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综述:ICP-MS技术进展应用热点及未来展望

2015.10.15

  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。

  最重大的进展

       碰撞反应池技术

  我们以这样的问题拉开这篇综述的序幕:在过去的5~10年时间里,ICP-MS的哪一项技术或者仪器本身的突破最为激动人心?高居榜首的答案是:用于消除四极杆型ICP-MS光谱干扰的碰撞反应池技术。

  来自杜邦公司Chemours Analytical部门的首席分析研究员Craig Westphal认为:“碰撞反应池(简称CRC)技术的应用,虽然不可能完全消除,但却可有效地去除大部分测试过程中遇到的光谱干扰;其低廉的成本也成为实验室一个经济实惠的选择;动能歧视(KED)作为一种普适性的干扰消除模式,结合日益成熟的自动调谐功能和友好的人机互动界面。这些优点都使得越来越多的实验室将ICP-MS技术视为一种常规的应用手段。”

  美国食品药品监督管理局(US FDA)的化学家Traci A.Hanley认为:“在碰撞反应池技术发明之前,由于无法在线消除干扰,测试的结果受基体影响很大。欲获得更好的、受控的分析结果,只能在离线前处理阶段预先去除/降低干扰源,或者使用干扰校正方程式。”

  来自印第安纳大学的副研究员Steve Ray也赞同上述观点,他认为碰撞反应技术所带来的影响是难以估计的。他将于今年八月份以助理教授的身份任职于Buffalo大学。

       三重四极杆ICP-MS

  三重四极杆型的ICP-MS,由于进一步改善了碰撞反应池的消干扰能力,因此在技术进展榜单上名列前茅。

  在这种三重四极杆ICP-MS系统中,第一个四极杆用于分离掉基体干扰离子,目标元素则进入到碰撞反应池(CRC)系统。在CRC系统中,同量异位素和多电荷离子干扰被消除;或者目标元素通过反应生成其他异于干扰源质量数的物质,再被第二个四极杆滤质器所检测,从而以间接的方式获得目标元素的分析结果。

  这个额外增加的第一个四极杆用于分离基体离子,保证了CRC系统中发生的碰撞/反应不受基体的影响,进而保证碰撞反应更加稳健和具有复现性。通过这一系列的手段,使得背景信号大幅度降低(与未消除干扰相比较)。

  来自比利时Ghent大学化学系的资深教授Frank Vanhaecke,阐述了这一设计的价值:“十分明确的是,串级设计的ICP-MS(亦称三重四极杆型ICP-MS),其碰撞/反应池中的离子-分子反应是精确可控的。在碰撞反应池前后两个四极杆的设计优势,可以通过不同的途径加以表现。”

  他说:“如今,可以通过离子扫描这种直接的方式,在复杂的反应产物离子中鉴别出目标离子。例如使用NH3作为反应气使Ti生成Ti(NH3)6+,或者使用CH3F作为反应气使Ti生成TiF2(CH3F)3+;通过检测生成物离子(Ti(NH3)6+或者TiF2(CH3F)3+)的方式,避开干扰和获得最低的检出限。”因此他认为,串级ICP-MS已经不仅仅是碰撞/反应池系统ICP-MS的改进了。

  来自美国西北太平洋国家实验室环境分子科学实验室的首席技术官David Koppenaal也同意CRC系统和三重四极杆型ICP-MS是很重要的改进,但也注意到它们仍然存在一定的局限性。他说:“CRC技术的缺点在于它表现出元素或者同位素特异性,因此不能普适地对应所有的干扰。如果能够更好地控制离子能量和离子能量分布,那么动能歧视模式可能更有效和更有普适性(至少对所有的多原子离子干扰是如此)。”

       CMOS新型检测器

  来自亚利桑那大学地球科学系教授兼化学系伽利略计划教授的Bonner Denton,援引了另外一项创新:基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的新型检测器技术

  他说:“我强烈地感受到,这项新技术将会替代应用于ICP-OES上的CCDs(电荷耦合元件检测器)和CIDs(电荷注入式检测器),以及应用在ICP-MS上的传统法拉第杯检测器和离子倍增检测器。”目前已经有两款商业化的仪器使用了CMOS检测器,其中一款仪器可同时检测从锂到铀之间的所有元素。

       ICP-TOF-MS

  ICP-TOF-MS仪也榜上有名。Vanhaecke说:“具有高速特性的ICP-TOF-MS在分析化学中扮演着一个重要的角色,例如在纳米颗粒分析和成像上——亦即这种设备可用于表征生物组织、天然或者人工材料的元素分布。”此外,它对质谱流式术的发展过程至关重要。他说:“质谱流式术基于ICP-TOF-MS,但却服务于完全不同于化学分析的其他领域。”

  微电子和微流控技术对ICP-MS的影响

  我们也请小组成员考虑该领域的发展对ICPMS所带来的影响。其中一个重要的影响来自于微电子、微流控和ICP设备微型化技术的发展。

  Ray说:“电子学方面的精细化改进,使得仪器的成本降低并且朝着小型化发展。当然,也伴随着生产效率的提高。得益于微流控技术,流体学对ICP仪器的进展发挥着重要的影响。智能化、具有重复性的自动样品前处理设备的出现,显著提高了实验的再现性和精密度,并在实验室中扮演者不可或缺的角色。”

  Koppenaal认为:“由于仪器向着小型化和坚固耐用型发展,等离子体源也由此受益匪浅。诚然,驱动这方面发展有出于降低成本和提高生产效益的经济角度考虑,但也有部分原因是受技术因素的影响。”

  “由于导入仪器的是较低水平含量的样品和基体,因此仪器的操控性和数据质量都得到了改善。”他认为,随着色谱和流体处理技术的发展,进液量由“毫升每分”等级降低到了“微升每分”,随之带来的是更佳精确的数据、更低的试剂消耗、更少的废液产生以及仪器的进一步小型化发展。最后他总结道:“微电子学和检测器技术的进展对仪器所产生的影响是十分巨大的。”

  Hanley说:“电子学方面的每一个进步都会给仪器带来改进。”特别值得一提的是,由于微电子学进步所带来的高速数据采集和存储能力,使得纳米颗粒和单细胞分析受益匪浅。她说:“如今许多商品化的ICP-MS具有足够快的扫描速度,以对应单粒子检测的需求,这点在几年前简直是不可想象的。电子学的发展使得ICP-MS足以应对亚ppb级别的纳米颗粒检测,这种优势是其他检测技术所不具有的。”

  新兴领域之一的单细胞分析也得益于微流控技术的发展。她说:“作为检测器的ICP-MS和微流体之间的接口技术日益成熟,结合高速、高灵敏的数据采集,使得只需最小体积的进样溶液,即可获得相应的分析结果。这点对于许多生物方面的应用而言是非常重要的。”

  Denton则阐述了微电子学和CMOS技术之间的联系:“显而易见,微电子学的发展催生了CMOS这项技术。尽管CMOS工艺本身已经存在了很多年,甚至多年前就有利用CMOS作为阵列检测器,但在这之前一直都无法提供高质量的分析数据。这种新型的检测器明显地要优于过去二十多年中一直在使用的CCDs和CIDs检测器。”

  低检出限的需求推动样品制备技术的发展

  该小组还评述到:ICP仪器检出限的改善,也推动着样品制备设备和技术的发展。目标元素的检出限越低,则样品中该元素的检出限也越低。Westphal说:“对于大部分的分析检测而言,ICP-MS的灵敏度已经足够高了;因此制约检出能力的,反而是非洁净室条件下的环境污染因素。”

  这样的背景促使了高纯试剂洁净室广泛地被使用。Vanhaecke指出:“这促使了高纯材料如石英PFA作为消解容器的广泛应用。”

  Ray也同意这样的看法:“ICP-MS极低的检出限推动着现有的试剂和耗材朝着高纯化方向发展。塑料类、玻璃类,甚至是一次性样品制备材料都必须考虑痕量金属污染,更不用说盛装例如硝酸的容器了。”

  Hanley说:“对于超痕量分析而言,不仅高纯试剂,洁净室也是必要的。如果一个样品能在密闭的空间中进行处理,那么将会获得更好的结果。进一步地,如果能在一个洁净的密闭环境中、使用高纯试剂并且结合自动化操作的技术,那么污染的可能性会进一步降低。”

  Koppenaal也指出:“相关的趋势是样品制备和引入向着自动化方向发展。得益于自动化技术的帮助,试验的空白水平和重复性可得到更好的控制,并可维持在一定的水平上。相应地,这有助于降低样品溶液的需求量和增大分析的通量。”

  Westphal补充道:“常见的样品处理技术例如微波消解,虽然采用了‘自动泄压’设计以使消解罐允许容纳更多的样品,但为避免密闭环境下罐体中压力过大,样品量仍然需要一定的限制。”

  Westphal对这一点做了进一步的阐述:“我们所希望的理想情况是完全取消样品制备或者直接分析,例如通过激光烧蚀(LA)。虽然在这一领域已经获得了进展,并且激光烧蚀的应用也日益广泛,但利用LA-ICP-MS直接分析固体,欲比肩标准的水溶液ICP-MS分析,还是需要一些时间的。”

  应用新进展

  所有这些ICP-MS仪器的进展都导致许多新研究领域的出现。ICP技术在这些重点领域扮演着关键的角色:金属组学、形态分析、纳米颗粒分析、新材料、年代学和质谱流式细胞技术。专家们将谈到这些领域的进展,并对它们在今后十年的发展做一些预测。

  纳米颗粒分析

  在原子光谱会议上,由于关注工程式纳米颗粒对健康和环境潜在的影响,以及如何在制造过程当中对其加以表征等,使得它的表征方法开发进展受到了极大的关注。由于具有非常优秀的检测能力,ICP-MS走在了这些方法的最前沿。Westphal说:“有许多合适的技术来测量纳米粒子粒径,但在测量尺寸和组分(包括识别包覆颗粒)上,ICP-MS有其独特的能力;这点即使是在复杂的基体当中也是一样。”

  虽然ICP-MS是一种强有力的技术,但纳米颗粒分析对于当前的仪器设备仍然是个挑战。Vanhaecke指出,这种挑战的结果导致仪器制造商努力提高设备的能力。他说:“例如,最低驻留时间被努力地做到50微秒,亦即每秒钟有20,000次独立的测量。这使得实时的单粒子信息采集成为可能,并由此可提供纳米离子的浓度、大小和粒径分布等信息。然而在单元素纳米粒子的研究上,即便有这样的改善,扫描型的ICP-MS(例如四极杆型ICP-MS)仪器依然只是一种辅助手段;因为选择另一个质荷比之后典型的稳定时间为毫秒级别,这意味着表征独立纳米粒子当中两个或多个元素变成了不可能。”

  “因此,我希望那些基于飞行时间、飞行距离、Mattauch-Herzog型双聚焦的同时型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke预测说:“鉴于上述第二种类型的质谱仪尚未商品化,第三种类型质谱的实际应用又迟迟未有进展。在这种情况下,ICP-TOF-MS看起来是一种有利的选择。”

  金属组学和其他生物医学方面的应用

  金属组学是另一个从ICP-MS技术当中获益良多的领域。这是最近发展的一个“组学”领域,它着重关注于生物系统如人体当中金属的作用,包括必需金属如铜、铁、锌或钼等供给不足的影响,或者过量有害元素如砷、铬或镍所造成的危害。

  Koppenaal说:“我所看到的是,ICP-OES和ICP-MS在金属组学和纳米粒子研究领域有着最佳的机会。近来的生物学研究基金和技术必须遵循这个研究方向,并将它们的应用延伸到金属和同位素生物化学等科学前沿。”

  专家指出,ICP-MS仪器上的多项进展,有助于上述这些领域的持续发展。

  Vanhaecke将话题转回到同时型和多接收型检测上来:“对于使用LA-ICP-MS来做元素分布或者生物成像研究来说,同时型和多接收型仪器提供了非常重要的便利。因为大量目标元素——理论上覆盖所有的元素——的信息可以精确地同时获得,从而避免图像的偏移和获得更高的空间分辨率,而不是受制于所选择的目标元素。”

  Hanley指出,另一种以ICP-MS研究推进生物医学领域如金属组学发展的方式是,通过努力将ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性统合到同一个仪器当中。她说:“此外,医学领域的应用不断地涌现,其中LC-ICP-MS联用技术可用于鉴别那些用于标记和替换的金属——在这之前这类金属的检测则依赖于传统的放射性同位素标记法。”

  Koppenaal也考虑了如何让金属组学的研究者们思路进一步的拓展。他说:“现今的金属组学犹如往昔的形态研究,因为一个特定的生物系统中的金属仍需大量的研究。金属不会表现出特立的性质,而更像是蛋白质那样,不同的金属之间相互有关联。因此,金属组学的研究更多地转变为多金属和多组学性质的研究。”最后他总结道:“研究人员需要考虑生物系统当中所有金属的行为,明确其浓度、通量以及和蛋白质或酶之间的关系。”

  质谱流式细胞术

  利用ICP-TOF-MS的质谱流式细胞术,已经成为细胞生物学和癌症研究应用的重要工具。在该技术中,通常使用纯稀土同位素(REEs)来标记流式抗体等报告分子。将这些标定过的报告分子与细胞的特异组分进行结合,然后用质谱流式细胞术来表征这些报告分子在每个个体细胞中的表现。ICP和TOF-MS技术的发展成为质谱流式细胞仪发展必不可少的前提。

  Hanley说:“相比较于传统的流式细胞仪,质谱流式细胞仪更具有优势。因为对于传统的流式细胞仪而言,后者对所标签的重金属元素检出限更低。相比较于使用荧光标示的传统流式细胞仪,这些标签的金属元素更容易被ICP-TOF-MS所检测。”

  Ray说:“质谱流式细胞仪的发展,是一个洞悉未来社会需求的很好例子。的确,如果不是等离子体源的TOF-MS的发展和过去20年中ICP-MS的发展,质谱流式细胞仪的进展是不可能有成效的。也就是说,这项技术的发明人完全可以获得‘难以置信的天才’这样的美誉,并且他们的洞察力、毅力和天赋都是值得称赞的。”

  Vanhaecke也同意这样的观点,他说:“就我个人的看法,我认为我们应当感激质谱流式细胞仪的发明人Scott Tanner和他的同事们,感谢他们的智慧和胆量。当他们所建立的公司不支持他们的项目时,他们迈出了重要的一步——成立了一个新的公司来继续。对于这样大胆的行动,我标示非常的钦佩。”

  Koppenaal补充道:“我们很高兴地看到:这项技术在单细胞评价以及在单细胞水平上就生物的异质性加深理解方面,发挥了它的影响力并获得了成功。它的进展使得利用金属和同位素标记特定蛋白质的方法得以广泛推广。相比较于使用传统的荧光标记方法,它的分析性能获得了长足的进步。”

  Ray总结道:“毫无疑问,这项技术对实现单细胞流式仪的改进,具有深远的影响。它也将会越来越广泛地被加以应用。”

  地质年代学

  地质年代学是另一项得益于ICP-MS技术发展的学科。

  Ray说:“在很长一段时间里面,地质年代学推动着同位素比值测定朝着更加准确和精确的方向改进。反之,这些改进又促使地质年代学进一步拓展和系统化。这种相互促进始终存在。”

  Vanhaecke说:“具体而言,这些进步是由MC-ICP-MS(多接收电感耦合等离子体质谱)的引入所导致的。这种仪器相较于TIMS(热电离质谱)而言具有巨大的优势。MC-ICP-MS的应用,彻底改变了地球化学和宇宙化学。”

  他解释道:“一个重要的原因是,相比TIMS,MC-ICP-MS具有更高的元素电离效率,包括那些具有高电离能的元素。在TIMS中,仅有电离能≤7.5eV的元素才能被有效地电离。而在MC-ICP-MS中,即便是非金属如硫、溴等同位素比值分析,也是基于这些元素被电离为M+的基础上。”

  特别重要的一项应用是关于汞元素的同位素测试,由于它的毒性和长距离迁移能力,该元素在环境领域方面是一个很重要研究。MC-ICP-MS使得该元素的检测成为可能,而这个对TIMS来说却是不可完成的任务。Vanhaecke说:“目前已知的汞的同位素组成分析既受质量依赖也受非质量依赖同位素分馏的影响。这使得汞的研究兴趣点——污染的溯源和生物体内的机理研究成为可能。”

  此外,不同于TIMS的离子化过程产生于真空中,ICP工作在大气压下。这就意味着可以将样品直接导入到ICP-MS的离子源之中。Vanhaecke说:“溶液的雾化进样是标准的途径,但激光消融、蒸气发生以及色谱分离技术(例如高效液相色谱和气相色谱)都已经有了相应的应用。”

  Koppenaal说:“MC-ICP-MS在地质年代学的推广速度是十分惊人的。”他回顾多年前就这方面的发展对仪器制造商所提出的建议,但得到的答复却是“我们为什么要那么做?”他说:“我怀疑他们并不清楚为何要往这方面努力,但现在看起来他们自己回答了这个问题。”

  进一步的发展:加速同位素分析

  鉴于在地质年代学等领域中,稳定同位素多接收扇形质谱仪已经能进行高精度的同位素分析,我们请专家们讨论仪器哪方面的进步,足以加快同位素分析的速度和减少样品的前处理步骤。

  尽管MC-ICP-MS的引入推动同位素分析取得了长足的进展,Vanhaecke仍然期望这些方面能够获得改进:“例如,具有更高的灵敏度和更快响应速度的法拉第杯检测器,使同位素分析获益匪浅。但最重要制约因素依然是质量歧视效应,这种现象的存在会导致同位素比值分析中实际测试结果和参考值存在偏差,而这样的偏差甚至可能是数量级的。至今仍然无法完全理解质量歧视效应产生的根本原因,而质量偏差校正的最佳方法则仍然存在着争议。进一步地了解质量歧视效应的机理是十分必要的,这也有利于指导仪器制造商调整仪器的设计,从而最大程度地降低质量歧视效应的影响。”

  这样的进展可避免目标元素的完全隔离,大幅度提高样品通量并使多个研究领域受益。他说:“它还使激光消融作为样品引入手段的使用更加广泛,提高样品通量,实现可靠的空间分辨同位素分析。”

  Ray指出:当待测样品量很少(例如生物样品)或者对瞬时信号(例如)处理要求较高时,飞行时间质谱仪和飞行距离质谱仪比MC-ICP-MS更具有潜在的应用价值。但是提高分析速度的重点仍然在于样品的前处理——尤其是机械化和自动化的样品处理。他幽默地说:“就像R.Browner说的那样,样品的导入步骤仍然是原子光谱的‘阿喀琉斯之踵’,对许多其他的技术来说也是这样。”

  Koppenaal同意自动化和在线样品处理方法的关键性。他说:“对元素和同位素分析前处理的传统方法是使用湿法消解,我们必须摆脱这类单调的工作。使用自动化仪器来实现待测物和基体分离的过程,是未来的发展方向。”

  Denton则觉得问题完全偏离了焦点:“相比新型的CMOS检测器技术,稳定同位素磁质谱仪不能进行同位素比值的同时性测试,也不具有CMOS的灵活性。”他解释道:法拉第杯检测器的灵敏度比较低,倍增器检测器的线性范围比较窄,这意味着这两种技术依赖于特定同位素的离子流。

  他说:“CMOS检测器可提供类似于倍增器的灵敏度,同时具有高达10个数量级的动态范围,而且还具有同时地检测所有同位素的能力。我觉得可以有把握地预言,这种新型的阵列式离子检测器所产生的影响,将会像阵列式检测器对OES的革命性影响那样。”

  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联用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响应,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:(1)仪器朝着高速分析、低价方向发展;(2)低样品量的分析结果更加精准;(3)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。

参考原文链接

  译者:许少辉

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