【硬核科普】ICPMS／MS基础与进阶

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

　　这位前辈堪称ICP-MS应用楷模，从DRC技术到8800和NexION 5000的ICP-MS/MS技术，积累了25年的使用经验。尽我所知，梳理出理论框架和化学分辨的实现方式，希望能给大家提供一些ICP-MS/MS的有效信息和应用启发。

　　这里我们讨论的是两个等长四级杆的ICP-MS/MS，关于ICP-DRC-MS的情况请关注之前的一系列文章。本文主要讨论的是池子内的化学分辨情况，加之对其他类型的质量分析器也无使用经验，故不做讨论。

　　He-KED：绕不开的碰撞模式

　　在ICP-MS/MS平台上使用氦气，与只有一个长四级杆ICP-MS相比，除了丰度灵敏度有显著提高以及简单之外，再没有任何额外的好处。因为氦气只是靠的截面积的差异，池子前用不用质量过滤，影响微乎其微。

　　氦气消除干扰的能力一般在100倍左右，太严重的干扰是不可能靠KED解决的；至于冷焰技术不过是在特定情况下，减小了干扰程度而已。很多实验室，只在ICP-MS/MS上使用氦气，堪称不内卷的楷模：用什么乱七八糟的气体，氦气就行了，我们的待遇与ICP-MS的使用水平无关。

　　然而， ICP-MS/MS的化学分辨能力就是靠活性气体实现的，这和有机质谱有本质不同。有机物分子结构可以被惰性气体撞碎，从而得到丰富的碎片子离子，这样就可以排除很多干扰；但是同位素离子是不可能被撞碎的，否则就是核反应了，从而无法实现两个长四级杆的有效协同。

　　使用活性池气体的两种策略

　　质量转移（Mass-shift）模式：分析物或干扰物通过与反应性气体反应而增加其质量。分析物，如果是反应性的，可以在增加的质量下进行定量。比如盐酸里的As，两个杆可以选择75/91的分析策略。反之，两个质量分析器选择的质荷比一致就是原位模式。

　　原位（On mass）模式：分析物按其原始质量进行定量，也就是说两个四级杆设置的质量数完全一致。比如Cd设置为111/111。这种模式使用的前提是干扰离子更容易和活性气体发生某种化学反应，待测离子较难或者不能发生化学变化。

　　Q1引入二价物离子实现另类的质量转移

　　写过双电荷质谱干扰消除的推文，如果我们分析的元素可以形成双电荷，池内通入电离能较小的氨气（氨气的电离能10.08eV低于所有二价物离子），可以形成单电荷的同位素离子由第二四级杆测得。比如：

　　我们就可以第一个四级杆设置116，第二个四级杆设置为232。这里当然有一个隐忧：Cd和In会不会和氨气形成络离子从而干扰最终的232呢？

　　从Ewa提供的元素与氨气反应活性图里可以看出：很幸运的是，Cd和In反应活性都很弱，这就意味着我们可以通过这种另类的质量转移来消除可能的质谱干扰。

　　再次审视质量转移这个概念更觉得科学合理。我一度把这种方式叫质量数转移，但是这种二价物转化为一价同位素离子的特殊情况：离子只是在反应池里得到了一个电子，并没有改变质量数，但是质量确实增大了一个电子的质量。

　　相对原子质量与质量数

　　大家还记得相对原子质量的定义吧？相对原子质量是个比值。相对原子质量与原子质量的关系是：相对原子质量=原子质量/（C12的质量*1/12）。通过科学实验测得，作为相对原子质量标准的那种碳原子12C的质量是1.9927×10-26kg，它的1/12为1.6606×10-27kg，所以：相对原子质量=原子质量/（1.6606×10-27），根据这一关系式，可计算出任何一种元素的相对原子质量。

　　质量数则是相对原子质量的近似整数，是核子数的总和。一些软件会采用质量数的方式来设计软件，显得比较简洁，但可能在很多络离子的时候，测得的不是实际精确的质荷比。比如：48Ti(NH3)6 实际质量为150.11，按150测问题也不大，只是完美主义者可能有点难受。

　　如上图，如果Q1引入二价物，通入氧气作为反应气，两个四级杆应该分别设置116和116+(16/2)=124。线性不是特别好，可能是由于Th的记忆效应。参见：两个比较冷的ICPMS结果分享。你是不是想说做得这么另类没啥必要性？

　　常见活性气体梳理

　　这些气体，其实之前推文中都零零散散得做过介绍。参考：文献综述之DRC应用实例。

　　氧气是最常见的做质量转移的气体。一般是+16或者加32。解决双电荷干扰效果不错，但是如果是纯物质比如NdO测痕量As，则要注意Nd++结合OO之后对AsO+的副反应。参考：详解单四极杆消除双电荷质谱干扰（修订版）。

　　没错，ICP-MS/MS同样可能存在副反应，需要靠气体类型、流量、池子参数等来尽可能得抑制。千万不要有ICP-MS/MS就完全没有副反应的想法，副反应决定ICP-MS/MS化学分辨能力。

　　关于碰撞聚焦

　　简单说：离子束受到气体碰撞之后，在反应池里的运动轨迹更趋于中心，振幅更小。在气体流速适中的情况下，由于传输效率更好，使得灵敏度会有所增加。

　　实际上，如果你比较细心的话，在单杆ICP-MS上氦气模式下的内标回收率都会受到氦气流量的影响，并且与无气体通入情况下的内标回收率差距很大。

　　氧气的原位模式

　　如前文所说，氧气是质量转移常见的气体。但是未必就是要做质量转移，也可能是干扰离子比待测元素更容易转移，此时就是原位模式测试。MoO干扰Cd，WO干扰Hg，TaO干扰Au，NbO干扰Ag都是这种情况。从机理解释：O原子亲和能为5.2eV，离子大于5.2eV，则离子结合O为热力学自发过程。

　　氧气的质量转移模式

　　所以，OA大于5.2eV的这些元素，均可能使用质量数转移的方式。当然，不用记忆，现成的反应活性图：

　　再次强调：“不要只看待测离子，必须关注干扰离子是否会发生相同的变化。”

　　不可缺少的笑气和二氧化碳

　　在Ra的测定时，使用笑气作为反应气可以做到ppq水平无干扰测试。但是，除非你有这种极限测试的需求，否则氧气即可。

　　二氧化碳的一个特点是：不会和第二主族元素氢化物形成氢氧化物，在某些应用中使用二氧化碳可有效避免使用氧气的副反应：

　　氢气：适合测Cl和Si等非金属的气体

　　氢气由于可以用氢气发生器，安全性有保证（此处应有硬广O(∩_∩)O~~）。Cl和Si虽然可以用氧气和笑气做质量转移，效果不如氢气。像P这种常见的适合氧气质量转移的元素，在某些基体中的干扰离子也加氧的应用中，氢的质量转移模式提供了消除副反应的另外选择。

　　氢气具有消除氩基碳基干扰的能力，但是，一般都显著弱于氨气。

　　在介绍电离能最低的活性气体氨气前，先介绍一下产物离子扫描，前体离子扫描。

　　第一个四级杆固定质荷比，第二个四级杆做一段质荷比范围内的质谱扫描。注意：不能只关注待测元素，更应关注的是干扰离子与活性气体的反应情况，从而才能在第二个四级杆设置最合适的质荷比。

　　反之，即为前体离子扫描。它是用以判断产物离子是由哪些离子在池子内产生的。

　　氨气原位模式

　　由于氨气的10.08低电离能，使用氨气的电荷转移机理，使得其具有通用性，氨气是一种通用性仅次于氦气的池气体。

　　氨气是一种络合能力特别强的气体，由于很容易形成络合很多氨的络离子，使得它成为实现化学分辨的强有力气体武器。

　　之前，听说稀土元素的氢化物质谱干扰，适合氧气来消除，因为氨气形成的络离子，往往是有“脱氢”的情况：也就是形成的物质里有NH2，NH甚至N的情况，氢化物也会和氨络合。这样以来化学分辨能力就受到了很大影响，对消除氢化物质谱干扰非常不利。这个结论具有普遍意义吗？以Sr基体中测试Y的实验来说明。

　　氨气质量转移模式

　　找到1ppb Y溶液的产物离子扫描图，看看SrH与氨气的产物离子有哪些：

　　Y的的反应活性特别高，所以扩大质量范围再做扫描：发现在氨气流量0.8ml/min, Rpq=0.4时，189处的络离子强度比172还高，同时我们可以看到脱两个氢的络离子占主导地位。

　　我们一定要注意干扰离子的反应情况，所以，使用10ppm的Sr溶液做产物离子扫描：

　　可以很显然得看到，189处的产物离子很少。是否最终189这个络离子作为产物离子，需要量化BEC、才能最终确定。先尝试不同的RPq：

　　RPq为0.2时，随着产物离子络合氨的增大，得到的bec在不断减小，并且减小的幅度并不一致。这是很容易理解的：因为干扰物和待测元素的反应活性存在差异，每络合一个氨，相当于是进行了一次化学分辨。

　　当RPq为0.4时：bec并没有显著的改变。这里作者Karl只优化了RPq，因为他认为偏置电压和Rpq会增大离子的碰撞能量。DRC池子还有RPa，他并没有考察。但据我所知，RPa很多时候也有作用，交流电压RPq有作用，直流电压RPa同样可以改变离子的运动状态。当然，控制离子在池子内停留时间的参数AFT的作用，也没有涉及。

　　吸热反应也可以由于仪器提供的能量而发生，至于化学反应速率的快慢，只能通过实验来确定。退一步说，就算Se无法和氧气反应，我们也可以用其他气体代替。

　　以下，对氨气的流量进行优化，这个流量在ICP-MS/MS平台上往往起到最为显著的作用。先试试把氨气流量增大的情况：

　　结果更差了，其实是Y的活性已经充分发挥，提高氨气流量之后，只是让副反应更为严重了。所以，氨气流量要减小。

　　果然得到的BEC降低了十倍。他优化到这里就结束了 ，1000ppm的Sr中Sr的bec可以做到40ppt。本例中氨气是可以消除氢化物干扰的，因为干扰物SrH反应活性与待测元素Y差距较为明显。

　　ICP-MS/MS与同位素比精度

　　由于U同位素丰度的差异巨大，ICP-MS测试时很难将精度做好，因为灵敏度差异巨大，导致检测器由脉冲和模拟两种模式产生信号强度，这样就引入了检测器部分的很大误差。

　　Karl Andreas Jensen 想到了一个好办法解决这个问题：把U做质量数转移，U235转移的时候选择O16O16，丰度很高的U238则选择O16O18，这样就避免了信号悬殊导致的误差。

　　不知道这是不是他的原创想法，至少我是没在其他地方看到过。

　　ICP-MS/MS的特殊电子稀释

　　电子稀释EDR应该是PE先提炼出来的概念吧？它靠的是DRC那个短四级杆的作用，控制它的分辨率从而实现选择性的灵敏度降低，最终可以实现高低浓度同时测定而无任何仪器状态切换时间。

　　对于ICP-MS/MS来说，是可以使用气体的合理使用来实现电子稀释的效果。比如说，方法中本来就有氧气模式，那就选择同样流量的氧气（无切换时间），但是选择+O17或者＋O18作为质量转移的目标，和+16相比可以实现三个数量级的稀释。

　　再者，如果刚好有反应效率较低的元素，那信号的降低是不可估量的。如果是氨气可以选择合适的产物离子来实现灵敏度的大幅度降低。总之，总有办法实现不损耗测试时间的同时，使灵敏度降低。

　　其他气体还有解决Rb，Sr质荷比高度重叠的CH3F， 越来越受冷落的甲烷等。一般地，可以使用常见的氨气氧气氢气去解决绝大部分问题，但其他活性气体仍是ICP-MS/MS在更广泛的基体里实现化学分辨的基础性条件。最后将常见气体反应活性图附在这里，供大家参考：NexION ICP-MS Series Reaction Table Reference Sheet.pdf。