【硬核科普】ICPMS／MS基礎與進階

　　去年在Webinar ，聽了來自挪威的Karl Andreas Jensen的Practical approaches to use reaction gases in ICP-MS/MS，受益良多。

　　這位前輩堪稱ICP-MS應用楷模，從DRC技術到8800和NexION 5000的ICP-MS/MS技術，積累了25年的使用經驗。盡我所知，梳理出理論框架和化學分辨的實現方式，希望能給大家提供一些ICP-MS/MS的有效信息和應用啟發。

　　這里我們討論的是兩個等長四級桿的ICP-MS/MS，關于ICP-DRC-MS的情況請關注之前的一系列文章。本文主要討論的是池子內的化學分辨情況，加之對其他類型的質量分析器也無使用經驗，故不做討論。

　　He-KED：繞不開的碰撞模式

　　在ICP-MS/MS平臺上使用氦氣，與只有一個長四級桿ICP-MS相比，除了豐度靈敏度有顯著提高以及簡單之外，再沒有任何額外的好處。因為氦氣只是靠的截面積的差異，池子前用不用質量過濾，影響微乎其微。

　　氦氣消除干擾的能力一般在100倍左右，太嚴重的干擾是不可能靠KED解決的；至于冷焰技術不過是在特定情況下，減小了干擾程度而已。很多實驗室，只在ICP-MS/MS上使用氦氣，堪稱不內卷的楷模：用什么亂七八糟的氣體，氦氣就行了，我們的待遇與ICP-MS的使用水平無關。

　　然而， ICP-MS/MS的化學分辨能力就是靠活性氣體實現的，這和有機質譜有本質不同。有機物分子結構可以被惰性氣體撞碎，從而得到豐富的碎片子離子，這樣就可以排除很多干擾；但是同位素離子是不可能被撞碎的，否則就是核反應了，從而無法實現兩個長四級桿的有效協同。

　　使用活性池氣體的兩種策略

　　質量轉移（Mass-shift）模式：分析物或干擾物通過與反應性氣體反應而增加其質量。分析物，如果是反應性的，可以在增加的質量下進行定量。比如鹽酸里的As，兩個桿可以選擇75/91的分析策略。反之，兩個質量分析器選擇的質荷比一致就是原位模式。

　　原位（On mass）模式：分析物按其原始質量進行定量，也就是說兩個四級桿設置的質量數完全一致。比如Cd設置為111/111。這種模式使用的前提是干擾離子更容易和活性氣體發生某種化學反應，待測離子較難或者不能發生化學變化。

　　Q1引入二價物離子實現另類的質量轉移

　　寫過雙電荷質譜干擾消除的推文，如果我們分析的元素可以形成雙電荷，池內通入電離能較小的氨氣（氨氣的電離能10.08eV低于所有二價物離子），可以形成單電荷的同位素離子由第二四級桿測得。比如：

　　我們就可以第一個四級桿設置116，第二個四級桿設置為232。這里當然有一個隱憂：Cd和In會不會和氨氣形成絡離子從而干擾最終的232呢？

　　從Ewa提供的元素與氨氣反應活性圖里可以看出：很幸運的是，Cd和In反應活性都很弱，這就意味著我們可以通過這種另類的質量轉移來消除可能的質譜干擾。

　　再次審視質量轉移這個概念更覺得科學合理。我一度把這種方式叫質量數轉移，但是這種二價物轉化為一價同位素離子的特殊情況：離子只是在反應池里得到了一個電子，并沒有改變質量數，但是質量確實增大了一個電子的質量。

　　相對原子質量與質量數

　　大家還記得相對原子質量的定義吧？相對原子質量是個比值。相對原子質量與原子質量的關系是：相對原子質量=原子質量/（C12的質量*1/12）。通過科學實驗測得，作為相對原子質量標準的那種碳原子12C的質量是1.9927×10-26kg，它的1/12為1.6606×10-27kg，所以：相對原子質量=原子質量/（1.6606×10-27），根據這一關系式，可計算出任何一種元素的相對原子質量。

　　質量數則是相對原子質量的近似整數，是核子數的總和。一些軟件會采用質量數的方式來設計軟件，顯得比較簡潔，但可能在很多絡離子的時候，測得的不是實際精確的質荷比。比如：48Ti(NH3)6 實際質量為150.11，按150測問題也不大，只是完美主義者可能有點難受。

　　如上圖，如果Q1引入二價物，通入氧氣作為反應氣，兩個四級桿應該分別設置116和116+(16/2)=124。線性不是特別好，可能是由于Th的記憶效應。參見：兩個比較冷的ICPMS結果分享。你是不是想說做得這么另類沒啥必要性？

　　常見活性氣體梳理

　　這些氣體，其實之前推文中都零零散散得做過介紹。參考：文獻綜述之DRC應用實例。

　　氧氣是最常見的做質量轉移的氣體。一般是+16或者加32。解決雙電荷干擾效果不錯，但是如果是純物質比如NdO測痕量As，則要注意Nd++結合OO之后對AsO+的副反應。參考：詳解單四極桿消除雙電荷質譜干擾（修訂版）。

　　沒錯，ICP-MS/MS同樣可能存在副反應，需要靠氣體類型、流量、池子參數等來盡可能得抑制。千萬不要有ICP-MS/MS就完全沒有副反應的想法，副反應決定ICP-MS/MS化學分辨能力。

　　關于碰撞聚焦

　　簡單說：離子束受到氣體碰撞之后，在反應池里的運動軌跡更趨于中心，振幅更小。在氣體流速適中的情況下，由于傳輸效率更好，使得靈敏度會有所增加。

　　實際上，如果你比較細心的話，在單桿ICP-MS上氦氣模式下的內標回收率都會受到氦氣流量的影響，并且與無氣體通入情況下的內標回收率差距很大。

　　氧氣的原位模式

　　如前文所說，氧氣是質量轉移常見的氣體。但是未必就是要做質量轉移，也可能是干擾離子比待測元素更容易轉移，此時就是原位模式測試。MoO干擾Cd，WO干擾Hg，TaO干擾Au，NbO干擾Ag都是這種情況。從機理解釋：O原子親和能為5.2eV，離子大于5.2eV，則離子結合O為熱力學自發過程。

　　氧氣的質量轉移模式

　　所以，OA大于5.2eV的這些元素，均可能使用質量數轉移的方式。當然，不用記憶，現成的反應活性圖：

　　再次強調：“不要只看待測離子，必須關注干擾離子是否會發生相同的變化。”

　　不可缺少的笑氣和二氧化碳

　　在Ra的測定時，使用笑氣作為反應氣可以做到ppq水平無干擾測試。但是，除非你有這種極限測試的需求，否則氧氣即可。

　　二氧化碳的一個特點是：不會和第二主族元素氫化物形成氫氧化物，在某些應用中使用二氧化碳可有效避免使用氧氣的副反應：

　　氫氣：適合測Cl和Si等非金屬的氣體

　　氫氣由于可以用氫氣發生器，安全性有保證（此處應有硬廣O(∩_∩)O~~）。Cl和Si雖然可以用氧氣和笑氣做質量轉移，效果不如氫氣。像P這種常見的適合氧氣質量轉移的元素，在某些基體中的干擾離子也加氧的應用中，氫的質量轉移模式提供了消除副反應的另外選擇。

　　氫氣具有消除氬基碳基干擾的能力，但是，一般都顯著弱于氨氣。

　　在介紹電離能最低的活性氣體氨氣前，先介紹一下產物離子掃描，前體離子掃描。

　　第一個四級桿固定質荷比，第二個四級桿做一段質荷比范圍內的質譜掃描。注意：不能只關注待測元素，更應關注的是干擾離子與活性氣體的反應情況，從而才能在第二個四級桿設置最合適的質荷比。

　　反之，即為前體離子掃描。它是用以判斷產物離子是由哪些離子在池子內產生的。

　　氨氣原位模式

　　由于氨氣的10.08低電離能，使用氨氣的電荷轉移機理，使得其具有通用性，氨氣是一種通用性僅次于氦氣的池氣體。

　　氨氣是一種絡合能力特別強的氣體，由于很容易形成絡合很多氨的絡離子，使得它成為實現化學分辨的強有力氣體武器。

　　之前，聽說稀土元素的氫化物質譜干擾，適合氧氣來消除，因為氨氣形成的絡離子，往往是有“脫氫”的情況：也就是形成的物質里有NH2，NH甚至N的情況，氫化物也會和氨絡合。這樣以來化學分辨能力就受到了很大影響，對消除氫化物質譜干擾非常不利。這個結論具有普遍意義嗎？以Sr基體中測試Y的實驗來說明。

　　氨氣質量轉移模式

　　找到1ppb Y溶液的產物離子掃描圖，看看SrH與氨氣的產物離子有哪些：

　　Y的的反應活性特別高，所以擴大質量范圍再做掃描：發現在氨氣流量0.8ml/min, Rpq=0.4時，189處的絡離子強度比172還高，同時我們可以看到脫兩個氫的絡離子占主導地位。

　　我們一定要注意干擾離子的反應情況，所以，使用10ppm的Sr溶液做產物離子掃描：

　　可以很顯然得看到，189處的產物離子很少。是否最終189這個絡離子作為產物離子，需要量化BEC、才能最終確定。先嘗試不同的RPq：

　　RPq為0.2時，隨著產物離子絡合氨的增大，得到的bec在不斷減小，并且減小的幅度并不一致。這是很容易理解的：因為干擾物和待測元素的反應活性存在差異，每絡合一個氨，相當于是進行了一次化學分辨。

　　當RPq為0.4時：bec并沒有顯著的改變。這里作者Karl只優化了RPq，因為他認為偏置電壓和Rpq會增大離子的碰撞能量。DRC池子還有RPa，他并沒有考察。但據我所知，RPa很多時候也有作用，交流電壓RPq有作用，直流電壓RPa同樣可以改變離子的運動狀態。當然，控制離子在池子內停留時間的參數AFT的作用，也沒有涉及。

　　吸熱反應也可以由于儀器提供的能量而發生，至于化學反應速率的快慢，只能通過實驗來確定。退一步說，就算Se無法和氧氣反應，我們也可以用其他氣體代替。

　　以下，對氨氣的流量進行優化，這個流量在ICP-MS/MS平臺上往往起到最為顯著的作用。先試試把氨氣流量增大的情況：

　　結果更差了，其實是Y的活性已經充分發揮，提高氨氣流量之后，只是讓副反應更為嚴重了。所以，氨氣流量要減小。

　　果然得到的BEC降低了十倍。他優化到這里就結束了 ，1000ppm的Sr中Sr的bec可以做到40ppt。本例中氨氣是可以消除氫化物干擾的，因為干擾物SrH反應活性與待測元素Y差距較為明顯。

　　ICP-MS/MS與同位素比精度

　　由于U同位素豐度的差異巨大，ICP-MS測試時很難將精度做好，因為靈敏度差異巨大，導致檢測器由脈沖和模擬兩種模式產生信號強度，這樣就引入了檢測器部分的很大誤差。

　　Karl Andreas Jensen 想到了一個好辦法解決這個問題：把U做質量數轉移，U235轉移的時候選擇O16O16，豐度很高的U238則選擇O16O18，這樣就避免了信號懸殊導致的誤差。

　　不知道這是不是他的原創想法，至少我是沒在其他地方看到過。

　　ICP-MS/MS的特殊電子稀釋

　　電子稀釋EDR應該是PE先提煉出來的概念吧？它靠的是DRC那個短四級桿的作用，控制它的分辨率從而實現選擇性的靈敏度降低，最終可以實現高低濃度同時測定而無任何儀器狀態切換時間。

　　對于ICP-MS/MS來說，是可以使用氣體的合理使用來實現電子稀釋的效果。比如說，方法中本來就有氧氣模式，那就選擇同樣流量的氧氣（無切換時間），但是選擇+O17或者＋O18作為質量轉移的目標，和+16相比可以實現三個數量級的稀釋。

　　再者，如果剛好有反應效率較低的元素，那信號的降低是不可估量的。如果是氨氣可以選擇合適的產物離子來實現靈敏度的大幅度降低。總之，總有辦法實現不損耗測試時間的同時，使靈敏度降低。

　　其他氣體還有解決Rb，Sr質荷比高度重疊的CH3F， 越來越受冷落的甲烷等。一般地，可以使用常見的氨氣氧氣氫氣去解決絕大部分問題，但其他活性氣體仍是ICP-MS/MS在更廣泛的基體里實現化學分辨的基礎性條件。最后將常見氣體反應活性圖附在這里，供大家參考：NexION ICP-MS Series Reaction Table Reference Sheet.pdf。