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            【安捷伦】从混沌到澄清,无机串联质谱技术和反应池技术发展史

            安捷伦发布时间:2020/07/27 17:25 点击: 加载中..

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            觉醒吧!无机串接质谱反应池

            1983 年,VG 和 SCIEX 商品化 ICP-MS,开启了无机元素分析的 ICP-MS 时代。元素的同位素只有一种或少量几种,每种元素(除铟之外)总有一种同位素不与其它任何元素重叠,因此元素之间基本不存在严重的干扰问题。

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            在 ICP-MS 的高温等离子体中产生的多原子离子(Polyatomic Ion)会与元素质量数重叠。例如56ArO 与?56Fe 重叠,75ArCl 与?75As 重叠,80BrH、80CaAr、80ArAr、80CaCa、80SO3、80ArKH 均与?80Se 重叠(文中均为 1 价阳离子,省略上标 “+”,下同)。ICP-MS 本身灵敏度非常高,1 ppt 的重金属元素每秒可以产生大约 1000 个信号计数(1 ppt 的重金属大约相当于 1 吨水中放入四分之一粒芝麻重量的重金属)。

            而在实际测试中,由于多原子离子重叠造成的本底值,可能无法准确测定 1000 ppt的重金属。为了方便理解这种现象,可以类比成看星星——在空气清澈的黑夜,很容易看到星星;在白天,眼神再好的人也看不到星星,不是因为星星不够亮,而是天空太亮(本底值太高)。

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            为解决多原子离子干扰问题,1997 年 Micromass 公司的 Platform 型 ICP-MS 第一次使用碰撞反应池技术。碰撞反应池分为碰撞模式与反应模式,碰撞模式属于广谱抗干扰技术,对全部干扰均有效,使用最广泛。目前主流 ICP-MS 均可使用碰撞模式,但不同品牌之间的干扰消除效果差异很大。

            反应模式针对敏感离子具有高效消除的能力,但这种好处不是每个样品都可以享受到。例如,待测样品中往往含有一定盐分(NaCl),或者样品消解时使用了盐酸/高氯酸,上机溶液会含有氯(Cl),Cl 性质活泼,在等离子体中会产生一系列多原子离子,最著名的是?75ArCl,因为它重合在砷元素唯一的同位素上面,导致 As 本底值非常高,根本无法测量。借助氧气反应池技术,As 与 O2?结合成?91AsO,而?75ArCl 不与 O2?反应,解决了?75ArCl 干扰 As 的问题。

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            新问题接踵而来——91Zr。锆(Zr)的质荷比正好与?91AsO 相同,As 避开了?75ArCl 的干扰,又落入 Zr 干扰中。尽管有大量的 Zr 会与 O2?反应离开 91,但剩余的 Zr 足以在?91AsO 处产生严重本底值。Zr 元素存在感很低,其实? Zr ?在地壳中含量很高,甚至高于我们熟悉的铜、锌、铬、镍等元素,因此在一些样品中,Zr ?含量可能非常很高。

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            有人希望通过改进池的筛选性来增强反应池性能,这一努力效果非常有限。按上面的例子,如果想通过池滤掉?91Zr,那么产物?91AsO 也会被滤掉,如果想滤掉 75,那么 As 都滤掉了, AsO 也无法产生。

            单级反应池利用质量漂移(mass-shift)消除干扰会严重依赖于基体,在有些样品中效果奇佳的方法换在其它样品中可能错得离谱,结果可靠性差,使用受到限制。在这个例子中,遇到 Zr 含量很低的样品,测量结果很准确;遇到 Zr 含量高的样品,测量结果强烈偏高。

            单级反应池还可以使用原位反应(on-mass)模式,例如用氨气(NH3)反应掉干扰?52Cr 的52ArC。同样因为进入反应池的离子太多,很多离子会与 NH3?反应,产生 52 的新离子叠加在52Cr 的信号上。

            业界期待一款同时获取反应模式的高效率又在全部基体下均稳定可靠的新型仪器。有研究人员把目光放到串接质谱上,但世界上还没有无机的串接质谱,德国权威专家 Becker, J. S. 也在著作中写到:三重四极杆质谱不用于无机质谱(Triple quadrupole mass spectrometers are not used in inorganic mass spectrometry),质谱领域酝酿一场风暴。

            2012 年,沉闷的 ICP-MS 市场迎来了革命——安捷伦 8800 ICP-MS/MS 问世,8800 是世界上第一款无机串接质谱,开创了分析仪器的一个崭新门类,它粉碎了单级质谱进入池的组份过多的枷锁,可以在无干扰的条件下分析,迎来了反应池性能的觉醒!

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            Agilent 8800 ICP-MS/MS

            大道至简,8800 解决干扰的原理并不复杂,在池前加入一个单质量过滤四极杆,每次只允许一个质荷比通过,精确控制进入池的离子,彻底杜绝了干扰的产生。今天串接质谱 8800 ICP-MS/MS 以及升级型号 8900 ICP-MS/MS 已经在高端研究、半导体、高纯稀土等领域占有不可或缺的位置,仅中国装机量就超过了 300 台。

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            无机串接质谱尚处于觉醒初期的混沌状态,与有机串接质谱技术的高度成熟不同。早期串接四极杆质谱的池采用四极杆方案,因此也被称为三重串接四极杆(Quadrupole)质谱或 QQQ(一般 QQQ 与 MS/MS 等价)。后来仪器设计师发现,池不一定要用四极杆,四极杆具有质量筛选能力,但离子传输能力弱,而池这个地方没有必要进行质量筛选(前面的大四极杆已经彻底筛好了),六极杆具有更高的传输效率,此外,还有不使用多极杆做池的产品。有机串接质谱即使采用六极杆 H(Hexapole)、非多极杆做池,QQQ 这种约定俗成叫法仍在沿用(尽管中间的一个不是 Q),所以不是所有 Q 都是四极杆。

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            在有机质谱中,进入主四极杆前先用一到两组小四极杆预先聚焦和传输离子,性能会有所改善。这些质谱仪也被称为 MS/MS 或 QQQ,而没有被称作 QQQQ 或 QQQQQ。例如,下图的产品中共有 5 组四极杆,这台质谱本质上还是二级串接质谱 MS/MS。因此,不是所有四极杆都可以算成 Q。

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            四极杆 ICP-MS 领域目前仍只有两个大类:单级质谱(ICP-MS),二级质谱(串接ICP-MS/MS)。

            单级 ICP-MS 应用最广,主流产品均带有中性滤除部件、多极杆池、四极杆质量分析器,尽管仪器内部可能包括两组,甚至更多组四极杆或多极杆,由于还是只包含一级单位质量分辨的质量分析器,因此仍属于单级质谱。


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            Agilent?7900 ICP-MS 结构图

            串接 ICP-MS/MS 在单级 ICP-MS 基础上,池前加入可质量筛选的四极杆质量分析器,组成二级质谱,目的是对进入碰撞反应池的离子进行准确质量筛选。再继续叠加质量分析器,其总体分辨率却并不能叠加或累积,而是只取决于其中分辨率最高的质量分析器,因此尚未出现叠加更多单位质量分辨质量分析器的多级质谱。

            目前的串联质谱的发展方向是离子光学系统的不断优化,以提升灵敏度和基体耐受能力,安捷伦已经发展出 4 种用于串接质谱的离子提取及偏转透镜。此外由于串联质谱的质量转移模式等需要控制离子源、透镜、两级质谱、碰撞反应池等多因素,因此软件调谐和方法开发模式的设计成为影响串接性能发挥的“灵魂”。安捷伦凭借长久以来的串接技术积淀,软件平台可以实现更为直观的多参数联合调谐和基于反应及干扰数据库的智能化方法优化。

            反应模式因不懈努力的安捷伦而觉醒,我们也将继续以真正领先的技术继往开来,激浊扬清,引领无机串联质谱技术和反应池技术的发展,从觉醒后的混沌走向澄清。

            推荐阅读:

            1. Agilent 8900 串联四极杆 ICP-MS

            ?? https://www.agilent.com/zh-cn/products/icp-ms/icp-ms-systems/8900-icp-ms


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