感應耦合電漿質譜(ICP-MS)原理和基礎知識–讓你第一次接觸ICP-MS質譜分析就上手！

什麼是感應耦合電漿質譜ICP-MS？

感應耦合電漿質譜(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)是一種以等離子體(plasma)又稱做電漿作為離子源的質譜分析技術。它具有快速、靈敏及多元素同時測定的功能，且大多數元素所偵測極限可測得至ppt(parts per trillion, 兆分率)水平，並具有同位素(Isotope)比測定的功能。

ICP-MS的原理

ICP-MS的原理是由iCAP TQ透過離子經由取樣錐(Sampler cone)透過真空介面輸送進入質譜儀中，透過質量分析器將特定荷質比(m/z)的離子進行分析後，進入偵測器進行定性及定量，從而進行質譜分析。

ICP-MS的優點

ICP-MS檢測擁有目前偵測極限最靈敏(低)的元素分析技術，具備相當大的線性動態範圍，依據用戶應用需求的不同，可以分析檢測的元素濃度範圍從個位數ppt(parts per trillion, 兆分率)到百位ppm(parts per million, 百萬分率)及 10個數量級的動態範圍。儀器兼具有分析快速、靈敏及多元素同步分析的功能。

ICP-MS 的系統配置原理及介紹

1. ICP-MS的樣品導入裝置

ICP-MS質譜分析原理主要依照樣品的型態，而不同的樣品可以分為液體、氣體及固體進樣，其中又以液體進樣的方式最為普遍。ICP-MS樣品的導入裝置主要藉由蠕動幫浦和霧化設備兩個部分組成。ICP-MS樣品的導入原理是藉由蠕動幫浦傳遞，一般會要求幫浦的轉速穩定、管線彈性良好，使得樣品溶液可以穩定連續導入，廢液也可以順暢排出。霧化設備包含了霧化器(Nebulizer)和霧化室(Spray chamber)。其原理是當 ICP-MS 樣品進入霧化器後，透過載氣作用下形成小霧珠並進入霧化室，只有部分小霧珠可進入電漿離子源。霧化器的霧化效率要高，則其霧化之穩定性要好、記憶效應小、耐腐蝕，而霧化室應具備可控溫功能並定期保養。ICP-MS檢測常見的液態樣品霧化器有同心圓式(Concentric)霧化器、十字交錯型(Cross-flow)霧化器、超音波(Ultrasonic)霧化器及微流量(Micro-flow)霧化器等；常見的霧化室類型則有旋風型(Cyclonic)和圓錐型(Conical)等。實際應用時應根據樣品基質特性、欲測定的元素、靈敏度等因素選擇合適的霧化器和霧化室。

2. ICP-MS的離子源

感應耦合電漿的形成，需有穩定的高純度氬氣(至少99.995%)、火炬管、感應線圈、射頻產生器(Radio-frequency generator)、冷卻系統等。原理是ICP-MS樣品氣溶膠型態進入電漿離子源後，在6000K～10000K的高溫下，可使溶劑被去除、蒸發、解離、原子化、離子化等過程，進而轉變成帶正電荷的離子。藉由分析相關之條件，(例如射頻功率、氣體流量、炬管位置、蠕動幫浦的流速等參數)，依據測試樣品的實際基質狀態進行最佳化，進而獲得最佳之靈敏度及最小的干擾。

3. ICP-MS樣品介面

進行ICP-MS質譜分析時，樣品介面 (如圖1) 的功能及使用原理是將電漿中的樣品離子有效地送進質譜儀。其中設備主體是由是取樣錐 (Sampler cone)和截取錐(Skimmer cone)，平時應適當地保養，並注意確保錐孔不損壞，否則會影響ICP-MS的檢測性能。

圖1: ICP-MS樣品介面原理

4. ICP-MS離子透鏡系統

位於截取錐後面高真空區裡的離子透鏡系統的作用是將來自截取錐的離子聚焦到質量過濾器。離子透鏡參數的設置應適當，要注意兼顧低、中、高質量的離子都具有高靈敏度。

5. ICP-MS四極桿質量分析器

ICP-MS質量分析器通常為四極柱(Quadrupole)分析器，可以進行質譜掃描。ICP-MS的四極柱作用原理是透過在四根電極之間的空間產生一隨時間變化的電場，只有給特定m/z的離子才能獲得穩定的路徑而通過四極棒，從另一端射出。其他離子則將被偏轉抽離，與四極棒碰撞後而移除，以達成質量選擇的效果。測定中應設置適當的四極柱質量分析參數來最佳化質譜分辨率。

圖2: ICP-MS四極桿質量分析器原理

ICP-MS的定性、定量分析原理及介紹

1. ICP-MS定性分析原理

ICP-MS定性分析原理是採用掃描方式，根據圖譜上出現的峰來判斷存在的元素及可能之干擾。通常用在對分析樣品基質缺乏足夠了解時，可以再進行定量分析前，先進行快速的定性分析。

2. ICP-MS半定量分析原理

ICP-MS半定量元素分析的操作原理是，每種元素的相對訊號強度有一定的模式，所以元素的濃度可以透過測定任何其它元素的訊號強度計算出來。

3. ICP-MS定量分析原理

外標法：運用此方法時需要配製能覆蓋待測物濃度範圍的標準溶夜。
內標法：在樣品及校準標準品序列中添加一種或多種元素，可用來監控和校正訊號的漂移及校正基質效應。內標元素可以在樣品前處理時加入，也可以在測試時同步(T型管)導入。
同位素稀釋法：它是將定量的待測同位素加入樣品中混合均勻，再以質譜儀分析此同位素的豐度比進而計算含量，此方法優點在於可避免分析不受樣品基質干擾，因此適合用在微量和超微量元素的精確定量分析。

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ICP-MS常見的分析干擾

ICP-MS質譜分析雖然有極低的偵測極限，但也不代表這個技術沒有干擾的問題。造成干擾的原因有許多種，可能來自前處理的方式、試劑的潔淨程度、實驗室環境等等。以下列舉了一些常見的干擾及說明。

1. 酸及容器產生的背景汙染

ICP-MS樣品在進行前處理時，一些元素可能不是來自稀釋溶液、酸和容器中，但部分元素可能從某些材質的容器中溶出，例如鹼土族金屬(鈹、鎂、鈣等)而造成分析的干擾，若實驗容器有更換時，會建議先對其純度進行測試。酸的純度也可能會影響分析時的背景訊號，其原理是 ICP-MS 元素分析及微量分析通常需要使用高純度的試劑，也可透過使用酸純化系統，以具有經濟效益的方法取得。

2. 樣品的基質組成

ICP-MS檢測可分析的樣品雖然種類眾多，但對於樣品總溶解固體較高的樣品，則會對訊號產生抑制的情況，這時透過合適的內標可以進行校正。此外，樣品一些本身的特性也可能造成分析的問題，假設這些特性會影響霧化器的效能(例如樣品的黏度、密度、表面張力等)，就會造成分析結果受到影響；樣品中若含有碳會影響其他元素分析之訊號，此時就須要透過微波輔助消化將碳的鍵結完全打斷來應對這個問題。

3. 選擇合適的碰撞反應氣體

如何減少多原子干擾是ICP-MS質譜分析常面對到的問題，目前此問題都是靠碰撞反應室(CRC)來消除這種干擾。通常在質譜最易受影響的質量區間(40~100 m/z)，使用氦氣消除此類干擾效果非常顯著。

4. 實驗室環境干擾

鐵、鈣、鋁等元素在建築材料中十分常見，因此環境落塵中可能會存在這些元素，如果實驗室內的空氣品質沒有適當的監控管理，就會造成分析背景值上升，這也是超微量 ICP-MS 分析需要在無塵室內進行的原理。除此之外，也可以參考以下影片，了解升級至Thermo Fisher iCAP TQ ICP-MS可以如何解決您分析複雜基質所碰到的挑戰，提供您元素分析最佳的解決方案！

ICP-MS常見的分析干擾

ICP-MS 的系統配置原理及介紹

ICP-MS的樣品前處理

ICP-MS適用於分析各式各樣的樣品類型，因此它也被廣泛應用在許多不同的行業。為了使樣品在電漿中可以被有效處理，它們必須是氣體或氣溶膠形式。因此，雖然氣體可以直接透過電漿進行分析(例如，透過氣相層析分離時)，但必須使用霧化器(用於液體)或雷射剝蝕裝置(用於固體)將樣品轉化為氣溶膠形式。

1. 液態ICP-MS樣品

液體 ICP-MS 樣品的製作原理是經過消化，然後在水性基質將其重構，來將元素穩定為離子溶液。這種基質一般含有2%的硝酸，且也可能添加了0.5%的鹽酸以穩定某些元素。任何基質的最終組成都高度取決於待測分析物的性質。如果總溶解固體(Total dissolved solids, TDS)低於0.5%，則可以使用標準 ICP-MS 引入套件直接分析液體而不需分解。TDS高於0.5%之樣品則可能會在霧化器中產生沉澱或使電漿過載，上述兩種情況都會影響到樣品在電漿中的作用方式，而導致訊號的漂移。

2. 固態ICP-MS樣品

面對固體樣品，使用強酸和熱酸中消化是典型的作法。使用的酸從簡單的硝酸到氫氟酸(使用在含有高二氧化矽含量的樣品)。此外，含有有機物的樣品也可以在消化步驟中加入過氧化氫，因其可以幫助有效分解有機物。固體樣品也可以透過幾種不同的方式直接轉化為氣溶膠，最常見的是雷射剝蝕 (Laser ablation)、火花剝蝕(Spark ablation)或電熱式揮發(Electrothermal vaporization, ETV)。在所有這些方法中，樣品都被轉化為氣溶膠並透過惰性氣體輸送到電漿中。