电感耦合等离子体质谱联用技术在化学分析中的发展趋势

随着科学研究对微量元素检测精度和多样性需求的提升，传统的分析技术逐渐暴露出灵敏度不足、抗干扰能力差等局限。ICP-MS 作为一种结合高灵敏度与广谱检测能力的分析手段，自问世以来便在化学分析中占据核心地位。通过与各类分离、预处理及成像技术的联用，其功能不断延展，已成为现代痕量、超痕量元素分析不可替代的重要工具。

一、ICP- MS 联用技术的基本原理与特点

（一）ICP-MS 的工作原理

ICP-MS 由等离子体离子源、离子传输系统和质谱分析器构成。样品经雾化后进入 ICP 炬管，在 27.12MHz 射频激发的氩气等离子体中被高效离子化（温度 6000-10000K ）。生成的离子通过透镜系统导入质谱仪（四极杆或磁质谱）进行质量电荷比（ m/z ）分析，从而实现元素定量[1]。该技术背景噪声低、线性范围宽，检出限可达ppt 甚至ppq 级，特别适用于痕量分析。（二）ICP-MS 的主要优势

ICP-MS 具备极宽的动态线性范围（约 9 个数量级），在同一样品中可同时定量主量元素与痕量杂质。此外，ICP-MS 具有同位素识别能力，能够实现同位素比值测定，如 Pb 、Sr、U、 Hg 等元素的同位素分析，广泛应用于放射性定年、同位素示踪及溯源研究中。与原子吸收光谱（AAS）或原子发射光谱（ICP-OES）等传统方法相比，ICP-MS 在灵敏度、多元素同步检测与速度方面均表现出显著优势。其检出限对多数元素可低至 0.1-10ng⋅L^-1 ，尤其适合高纯材料及生物样品的微量杂质检测。

（三）ICP-MS 常见联用形式概述

为增强选择性与形态分离能力，ICP-MS 常与色谱、电泳、激光烧蚀等方法联用。HPLC-ICP-MS 适用于砷、汞等元素形态分析，GC-ICP-MS 用于检测挥发性金属有机物（如 TML、DMMg），LA-ICP-MS可实现 μm 级微区成分定位，广泛用于地质样品和材料分析。CE-ICP-MS 与 SFC-ICP-MS 正被应用于复杂生物样品和纳米材料检测中，显著拓展了ICP-MS 的分析能力。

二、ICP- MS 联用技术的研究热点与应用方向

（一）形态分析（Speciation Analysis）

元素的化学形态对其毒性、生物可利用性和迁移行为具有决定性影响。以砷为例，无机砷（ As（III） 、 As（V） ）比有机砷毒性高出数十倍。HPLC-ICP-MS 联用技术已成为砷、汞、硒等元素形态分析的标准方法。在 HPLC 分离阶段，使用离子交换柱或 C18 反相柱，根据元素不同价态或配位方式进行分离，随后进入 ICP-MS 实现定量。以 HNO₃–CH₃COONa 为流动相可高效分离 As（III）/As（V）/DMA/MMA 等形态，检出限可低至 0.05μg⋅L^-1 。此类联用技术在饮用水安全、婴儿食品中砷形态监控方面被广泛应用，并已纳入部分国家标准。

（二）纳米材料与颗粒物检测

单颗粒 ICP-MS（spICP-MS）是针对纳米粒子的专门分析模式。该方法以极短的采样时间（通常为 100μ： s）实现单颗粒事件的时间分辨检测，能够获得粒径、粒子数量浓度及元素组成信息。spICP-MS 常用于银纳米粒子（ AgNPs ）、二氧化钛（TiO₂ NPs）等在食品添加剂、化妆品中的定量研究。以 AgNP 为例，其粒径检测范围通常为 10–100nm，检出浓度可低至数 ng⋅L^-1 。样品前处理采用超声分散和过滤以避免团聚。spICP-MS 正逐渐成为纳米风险评估的重要工具。

（三）生物样品与医学分析

ICP-MS 在医学中用于金属元素标记与同位素示踪。通过将金属同位素（如 ⁶⁵Cu 、 ⁸⁹Y 、 ¹⁴¹Pr ）标记抗体，用于流式细胞术（CyTOF）分析细胞表面蛋白。此技术实现了 ⁴⁰⁺ 参数的单细胞分析，适用于肿瘤微环境研究、免疫细胞分型等 [2]。此外，HPLC-ICP-MS 常用于分析人体体液中的金属药物代谢物，如顺铂（cisplatin）在血浆中的结合形态。对复杂基质样品（如血清、尿液）分析时，采用蛋白沉淀 + 固相萃取组合预处理，有效提高了信号稳定性和检测准确性。

（四）环境与地球化学应用

ICP-MS 联用技术广泛应用于水体、土壤、大气颗粒物中重金属与稀土元素分析。以多重同位素比值（如 ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb ）为基础的同位素溯源技术，可判断污染源头。在地球化学中，LA-ICP-MS 常用于锆石U-Pb定年，空间分辨率达 20μm ，定年误差低于 1% 。此外，在极低浓度（<10ng⋅L^-1 ）水样分析中，结合在线预浓缩系统（如 chelation resin 柱），可将检出限进一步降低至 ng⋅L^-1 甚至 pg⋅L^-1 。

（五）考古与文物研究

LA-ICP-MS 技术在文物微区无损分析中具有突出优势。以青铜器为例，可通过激光在器物表面形成微小烧蚀坑（直径 <100μm ），提取微量样品，分析其中 Pb、Sn、Sb、As 等元素含量，结合同位素比值判断铸造原料及工艺来源。在陶瓷、玻璃等文物中，LA-ICP-MS 用于硼、锶、锂等轻元素的空间分布成像，有助于揭示烧制工艺和产地迁移路径。

三、ICP- MS 联用技术的发展趋势与挑战

（一）分析通量与自动化水平的提升

随着大规模样品检测需求的增加，ICP-MS 正向高通量与自动化分析发展。采用自动进样器、样品快速切换系统可将分析时间压缩至 30秒 / 样品。集成微流控芯片的在线前处理模块实现了连续进样、分离和检测一体化，例如基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片的微柱萃取系统，有效缩短操作时间并减少溶剂用量。此类系统广泛应用于食品质量控制与临床筛查等高通量场景。

（二）检测灵敏度与选择性增强

为提高 ICP-MS 在高基体背景下的抗干扰能力，现代系统引入了碰撞反应池技术（CRC），使用He 或 H₂ 等气体消除多原子离子干扰。例如，在检测 Fe（ ）时， ArO⁺ （ m/z=56 ）为主要干扰，通过 He 气体的动能歧视法可有效滤除。此外，高分辨率 ICP-MS（HR-ICP-MS）采用磁质谱器，质量分辨率可达10，000 以上，适用于对分辨要求极高的同位素研究。双聚焦磁- 电场系统在同位素精密测量中已成为标准配置。

（三）多维信息获取与数据处理

随着多模态分析需求的上升，ICP-MS 常与 TOF-MS、MALDI-MS、XRF 等其他分析手段协同使用，获取元素、分子结构及空间分布等多维信息。数据量剧增使得传统手动处理方式难以满足需求，近年来引入 PCA（主成分分析）、PLS（偏最小二乘）等化学计量方法，以及机器学习算法如SVM、随机森林等实现高维数据建模与分类预测，极大提高了分析效率与准确性。

（四）绿色分析理念与仪器小型化

绿色分析理念强调试剂使用最小化与废液最小化。采用微波消解–ICP-MS 系统可实现低体积高效率消解，减少酸用量。在仪器设计方面，小型 ICP-MS 正逐渐进入环境现场分析市场。如手持式 LA 系统结合便携式 ICP-MS，可在野外进行岩石或土壤样品原位分析，适用于地质勘查与应急监测。

（五）面临的技术挑战与发展瓶颈

尽管ICP-MS 发展迅速，但仍面临若干挑战。高基体样品（如海水、血浆）中盐类会造成离子抑制及锥口污染，需采用在线稀释、氢化物发生等手段加以解决。仪器购置与维护成本高昂，限制了其在基层实验室的推广应用 [3]。此外，复杂形态定量仍依赖标准物质，而多数形态分析尚缺乏统一标准，影响了方法的可比性与标准化。

总结：

电感耦合等离子体质谱联用技术以其卓越的灵敏度、分辨率和多元素同步检测能力，已成为现代化学分析的重要支柱。通过与多种分离和预处理手段联用，其应用不断深入各类复杂体系。未来，该技术将在高通量、绿色分析、智能数据处理等方面持续突破，为科学研究与实际应用提供更强有力的技术支持。

参考文献

[1] 赵英飞 ， 王小龙 ， 李凯 ， 等 . 关于电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法在科学、技术、产品、应用方面的思考 [J]. 中国无机分析化学 ，2025，15（03）：382-388.

[2] 徐桃 ， 田祥伟 ， 刘艳伟 ， 等 . 电感耦合等离子体质谱技术检测单细胞内外源物质的研究进展 [J]. 分析化学 ，2024，52（10）：1403-1421.

[3] 林贤 ， 颜能 ， 杨艳 ， 等 . 单颗粒 - 电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS） 法数据处理算法的技术发展现状 [J]. 中国无机分析化学 ，2024，14（07）：896-910.