为防止色谱峰变宽，两者之间所用连接管线应尽可能短，管线与雾化器之间的接头应尽量紧密，以减少传输管线的死体积。
应采用雾化效率高、死体积小的雾化器，现多采用具有自提升功能的雾化器如Micromist、PFA等同心雾化器。雾化器的进样管线一端接入雾化器，另一端直接与色谱柱出口相连。如色谱柱后需连接色谱检测器，另一端则应与色谱检测器的出口端相连。
对某些含高盐和高有机溶剂的流动相，对电感耦合等离子体质谱仪进样系统可进行改进并采用小柱径高效液相色谱柱技术是目前接口技术的发展方向；超声雾化器、氢化物发生法、直接注入雾化器、微型同心雾化器、热喷雾雾化器、电热蒸发和液压式高压雾化器等样品导入装置是形态分析重要的联用接口技术。
③电感耦合等离子体质谱系统：与高效液相联用时，分析前应对电感耦合等离子质谱系统所有条件进行优化以保证检测灵敏度和精密度。
当流动相含有高含量无机盐或有机相时，大量无机盐或有机碳会在采样锥和截取锥的锥口沉积，可能堵塞锥口或通过锥口沉积在离子透镜上，甚至进入真空系统，导致仪器基线漂移和灵敏度下降；另外流动相中的高盐或高比例有机溶剂使电感耦合等离子体的负载增大，射频功率大量消耗于流动相基体的分解，造成用于分析元素的能量大量减少，使难电离的元素灵敏度极大降低，此时需要优化仪器工作条件，应尽量在流动相基体条件下进行仪器调谐的最佳化；必要时需要更换流动相。
当流动相中有机相不可避免时，超过一定比例，除需要更换有机炬管并设置合理分析参数外，还需改用有机加氧通道和铂锥。出于安全考虑，加氧一般不采用高纯氧，而是加入一定比例氧气和氩气的混合气(如1∶4或1∶1)。
当需要梯度洗脱时，流动相的变化导致进入电感耦合等离子体的基体变化，可能会产生不同的基体效应；为保证电感耦合等离子体质谱仪在各梯度条件下均保证最佳灵敏度与抗基质能力，应针对各时间段内进入的流动相分别采用最佳化的调谐条件，在一定范围内并在灵敏度允许的条件下也可通过柱后补偿的方法进行改善。
待测元素质量数的采集点数应选择每个质量数采集一点的方式，积分时间的设置需兼顾信号强度和色谱峰点数(色谱峰点数与色谱峰底宽度成正比，与积分时间成反比)，色谱峰点数应保证每峰不少于15点。
④数据处理系统：应操作方便，对不同基体样品溶液，能将仪器调谐至最佳条件并保持稳定；并具同步观测元素色谱峰与质谱峰等功能。
传统上电感耦合等离子体质谱仪只输出元素强度计数，而高效液相色谱仪要求有保留时间和峰面积积分等功能，为使二者统一，高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用时，必须具有同步控制、实时峰形显示及监控色谱分离情况等功能。且数据处理系统需满足能同步分析色谱信号(如紫外)与电感耦合等离子体质谱信号，进行有效的定性、定量分析，如谱图叠加、积分、工作曲线等功能。
2、系统适用性试验
系统适用性试验主要是考察分析系统和设定的参数是否合适，测试项目和方法与高效液相色谱法相同，可参照高效液相色谱法对各项参数进行规定，如重复性、容量因子、分离度、拖尾因子、线性范围，最低检测限和最低定量限等，具体指标应符合各品种项下的规定，由于电感耦合等离子体质谱仪检测器自身特点，本方法的重复性误差应不大于10.0%。
3、干扰和校正
试验中应充分考虑流动相及样品前处理过程中引入的干扰，应采用必要的手段来消除干扰。一般不建议使用干扰校正方程法，因为该法需采集待测元素同位素之外与干扰校正有关的其他同位素，从而使获得每个数据点的总时间变长；普通样品的干扰可通过优化色谱条件(如pH、流动相种类及浓度等)使干扰离子与待测离子形态保留时间错开来避免，如不能避免则可考虑采用碰撞反应池模式；如来自流动相的干扰使得仪器基线变高，影响检出灵敏度，建议考虑更换流动相体系。
当流动相含盐时，电感耦合等离子体质谱仪长时间运行后易产生信号漂移，应以质控样品或对照品溶液回校进行监测，或采用内标法予以校正。
4、样品前处理
元素形态分析由于基体复杂，某些元素形态的含量较低，需对样品进行分离和富集等前处理步骤。原则上所采用的前处理方法必须满足将待分析元素形态“原样地”从样品中与基体物质分离，而不应引起样品中的待分析元素形态发生变化。
所用试剂均应为优级纯或更高纯度级别，所用器皿均应经10%～20%硝酸溶液浸泡过夜，再用去离子水洗净并晾干后使用。应同时制备试剂空白，对照品溶液的介质应与供试品溶液保持一致，且无明显的溶剂效应。
除常规的前处理方法(萃取、浸取、离子交换、超滤、离心及共沉淀等)外，元素形态分析常采用酶水解法、超声辅助萃取、微波辅助萃取、固相萃取、加速溶剂萃取等分离方法。
5、测定法
选择待测元素目标同位素，应尽量避免流动相和样品基质中可能出现的干扰情况，使干扰离子与待测元素形态保留时间分开，当优化高效液相色谱条件不能将干扰离子分开时，应尽量选择干扰少、丰度较高的同位素进行测定，并进行必要的干扰消除或校正(若使用干扰校正方程，需注意各质量数上设置的采集时间之和应保证色谱峰数据点大于15点)。元素形态测定方法一般采用标准曲线法，分为外标法和内标法；也可采用标准加入法。
①外标法：在选定的分析条件下，测定不少于四个不同浓度的待测元素不同形态的系列标准溶液(标准溶液的介质尽量与供试品溶液一致)，以色谱峰面积(或峰高)为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线，计算回归方程，相关系数应不低于0.99。测定供试品溶液，从标准曲线或回归方程中查得相应的浓度，计算样品中各待测元素形态的含量。
在同样的分析条件下进行空白试验，计算时应按照仪器说明书要求扣除空白。
②内标法：内标法可有效地校正响应信号的波动，减少或消除供试品溶液的基质效应。元素形态分析的内标法可根据实际情况分别选用以下3种方式。
A. 加入法：即在供试品或供试品溶液中加入内标物质，该内标物质应含有待测元素，但与待测元素的形态不同。选择该方法，除内标物质性质应稳定外，还需确认样品中不含与内标元素形态相同的元素，且内标元素形态能与待测元素形态完全分离并且提取效率一致。
B. 在线内标实时校正：可采取两种方式：一种是在流动相中加入内标物质；另一种是通过蠕动泵在线加入内标溶液。在线内标实时校正对于每个数据采集点都会有一个内标的信号，校正采用点对点校正，即根据每个数据采集点的待测元素计数值与内标计数值的校正值绘制色谱峰，因此仪器的数据处理软件需具有相应的功能。
在线内标实时校正可防止信号漂移带来的准确性问题。内标物质选择时应注意选择与待测元素质量数和电离能相近的元素，且待测样品中不含该元素。
C. 阀切换方式：在难以找到合适内标物质时，可使用柱后阀切换技术在每个样品进样后待测元素出峰前增加一个内标溶液的进样，使每个样品的数据可有一个内标信号来校正。
内标法以标准溶液待测元素与内标元素的峰面积(或峰高)或点对点校正后的色谱峰面积(或峰高)比值为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线，计算回归方程，相关系数应不低于0.99。测定供试品中待测元素与内标元素的峰面积(或峰高)或点对点校正后的色谱峰面积(或峰高)比值，从标准曲线或回归方程中查得相应的浓度，计算样品中各待测元素形态的含量。
在同样的分析条件下进行空白试验，计算时应按照仪器说明书要求扣除空白。
③标准加入法：标准加入法可有效消除基质效应，由于所有测定样品都具有几乎相同的基体，使结果更加准确可靠。标准加入法加入各元素形态的量应接近或稍大于样品中预计量，在此区间选择不少于三个浓度点进行标准曲线的绘制，因此该方法需预先知道被测元素的大致含量，且待测元素在加入浓度范围内需呈线性。标准加入法的具体操作可参见元素总量测定标准加入法项下。
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