電感耦合等離子體飛行時間質譜儀器的發展與應用

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2. 天津大學天津市生物醫學檢測技術與儀器重點實驗室，天津 300072)

電感耦合等離子體質譜(Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)是20世紀80年代發展起來的痕量元素分析技術[1]。具有敏度高、檢測限低、動態范圍寬等優點[2]。近年來，像納米單顆粒分析[3]和單細胞分析[4]這類信號持續時間短、元素組成復雜的應用，對ICP-MS儀器的分析速度提出了更高的要求。

四極桿電感耦合等離子體質譜(ICP-QMS)和扇形磁場電感耦合等離子體質譜(ICP-SFMS)的質量分析器是分段記錄的，目前他們的最高分析速度分別為每秒鐘20萬[5]和10萬[6]個質量數。分段記錄的ICP-QMS和ICP-SFMS的分析速度雖然可以滿足單元素短瞬態信號的分析要求，但他們目前的分析速度并不能及時、完整的記錄短瞬態信號中的多種元素信息[7,8]。而飛行時間電感耦合等離子體質譜(ICP-TOFMS)具有全譜同時檢測的優點，它每次脈沖提取均可以記錄樣品中的多種元素信息。目前ICP-TOFMS的分析速度為3.3萬張質譜圖，在這個速度下可以完整的記錄納米顆粒產生的多元素信號[9]。而且相比于分段記錄的質量分析器它還可以節省樣品的消耗。ICP-TOFMS現已在納米單顆粒[3]、單細胞[4]、微量樣品[10,11]的分析中發揮著極其重要的作用。本文主要對ICP-TOFMS的原理、發展現狀和主要應用進行綜述。

1 ICP-TOFMS的基本原理

ICP-TOFMS儀器由ICP離子源、真空接口、離子光學系統、飛行時間質量分析器、離子檢測器、控制系統和數據采集處理系統等部分組成。樣品在ICP-TOFMS儀器中檢測過程為： 在ICP離子源的高溫作用下樣品被電離為離子，隨后離子通過真空接口進入真空腔中。在真空系腔中，離子在透鏡系統中受到電場力的作用，經過離子偏轉、離子聚焦等過程進入到飛行時間質量分析器中。飛行時間質量分析器根據不同質荷比的離子到達檢測器的時間不同將離子區分開來。離子檢測器將接收到離子信息轉換成電信號，然后經過數據系統的處理最終呈現為質譜圖。

1.1 ICP離子源的原理

ICP離子源的基本原理是利用高頻電感線圈產生高頻磁場，通過火花引燃使部分工作氣被電離，產生的電子和氬氣離子在高頻電磁場中被加速，與氬原子發生強烈碰撞，通過碰撞產生更多的帶電粒子，從而形成等離子體。樣品被引入到等離子體中，經歷了去溶劑化、離子化等過程形成樣品離子(圖1)。

圖1 ICP離子源原理圖

1.2 飛行時間質量分析器的原理

飛行時間質譜(TOF)的基本原理如圖2所示。在離子帶有相同電荷e的條件下，不同質荷比的離子經過同一電場的作用，獲得了相同的動能：

(1)

質量為m的離子在無場飛行區中飛行的速度為：

(2)

故飛過距離D所需的時間為：

(3)

圖2 飛行時間質量分析器原理圖

將離子飛行時間經過質荷比校正后，最終得到由離子的質荷比與對應信號強度構成的質譜圖。

2 電感耦合等離子體飛行時間質譜儀器發展

2.1 ICP離子源技術

ICP離子源具有高溫高能量、樣品解離效率高、能產生高產率的單電荷離子、成本低等優點。Reed[12]第一個報道了在管內流動的氣流可以產生電感耦合等離子體，然后通過設計切向氣流穩定的三重同心炬管，解決了等離子體的穩定性問題。隨后，電感耦合等離子體被用作發射光譜分析的等離子體光源[13]，在這期間，Fassel[14-17]等對炬管結構進行了改進并形成了今天通用的炬管結構。隨后，R.S.Houk[1]等設計了從電感耦合等離子體中進行離子提取的接口裝置，實現了ICP離子源與質譜的結合。

2.2 飛行時間質量分析器技術

1948年，A.E.Cameron和D.F.Eggers研制出世界上第一臺飛行時間質譜儀[18]。飛行時間質譜經過了70多年發展[19,20]可主要概括為4種關鍵技術突破。第一，雙場加速聚焦技術，它有效解決了由于離子初始空間分散而造成的分辨率降低問題[21]。第二，反射器技術，它不但實現了離子動能分散的補償，而且增加了飛行距離，使質譜的分辨率提升了一個量級[22]。第三，垂直引入技術，不僅減小初始能量發散的影響，而且降低了儀器的背景干擾，更為重要的是使得飛行時間質譜能夠與電熱蒸發(Electrothermal Vaporizer, ETV)、ICP、電噴霧離子源(Electron Spray Ionization, ESI)等連續產生離子的電離源結合，極大的拓展了飛行時間質譜的應用領域[23]。第四種是為解決MALDI源初始動能發散問題而提出的脈沖延時提取技術，脈沖延時提取技術的引入使得MALDI-TOFMS的分辨率得到極大的提高[24]。

2.3 ICP離子源與飛行時間技術的結合

2.3.1儀器的離子光學結構

脈沖式離子源與飛行時間質量分析器能夠很好的匹配，而連續型離子源如ICP、ESI等在與飛行時間質譜結合時，需要將連續的離子流轉換為離散的離子包，然后對每個離子包進行分析。從儀器的離子光學結構來講，ICP離子源與飛行時間質量分析器有兩種結合方式，分別是垂直提取(圖3)和軸向提取(圖4)。

Myers團隊在1993年報道了世界上第一臺ICP-TOFMS[25]，并在隨后的兩年做出了進一步的優化和改進[26,27]。該設備采用了垂直提取的方式將ICP離子源與飛行時間質量分析器耦合。儀器的結構如圖3所示，離子在通過接口錐之后，采用了2組工作在離子導引模式下的四極桿作為離子傳輸裝置(圖3中L1, L2)。為降低離子的初始位置分散，在L2后加入靜電四極桿L3，調節L3對桿上的電壓可實現離子束型的調制。飛行時間質量分析器的入口與離子束的飛行方向相垂直，通過在提取透鏡E1上施加高頻率的高壓脈沖實現對連續離子流的提取。Myers團隊的一系列研究結果表明，垂直提取比軸向加速離子提取靈敏度更高、分辨率更好、占空比更佳。此外，雙場加速技術和反射器也被應用于該設備中，使得儀器的分析性能進一步提高[28]。

圖3 垂直提取型ICP-TOFMS原理圖[27]

軸向提取的基本原理如圖4所示，通過接口的離子束，經過調制區域的調制，然后經透鏡陣列的提取與加速，進入到飛行時間質量分析器中?；谳S向提取ICP-TOFMS的首個也是唯一的一款商用儀器是Renaissance(美國LECO公司)，文獻[29,30]對該儀器的分辨率、檢測限、和同位素比率精度等分析性能進行了評價，該設備僅在同位素測量速度和測量精度上具備優勢。而在檢測限和分辨率等能方面，它不及同時期的四極桿ICP-MS，如今它已停止生產。

圖4 軸向提取型ICP-TOFMS原理圖[29]

2.3.2干擾粒子的去除技術

在ICP-TOFMS中，隨樣品離子一同進入質譜系統的干擾粒子有高強度的40Ar+和80Ar2+離子、不帶電荷的中性粒子(例如光子、Ar原子和未電離的樣品分子)、多原子離子或加合物離子(例如28N2+、41ArH+和41ArO+)[31]。這些干擾粒子會嚴重影響儀器的分析性能，比如高強度的40Ar+離子會造成檢測器的飽和。所以，要在儀器的離子光路上加入離子光學器件將這些干擾粒子去除。

對于未電離的中性粒子和光子等不帶電的粒子，早期的ICP-TOF MS采用飛行時間離子反射器或是垂直提取技術去除這類不帶電的粒子[25,29]?，F今的ICP-TOF MS采用離軸或偏轉透鏡的方式將這類干擾去除[32]。在Dmitry R. B.的流式質譜樣機和Tofwerk公司的商品化儀器icpTOF中，均在接口錐后引入靜電四極偏轉離子透鏡。它可以有效去除不帶電荷的中性粒子，降低這些干擾粒子在離子傳輸光路中對樣品離子的影響。此外，它還可以在需要數據采集時才激活離子偏轉透鏡系統，從而減少離子對光學器件和檢測器的沖擊[33-35]。

Myers團隊在最初的研究中發現高強度的40Ar+離子信號會造成檢測器飽和。為了解決該問題，他們在無場飛行區徑向方向設計了一對平板電極(圖3 中D1、D2)，當40Ar+離子飛過時施加脈沖電壓使其偏離。在平板電極上施加幅值為-75V寬度為550ns的脈沖使得40Ar+離子的脈沖高度降低了98%，但是，同時也造成了40Ar+離子附近39amu和41 amu離子的損失[29]。GBC公司的商品儀器 OptiMass 8000是以Myers團隊儀器為原型發展而來，其最新的離子門技術具有更高的質量篩選精度(可達小于1 amu的水平)，可覆蓋10～22amu、28～42amu、75～85amu多個質量段，在測量過程中盡可能的消除14N+、16O+、17OH+、18H2O+、28N2+、30NO+、32O2+、40Ar+、41ArH+和80Ar2+的影響[36]。Renaissance(美國LECO公司)也采用了同樣的方法去除上述干擾粒子[37]。Tofweak公司的icpTOF型產品采用了與上述離子門截然不同的方式來去除上述干擾粒子。在進入飛行時間質量分析器接口之前，它在離子的傳輸路徑中引入了一個長的四極桿作為陷波質量過濾器(Notch filter)。Notch filter上可施加多達4個輔助RF頻率，以選擇性地去除(即衰減)16O+、28N2+、32O2+、40Ar+四種離子，而對于未選定的離子，長四極桿僅起到離子導引的作用[9]。Dmitry R. B.[8]的質譜流式系統在離子導向器之后加入一根四極桿，并將該四極桿的低質荷比截止值設置為80，因此質荷比小于80的干擾離子(O+，OH+，O2+，Ar+，ArH+，ArO+)在射頻場中因不穩定而被移除。

碰撞/反應池技術是消除質譜中多原子離子干擾的有效方法[31]。其中四極桿碰撞反應池具有一定的質量篩選功能，可將碰撞/反應后的碎片離子篩除。六極桿和八極桿由于各個電極之間相互耦合而不具有質量篩選功能，但是它具有更寬的離子質量范圍。首個具有碰撞反應池的ICP-TOFMS是Tofwerk公司的icpTOF[33]，它在四極桿Notch filter之前采用了四極桿碰撞反應池，icpTOF在碰撞模式下的操作可以通過碰撞池中的氦氣碰撞冷卻離子以提高質量分辨率，或者通入反應氣體(例如H2或O2)通過化學反應消除干擾離子。GBC公司在其最新型號的ICP-TOFMS儀器OptiMass 9600的離子光路中加入了八極桿碰撞/反應池，可有效減少樣品分析過程中干擾離子的影響[38]。此外，為抑制由于等離子體與采樣錐之間二次放電形成多原子離子的現象。ICP離子源在減少干擾離子產生的方面，主要有冷等離子體技術和由其改進而來的屏蔽炬技術[31]。屏蔽炬技術(圖5)是在等離子體工作線圈和ICP炬管之間插入一個接地的薄的屏蔽板，這個屏蔽板可有效地降低等離子體與采樣錐之間的電勢差。屏蔽炬技術可以在使用較高的ICP輸出功率(900～1000W)的同時消除二次放電現象，使得多原子碎片無法再離子化，從而大大降低了儀器的背景噪聲。

圖5 屏蔽炬技術

2.4 儀器分析速度的提高

目前對于短瞬態信號樣品的分析需求促使ICP-TOFMS朝著更快速的方向發展。影響飛行時間質量分析器分析速度的因素有待測離子的質荷比范圍、脈沖提取頻率、數據處理和數據記錄速度。在ICP離子源中質荷比最大值為238。脈沖提取頻率的提高不但可以對來自離子源的離子信號更加詳細的記錄，而且可以降低儀器的信噪比[39]。1993年Myers[26]的第一臺ICP-TOFMS儀器的脈沖提取頻率為5～10kHz，現今的ICP-TOFMS中GBC optimass[40]為30kHz，Tofwerk icpTof[41]為33kHz，Bandura[8]的流式質譜更是高達76.8 kHz。

模數轉換器是數據采集與處理系統的核心，可分為模擬數字轉換器(Analog to Digital converter，ADC)和時間數字轉換器(Time to digital converter，TDC)，在早期的飛行時間質量分析器中，由于ADC的速度較慢，故多采用TDC將離子信號轉換成電信號。但TDC的死區時間限制了離子計數范圍上限[42]。而經過20多年的發展，現今商用的高速 ADC 數據采集板卡實時采樣速度已經可以達到1～4Gsps?，F今的ICP-TOFMS都采用ADC作為模擬數字轉換器，例如Tofwerk[43]采用美國Acquiris公司1～2Gsps 的AP240型ADC。 Bandura[8]的實驗樣機采用加拿大Signatec公司的8位1Gsps的PDA1000型ADC數據采集卡。

飛行時間質量分析器的每張質譜圖來源于單次或多次脈沖提取累計的信號總和。例如在10kHz的脈沖推斥頻率，飛行長度為1m情況下，質荷比為238離子，若以每秒鐘一張質譜圖的掃描速度，大約有10000個離子團信號被記錄下來整合成一張譜圖。在這樣的時間下可滿足一般的分析要求。但若要完整地記錄短瞬態信號中的信息，例如納米顆粒(存在時間為200μs～300μs)，則每秒鐘需要完成3000～5000張獨立的質譜圖的數據采集、數據處理與存儲。在現有報道中，數據采集速度最快的是Bandura[8]的流式質譜。在該儀器的原始數據記錄模式中，它將每次脈沖提取的離子信號記錄下來，2分鐘內生成的9.216×106張質譜圖。

3 ICP-TOFMS儀器的應用

ICP-TOFMS具有快速、準確、多元素同時分析的特性。脈沖激光剝蝕技術(Laser Ablation,LA)如圖6，在密腔體中采用高強度的激光脈沖聚集于樣品表面使之融蝕氣化，然后通過載氣將樣品微粒載人等離子體中。對于LA產生的瞬態、多元素信號，TOF系統的高速和全譜同時檢測特性與ICP離子源的高溫電離特性使其成為分析LA元素分析的理想平臺。LA-ICP-TOFMS法主要用于測定地質、生物組織等領域固態樣品中的元素二維[11]、三維[44]分布。

圖6 脈沖激光剝蝕技術

在地質分析方面，可以使用LA-ICP-TOFMS法獲得各地理環境中巖石樣品的元素的分布情況，從而有效地刻畫巖石的質地，進而推論出巖石的形成過程以及各地區的地質運動情況。Alexander[11]采用LA-ICP-TOFMS法對厄爾巴島上斷裂帶的巖石樣品進行了高空間分辨率的多元素成像。V. Balaram[45]使用LA-ICP-TOFMS法測定了東印度洋阿凡納西中鈷結殼的化學特征。Hao[46]用LA-ICP-TOFMS法對藍寶石的痕量元素和同位素進行分析。

有機生物組織分析方面，生物組織中元素分布的可視化可以提供有關生物學和醫學相關性的多種有價值的信息，ICP-TOFMS通常與激光剝蝕(LA)技術聯用,用于生物組織的二維元素成像。Narukawa T.[47]對可溶性生物組織干沉積物進行了痕量的金屬測定。Jorg[10]首次開發了通過將低溫冷卻的消融腔室與LA-ICP-TOFMS耦合，對軟組織中痕量元素進行分析的方法。其后S. Mark[48]使用該方法對毒理學腎臟組織樣品進行研究，獲得了腎組織樣品痕量金屬二維分布信息。Kamil[49,50]對冷凍切片的大鼠腦組織進行微量元素生物成像，建立了標準基質匹配樣品的制備方法和大鼠腦組織微量元素生物成像的校準程序，它預測元素生物成像的趨勢是進行超快速和高空間分辨率的分析Oliver[51]將氣溶膠快速導入系統與LA-ICP-TOFMS結合，可實現高通量和全譜的超快速生物成像方法。

LA-ICP-TOFMS法在痕量樣品檢測方面也具有一定的優勢，Scadding C.[52]報道了在法醫學領域LA-ICP-TOFMS法在微碎屑樣品分析中的潛力。他們開發了一種基于LA-ICP-TOFMS用于分析經氧-乙炔切割后犯罪現場中遺留的金屬顆粒的新方法，結果表明：通過該方法所得犯罪現場回收的金屬小球數據與罪犯衣物上的金屬小球數據相匹配，新方法的使用克服了傳統方法由于犯罪現場樣品量少無法監測的問題。Ursula[53]使用LA-ICP-TOFMS法對由噴墨打印機產生的皮升液滴的干燥殘留物樣品進行測定，結果表明：采用該方法可以得出該微量樣品的元素組成信息，根據這些信息可以識別和區分不同生產商的墨粉。

此外，ICP-TOFMS還可以與氣相色譜(Gas chromatography, GC)聯用，用于對紫外線照射條件下，低分子量羧酸介質中亞砷酸鹽水溶液產生的揮發性砷物質[54]的快速檢測。與液相色譜(Liquid Chromatography, LC)聯用，用于對貽貝中金屬硫蛋白樣蛋白相關的微量元素的多元素形態學研究[55]。

在食品分析方面，使用ICP-TOFMS法可以快速獲取食品中的化學計量學信息，從而實現食品的產地溯源，并可以進一步整合化學計量學數據，建立食品產地信息的數據庫。 R. Fragni[56]使用ICP-TOFMS對不同產地的番茄進行多元素化學計量分析，并在隨后的研究中根據分析數據建立了當地番茄化學計量信息數據庫[57]。Lenka[58]開發了草酸和硝酸沉淀鈣和蛋白質后ICP- TOFMS對牛奶進行的多元素分析方法，用于確定牛奶的產地來源。此外Ellen M.[59]使用LA-ICP-TOFMS法鑒定香草的元素組成,通過判別函數與數據庫中的信息進行比對，確定了香草的地理來源。與之類似的，在同位素分析方面，ICP-TOFMS在一張譜圖上可同時獲得多種同位素的比率，Ohata[60]通過同位素稀釋質譜法(IDMS)評估icpTOF和Optimass 9500兩種商用儀器同時測定多種元素的可行性。結果表明：icpTOF可以同時進行多元素的同位素分析，并且獲得的結果與參考值相一致，可以采用該方法快速的獲得多種同位素的比值信息。

納米顆粒分析是ICP-TOFMS近些年來新興的一個重要的應用方向。Tofwerk公司報道了一系列的應用[61-64]，文獻[61]在使用相同ICP離子源與真空接口的情況下，比較了ICP-QMS與ICP-TOFMS對液體單個小液滴和納米顆粒的分析性能，結果表明：根據單個液滴和顆粒的響應結果，ICP-TOFMS對Ag和Au的檢測效率與基于四極桿的儀器相似，最小的可檢測到的Ag、Au和U金屬納米顆粒的大小估計為46 nm、32 nm和22 nm；Hendriks[63]綜述了ICP-TOFMS在分析環境樣品中納米顆粒(Nano Particles, NP)的潛力，結果表明：ICP-TOFMS具有為單個NP提供完整的元素質譜圖的能力，從而可以對天然基質中分散的NP進行高通量、無目標的定量分析。Gondikas[62]和Praetorius[64]基于ICP-TOFMS分別建立了區分環境中納米顆粒(NNP)與工程化納米顆粒(ENP)的分析方法。Gondikas將spICP-TOFMS與其他常規分析技術結合使用，成功區分了防曬產品釋放到地表水中的TiO2ENP與自然中的含鈦NNP。Praetorius通過運行單粒子模式的ICP-TOFMS，并將機器學習用于對CeO2ENP和天然含Ce納米顆粒(Ce-NNPs)的獨特元素指紋對其進行分類和量化，該方法可在低環境基質下鑒定出天然土壤樣品中的ENP。

在單細胞分析方面，基于ICP-TOFMS發展出了實時單細胞多靶點免疫測定技術。該技術克服了傳統熒光流式細胞儀熒光標簽通量小且易發生譜峰重疊的問題。在S. D. Tunner[34,65]等人研究的基礎上，加拿大富魯達公司推出了的商用Helios流式質譜。它能夠提供40種不同的鑭系金屬同位素標簽，高性能的ICP-TOFMS確保了最低的背景以及最小的信號重疊?，F今，它已是疾病診斷[66,67]、免疫學[68,69]、干細胞研究[70]和腫瘤研究[71]的強有力工具。

4 總結

ICP-TOFMS的應用雖然沒有四極桿ICP-MS那樣廣泛，但作為ICP-MS的一個重要分支，近些年來，對于多元素短瞬態信號的分析需求促進了ICP-TOFMS儀器的發展。尤其體現在儀器的分析速度上，在常規ICP-TOFMS上已能夠每秒鐘采集3000～5000張質譜圖。

ICP-TOFMS具有快速，全譜檢測的特點。它在地質、生物組織、食品和納米顆粒等領域均有所應用。但作為一種較新型的儀器，目前的大多研究為實驗方法的開發，在短瞬態多元素樣品信號的檢測中，ICP-TOFMS具有極大的優勢。值得注意的是，在單細胞的檢測中，基于ICP-TOFMS開發的流式質譜系統已成為生物醫學領域研究中的重要工具。