電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)在某些領域例如地質(zhì)學，始終扮演著獨具魅力的角色。時至今日，ICP-MS仍然活躍在新進展的前沿，在某些熱點領域如金屬組學和納米顆粒分析方面繼續(xù)大放異彩。
為慶?！禨pectroscopy》創(chuàng)刊30周年，該刊特邀幾位ICP-MS專家就ICP-MS的近期技術進展、存在的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向做了一個綜述，以饗讀者。
形態(tài)分析
形態(tài)分析是ICP-MS的另一項重要應用領域，而且它也獲得越來越多的關注，特別是期望一些有毒有害元素(例如食品中的砷和水中的鉻)受到管控的領域。如欲對未知化合物進行完整的形態(tài)分析，ICP-MS技術還需要和其他補充相關結構信息的手段相結合，例如ESI-MS。ESI-MS用于確定有機分子的化學式和結構已經(jīng)有很長的時間了。由于ESI是一種軟電離源，故可通過所產(chǎn)生的分子離子來確定其結構信息。所以我們也詢問了專家們，ESI-MS是否可以取代ICP-MS的聯(lián)用來進行定量的形態(tài)分析?
達成的共識是“不會”，因為對于定量形態(tài)分析而言，相比ESI-MS，ICP-MS具有一些特殊的優(yōu)勢。在ESI-MS中，電離效率和基體類型息息相關，故許多的定量分析都必須使用內(nèi)標法來校正。與此相反的是如ICP等原子離子源，幾乎以相同的效率產(chǎn)生離子，并且與元素的化學結構很少或者幾乎無關。“當進行定量分析的時候，這個特性是十分重要的，特別是待分析物是未知類型樣品的時候。”Ray如是說。
Westphal指出：在形態(tài)分析當中，ICP-MS的另一項優(yōu)勢是它很容易與其他的分離技術連接。他說：“最新改進的為LC、GC、IC連用ICP-MS的接口和軟件，再加上ICP-MS容易定量和譜線比較簡單。這些都導致ESI-MS完全無法取代ICP-MS和其他儀器的聯(lián)用，尤其是進行痕量、超痕量分析的時候。”
Hanley闡述了這一因素的重要性。她指出：金屬或者非金屬的形態(tài)分析通常需要連接IC或者反相IC。用IC法來進行形態(tài)分離時，通常會使用含鹽的流動相。她說：“當色譜和ICP-MS連用時，ICP-MS具有一定程度的耐鹽性。這使得LC-ICP-MS的分析方法具有穩(wěn)健性、可重復以及低達亞ppb的檢出限。”而對于ESI-MS而言，鹽分是一種不利的因素，它的存在既影響檢出限也使得分析方法的穩(wěn)健性下降。
Hanley指出：此外，在形態(tài)分析上ICP-MS具有其他一些優(yōu)點。當使用LC-ICP-MS來做形態(tài)分析時，檢測器僅對金屬/非金屬元素有信號的相應，對于那些經(jīng)過消解的有機成分則不會有相應的信號干擾。她說：“這使得一些復雜樣品——從生物類樣品如尿液血液到食品如大米和海鮮——的分析變得簡單。”與此相反，當使用LC-ESI-MS時，有機組分和無機組分一起被洗脫下來進樣，此時無機組分離子的含量過低導致ESI-MS不容易檢測。她說：“上述提到的那些復雜樣品，如果使用同樣的前處理方法，然后采用LC-ESI-MS來檢測的話，得到的LC-ESI-MS譜圖將會過于復雜從而使得無法獲得有意義的數(shù)據(jù)——因為檢測器會對任何能電離的東西有響應。”
雖然考慮到這些因素，一些專家仍然認為技術是互補的。Vanhaecke說：“我希望色譜柱分離產(chǎn)物可以分別被分流進ICP-MS和ESI-MS，這樣可以更加有通用性。”
Koppenaal同意這點，他說：“將ESI-MS和ICP-MS結合起來將被繼續(xù)使用，以實現(xiàn)更好的形態(tài)分析。這種方法既對元素分析有好處同時也有利于明確分子結構的確定。”
解決尚存問題
我們也請專家們討論目前有哪些尚未解決的問題，特別是復雜基體樣品的測試，以及如何開發(fā)ICP-MS方法、技術來攻克這些問題。
Ray明智地回答到：“沒有一種方法能一勞永逸地解決復雜基體的分析問題。”他說道：“碰撞反應池解決了很多的問題，但隨著這些問題的解決，剩下的麻煩則越來越困難。奇怪的是，造成這些困擾的原因并不是ICP-MS的質(zhì)譜部分，而是來自于離子源。對ICP-MS的離子源開展更多的研究是十分必要的，特別是對應于激光燒蝕聯(lián)用和納米顆粒分析應用。”
Westphal將話題轉回樣品的處理上：“現(xiàn)在的ICP-MS已經(jīng)可以直接分析高總固體溶解度樣品，這堪比ICP-OES。然而交叉污染以及儀器背景值，使得我們即便使用專用的樣品導入系統(tǒng)，也無法輕易地在同一臺儀器上進行百分含量和低達ppt級別的分析。”不過他認為在他所從事的工業(yè)環(huán)境研究應用當中，現(xiàn)有的儀器已可提供足夠的檢出限。“雖然我們總是希望儀器可以更快、更佳同時又更便宜。”他補充說道。
Hanley說：大部分尚未解決的問題都涉及到干擾的消除問題，多電荷離子的干擾依然是ICP的痼疾。雖然碰撞反應池的使用大大增強了去除同量異位素的干擾能力，但是在單四極桿系統(tǒng)中，碰撞反應池的消干擾能力是和基體息息相關的——任何進入碰撞反應池中的離子都將影響著池系統(tǒng)的再現(xiàn)性和穩(wěn)健性。
她說：“三重四極桿型ICP-MS系統(tǒng)的出現(xiàn)，在不損失靈敏度的前提下，革命性地取得了消除雙電荷離子干擾、同量異位干擾離子和儀器背景干擾的效果。”她解釋道：在三重四極桿儀器中，第一個四極桿用于消除基體離子，同量異位干擾離子和多電荷干擾離子在碰撞反應池系統(tǒng)中被加以消除/降低，然后第二個四極桿作為濾質(zhì)器。
Koppenaal說：“三重四極桿型ICP-MS有其獨特的優(yōu)勢，但并非最終的‘靈丹妙藥’。新型的、綜合的樣品前處理方法和儀器分析方法仍然必須繼續(xù)加以發(fā)展。長久以來，儀器制造商們都將這兩個視為獨立開發(fā)的問題，并以這樣的方式處理——樣品的前處理問題給予其他獨立的小公司加以解決，而他們則專注于儀器本身。”
未來的展望
最后，我們請專家們談論這項技術在近期內(nèi)有沒有可能就儀器本身或者應用領域出現(xiàn)突破?
Ray指出：“一些不利因素正在持續(xù)改進當中：儀器朝著高速分析、低價方向發(fā)展;低樣品量的分析結果更加精準;其他的能力也將不斷地提高。”
不過，他和Denton、Vanhaecke一致認為需要有一個重點的發(fā)展方向——同時型多接收ICP-MS。他說：“這就像多色器在ICP-OES領域里面占據(jù)了主流一樣。在未來，一個真正的多元素、多同位素同時型質(zhì)譜平臺將超越現(xiàn)有產(chǎn)品，并取代之。”
Vanhaecke同意上述觀點，他提到：在生物成像方面，由于激光燒蝕細胞術的發(fā)展，組織的二維掃描獲得了提高，樣品的分析通量得到了增加并且空間分辨率也提高了。他說：“這意味著掃描型ICP-MS成為了阻礙該領域進一步發(fā)展的瓶頸。生物成像和納米顆粒分析這兩方面的需求，將有力地推動著儀器制造商向著同時型或同步型ICP-MS方面的投資。”
Westphal也呼吁同時型檢測器的研究開發(fā)工作。他說：“當前掃描型質(zhì)譜系統(tǒng)一般強制要求用戶在進行樣品分析之前預先選擇好相應的同位素。這意味著假如在分析過程當中出現(xiàn)了不可預知的干擾，那么用戶就不得不重復整個樣品的分析過程。”
他說：“在高速質(zhì)譜系統(tǒng)的幫助下，常規(guī)樣品的定量(而非定性)分析過程完全可以被扭轉——分析者可以先行收集數(shù)據(jù)，然后再決定選擇哪個元素和同位素。最起碼，這將是一個不錯的‘智能軟件’——當分析過程中發(fā)現(xiàn)有干擾存在時，它可以根據(jù)現(xiàn)有已知干擾信息來進行校正。”
Koppenaal同意“同時型多元素檢測器”的必要性。他覺得利用CMOS陣列檢測器仍然需要時日方可成功，但當分析人員意識到它的優(yōu)勢后，將會獲得發(fā)展。他指出：其他的進展例如飛行距離質(zhì)譜儀(DOF-MS)也可以在一個小的質(zhì)量段內(nèi)提供近似“同時”的檢測，并提供人們所熟悉的TOF-MS所不具有的優(yōu)勢。他說：“我想這也是一種值得進一步開發(fā)和加以應用的、激動人心的技術。它還提供了制備(毫克)水平上的收集、分離分析物能力。”
Hanley重申她期望能見到一款同時具有元素和分子檢測能力的質(zhì)譜儀。她說：“這種原型機已經(jīng)出現(xiàn)了，它將會是商業(yè)市場上的競爭者。”
她還認為，采用聯(lián)用技術，ICP-MS對金屬納米顆粒進行表征將會從一種研究工具逐漸變成日常的應用。她說：“各種同行評審刊物顯示，光譜分析法如UV-Vis或者動態(tài)光散射法對于納米顆粒表征達檢出限不夠時，ICP-MS聯(lián)用如場流分離效應、高效液相色譜和毛細管電泳色譜技術卻能達到。而用于單顆粒檢測的進樣系統(tǒng)已經(jīng)在研究工作中獲得了進展。”
Vanhaecke預見了另一個領域——生物醫(yī)學領域的進步。他說：“幾個實驗室(包括我這里)正在探索用于醫(yī)療方面的高精度礦質(zhì)元素同位素分析。目前所知道的是，一些疾病會明顯地影響人體體液當中某些元素同位素的組成。這方面的研究可用于疾病的早期診斷，否則只能在后期或者通過一些創(chuàng)傷性方法了。當然，我是有偏心的，但確實應該看到這個領域的創(chuàng)新性應用。”
Westphal希望我們能把目光注意到軟件和數(shù)據(jù)處理工具上的進步。令人欣慰的是，關于軟件和聯(lián)用技術的接口方面已經(jīng)有了長足的進展，這點包括用于納米顆粒分析的軟件模塊。他希望激光燒蝕方面也能有如此的進步：“激光燒蝕領域如果能有類似的改進那將會很受歡迎，因為目前數(shù)據(jù)的處理和分析已經(jīng)成了瓶頸。通過LA-ICP-MS得到二維和三維化學成像的定量分析數(shù)據(jù)，是一個具有廣泛應用并且激動人心的領域，并且與LA-ESI-MS和TOF-SIMS技術相互補充。”
Hanley預見激光燒蝕的另一項新進展：LA-ICP-MS的內(nèi)標和定量分析方法。她說：“新的LA-ICP-MS標準已經(jīng)在進行內(nèi)部測試，以驗證內(nèi)標和定量標準的有效性。”
總結
近年ICP-MS儀器取得了一些重大的突破。由于碰撞/反應池系統(tǒng)和三重四極桿的出現(xiàn)，光譜干擾被有效地降低;基于CMOS技術的檢測器取得了長足的進步;微流技術的發(fā)展促使了等離子源的改善，使得樣品的需求量更低、進入質(zhì)譜系統(tǒng)的樣品基體量更少，并且在單細胞分析領域表現(xiàn)突出;微電子學的進展使儀器具有更快的數(shù)據(jù)采集速度并改善了數(shù)據(jù)的存儲，從而使得痕量級別的分析成為可能，并且還促進了高性能的CMOS檢測器的發(fā)展。
時至今日，儀器本身已經(jīng)足以應對超痕量級別的分析，制約許多分析的瓶頸反而是來自于樣品的前處理步驟，這催生了試劑和器皿的發(fā)展，同時也促進了潔凈室、密閉樣品處理系統(tǒng)和自動化操作的廣泛應用。
ICP-MS技術的發(fā)展也推動著應用領域拓展。ICP-MS強有力的技術能力使之可對應ppb級別的納米粒子濃度、粒徑大小和粒徑分布的測試，這些信息可使研究人員、監(jiān)管機構和消費者了解納米顆粒在環(huán)境和食品當中的影響，也可以了解其對生物的潛在影響;ICP-MS既是金屬組學研究的關鍵設備，也是推動單細胞研究向前發(fā)展的利器，質(zhì)譜流式術和地質(zhì)年代學的發(fā)展也和ICP-MS系統(tǒng)的進展息息相關;多接收扇形磁質(zhì)譜儀保證了同位素比例測試結果的準確度和精確度;利用ESI-MS和ICP-MS所獲得數(shù)據(jù)的相互補充，形態(tài)分析也在不斷地發(fā)展著。
未來理想中的質(zhì)譜儀是那種具有同時檢測能力和超大線性范圍的設備。使用CMOS作為檢測器可使得這樣的儀器成為現(xiàn)實，但飛行時間或者飛行距離質(zhì)譜儀則可能更早地實現(xiàn)這個目標。最后也期盼能夠出現(xiàn)這樣的儀器——同時帶有元素檢測和分子檢測的質(zhì)譜檢測器。
譯者：許少輝
