电感耦合等离子体串联质谱技术(ICP-MS/MS)的原理、组成和应用

电感耦合等离子体串联质谱技术(ICP-MS/MS)的原理、组成和应用

电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）作为一种高灵敏度、高选择性的元素分析技术，自问世以来不断得到改进和发展。

随着分析要求的不断提升，研究人员开始探索将串联质谱（MS/MS）技术融入ICP-MS，以期大程度解决质谱干扰并进一步提高分析性能。

一、电感耦合等离子体串联质谱仪(ICP-MS/MS)的基本原理

ICP-MS/MS是在ICP-MS基础上发展而来的技术，它拥有ICP-MS的所有组件，包括进样系统、锥口、离子透镜、碰撞反应池、四极杆和检测器，并创新性地在离子透镜和碰撞反应池之间增加了另一个四极杆。因此，样品在经过ICP-MS/MS时会涉及如下过程：

1、样品溶液在进样系统中形成气溶胶状态，经过离子源的作用，发生去溶剂、蒸发、原子化和离子化过程。紧接着，锥口对离子源进行采样，离子进入真空系统并在离子透镜的电场作用下发生偏转，加速，其中负离子、中性粒子以及光子通常会被拦截或者偏转，而正离子则可以正常通过，达到聚焦的效果。

2、 ICP-MS/MS中增加的第一重四极杆(Q1)在离子到达碰撞反应池之前过滤离子束，任何时间内都只有单一目标质量数的离子进入池中。正因为此，ICP-MS/MS可以通过在碰撞反应池中选择活性气体（如氧气、氨气等）实现更强的化学反应控制，并通过第二重四极杆(Q2)完成二次筛选。这意味着其存在两种模式：原位模式和质移模式，前者选择的反应气只改变干扰离子的质量数，使目标离子以原状态通过；后者选择的反应气只改变目标离子的质量数，使目标离子以新的状态通过。

原位模式：核燃料及环境样品中239Pu 检测受238U1H+(m/z=239)同量异位素干扰，传统ICP-MS难以准确定量；ICP-MS/MS通过CO2反应气使238U生成质量数偏移的氧化物离子，经Q1筛选、Q2检测未反应的239Pu+，铀的总干扰被降低到<1×108，比传统的ICP-MS提高了三个数量级。该技术为核材料燃耗评估、环境核污染监测等提供了高效精准的分析工具。

质移模式：稀土元素双电荷离子（如150Nd2+、150Sm2+）因m/z=75 与75As+一致，对传统ICP-MS检测砷形成严重干扰，导致定量困难。ICP-MS/MS通过质移模式，利用O2作为反应气，使75As+生成质量数91的75AsO+，而干扰离子因化学性质稳定保持原质荷比。仪器通过Q1筛选75As+进入反应池，Q2检测生成的75AsO+，消除干扰。该技术将砷检测限降至ng/L级，满足地下水、土壤等环境基质中超痕量砷的精准分析需求。

通过这种多级质谱扫描的方式，ICP-MS/MS可以提高分析的选择性和灵敏度，降低干扰物质的影响，从而在复杂样品分析和痕量元素测定中发挥重要作用。

二、电感耦合等离子体串联质谱仪(ICP-MS/MS)的应用领域

➣地球化学：在海洋化学、地质和矿产资源等研究中，相对稳定的稀土元素(REEs)和具有衰变性质的放射性元素扮演着重要的角色，其组成不仅可以示踪海洋中元素的循环过程、生物地球化学反应以及海洋环境变化，还可以揭示地质过程、岩石成因和地质年代学信息，同时识别矿床类型、划分矿化带、评估矿产资源量和品质。ICP-MS/MS有能力精确测定痕量水平的含量和同位素比值，为地球化学领域的分析提供更可靠的数据支持。

➣材料科学：在半导体、能源等领域，高纯材料中含有的痕量杂质元素会大幅影响最终性能，因此痕量杂质的检测对于材料纯度和性能的保证至关重要。ICP-MS/MS可以提供高灵敏度、高选择性、精准的定量分析以及有效的干扰消除，从而帮助实现每种分析物的低检测限要求，可以用于检测材料中的微量污染物，帮助识别和定量分析可能存在的杂质，保障材料的质量。

➣医学诊断：铁、铜、锌等微量元素与人体健康密切相关，但含量通常很低，同时受到其他物质的干扰，因此需要精密的分析方法来准确检测含量。ICP-MS/MS对于复杂生物样本（如血液、尿液）中的干扰物质具有更好的耐受性，能够准确测定目标元素而不受干扰影响，适用于长期分析。借助ICP-MS/MS的分析技术，结合人体生物样本的检测，可以建立微量元素从环境到人体内的完整检测链条，实现对人体的全面监测和评估。

➣核能：在中国及全球范围内，发展清洁能源已被视为重要战略选择，核能作为一种成熟的清洁能源技术，在这一进程中扮演着重要角色。然而，核设施中存在的铀(236U)、钚(239,240Pu)、镅(241Am)等放射性核素对人体和环境都有着不可逆的伤害，因此对受辐射人员的应急监测和核事故后的环境评估都至关重要。ICP-MS/MS可以快速准确地分析样品中的放射性含量，有助于指导应急处理和决策，保障公众和环境安全，在核事件应急响应中发挥重要作用。

总的来说，ICP-MS/MS作为一种高灵敏度、高选择性的分析技术，在地球化学、材料科学、医学诊断和核能等领域都有广泛的应用，为各种样品的微量元素分析和研究提供了重要的手段和支持。