仪器分析基础：ICP-MS构造与原理

ICP-MS构造与原理

构造与工作原理

概述

ICP－MS全称是电感藕合等离子体质谱。

Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

它是一种将ICP技术和质谱结合在一起的分析仪器。ICP利用在电感线圈上施加的强大功率的高频射频信号在线圈内部形成高温等离子体，并通过气体的推动，保证了等离子体的平衡和持续电离，在ICP-MS中，ICP起到离子源的作用，高温的等离子体使大多数样品中的元素都电离出一个电子而形成了一价正离子。

质谱是一个质量筛选和分析器，通过选择不同质核比（m/z）的离子通过来检测到某个离子的强度，进而分析计算出某种元素的强度。

样品通过离子源离子化，形成离子流，通过接口进入真空系统，在离子镜中，负离子、中性粒子以及光子被拦截，而正离子正常通过，并且达到聚焦的效果。在分析器中，仪器通过改变分析器参数的设置，仅使我们感兴趣的核质比的元素离子顺利通过并且进入检测器，在检测器中对进入的离子个数进行计数，得到了最终的元素的含量。

一． 电感耦合等离子体

等离子体的一般概念指的是含有一定浓度阴阳离子能够导电的气体混合物。在等离子体中，阴阳离子的浓度是相同的，净电荷为零。

通常用氩形成等离子体。氩离子和电子是主要导电物质。

电感耦合等离子体的形成 

当高频发生器接通电源后，高频电流通过感应线圈产生交变磁场。开始时，管内为Ar气，不导电，需要用高压电火花触发，使气体电离后，在高频交流电场的作用下，带电粒子高速运动，碰撞，形成“雪崩”式放电，产生等离子体气流。在垂直于磁场方向将产生感应电流（涡电流，粉色），其电阻很小，电流很大(数百安)，产生高温。又将气体加热、电离，在管口形成稳定的等离子体焰炬。

二． ICP与MS的接口(Interface)

离子的提取

采样锥(sampling cone)；截取锥(skimmer cone)

离子的聚焦

离子透镜组

真空系统

机械泵；分子涡轮泵

接口部分由两个锥体组成，前面的是采样锥（sample cone），后面的是截取锥（skimmer）。

取样锥的孔径大概是0.8～1.2mm（在X－7中为1.1mm），截取锥的孔径为0.4～0.8mm（为0.7mm）左右。经过两个锥体，只有非常小的一部分离子进入离子透镜。

在采样锥处，由于电子速度快，所以大量电子很快打到锥上，因此采样锥表面为负电性，所以空间电荷区是正电性的。由于气体压力的突然下降，所以在两锥之间，产生了离子的超声射流，所以两锥之间成为扩张室。在通过采样锥的离子中，只有大约1％的离子可以通过截取锥。进入离子镜的正离子都具有相同的速度，因此动能和质量成正比。

三． 质谱仪

将离子源出来的离子按照质荷比的大小分开并送入检测系统检测

四极杆质谱 (Quadrupole Mass)：由四根平行的金属杆组成，理想的四杆为双曲线，并由其产生理想的分布电场—四极场。但常用的是四支圆柱形金属杆，通过选择合适的极间间隔或杆径，也可以得到最接近双曲线电极所产生的四极场。

 

四极杆质量分析器：

①　四极杆由两对儿相互平行的极杆组成；

②　离子束从四极杆中央的缝隙穿过；

③　相对的一对儿极杆上施加了相同的射频电压(RF)和直流电压(DC)；同时，另一

④　对儿极杆上施加了大小相等、极性相反的电压；

⑤　交变的电压形成了交变的电磁场，影响离子束的前进方向；

⑥　在特定的电压下，只有特定质荷比的离子可以穿过四极杆，撞击到检测器上；

⑦　随着在四极杆上施加的电压的次序变化，质荷比在2~260范围内的各个离子，可以依次穿过四极杆到达检测器，给出响应信号，得到所采集的数据；

⑧　在一秒钟内，可以扫描整张质谱图10次以上，扫描速度超过3000amu/sec；

四极杆对低动能离子更为有效，如果离子能量太高，则离子通过四极杆的速度将加快，最终导致峰将展宽。在四极杆的入口和出口处，仅施加射频可以使全谱离子通过，但可以使离子向中心聚焦。