綜述：ICPMS技術進展應用熱點及未來展望

　　電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)及電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)在某些領域例如地質學，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大放異彩。

　　為慶祝《Spectroscopy》創刊30周年，該刊特邀幾位ICP-MS專家就ICP-MS的近期技術進展、存在的挑戰和未來發展方向做了一個綜述，以饗讀者。

　　最重大的進展

       碰撞反應池技術

　　我們以這樣的問題拉開這篇綜述的序幕：在過去的5~10年時間里，ICP-MS的哪一項技術或者儀器本身的突破最為激動人心?高居榜首的答案是：用于消除四極桿型ICP-MS光譜干擾的碰撞反應池技術。

　　來自杜邦公司Chemours Analytical部門的首席分析研究員Craig Westphal認為：“碰撞反應池(簡稱CRC)技術的應用，雖然不可能完全消除，但卻可有效地去除大部分測試過程中遇到的光譜干擾；其低廉的成本也成為實驗室一個經濟實惠的選擇；動能歧視(KED)作為一種普適性的干擾消除模式，結合日益成熟的自動調諧功能和友好的人機互動界面。這些優點都使得越來越多的實驗室將ICP-MS技術視為一種常規的應用手段。”

　　美國食品藥品監督管理局(US FDA)的化學家Traci A.Hanley認為：“在碰撞反應池技術發明之前，由于無法在線消除干擾，測試的結果受基體影響很大。欲獲得更好的、受控的分析結果，只能在離線前處理階段預先去除/降低干擾源，或者使用干擾校正方程式。”

　　來自印第安納大學的副研究員Steve Ray也贊同上述觀點，他認為碰撞反應技術所帶來的影響是難以估計的。他將于今年八月份以助理教授的身份任職于Buffalo大學。

       三重四極桿ICP-MS

　　三重四極桿型的ICP-MS，由于進一步改善了碰撞反應池的消干擾能力，因此在技術進展榜單上名列前茅。

　　在這種三重四極桿ICP-MS系統中，第一個四極桿用于分離掉基體干擾離子，目標元素則進入到碰撞反應池(CRC)系統。在CRC系統中，同量異位素和多電荷離子干擾被消除；或者目標元素通過反應生成其他異于干擾源質量數的物質，再被第二個四極桿濾質器所檢測，從而以間接的方式獲得目標元素的分析結果。

　　這個額外增加的第一個四極桿用于分離基體離子，保證了CRC系統中發生的碰撞/反應不受基體的影響，進而保證碰撞反應更加穩健和具有復現性。通過這一系列的手段，使得背景信號大幅度降低（與未消除干擾相比較）。

　　來自比利時Ghent大學化學系的資深教授Frank Vanhaecke，闡述了這一設計的價值：“十分明確的是，串級設計的ICP-MS（亦稱三重四極桿型ICP-MS），其碰撞/反應池中的離子-分子反應是精確可控的。在碰撞反應池前后兩個四極桿的設計優勢，可以通過不同的途徑加以表現。”

　　他說：“如今，可以通過離子掃描這種直接的方式，在復雜的反應產物離子中鑒別出目標離子。例如使用NH₃作為反應氣使Ti生成Ti(NH₃)⁶⁺，或者使用CH₃F作為反應氣使Ti生成TiF₂(CH₃F)³⁺；通過檢測生成物離子(Ti(NH₃)6+或者TiF₂(CH₃F)³⁺)的方式，避開干擾和獲得最低的檢出限。”因此他認為，串級ICP-MS已經不僅僅是碰撞/反應池系統ICP-MS的改進了。

　　來自美國西北太平洋國家實驗室環境分子科學實驗室的首席技術官David Koppenaal也同意CRC系統和三重四極桿型ICP-MS是很重要的改進，但也注意到它們仍然存在一定的局限性。他說：“CRC技術的缺點在于它表現出元素或者同位素特異性，因此不能普適地對應所有的干擾。如果能夠更好地控制離子能量和離子能量分布，那么動能歧視模式可能更有效和更有普適性（至少對所有的多原子離子干擾是如此）。”

       CMOS新型檢測器

　　來自亞利桑那大學地球科學系教授兼化學系伽利略計劃教授的Bonner Denton，援引了另外一項創新：基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)的新型檢測器技術。

　　他說：“我強烈地感受到，這項新技術將會替代應用于ICP-OES上的CCDs（電荷耦合元件檢測器）和CIDs（電荷注入式檢測器），以及應用在ICP-MS上的傳統法拉第杯檢測器和離子倍增檢測器。”目前已經有兩款商業化的儀器使用了CMOS檢測器，其中一款儀器可同時檢測從鋰到鈾之間的所有元素。

       ICP-TOF-MS

　　ICP-TOF-MS儀也榜上有名。Vanhaecke說：“具有高速特性的ICP-TOF-MS在分析化學中扮演著一個重要的角色，例如在納米顆粒分析和成像上——亦即這種設備可用于表征生物組織、天然或者人工材料的元素分布。”此外，它對質譜流式術的發展過程至關重要。他說：“質譜流式術基于ICP-TOF-MS，但卻服務于完全不同于化學分析的其他領域。”

　　微電子和微流控技術對ICP-MS的影響

　　我們也請小組成員考慮該領域的發展對ICPMS所帶來的影響。其中一個重要的影響來自于微電子、微流控和ICP設備微型化技術的發展。

　　Ray說：“電子學方面的精細化改進，使得儀器的成本降低并且朝著小型化發展。當然，也伴隨著生產效率的提高。得益于微流控技術，流體學對ICP儀器的進展發揮著重要的影響。智能化、具有重復性的自動樣品前處理設備的出現，顯著提高了實驗的再現性和精密度，并在實驗室中扮演者不可或缺的角色。”

　　Koppenaal認為：“由于儀器向著小型化和堅固耐用型發展，等離子體源也由此受益匪淺。誠然，驅動這方面發展有出于降低成本和提高生產效益的經濟角度考慮，但也有部分原因是受技術因素的影響。”

　　“由于導入儀器的是較低水平含量的樣品和基體，因此儀器的操控性和數據質量都得到了改善。”他認為，隨著色譜和流體處理技術的發展，進液量由“毫升每分”等級降低到了“微升每分”，隨之帶來的是更佳精確的數據、更低的試劑消耗、更少的廢液產生以及儀器的進一步小型化發展。最后他總結道：“微電子學和檢測器技術的進展對儀器所產生的影響是十分巨大的。”

　　Hanley說：“電子學方面的每一個進步都會給儀器帶來改進。”特別值得一提的是，由于微電子學進步所帶來的高速數據采集和存儲能力，使得納米顆粒和單細胞分析受益匪淺。她說：“如今許多商品化的ICP-MS具有足夠快的掃描速度，以對應單粒子檢測的需求，這點在幾年前簡直是不可想象的。電子學的發展使得ICP-MS足以應對亞ppb級別的納米顆粒檢測，這種優勢是其他檢測技術所不具有的。”

　　新興領域之一的單細胞分析也得益于微流控技術的發展。她說：“作為檢測器的ICP-MS和微流體之間的接口技術日益成熟，結合高速、高靈敏的數據采集，使得只需最小體積的進樣溶液，即可獲得相應的分析結果。這點對于許多生物方面的應用而言是非常重要的。”

　　Denton則闡述了微電子學和CMOS技術之間的聯系：“顯而易見，微電子學的發展催生了CMOS這項技術。盡管CMOS工藝本身已經存在了很多年，甚至多年前就有利用CMOS作為陣列檢測器，但在這之前一直都無法提供高質量的分析數據。這種新型的檢測器明顯地要優于過去二十多年中一直在使用的CCDs和CIDs檢測器。”

　　低檢出限的需求推動樣品制備技術的發展

　　該小組還評述到：ICP儀器檢出限的改善，也推動著樣品制備設備和技術的發展。目標元素的檢出限越低，則樣品中該元素的檢出限也越低。Westphal說：“對于大部分的分析檢測而言，ICP-MS的靈敏度已經足夠高了；因此制約檢出能力的，反而是非潔凈室條件下的環境污染因素。”

　　這樣的背景促使了高純試劑和潔凈室廣泛地被使用。Vanhaecke指出：“這促使了高純材料如石英和PFA作為消解容器的廣泛應用。”

　　Ray也同意這樣的看法：“ICP-MS極低的檢出限推動著現有的試劑和耗材朝著高純化方向發展。塑料類、玻璃類，甚至是一次性樣品制備材料都必須考慮痕量金屬污染，更不用說盛裝例如硝酸的容器了。”

　　Hanley說：“對于超痕量分析而言，不僅高純試劑，潔凈室也是必要的。如果一個樣品能在密閉的空間中進行處理，那么將會獲得更好的結果。進一步地，如果能在一個潔凈的密閉環境中、使用高純試劑并且結合自動化操作的技術，那么污染的可能性會進一步降低。”

　　Koppenaal也指出：“相關的趨勢是樣品制備和引入向著自動化方向發展。得益于自動化技術的幫助，試驗的空白水平和重復性可得到更好的控制，并可維持在一定的水平上。相應地，這有助于降低樣品溶液的需求量和增大分析的通量。”

　　Westphal補充道：“常見的樣品處理技術例如微波消解，雖然采用了‘自動泄壓’設計以使消解罐允許容納更多的樣品，但為避免密閉環境下罐體中壓力過大，樣品量仍然需要一定的限制。”

　　Westphal對這一點做了進一步的闡述：“我們所希望的理想情況是完全取消樣品制備或者直接分析，例如通過激光燒蝕(LA)。雖然在這一領域已經獲得了進展，并且激光燒蝕的應用也日益廣泛，但利用LA-ICP-MS直接分析固體，欲比肩標準的水溶液ICP-MS分析，還是需要一些時間的。”

　　應用新進展

　　所有這些ICP-MS儀器的進展都導致許多新研究領域的出現。ICP技術在這些重點領域扮演著關鍵的角色：金屬組學、形態分析、納米顆粒分析、新材料、年代學和質譜流式細胞技術。專家們將談到這些領域的進展，并對它們在今后十年的發展做一些預測。

　　納米顆粒分析

　　在原子光譜會議上，由于關注工程式納米顆粒對健康和環境潛在的影響，以及如何在制造過程當中對其加以表征等，使得它的表征方法開發進展受到了極大的關注。由于具有非常優秀的檢測能力，ICP-MS走在了這些方法的最前沿。Westphal說：“有許多合適的技術來測量納米粒子粒徑，但在測量尺寸和組分（包括識別包覆顆粒）上，ICP-MS有其獨特的能力；這點即使是在復雜的基體當中也是一樣。”

　　雖然ICP-MS是一種強有力的技術，但納米顆粒分析對于當前的儀器設備仍然是個挑戰。Vanhaecke指出，這種挑戰的結果導致儀器制造商努力提高設備的能力。他說：“例如，最低駐留時間被努力地做到50微秒，亦即每秒鐘有20,000次獨立的測量。這使得實時的單粒子信息采集成為可能，并由此可提供納米離子的濃度、大小和粒徑分布等信息。然而在單元素納米粒子的研究上，即便有這樣的改善，掃描型的ICP-MS（例如四極桿型ICP-MS）儀器依然只是一種輔助手段；因為選擇另一個質荷比之后典型的穩定時間為毫秒級別，這意味著表征獨立納米粒子當中兩個或多個元素變成了不可能。”

　　“因此，我希望那些基于飛行時間、飛行距離、Mattauch-Herzog型雙聚焦的同時型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke預測說：“鑒于上述第二種類型的質譜儀尚未商品化，第三種類型質譜的實際應用又遲遲未有進展。在這種情況下，ICP-TOF-MS看起來是一種有利的選擇。”

　　金屬組學和其他生物醫學方面的應用

　　金屬組學是另一個從ICP-MS技術當中獲益良多的領域。這是最近發展的一個“組學”領域，它著重關注于生物系統如人體當中金屬的作用，包括必需金屬如銅、鐵、鋅或鉬等供給不足的影響，或者過量有害元素如砷、鉻或鎳所造成的危害。

　　Koppenaal說：“我所看到的是，ICP-OES和ICP-MS在金屬組學和納米粒子研究領域有著最佳的機會。近來的生物學研究基金和技術必須遵循這個研究方向，并將它們的應用延伸到金屬和同位素生物化學等科學前沿。”

　　專家指出，ICP-MS儀器上的多項進展，有助于上述這些領域的持續發展。

　　Vanhaecke將話題轉回到同時型和多接收型檢測上來：“對于使用LA-ICP-MS來做元素分布或者生物成像研究來說，同時型和多接收型儀器提供了非常重要的便利。因為大量目標元素——理論上覆蓋所有的元素——的信息可以精確地同時獲得，從而避免圖像的偏移和獲得更高的空間分辨率，而不是受制于所選擇的目標元素。”

　　Hanley指出，另一種以ICP-MS研究推進生物醫學領域如金屬組學發展的方式是，通過努力將ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性統合到同一個儀器當中。她說：“此外，醫學領域的應用不斷地涌現，其中LC-ICP-MS聯用技術可用于鑒別那些用于標記和替換的金屬——在這之前這類金屬的檢測則依賴于傳統的放射性同位素標記法。”

　　Koppenaal也考慮了如何讓金屬組學的研究者們思路進一步的拓展。他說：“現今的金屬組學猶如往昔的形態研究，因為一個特定的生物系統中的金屬仍需大量的研究。金屬不會表現出特立的性質，而更像是蛋白質那樣，不同的金屬之間相互有關聯。因此，金屬組學的研究更多地轉變為多金屬和多組學性質的研究。”最后他總結道：“研究人員需要考慮生物系統當中所有金屬的行為，明確其濃度、通量以及和蛋白質或酶之間的關系。”

　　質譜流式細胞術

　　利用ICP-TOF-MS的質譜流式細胞術，已經成為細胞生物學和癌癥研究應用的重要工具。在該技術中，通常使用純稀土同位素（REEs）來標記流式抗體等報告分子。將這些標定過的報告分子與細胞的特異組分進行結合，然后用質譜流式細胞術來表征這些報告分子在每個個體細胞中的表現。ICP和TOF-MS技術的發展成為質譜流式細胞儀發展必不可少的前提。

　　Hanley說：“相比較于傳統的流式細胞儀，質譜流式細胞儀更具有優勢。因為對于傳統的流式細胞儀而言，后者對所標簽的重金屬元素檢出限更低。相比較于使用熒光標示的傳統流式細胞儀，這些標簽的金屬元素更容易被ICP-TOF-MS所檢測。”

　　Ray說：“質譜流式細胞儀的發展，是一個洞悉未來社會需求的很好例子。的確，如果不是等離子體源的TOF-MS的發展和過去20年中ICP-MS的發展，質譜流式細胞儀的進展是不可能有成效的。也就是說，這項技術的發明人完全可以獲得‘難以置信的天才’這樣的美譽，并且他們的洞察力、毅力和天賦都是值得稱贊的。”

　　Vanhaecke也同意這樣的觀點，他說：“就我個人的看法，我認為我們應當感激質譜流式細胞儀的發明人Scott Tanner和他的同事們，感謝他們的智慧和膽量。當他們所建立的公司不支持他們的項目時，他們邁出了重要的一步——成立了一個新的公司來繼續。對于這樣大膽的行動，我標示非常的欽佩。”

　　Koppenaal補充道：“我們很高興地看到：這項技術在單細胞評價以及在單細胞水平上就生物的異質性加深理解方面，發揮了它的影響力并獲得了成功。它的進展使得利用金屬和同位素標記特定蛋白質的方法得以廣泛推廣。相比較于使用傳統的熒光標記方法，它的分析性能獲得了長足的進步。”

　　Ray總結道：“毫無疑問，這項技術對實現單細胞流式儀的改進，具有深遠的影響。它也將會越來越廣泛地被加以應用。”

　　地質年代學

　　地質年代學是另一項得益于ICP-MS技術發展的學科。

　　Ray說：“在很長一段時間里面，地質年代學推動著同位素比值測定朝著更加準確和精確的方向改進。反之，這些改進又促使地質年代學進一步拓展和系統化。這種相互促進始終存在。”

　　Vanhaecke說：“具體而言，這些進步是由MC-ICP-MS（多接收電感耦合等離子體質譜）的引入所導致的。這種儀器相較于TIMS（熱電離質譜）而言具有巨大的優勢。MC-ICP-MS的應用，徹底改變了地球化學和宇宙化學。”

　　他解釋道：“一個重要的原因是，相比TIMS，MC-ICP-MS具有更高的元素電離效率，包括那些具有高電離能的元素。在TIMS中，僅有電離能≤7.5eV的元素才能被有效地電離。而在MC-ICP-MS中，即便是非金屬如硫、溴等同位素比值分析，也是基于這些元素被電離為M+的基礎上。”

　　特別重要的一項應用是關于汞元素的同位素測試，由于它的毒性和長距離遷移能力，該元素在環境領域方面是一個很重要研究。MC-ICP-MS使得該元素的檢測成為可能，而這個對TIMS來說卻是不可完成的任務。Vanhaecke說：“目前已知的汞的同位素組成分析既受質量依賴也受非質量依賴同位素分餾的影響。這使得汞的研究興趣點——污染的溯源和生物體內的機理研究成為可能。”

　　此外，不同于TIMS的離子化過程產生于真空中，ICP工作在大氣壓下。這就意味著可以將樣品直接導入到ICP-MS的離子源之中。Vanhaecke說：“溶液的霧化進樣是標準的途徑，但激光消融、蒸氣發生以及色譜分離技術(例如高效液相色譜和氣相色譜)都已經有了相應的應用。”

　　Koppenaal說：“MC-ICP-MS在地質年代學的推廣速度是十分驚人的。”他回顧多年前就這方面的發展對儀器制造商所提出的建議，但得到的答復卻是“我們為什么要那么做?”他說：“我懷疑他們并不清楚為何要往這方面努力，但現在看起來他們自己回答了這個問題。”

　　進一步的發展：加速同位素分析

　　鑒于在地質年代學等領域中，穩定同位素多接收扇形質譜儀已經能進行高精度的同位素分析，我們請專家們討論儀器哪方面的進步，足以加快同位素分析的速度和減少樣品的前處理步驟。

　　盡管MC-ICP-MS的引入推動同位素分析取得了長足的進展，Vanhaecke仍然期望這些方面能夠獲得改進：“例如，具有更高的靈敏度和更快響應速度的法拉第杯檢測器，使同位素分析獲益匪淺。但最重要制約因素依然是質量歧視效應，這種現象的存在會導致同位素比值分析中實際測試結果和參考值存在偏差，而這樣的偏差甚至可能是數量級的。至今仍然無法完全理解質量歧視效應產生的根本原因，而質量偏差校正的最佳方法則仍然存在著爭議。進一步地了解質量歧視效應的機理是十分必要的，這也有利于指導儀器制造商調整儀器的設計，從而最大程度地降低質量歧視效應的影響。”

　　這樣的進展可避免目標元素的完全隔離，大幅度提高樣品通量并使多個研究領域受益。他說：“它還使激光消融作為樣品引入手段的使用更加廣泛，提高樣品通量，實現可靠的空間分辨同位素分析。”

　　Ray指出：當待測樣品量很少(例如生物樣品)或者對瞬時信號(例如)處理要求較高時，飛行時間質譜儀和飛行距離質譜儀比MC-ICP-MS更具有潛在的應用價值。但是提高分析速度的重點仍然在于樣品的前處理——尤其是機械化和自動化的樣品處理。他幽默地說：“就像R.Browner說的那樣，樣品的導入步驟仍然是原子光譜的‘阿喀琉斯之踵’，對許多其他的技術來說也是這樣。”

　　Koppenaal同意自動化和在線樣品處理方法的關鍵性。他說：“對元素和同位素分析前處理的傳統方法是使用濕法消解，我們必須擺脫這類單調的工作。使用自動化儀器來實現待測物和基體分離的過程，是未來的發展方向。”

　　Denton則覺得問題完全偏離了焦點：“相比新型的CMOS檢測器技術，穩定同位素磁質譜儀不能進行同位素比值的同時性測試，也不具有CMOS的靈活性。”他解釋道：法拉第杯檢測器的靈敏度比較低，倍增器檢測器的線性范圍比較窄，這意味著這兩種技術依賴于特定同位素的離子流。

　　他說：“CMOS檢測器可提供類似于倍增器的靈敏度，同時具有高達10個數量級的動態范圍，而且還具有同時地檢測所有同位素的能力。我覺得可以有把握地預言，這種新型的陣列式離子檢測器所產生的影響，將會像陣列式檢測器對OES的革命性影響那樣。”

　　形態分析

　　形態分析是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有很長的時間了。由于ESI是一種軟電離源，故可通過所產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的聯用來進行定量的形態分析?

　　達成的共識是“不會”，因為對于定量形態分析而言，相比ESI-MS，ICP-MS具有一些特殊的優勢。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：在形態分析當中，ICP-MS的另一項優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聯用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分析通常需要連接IC或者反相IC。用IC法來進行形態分離時，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健性下降。

　　Hanley指出：此外，在形態分析上ICP-MS具有其他一些優點。當使用LC-ICP-MS來做形態分析時，檢測器僅對金屬/非金屬元素有信號的響應，對于那些經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據——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結合起來將被繼續使用，以實現更好的形態分析。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用和納米顆粒分析應用。”

　　Westphal將話題轉回樣品的處理上：“現在的ICP-MS已經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，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環境研究應用當中，現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的再現性和穩健性。

　　她說：“三重四極桿型ICP-MS系統的出現，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中被加以消除/降低，然后第二個四極桿作為濾質器。

　　Koppenaal說：“三重四極桿型ICP-MS有其獨特的優勢，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加以發展。長久以來，儀器制造商們都將這兩個視為獨立開發的問題，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有沒有可能就儀器本身或者應用領域出現突破?

　　Ray指出：“一些不利因素正在持續改進當中：（1）儀器朝著高速分析、低價方向發展；（2）低樣品量的分析結果更加精準；（3）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領域里面占據了主流一樣。在未來，一個真正的多元素、多同位素同時型質譜平臺將超越現有產品，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工作。他說：“當前掃描型質譜系統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：“在高速質譜系統的幫助下，常規樣品的定量(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據，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’——當分析過程中發現有干擾存在時，它可以根據現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勢后，將會獲得發展。他指出：其他的進展例如飛行距離質譜儀(DOF-MS)也可以在一個小的質量段內提供近似“同時”的檢測，并提供人們所熟悉的TOF-MS所不具有的優勢。他說：“我想這也是一種值得進一步開發和加以應用的、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譜儀。她說：“這種原型機已經出現了，它將會是商業市場上的競爭者。”

　　她還認為，采用聯用技術，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或者動態光散射法對于納米顆粒表征達檢出限不夠時，ICP-MS聯用如場流分離效應、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已經在研究工作中獲得了進展。”

　　Vanhaecke預見了另一個領域——生物醫學領域的進步。他說：“幾個實驗室(包括我這里)正在探索用于醫療方面的高精度礦質元素同位素分析。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新性應用。”

　　Westphal希望我們能把目光注意到軟件和數據處理工具上的進步。令人欣慰的是，關于軟件和聯用技術的接口方面已經有了長足的進展，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，因為目前數據的處理和分析已經成了瓶頸。通過LA-ICP-MS得到二維和三維化學成像的定量分析數據，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的內標和定量分析方法。她說：“新的LA-ICP-MS標準已經在進行內部測試，以驗證內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/反應池系統和三重四極桿的出現，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；微流技術的發展促使了等離子源的改善，使得樣品的需求量更低、進入質譜系統的樣品基體量更少，并且在單細胞分析領域表現突出；微電子學的進展使儀器具有更快的數據采集速度并改善了數據的存儲，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檢測器的發展。

　　時至今日，儀器本身已經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展，同時也促進了潔凈室、密閉樣品處理系統和自動化操作的廣泛應用。

　　ICP-MS技術的發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、監管機構和消費者了解納米顆粒在環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展的利器，質譜流式術和地質年代學的發展也和ICP-MS系統的進展息息相關；多接收扇形磁質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所獲得數據的相互補充，形態分析也在不斷地發展著。

　　未來理想中的質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實，但飛行時間或者飛行距離質譜儀則可能更早地實現這個目標。最后也期盼能夠出現這樣的儀器——同時帶有元素檢測和分子檢測的質譜檢測器。

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　　譯者：許少輝