ICP-MS的原理和使用

1、ICP-MS的原理和使用的原理和使用2017-2-9 主要內(nèi)容主要內(nèi)容l一、原理一、原理l二、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)l三、使用和注意事項(xiàng)三、使用和注意事項(xiàng)l四、日常維護(hù)四、日常維護(hù)ICP-MS儀器的原理儀器的原理ICP-MS：全稱是全稱是電感耦合等離子體電感耦合等離子體- -質(zhì)譜法質(zhì)譜法(Inductively coupled plasma-Mass Spectrometry)(Inductively coupled plasma-Mass Spectrometry)它是一種將它是一種將ICPICP技術(shù)和質(zhì)譜結(jié)合在一起的分析儀器，它技術(shù)和質(zhì)譜結(jié)合在一起的分析儀器，它能能同時(shí)測(cè)定同時(shí)測(cè)定幾十種痕量無(wú)機(jī)元素

2、，幾十種痕量無(wú)機(jī)元素，可進(jìn)行可進(jìn)行同位素分析、單同位素分析、單元素和多元素分析元素和多元素分析，以及有機(jī)物中金屬元素的形態(tài)分析。，以及有機(jī)物中金屬元素的形態(tài)分析。比如食品藥品中常測(cè)的：鉛、砷、鉻、汞、鎘、鋁、鈣、比如食品藥品中常測(cè)的：鉛、砷、鉻、汞、鎘、鋁、鈣、鎂、鋅、鐵、銅、鉀、錳、鈉、鈷、鋇等。（可以直接鎂、鋅、鐵、銅、鉀、錳、鈉、鈷、鋇等。（可以直接購(gòu)買混合標(biāo)液）購(gòu)買混合標(biāo)液）原理：原理：（1 1）在）在ICP-MSICP-MS中，中，ICPICP起到離子源的作用，起到離子源的作用，ICPICP利用在電感利用在電感線圈上施加強(qiáng)大功率的高頻射頻信號(hào)在線圈內(nèi)部形成線圈上施加強(qiáng)大功率的高頻射頻

3、信號(hào)在線圈內(nèi)部形成高溫高溫等離子體等離子體，并通過氣體的推動(dòng)，保證了等離子體的平衡和，并通過氣體的推動(dòng)，保證了等離子體的平衡和持續(xù)電離，持續(xù)電離，被分析樣品由蠕動(dòng)泵送入霧化器形成氣溶膠，被分析樣品由蠕動(dòng)泵送入霧化器形成氣溶膠，由載氣帶入等離子體焰炬中心區(qū)，發(fā)生由載氣帶入等離子體焰炬中心區(qū)，發(fā)生蒸發(fā)、分解、激發(fā)蒸發(fā)、分解、激發(fā)和電離和電離。高溫的等離子體使大多數(shù)樣品中的元素都電離出高溫的等離子體使大多數(shù)樣品中的元素都電離出一個(gè)電子而形成了一價(jià)正離子。一個(gè)電子而形成了一價(jià)正離子。原理：原理：（2）通過）通過ICP-MS的接口的接口將等離子體中的離子有效傳將等離子體中的離子有效傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀；輸?shù)劫|(zhì)譜

4、儀；（3）質(zhì)譜是一個(gè)質(zhì)量篩選和分析器，通過選擇不同）質(zhì)譜是一個(gè)質(zhì)量篩選和分析器，通過選擇不同質(zhì)核比（質(zhì)核比（m/z）的離子通過來檢測(cè)到某個(gè)離子的強(qiáng)度，的離子通過來檢測(cè)到某個(gè)離子的強(qiáng)度，進(jìn)而分析計(jì)算出某種元素的強(qiáng)度。進(jìn)而分析計(jì)算出某種元素的強(qiáng)度。ICP-MS靈敏度非常高，可以測(cè)量靈敏度非常高，可以測(cè)量ppb及及ppb以下濃度以下濃度的微量元素。的微量元素?？偨Y(jié)起來：總結(jié)起來：l原子化原子化l將原子化的原子大部分轉(zhuǎn)化為離子將原子化的原子大部分轉(zhuǎn)化為離子l離子按照質(zhì)荷比分離離子按照質(zhì)荷比分離l計(jì)算各種離子的數(shù)目計(jì)算各種離子的數(shù)目ICP-MS儀器的結(jié)構(gòu)儀器的結(jié)構(gòu)ICP-MS的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l （）（）電感

5、耦合等離子體電感耦合等離子體: :樣品引入系統(tǒng)；離子源樣品引入系統(tǒng)；離子源l （）（）接口接口: :采樣錐；截取錐采樣錐；截取錐l （）（）質(zhì)譜質(zhì)譜: :離子透鏡系統(tǒng)；四級(jí)桿離子過濾器；檢測(cè)器離子透鏡系統(tǒng)；四級(jí)桿離子過濾器；檢測(cè)器1.1.樣品引入系統(tǒng)樣品引入系統(tǒng)l溶液氣動(dòng)或超聲方式引入溶液氣動(dòng)或超聲方式引入l電熱蒸發(fā)方式引入電熱蒸發(fā)方式引入l激光或火花方式引入激光或火花方式引入l氣體發(fā)生方式引入氣體發(fā)生方式引入注：大多數(shù)注：大多數(shù)ICP-MSICP-MS以以氣動(dòng)霧化器氣動(dòng)霧化器為標(biāo)準(zhǔn)附件（霧化效率為標(biāo)準(zhǔn)附件（霧化效率低，低，1%1%，但使用方便，穩(wěn)定性好，易于與自動(dòng)進(jìn)樣器聯(lián)，但使用方便，穩(wěn)定性

6、好，易于與自動(dòng)進(jìn)樣器聯(lián)用）用）樣品引入系統(tǒng)（氣動(dòng)霧化系統(tǒng)）樣品引入系統(tǒng)（氣動(dòng)霧化系統(tǒng)）ICP 炬管炬管等離子氣等離子氣輔助氣輔助氣載氣載氣RF 線線圈圈等離子體等離子體Peltier 冷卻霧室冷卻霧室樣品樣品蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)泵內(nèi)標(biāo)稀釋內(nèi)標(biāo)稀釋混合氣混合氣霧化器霧化器ICP（電離源）（電離源）:l電離源電離源是電感耦合等離子體（是電感耦合等離子體（ICPICP），其主體是一個(gè)），其主體是一個(gè)由由三層石英套管組成的炬管三層石英套管組成的炬管，炬管上端繞有，炬管上端繞有負(fù)載線圈負(fù)載線圈，三，三層管從里到外分別通層管從里到外分別通載氣，輔助氣和冷卻氣載氣，輔助氣和冷卻氣，負(fù)載線圈，負(fù)載線圈由高頻電源耦合供電

7、，產(chǎn)生垂直于線圈平面的磁場(chǎng)。如由高頻電源耦合供電，產(chǎn)生垂直于線圈平面的磁場(chǎng)。如果通過高頻裝置果通過高頻裝置使氬氣電離使氬氣電離，則氬離子和電子在電磁場(chǎng)，則氬離子和電子在電磁場(chǎng)作用下又會(huì)與其它氬原子碰撞產(chǎn)生更多的離子和電子，作用下又會(huì)與其它氬原子碰撞產(chǎn)生更多的離子和電子，形成渦流。形成渦流。載氣，輔助氣和冷卻氣載氣，輔助氣和冷卻氣三個(gè)都是氬氣，只是作用不同。三個(gè)都是氬氣，只是作用不同。載氣：載氣：產(chǎn)生渦流，形成高溫；把樣品帶入等離子體。需要產(chǎn)生渦流，形成高溫；把樣品帶入等離子體。需要量大約為量大約為1L/min1L/min。輔助氣：輔助氣：用來維持等離子體，需要量大約為用來維持等離子體，需要量大

8、約為1L/min1L/min。冷卻氣：冷卻氣：以切線方向引入外管，產(chǎn)生螺旋形氣流，使負(fù)載以切線方向引入外管，產(chǎn)生螺旋形氣流，使負(fù)載線圈處外管的內(nèi)壁得到冷卻。氣流量一般為線圈處外管的內(nèi)壁得到冷卻。氣流量一般為10-15 L/min10-15 L/min。為什么要用氬氣為什么要用氬氣? ?ArAr是惰性氣體是惰性氣體Ar Ar 相對(duì)便宜相對(duì)便宜易于獲得高純度的氬氣易于獲得高純度的氬氣 更重要的是更重要的是 - -Ar Ar 的第一電離電位是的第一電離電位是 15.7515.75 電子伏特電子伏特 (eV)(eV)高于大多數(shù)元素的第一電離電位高于大多數(shù)元素的第一電離電位 ( (除了除了 He, F,

9、 Ne) He, F, Ne) 低于大多數(shù)元素的第二電離電位低于大多數(shù)元素的第二電離電位 ( (除了除了 Ca, Sr, Ca, Sr, Ba,etc)Ba,etc)由于等離子體的電離環(huán)境由由于等離子體的電離環(huán)境由 ArAr限定限定, , 所以大多數(shù)分析所以大多數(shù)分析元素被有效地電離為單電荷離子元素被有效地電離為單電荷離子接接 口口 l接口是接口是ICP-MSICP-MS儀器的心臟，儀器的心臟，采樣錐和截取錐采樣錐和截取錐是是其關(guān)鍵部件其關(guān)鍵部件 ( (一個(gè)冷卻的采樣錐（大約一個(gè)冷卻的采樣錐（大約mmmm孔徑）孔徑）和截取錐（大約和截取錐（大約0.40.40.8mm0.8mm孔徑）組成孔徑）組

10、成, , 兩孔相兩孔相距距6-7mm6-7mm。l接口的功能是將等離子體中的離子有效傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀接口的功能是將等離子體中的離子有效傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀 質(zhì)譜分析器（四級(jí)桿）質(zhì)譜分析器（四級(jí)桿） 利用利用靜電透鏡系統(tǒng)靜電透鏡系統(tǒng)將穿過截取錐的離子拉出來，輸送到將穿過截取錐的離子拉出來，輸送到四極桿濾質(zhì)器。四極桿的工作是基于在四根電極之間的四極桿濾質(zhì)器。四極桿的工作是基于在四根電極之間的空間產(chǎn)生一隨時(shí)間變化的特殊電場(chǎng)，只有給定空間產(chǎn)生一隨時(shí)間變化的特殊電場(chǎng)，只有給定M/Z的離的離子才能獲得穩(wěn)定的路徑而通過極棒，從其另一端出射。子才能獲得穩(wěn)定的路徑而通過極棒，從其另一端出射。其它離子將被過分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞

11、，并在極棒上被中其它離子將被過分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而丟失。四極桿掃描速度很快，大約每和而丟失。四極桿掃描速度很快，大約每100毫秒可掃描毫秒可掃描整個(gè)元素覆蓋的質(zhì)量范圍。整個(gè)元素覆蓋的質(zhì)量范圍。 質(zhì)譜分析器質(zhì)譜分析器 ICP-MS采用的是采用的是三級(jí)動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)三級(jí)動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，使真空逐級(jí)達(dá)到要，使真空逐級(jí)達(dá)到要求值。采樣錐與截取之間的第一級(jí)真空約求值。采樣錐與截取之間的第一級(jí)真空約102Pa，由，由機(jī)械泵機(jī)械泵維持，離子透鏡區(qū)為第二級(jí)真空（維持，離子透鏡區(qū)為第二級(jí)真空（10-4Pa），由擴(kuò)散泵或），由擴(kuò)散泵或渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)，四極桿和檢測(cè)器部分為第三級(jí)真空（渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)，四極

12、桿和檢測(cè)器部分為第三級(jí)真空（10-6Pa），也由），也由擴(kuò)散泵或渦輪分子泵擴(kuò)散泵或渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 真空度直接影響離子傳輸效率、質(zhì)譜波形及檢測(cè)器壽命。真空度直接影響離子傳輸效率、質(zhì)譜波形及檢測(cè)器壽命。 ICP-MS的使用和注意事項(xiàng)的使用和注意事項(xiàng)儀器的使用儀器的使用一、儀器的準(zhǔn)備：一、儀器的準(zhǔn)備：1 1、開機(jī)抽真空：、開機(jī)抽真空：抽到抽到Penning Penning 壓力壓力小于小于6.06.010-7mbar10-7mbar。長(zhǎng)時(shí)間不用抽真空約需長(zhǎng)時(shí)間不用抽真空約需一天一夜，一般只需要一天一夜，一般只需要一晚上。抽真空的過程一晚上。抽真空的過程中渦輪泵速一般都保持中渦輪泵速一般都保持

13、在在999.98999.98。2 2、點(diǎn)火：、點(diǎn)火：（1 1）打開一樓的氬氣總閥，調(diào)整四樓分壓為）打開一樓的氬氣總閥，調(diào)整四樓分壓為0.6MPa0.6MPa（2 2）開啟水冷機(jī)（溫度：）開啟水冷機(jī)（溫度：2020；壓力：；壓力：6565MpaMpa左左右）右）（3）檢查并確認(rèn)進(jìn)樣系統(tǒng)（炬管、霧化室、霧化器、泵）檢查并確認(rèn)進(jìn)樣系統(tǒng)（炬管、霧化室、霧化器、泵管等）是否正確安裝。管等）是否正確安裝。（4）上好樣品管和廢液管，檢漏；）上好樣品管和廢液管，檢漏；（5）點(diǎn)擊）點(diǎn)擊Instrument Control 左上角的左上角的“ON”點(diǎn)火；點(diǎn)火；（6）點(diǎn)火后，先用娃哈哈的水沖洗）點(diǎn)火后，先用娃哈哈的

14、水沖洗5min，再用，再用2%HNO3沖洗沖洗5min，穩(wěn)定儀器，同時(shí)注意觀察進(jìn)液和出，穩(wěn)定儀器，同時(shí)注意觀察進(jìn)液和出液是否順暢。液是否順暢。儀器的準(zhǔn)備儀器的準(zhǔn)備儀器的準(zhǔn)備儀器的準(zhǔn)備（7 7）儀器穩(wěn)定后點(diǎn)左上角的）儀器穩(wěn)定后點(diǎn)左上角的“RUN“RUN（運(yùn)行）（運(yùn)行）”，從樣，從樣品管吸入調(diào)諧液，品管吸入調(diào)諧液，觀察靈敏度，靈敏度指標(biāo)：觀察靈敏度，靈敏度指標(biāo)：在在STDSTD下，最佳狀態(tài)是：下，最佳狀態(tài)是：7Li57Li5萬(wàn)；萬(wàn)；59Co1059Co10萬(wàn)；萬(wàn)；115In21115In21萬(wàn)；萬(wàn)；238U30238U30萬(wàn)。如果在萬(wàn)。如果在STDSTD模式下靈敏度模式下靈敏度達(dá)不到，可以做一個(gè)達(dá)

15、不到，可以做一個(gè)AutotuneAutotune（自動(dòng)調(diào)諧）（自動(dòng)調(diào)諧）儀器的準(zhǔn)備儀器的準(zhǔn)備（8）如果）如果STD模式下靈敏度正常，打開氦氣鋼瓶主閥，模式下靈敏度正常，打開氦氣鋼瓶主閥，調(diào)節(jié)分壓到調(diào)節(jié)分壓到0.2-0.3MPa，從，從STD模式切換到模式切換到KED模式，模式，點(diǎn)頂部的點(diǎn)頂部的“Restart”觀察：觀察：59CO3萬(wàn)；萬(wàn)；59CO/35Cl.16O18萬(wàn)萬(wàn)。如果靈敏度正常，可以在。如果靈敏度正常，可以在KED模式下做一次模式下做一次Autotune（自動(dòng)調(diào)諧）然后測(cè)樣品。（自動(dòng)調(diào)諧）然后測(cè)樣品。注意注意：（1 1）如果上午做儀器測(cè)試，完成后，下午測(cè)樣品，）如果上午做儀器測(cè)試，

16、完成后，下午測(cè)樣品，可以在下班之前先熄火，即點(diǎn)左上角的可以在下班之前先熄火，即點(diǎn)左上角的“OFF”“OFF”，下午來了點(diǎn)火直接測(cè)定，不需要再進(jìn)行儀器調(diào)試。下午來了點(diǎn)火直接測(cè)定，不需要再進(jìn)行儀器調(diào)試。（2 2）儀器只有在點(diǎn)火后才會(huì)消耗氬氣，只抽真空）儀器只有在點(diǎn)火后才會(huì)消耗氬氣，只抽真空不點(diǎn)火是不需要?dú)鍤獾?。不點(diǎn)火是不需要?dú)鍤獾?。二、樣品分析二、樣品分析l打開桌面上打開桌面上QtegaQtega軟件，主頁(yè)上：軟件，主頁(yè)上：1 1、DashboardDashboard（儀表盤）：（儀表盤）：主要看聯(lián)鎖下是否全為綠，表示各部分狀態(tài)是否正主要看聯(lián)鎖下是否全為綠，表示各部分狀態(tài)是否正常，全綠表示可以測(cè)定

17、。常，全綠表示可以測(cè)定。樣品分析樣品分析l2 2、LabBooks:LabBooks:l新建方法：新建方法：（1 1）Name(Name(名稱名稱) )：輸入方法名（如：輸入方法名（如20160927.20160927.）（2 2）評(píng)價(jià)：選中第三個(gè)圓點(diǎn)：）評(píng)價(jià)：選中第三個(gè)圓點(diǎn)：Create a new a blank Create a new a blank TemplateTemplate，選全定量，選全定量eQuarteQuart (3) (3)點(diǎn)擊：點(diǎn)擊：Create LabBooksCreate LabBooks創(chuàng)建界面打開創(chuàng)建界面打開樣品分析樣品分析調(diào)用方法：調(diào)用方法：（1 1）勾選

18、第二個(gè)圓點(diǎn)：從現(xiàn)有的）勾選第二個(gè)圓點(diǎn)：從現(xiàn)有的LabBooksLabBooks中創(chuàng)建一個(gè)新的中創(chuàng)建一個(gè)新的LabBooksLabBooks， 選中想調(diào)用的方法，如選中想調(diào)用的方法，如2016092720160927。（2 2）在上面）在上面Name(Name(名稱名稱) )里輸入一個(gè)新名字：如里輸入一個(gè)新名字：如2016092820160928（3 3）點(diǎn)擊：）點(diǎn)擊：Create LabBooksCreate LabBooks創(chuàng)建界面打開創(chuàng)建界面打開樣品分析樣品分析l在打開的界面左邊一欄，方法參數(shù)下：在打開的界面左邊一欄，方法參數(shù)下：（1 1）Analytes(Analytes(分析物分析物)

19、 )：在右邊的周期表中選擇要測(cè)量的：在右邊的周期表中選擇要測(cè)量的元素和元素所用的內(nèi)標(biāo)元素。元素和元素所用的內(nèi)標(biāo)元素。（2 2）Acquisition parameters(Acquisition parameters(采集參數(shù)采集參數(shù)) )：把：把Channel(Channel(通道通道) )改成改成3 3，Measurement Mode(Measurement Mode(測(cè)定模式測(cè)定模式) )改改成成KEDKED或或STDSTD，更前面對(duì)應(yīng)，左下部的，更前面對(duì)應(yīng)，左下部的Number of Number of sweeps(sweeps(掃描次數(shù)掃描次數(shù)) )改成改成4040。樣品分析樣品

20、分析（3 3）Standards(Standards(標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)) )：輸入標(biāo)準(zhǔn)溶液的名稱和對(duì)應(yīng)的濃輸入標(biāo)準(zhǔn)溶液的名稱和對(duì)應(yīng)的濃度；度；（4 4）Quantification(Quantification(定量定量) )：在在Internal standardInternal standard項(xiàng)下項(xiàng)下在內(nèi)標(biāo)元素后選在內(nèi)標(biāo)元素后選“using as Internal “using as Internal StandardStandard”，在，在待測(cè)元素后把它對(duì)應(yīng)的內(nèi)標(biāo)元素選上。待測(cè)元素后把它對(duì)應(yīng)的內(nèi)標(biāo)元素選上。（5 5）Sample list(Sample list(樣品列表樣品列表) )：建序

21、列建序列（6 6）保存方法，點(diǎn)擊運(yùn)行，開始測(cè)定）保存方法，點(diǎn)擊運(yùn)行，開始測(cè)定樣品分析樣品分析（7 7）分析完畢后，會(huì)在方法參數(shù)下）分析完畢后，會(huì)在方法參數(shù)下自動(dòng)生成一個(gè)自動(dòng)生成一個(gè)Reports(Compatibity mode)Reports(Compatibity mode)，第一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)曲線報(bào)告，第一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)曲線報(bào)告，第二個(gè)是全報(bào)告，第三個(gè)是樣品報(bào)告。在第一個(gè)里檢查第二個(gè)是全報(bào)告，第三個(gè)是樣品報(bào)告。在第一個(gè)里檢查標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系，保證樣品結(jié)果準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系，保證樣品結(jié)果準(zhǔn)確性。（8 8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先用）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先用2%HNO32%HNO3沖洗沖洗5min5min，再用娃哈

22、哈水沖，再用娃哈哈水沖洗洗5min5min，然后把樣品管從水中拿出來。，然后把樣品管從水中拿出來。樣品分析樣品分析（9 9）點(diǎn)擊）點(diǎn)擊Instrument Control Instrument Control 左上角的左上角的“OFFOFF”，熄火熄火。熄火后先關(guān)閉氦氣主閥，特別注意此時(shí)不要馬上關(guān)掉水冷熄火后先關(guān)閉氦氣主閥，特別注意此時(shí)不要馬上關(guān)掉水冷機(jī)，觀察軟件左下角機(jī)，觀察軟件左下角cooling glassware cooling glassware 直到變成直到變成standbystandby，并聽到儀器里面咔嚓一聲，并且，并聽到儀器里面咔嚓一聲，并且RF Generator RF G

23、enerator 下下Plasma cooling water flow Plasma cooling water flow 從從0.590.59變成變成0 0，此時(shí)可以此時(shí)可以關(guān)閉水冷機(jī)。不需要點(diǎn)頂部的關(guān)閉水冷機(jī)。不需要點(diǎn)頂部的“Stop”“Stop”，儀器會(huì)自動(dòng)停止，儀器會(huì)自動(dòng)停止采集。采集。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：（1 1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，把蠕動(dòng)泵的夾子打開，松開樣品管和廢）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，把蠕動(dòng)泵的夾子打開，松開樣品管和廢液管，到一樓液管，到一樓把氬氣的主閥關(guān)閉把氬氣的主閥關(guān)閉，不需要關(guān)四樓的分壓，不需要關(guān)四樓的分壓閥。閥。（2 2）若儀器長(zhǎng)期停用，可以考慮徹底關(guān)機(jī)，否則建議一直）若儀器長(zhǎng)期停用，

24、可以考慮徹底關(guān)機(jī)，否則建議一直保持真空狀態(tài)，如果電壓不穩(wěn)定，時(shí)不時(shí)停電，也建議保持真空狀態(tài)，如果電壓不穩(wěn)定，時(shí)不時(shí)停電，也建議用完后泄真空關(guān)機(jī)。用完后泄真空關(guān)機(jī)。注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)l如果想徹底關(guān)機(jī)，可以：如果想徹底關(guān)機(jī)，可以：l（1 1）點(diǎn)擊軟件上）點(diǎn)擊軟件上Vacuum Vacuum 里在里在Penning PressurePenning Pressure下選擇下選擇“OFF”“OFF”；l（2 2）等待）等待Turbe pump speed(Turbe pump speed(渦輪泵渦輪泵) )降到降到800800以下，然以下，然后急劇泄真空到后急劇泄真空到0 0，此時(shí)，此時(shí)Penning pressurePenning pressure會(huì)保持在會(huì)保持在2.000e-0092.