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ICP-MS的前世今生

日期:2020-05-07
 Q:回顾PerkinElmer ICP-MS的发展历程,有哪些关键的时间节点和重要的事件呢?

  PerkinElmer于1937年4月由Richard Perkin和Charles Elmer合伙创建,1944年推出世界上第一台商用红外光谱仪IR (Model 12),1955年推出世界上第一台商用气相色谱仪GC (Model 154),1983年推出世界第一台商用 ICP-MS (ELAN 250),1999年推出世界第一台带反应池的ICP-MS,并获Pittcon金奖( ELAN 6100 DRC)。

  以往大家一般都是从技术演进的角度来进行回顾。分析仪器是人们眼睛的扩展和延伸,大脑所获得的信息中,超过80%是通过眼睛获得的。现在是信息时代,我们可以从信息论的角度重新看一下其历史,如下表所示。

  表1. 从信息论的角度重新审视ICP-MS的发展历史

出现的问题

解决方案

时间

1974ICP发射光谱仪出现后,常量元素的定性和定量取得快速发展,但分析微量和痕量元素时,分析信号弱,而干扰信号却相对很强,如何在强干扰背景下采集和放大弱信号呢?

ICP-MS诞生,质谱比光谱灵敏度提高上千倍,同时元素的同位素一般不超过10个,谱线干扰大大降低,例如,Fe的谱线在ICP上有4400多条,而在ICP-MS上只有545657584条谱线,因而ICP-MS中谱线能量更集中,谱线相互干扰更少。

1983

ICP-MS自诞生之日起,LiInUBeYBi这些没有干扰的金属元素的检出限就可以达到ppt量级,一直到现在几乎未有实质性的改进。但是,SiPSClAsSe,这些元素的分析信号依然很弱,而在特定基体中的干扰信号却相对很强,如何在强干扰背景下采集和放大这些弱信号呢?KCaFeVZnCrCd这些金属元素虽然分析信号很强,但在特定基体下干扰信号更强,怎么办?

在原有一个四极杆的基础上,再增加一个四极杆,形成串极质谱,通过CH4NH3等还原性气体形成还原反应,或者O2NO等氧化性气体形成氧化反应,直接消除干扰物,或者质量转移将分析物转移到没有干扰的新位置,即便在干扰信号比分析信号强一百万倍以上的情况下,依然可以对分析信号进行准确测定。

 

1999

在消除了海产品中砷分析的干扰后,人们发现海产品中砷的含量比其他食品要高很多,但毒性却很小,进一步的研究发现,三价砷、五价砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜碱对老鼠的半致死量LD50分别是4.5151800260010000 mg/kg,毒性最大相差2000多倍。如何在极为相近的信号中找出有价值的信息呢?

ICP-MS的基础上,再增加一个HPLC,将砷的各种形态先在时间轴上分开,再进行检测。

在此基础上人们也研究了汞、硒、锡、铬等的价态和形态,另外也研究了GCCE等各种分离设备与ICP-MS联用的可能性和应用。

随着GB 5009.11-2014 食品中总砷及无机砷的测定等标准的发布,形态分析已经从科学研究转变成了日常性的检测工作。

地质年代学研究需要测试锆石,传统分析需要空气磨蚀、化学分解和U/Pb分离等比较复杂的前处理过程,实验流程本底要求特别低,一般全流程铅空白为0.030.05ng,铀空白为0.0020.004 ng,而且其最大的缺陷是无法揭示复杂锆石内部微区的U/Pb207Pb/206Pb年龄信息。如何在微米级别的区域内提取出有用的信息呢?

ICP-MS的基础上,再增加一个激光烧蚀LA,通过激光微米级别的光斑将样品瞬间气化并吹入等离子体,从而将样品在三维空间轴上分开,实现微区分析。

后来人们通过连续的激光扫描,实现了样品的元素二维或三维空间成像。

激光光束波长变短,光斑变小,脉冲周期变短(目前已经发展到飞秒激光),使得微区分析和元素成像不断发展。

微米级别的差异都可以分开了,那,纳米级别的差异呢?

ICP-MS的基础上,提高仪器的信号采集速度,再增加一个专用的纳米颗粒分析软件。

2014

锆石和纳米颗粒都是死的,那活的细胞之间的差异能分析吗?

在四极杆ICP-MS的基础上,提高仪器的信号采集速度,再增加一个专用的单细胞分析软件。

2016

能不能分析细胞之间上百个维度上的差异呢?

四极杆ICP-MS的分析速度已经无法满足信息获取速度的要求,只能将四极杆换成TOF,这就是CyTOF,即质谱细胞仪。

2004


Q:未来十年ICP-MS仪器和应用方面将会有哪些发展趋势呢?

  1. 仪器的使用会越来越“傻瓜化”,英国的垃圾箱上没有文字说明,只有图案标识:一个是玻璃瓶,一个纸袋,一个碎屑的点,哪怕不识字的人也知道怎么进行垃圾分类。规则越简单,执行越容易。“傻瓜”就是愚蠢,但“傻瓜式”却是顶级聪明人的匠心之作。

  2. 仪器的结构模块化,为了应对企业及第三方检测机构用户的几乎不停机的需求,模块式插拔和更换将有可能让用户在几分钟内自行维修完毕。

  3. 仪器的分析自动化程度会越来越高,从取样到报告,无人值守将成为可能甚至成为必须。配备了自动进样器的激光烧蚀系统(LA)有可能让土壤、地矿等领域的样品从压片到上机全程自动化,并且每天检测上万个样品,而食品和临床的样品经过深度破碎至5微米以下而直接进样,也可以达到每天上万个样品分析的高通量。

  4. 仪器的结果图形化呈现,透过数据看规律和找规律会成为仪器使用者的主要工作,设计实验方案的人可能完全不懂仪器,但他们可能会成为真正的分析专家或者分析科学家,就像一个大厨,他并不知道菜刀的成分是什么,更不知道菜刀是怎么做出来的,他甚至不知道液化气灶贫燃和富燃时为什么颜色不一样,但这并不妨碍他做出一桌子色香味俱佳的美味。



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