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ICP-MS的前世今生

日期:2020-05-07
 Q:回顧PerkinElmer ICP-MS的發展歷程,有哪些關鍵的時間節點和重要的事件呢?

  PerkinElmer于1937年4月由Richard Perkin和Charles Elmer合伙創建,1944年推出了商用紅外光譜儀IR (Model 12),1955年推出了商用氣相色譜儀GC (Model 154),1983年推出了商用 ICP-MS (ELAN 250),1999年推出了帶反應池的ICP-MS,并獲Pittcon金獎( ELAN 6100 DRC)。

  以往大家一般都是從技術演進的角度來進行回顧。分析儀器是人們眼睛的擴展和延伸,大腦所獲得的信息中,超過80%是通過眼睛獲得的?,F在是信息時代,我們可以從信息論的角度重新看一下其歷史,如下表所示。

  表1. 從信息論的角度重新審視ICP-MS的發展歷史

出現的問題

解決方案

時間

1974ICP發射光譜儀出現后,常量元素的定性和定量取得快速發展,但分析微量和痕量元素時,分析信號弱,而干擾信號卻相對很強,如何在強干擾背景下采集和放大弱信號呢?

ICP-MS誕生,質譜比光譜靈敏度提高上千倍,同時元素的同位素一般不超過10個,譜線干擾大大降低,例如,Fe的譜線在ICP上有4400多條,而在ICP-MS上只有54、56、57、584條譜線,因而ICP-MS中譜線能量更集中,譜線相互干擾更少。

1983

ICP-MS自誕生之日起,LiIn、U、Be、YBi這些沒有干擾的金屬元素的檢出限就可以達到ppt量級,一直到現在幾乎未有實質性的改進。但是,SiP、S、Cl、AsSe,這些元素的分析信號依然很弱,而在特定基體中的干擾信號卻相對很強,如何在強干擾背景下采集和放大這些弱信號呢?K、Ca、Fe、V、ZnCr、Cd這些金屬元素雖然分析信號很強,但在特定基體下干擾信號更強,怎么辦?

在原有一個四極桿的基礎上,再增加一個四極桿,形成串極質譜,通過CH4、NH3等還原性氣體形成還原反應,或者O2NO等氧化性氣體形成氧化反應,直接消除干擾物,或者質量轉移將分析物轉移到沒有干擾的新位置,即便在干擾信號比分析信號強一百萬倍以上的情況下,依然可以對分析信號進行準確測定。

 

1999

在消除了海產品中砷分析的干擾后,人們發現海產品中砷的含量比其他食品要高很多,但毒性卻很小,進一步的研究發現,三價砷、五價砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜堿對老鼠的半致死量LD50分別是4.51518002600、10000 mg/kg,毒性相差較多的可達2000多倍。如何在相近的信號中找出有價值的信息呢?

ICP-MS的基礎上,再增加一個HPLC,將砷的各種形態先在時間軸上分開,再進行檢測。

在此基礎上人們也研究了汞、硒、錫、鉻等的價態和形態,另外也研究了GC、CE等各種分離設備與ICP-MS聯用的可能性和應用。

隨著GB 5009.11-2014 食品中總砷及無機砷的測定等標準的發布,形態分析已經從科學研究轉變成了日常性的檢測工作。

地質年代學研究需要測試鋯石,傳統分析需要空氣磨蝕、化學分解和U/Pb分離等比較復雜的前處理過程,實驗流程本底要求特別低,一般全流程鉛空白為0.030.05ng,鈾空白為0.0020.004 ng,而且其突出的缺陷是無法揭示復雜鋯石內部微區的U/Pb207Pb/206Pb年齡信息。如何在微米級別的區域內提取出有用的信息呢?

ICP-MS的基礎上,再增加一個激光燒蝕LA,通過激光微米級別的光斑將樣品瞬間氣化并吹入等離子體,從而將樣品在三維空間軸上分開,實現微區分析。

后來人們通過連續的激光掃描,實現了樣品的元素二維或三維空間成像。

激光光束波長變短,光斑變小,脈沖周期變短(目前已經發展到飛秒激光),使得微區分析和元素成像不斷發展。

微米級別的差異都可以分開了,那,納米級別的差異呢?

ICP-MS的基礎上,提高儀器的信號采集速度,再增加一個專用的納米顆粒分析軟件。

2014

鋯石和納米顆粒都是死的,那活的細胞之間的差異能分析嗎?

在四極桿ICP-MS的基礎上,提高儀器的信號采集速度,再增加一個專用的單細胞分析軟件。

2016

能不能分析細胞之間上百個維度上的差異呢?

四極桿ICP-MS的分析速度已經無法滿足信息獲取速度的要求,只能將四極桿換成TOF,這就是CyTOF,即質譜細胞儀。

2004


Q:未來十年ICP-MS儀器和應用方面將會有哪些發展趨勢呢?

  1. 儀器的使用會越來越“傻瓜化”,英國的垃圾箱上沒有文字說明,只有圖案標識:一個是玻璃瓶,一個紙袋,一個碎屑的點,哪怕不識字的人也知道怎么進行垃圾分類。規則越簡單,執行越容易。“傻瓜”就是愚蠢,但“傻瓜式”卻是聰明人的匠心之作。

  2. 儀器的結構模塊化,為了應對企業及第三方檢測機構用戶的幾乎不停機的需求,模塊式插拔和更換將有可能讓用戶在幾分鐘內自行維修完畢。

  3. 儀器的分析自動化程度會越來越高,從取樣到報告,無人值守將成為可能甚至成為必須。配備了自動進樣器的激光燒蝕系統(LA)有可能讓土壤、地礦等領域的樣品從壓片到上機全程自動化,并且每天檢測上萬個樣品,而食品和臨床的樣品經過深度破碎至5微米以下而直接進樣,也可以達到每天上萬個樣品分析的高通量。

  4. 儀器的結果圖形化呈現,透過數據看規律和找規律會成為儀器使用者的主要工作,設計實驗方案的人可能完全不懂儀器,但他們可能會成為真正的分析專家或者分析科學家,就像一個大廚,他并不知道菜刀的成分是什么,更不知道菜刀是怎么做出來的,他甚至不知道液化氣灶貧燃和富燃時為什么顏色不一樣,但這并不妨礙他做出一桌子色香味俱佳的美味。



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