【技术交流】ICP-MS元素及同位素分析同质异位素干扰、多原子离子干扰及解决策略！附多原子干扰列表

原创 兰州区域中心 元素和同位素地球化学 2023-12-10 12:04 发表于浙江

编者按：时光荏苒，科技前沿不断拓展。为助力科研工作者更好地应对实验技术的挑战，“元素和同位素地球化学”科普公众号联合“中国科学院兰州资源环境科学大型仪器区域中心”和"中国科学院西北生态环境资源研究院公共技术平台"推出系列实验技术文章，涵盖多领域的实验技术前沿科技。这一系列文章将深入解析实验技术的创新应用、方法优化以及实验技术在科学研究中的关键作用。文章将分享一手经验，探讨各类仪器设备的使用技巧，并提供解决实验中常见问题的实用建议。无论您是科研新秀还是资深专家，我们相信这些文章将为您的科研之路注入新的活力。敬请关注系列实验技术文章，一同探讨科技创新的无限可能！我们对于实验技术的不断探索和改进充满热情，相信通过共同分享各自的经验，可以促进更广泛的学术和技术交流。如果您对文章中的任何实验技术、方法或结果有疑问、建议或评论或投稿，非常欢迎您通过后台与我们联系。

   第一期：ICP-MS元素及同位素分析离子干扰及解决策略

0.引言：在当今科研领域中，电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）技术以其高灵敏度和多元素分析能力，成为分析化学的前沿工具之一。然而，在ICP-MS元素及同位素分析中，同质异位素干扰、多原子离子干扰等问题仍然是制约精准分析的挑战。本期将深度探讨ICP-MS元素及同位素分析中所面临的同质异位素干扰及多原子离子干扰的复杂性。文章中将详细介绍这些干扰的机理，并提供创新性的解决策略，使科研人员能够更好地应对这些挑战。附带常见干扰离子列表，我们希望通过这一系列文章，为科研领域的从业者提供前沿的技术认知和解决方案，推动ICP-MS技术在元素及同位素分析中的进一步突破。

质谱分析作为一种先进的分析技术，正在推动科学研究边界的不断扩展。ICP-MS以其高灵敏度和多元素分析的特性，成为科研领域中不可或缺的工具。首先，ICP-MS可以广泛分析多种元素，涵盖了碱金属、碱土金属、过渡金属和其它金属类金属、稀土元素、大部分卤素和一些非金属元素，为研究提供了全面的元素信息。其高灵敏度使得大多数元素具有非常低的检出限，为微量元素和痕量物质的分析提供卓越的能力。

图1. ICP-MS原理图（Douglas & Houk 1985）

1978年，全球第一台ICP-MS诞生，到1989年，英国的一个团队搭建了高分辨率磁质谱ICP-MS，可以更有效地去除干扰，提高灵敏度。目前，商品化仪器在ICP源和产生离子的部分几乎相似，主流的四极杆质谱在分析器部分基本一致。最新的ICP-MS-MS(ICP-QQQ)电感耦合等离子串联质谱是一种在化学工程、食品科学技术和药学领域广泛应用的高级分析仪器。其独特之处在于具备可控且持续的干扰消除能力，有效解决了复杂基质中超微量元素质谱干扰问题。其独特之处在于能够通过串联质谱操作（ICP-MS/MS）实现更精准的分析，同时具备对反应化学的卓越控制，有效处理复杂基质的样品。这一先进仪器在提供可信赖的分析结果的同时，为科学研究和工业实践提供了强大的技术支持。

2.MC-ICP-MS，LA-ICP-MS 和LA-MC-ICP-MS

2.1多接收-电感耦合等离子体质谱（Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，MC-ICP-MS）是一种先进的分析技术， 具有高的质量分辨率，能够清晰地分辨具有相近质量的同位素。MC-ICP-MS中通常配备了多个离子收集器，例如离子计数器阵列。这些配置能够同时收集多个同位素的离子，提高了分析效率和灵敏度，进而实现元素同位素比值的精确测定。MC-ICP-MS以其高分辨率和有效区分同位素的特性而脱颖而出。其离子多接收配置使其在同位素比值测定方面表现出色，尤其适用于需要高精度测定的应用，如铅同位素比、锶同位素比等。

MC-ICP-MS在地质、天文学和考古学等领域广泛应用，用于精确测定同位素相对丰度，推进同位素地球化学和地质学研究。在地质学中，MC-ICP-MS被广泛用于岩石、矿物和矿石中同位素比例的测定，有助于理解地球演化、岩石形成和变化。在环境科学领域，MC-ICP-MS可追踪污染源，研究元素的生物地球化学循环，并监测大气、水体和土壤中的同位素组成。生物学研究方面，MC-ICP-MS可用于研究生物体内元素的代谢和运移，如钙、铁等元素的同位素组成。MC-ICP-MS已经作为一种功能强大的元素及同位素分析工具，在各种科学研究领域都有广泛应用。

图4.中国科学青海盐湖所MC-ICPMS分析实验室，青海盐湖研究所非传统稳定同位素实验室配备热电离质谱仪（Triton）和多接收电感耦合等离子质谱仪（NEOMA），专注于热电离理论及元素同位素新方法研究。在盐湖硼、锂、氯同位素领域取得突破，为深入研究盐湖演化和古气候环境提供了新的同位素化学与地球化学研究手段（照片由 马云麒 研究员提供）（http://isl.cas.cn/ptsc/yqsb/twshsgcnfxcspt/）

2.2激光剥蚀—电感耦合等离子体质谱（Laser ablation，LA-ICP-MS）是一种近年来迅速发展的微区元素和同位素分析技术，在地球科学中发挥着重要作用。其基本原理是使用激光束聚焦于样品表面，将样品熔蚀气化，通过载气（He或/和Ar）将样品送入等离子体中电离，然后通过质谱系统进行质量过滤，最终使用接收器检测不同质荷比的离子。LA-ICP-MS相对于传统的湿法溶样方式具有高空间分辨率、低样品消耗、高效快速、背景干扰低等特点。它可以应用于岩石、矿物、合金等均一性样品的整体分析，克服了传统湿法方法中可能引起的损失和误差。同时，对于小于100μm的单矿物颗粒，LA-ICP-MS可进行准确的微区分析，定量分析元素含量及同位素比值，研究矿物颗粒中元素的分布变化、环带结构等特征，推断成岩物理化学条件、成因机制及地质构造体的演变。在LA-ICP-MS的激光剥蚀过程中，需考虑剥蚀能量、剥蚀孔径、剥蚀频率等因素的影响，以确保分析结果的准确性。LA-ICP-MS已被广泛应用于地质学、环境学、生物学、材料学、工业产品检测等领域，具有原位、实时、快速、高灵敏度等优势，对微区微量元素和同位素比值分析有广泛应用。

图5. 中国科学院西北生态环境资源研究院LA-ICP-MS分析实验室（照片由西北院地球化学分析测试中心邱军利副研究员和西北院公共技术中心张彩霞高工提供）

2.3. 激光剥蚀-多接收电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）：

   激光剥蚀-多接收电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）技术是一种高灵敏度、高空间分辨率的质谱技术，其发展历程源远流长。20世纪90年代初，激光剥蚀质谱技术首次应用于地质样品分析，为矿物学、岩石学等领域提供了新的分析手段。然而，初期激光剥蚀质谱的低空间分辨率和灵敏度限制了其在地球科学中的广泛应用。随着多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术的发展，激光剥蚀与MC-ICP-MS相结合的LA-MC-ICP-MS技术应运而生。这一组合强化了激光剥蚀质谱的性能，提高了样品处理速度和元素测定的准确性。LA-MC-ICP-MS的迅猛发展主要归功于其在地球科学、环境科学和生命科学等多个领域的广泛应用。它被广泛用于地质学研究，可实现对矿物的微区域地球化学分析。在考古学中，LA-MC-ICP-MS可用于宝石和饰品的起源和真伪鉴定。生物医学领域也利用该技术进行生物标记物的研究。总体而言，LA-MC-ICP-MS的发展历程经历了从实验室研究到商业应用的阶段，其高精度、高灵敏度的特点为广泛的科学研究提供了强大的工具，推动了许多学科领域的突破性进展。(参考文献14）。

图6. 中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科实验室Nu Plasma 1700 (MC-ICPMS)

20世纪80年代中期，对ICP-MS干扰已经进行了很好的研究，表征和记录。最明显的干扰是等离子体气体(Ar)和样品成分在等离子体的高温环境中发生反应而形成的干扰。作为惰性气体，Ar不会发生反应，但在高达10,000°C的等离子体中，存在酸蒸气，水和其他样品成分，它会形成一系列离子，包括ArO+， ArN+， ArC+， ArCl+和ArAr+。这些所谓的多原子干扰分别干扰铁、锰、铬、砷和硒。此外，还观察到ArOH+， ArNH+等较少的干扰，并且，当存在大量的样品基质成分(如Na)时，也可以看到其他干扰种类，如ArNa+(干扰Cu)。 除了基于氩的干扰外，含有高浓度S、P、Cl和C的样品（如硫酸、磷酸、盐酸和有机样品组分）会产生大量干扰，包括SO+、SO2+、PO+、PO2+、ClO+和CO+（这些干扰影响Ti、Zn、Cu、V和Si），以及这些物种的较少见的氢化物加合物（即SOH+、SO2H+等）。除了这些多原子干扰外，具有相同质量同位素的元素（如40Ca和40Ar）会相互干扰，而一些元素（如稀土元素）在等离子体中形成大量双电荷离子，进而在其同位素质量的一半处引起干扰。（摘自文献11，Simon Nelms, 2018,）

在实际应用中，质谱干扰和非质谱干扰（基体效应）是常见的问题，影响了分析的准确性和可靠性。同质异位素是元素的不同形式，可能导致同位素混淆，使得分析结果产生偏差。在质谱干扰方面，同质异位素的重叠、多原子或加合物离子的形成、难熔氧化物离子的影响以及双电荷离子的存在，都增加了对目标元素准确测定的复杂性。非质谱干扰涉及基体效应，即样品中其他成分（如高盐含量）引起的信号影响，可导致信号重叠或空间电荷效应，影响目标元素的测定。为了解决这些问题，科学家们采取了多种策略，包括使用高分辨率质谱仪、化学分离技术、内标物质和基体匹配方法，以降低同质异位素和基体效应对分析结果的影响，提高元素测定的准确性。这些策略为克服ICP-MS分析中的干扰提供了有效手段。 

3.1. 同质异位素干扰

同质异位素干扰（Isobaric interference）指的是在质谱分析中，存在具有相同质荷比（m/z）但不同元素组成的离子，导致难以区分的问题。这种干扰可能源自多原子离子的形成，使得同一m/z值上出现多个不同的元素。解决同质异位素干扰对于确保质谱分析结果的准确性至关重要。科学家采取的策略包括引入碰撞池或反应池，通过碰撞或反应将干扰离子与分析离子分离；使用高分辨率质谱仪，能够更精确一点区分相似质量的离子；以及选择适当的质量过滤器，限制分析范围以避免同质异位素干扰。这些方法广泛应用于各个领域，包括环境科学、生命科学和地质学，以确保准确测定各种样品中的元素含量。

图8. ICP-MS检测限（Jan De Hoog 2014）

3.2. 多原子离子干扰

多原子离子干扰（Polyatomic  interference）是指在质谱分析中出现的一种干扰现象，即多个原子结合形成的离子影响对特定元素的准确测定。这种类型的干扰主要源于质谱中存在的多原子离子，这些离子的质荷比（m/z）与目标元素的质荷比相近，使其难以区分。多原子干扰可能导致降低分析精度。

在质谱分析中，多原子干扰是由样品与氩气等基体成分（如氧、氮、氢、碳、氯、硫、氟等）重新组合形成的。轻元素（Li、Be、B）受影响较小，但从39K开始，干扰显著增加，如39K受到38ArH和23Na16O的干扰。避免在样品制备中使用HCl等基体元素可减少一些多原子干扰。对于较重元素，主要干扰来自分子氧化物（MO），特别是镧系元素易形成分子氧化物。采用冷等离子体技术、反应/碰撞池、脱溶和色谱分离等方法可减少多原子干扰，降低氩气流速可缓解MO干扰。在无法使用替代同位素时，可能采用质量修正。在周期表第一行元素的测定中，多原子干扰尤为复杂，需要综合多种手段解决。ICP-MS中多原子干扰列表见附件( T.W. May 1998)

图9. 去离子水ICP-MS多原子离子谱图（Thomas，2002）

   在 ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)分析过程中,气相水分子会对检测离子产生一定的干扰。水分子在等离子体中通过碰撞反应生成氢和氢氧根离子,这些带正电荷的离子会抑制样品离子进入质谱仪,从而降低分析灵敏度。水的氧化和氢化反应会产生诸如MO+、MOH+等氧化物和氢化物离子,这些多原子氧化物和氢化物离子会与样品单原子离子在同一质量数处竞争检出,产生等同质量干扰,影响分析准确性。水气增加等离子体中的背景离子浓度,产生较高的空白信号,这会降低检测灵敏度,提高样品的方法检出限。所以在 ICP-MS 的样品前处理和测定过程中,通常需要对样品矩阵中含有的水分子进行有效去除和控制,减少上述不同类型的气相水干扰,提高分析的准确性。

图10. 水气分子对ICP-MS分析干扰（Jan De Hoog 2014）

3.3 双电荷电离干扰

双重电离（Double charge ionization）干扰是指在电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析中发生的一种干扰现象。在电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）中，一个原子同时失去两个电子的过程，导致信号干扰和准确性下降。它涉及到样品中的离子经过两次电离，形成具有相同质荷比（m/z）但不同电荷状态的离子。在ICP-MS中，最常见的双重电离干扰涉及到分子离子的形成。它们在质谱中的m/z值相同，但具有不同的电荷状态。这可能导致分析中目标元素的准确测定受到影响。

例如，在高Pb浓度水平下，206Pb++（m/e =103）对103Rh的干扰可能较大。减少样品中的Ar将最小化这种干扰。在Ar等离子体中，这种类型的干扰不如在含有重质量元素同位素的基体中要突出。碱金属和稀土元素形成的双电离离子相对于其他元素而言更为突出。为了克服双重电离干扰，科学家采取一些策略，例如使用碰撞池来减少或消除分子离子的形成，以及选择合适的工作条件和仪器参数，以最小化这种干扰的影响。这样可以确保ICP-MS在元素分析中提供准确而可靠的结果。

这种干扰通常与同位素的同位素伪峰相关，使元素的定量分析变得复杂。通过采用先进的仪器设计和分析方法，可以减轻双重电离干扰，提高ICP-MS的分辨率和准确性。研究人员通常使用高分辨率ICP-MS、飞行时间质谱仪等技术，以区分同位素伪峰，降低干扰影响，从而更精确地测定样品中的元素含量。大多数M2+离子的强度相对较低，对分析结果影响有限。

但是，如果样品中含有高浓度的Ba或稀土元素（REE），则双重带电离子干扰将导致大量计数，导致假电离信号结果。通过监测Ba、Nd、Sm、Gd和Dy的同位素，M2+离子对Zn、As和Se的潜在干扰可以用一个方程来估计和修正。但这种类型的双电荷离子校正需要多个步骤，并且耗时设置。如果电离条件发生变化，例如由于样品基质的不同，使用单电荷离子来估计双电荷离子的形成速率也容易出错。因此，基于直接监测双带电离子的自动化方法可以简化分析并提高准确性。

图12． 66Zn、(b) 75As和(c) 78Se的双荷离子干扰以及(a) Ba、(b) Nd和Sm、(c) Gd和Dy的相对同位素丰度表（文献10）

3.4 空间电荷效应

空间电荷效应（Space Charge Effect）在ICP-MS中是一种重要的影响因素。它指的是在质谱仪中由于离子群体的积聚而形成的电荷密度增加的现象。在ICP-MS中，等离子体产生大量离子，这些离子在进入质谱仪的过程中可能会因为相互排斥而在时间上或空间上形成电荷密度的增加，即空间电荷。这会导致离子束的扩散、能量分散和在检测器上的不均匀分布，最终影响质谱仪的分辨率和灵敏度。这些效应被认为发生在质谱仪接口、狭缝尖端和离子光学区域之间。其结果是在基体元素浓度较高时信号被抑制。离子元素基体的动能影响抑制的程度，较大的质量（较高的动能）导致的抑制比较大。由于仪器在接口和离子光学设计上的差异，很难预测在哪些条件下效果最小。

图13.空间电荷效应产生的过程（Nicolas Chauvin 2014）

4. 干扰及解决方案

ICP-MS分析中的干扰问题主要包括基体效应、同位素效应和多元素效应。为解决这些问题，首先，通过基体匹配和内标法校准仪器，降低基体效应的影响。其次，使用碰撞/反应池技术，通过气体动能歧化原理，减小多原子干扰，提高准确性。对于强烈干扰，如同位素异质干扰，三重四极杆ICP-MS技术被引入，通过质量过滤和使用更多的反应气体，实现更高的选择性和更复杂的干扰去除。（Simon Nelms, 2018）

首先，外部校准是受欢迎的校准技术之一。分析人员通过了解样品组成，进行半定量分析以预测干扰，并选择合适的内标和分析同位素质量。内标的选择需要避免M2+、MO和其他分子干扰，同时确保内标元素的浓度不受基质影响。在最终分析中，使用跳峰而非扫描可以节省时间，特别适用于低分辨率系统。仪器优化是确保准确性和可靠性的关键步骤，分析人员在每个分析日开始时使用优化标准对仪器进行调整。

冷等离子体是一种持续发展超过20年的ICP-MS分析模式，广泛用于难以测定的元素如Na、Mg、Al、K、Ca和Fe的痕量测定。在半导体器件和化学品制造中，需要精确控制K、Ca和Fe浓度，但氩化物干扰（如ArH+对39K+、Ar+对40Ca+、ArO+对56Fe+的影响）使其难以通过ICP-MS测定。冷等离子体具有较低的等离子体温度，足够电离分析物但可避免氩化物干扰，使分析人员能够在无干扰离子的情况下测量痕量元素。低温等离子体还可防止易电离元素（如Li和Na）的二次电离，即使引入高浓度易电离元素，也可确保其较低的背景水平。（Katsuo Mizobuchi ，文献12）

此外，系统的清洁和维护对于避免干扰和确保仪器性能也至关重要。在标准加入法中，分析人员需要注意潜在的干扰问题，并确保了解基质的性质。同位素稀释法提供了一种主要分析方法，但对于具有单同位素元素的样品，该方法无效。总体而言，分析人员需要在选择适当的技术之前对样品进行深入了解，以避免潜在的干扰和误差。这些技术提供了多种选择，以适应不同的样品分析需求，为ICP-MS在定量分析中的应用提供了全面的指南。

碰撞反应池技术是ICP-MS是一种关键的手段，用于减少或消除分析中常见的质谱干扰。在ICP-MS分析中，同质异位素、多原子离子等干扰物质可能导致分析结果的偏差，影响元素的准确测定。碰撞反应池位于ICP-MS系统的离子光学路径中，通常位于离子传输系统和质量分析器之间。其作用是通过引入碰撞气体，如氮气或氩气，来与离子发生碰撞，减缓离子的动能。

图14. 三重四重碰撞/反应池ICP -MS/MS超痕量测定90Sr、137Cs、238Pu、239Pu和240Pu(Mohamed A. Amr 2016)

这过程中，碰撞气体与多原子离子发生碰撞，将其分解或降低其动能，从而有效降低干扰的影响，特别是消除同质异位素和多原子离子的影响。碰撞反应池技术的主要优势在于其对多种类型干扰的适用性。通过碰撞解离型、动能歧视型和化学反应型等机制，可以选择性地减少或消除质谱干扰，提高分析的准确性和可靠性。不同类型的碰撞反应池，如四极杆动态反应池、六极杆碰撞池和八极杆碰撞/反应池，提供了灵活的选择，以适应不同样品和分析需求。

图15. 铅同位素分析：用ICP-QQQ质谱/质谱反应池去除204Hg对204Pb的干扰（引自Glenn Woods）

解决ICP-MS干扰的方法包括基体匹配、内标法、碰撞反应单元、样品前处理、仪器校准、监控和质量控制、专业软件应用。基体匹配和内标法用于校正基体效应，碰撞反应单元和气体反应器降低同位素效应。时间分辨分析减小多元素效应，样品前处理去除潜在干扰，选择合适同位素降低同位素效应。仪器校准保证精准度，监控和质量控制评估干扰影响。专业软件提供背景校正、干扰校正等功能，综合应用这些方法可提高ICP-MS分析的准确性。 解决质谱干扰除了优化仪器条件（如射频电源、雾化器流速等）外，其它常用的方法有：①测定前分离干扰元素；②数学校正法；③冷等离子技术及等离子体屏蔽技术；④碰撞/反应池技术。以及使用高分辨率质谱仪，这些策略为克服ICP-MS分析中的干扰提供了有效手段。

图16. ICP-MS的近似检测能力以及元素各向同性丰度（Perkin-Elmer，Shelton )

5. 结束语 

ICP-MS作为元素分析领域的关键工具，尽管面对同质异位素、质谱干扰和非质谱干扰等挑战，科学家们通过采取多种办法并取得了显著的进展。高分辨率质谱仪的引入有效地提升了同质异位素的分辨能力，降低了质谱干扰的影响。在样品预处理中应用化学分离技术成功减少了非质谱干扰，而内标物质的引入和相对比例的测定可有效校正干扰效应。选择适宜的基体匹配方法则最大程度地减少了基体效应对分析结果的干扰，为ICP-MS分析提供了可靠的手段，确保了元素测定的高精度和可靠性。展望未来，随着技术的不断发展，对ICP-MS分析方法的进一步优化和创新将推动元素分析领域迈向更高水平。这些持续的努力将为科学研究和应用实践提供更为精确、可靠的元素测定方法，促使该领域不断取得新的突破。

致谢： 衷心感谢美国华盛顿大学环境学院地球空间科学系的滕方振教授、中国科学院青海盐湖所公共技术中心马云麒研究员和中国科学院地球环境研究所贺茂勇研究员，他们不仅提供了照片，他们专业的建议为本文的进一步完善提供了有力支持，这一过程使得我们的文章更趋完善，也展现了学术界合作与共同进步的精神。

(作者简介：邱军利，博士，副研究员，硕士生导师，中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心从事ICP-MS分析及油气地球化学研究工作。张彩霞，博士，高工，硕士生导师，中国科学院西北研究院所级公共技术中心从事ICP-MS分析及相关研究工作。李中平*，中国科学院西北生态环境资源研究院研究员，博士生导师，同位素地球化学专业，中国地质学会同位素地质专业委员会委员，中国矿物岩石地球化学学会气体专业委员会秘书长，Email:lizhongping@lzb.ac.cn）

附：ICP-MS中多原子干扰列表(引自 T.W. May 1998) 

参考文献：

平台简介： 中国科学院兰州资源环境科学大型仪器区域中心于2012年3月正式成立，是中国科学院在资源环境科学领域的重要科研技术平台。由中国科学院西北生态环境资源研究院牵头，联合兰州、西宁、西安“三地”六个研究所，即：中国科学院西北生态环境资源研究院、中国科学院近代物理研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、中国科学院青海盐湖研究所、中国科学院西北高原生物研究所、中国科学院地球环境研究所通过资源整合而组建而成。中心的设立标志着中国科学院在资源环境科学领域的战略支持和重要投入。其宗旨在于加强资源环境领域的测试分析能力，为该领域的科学研究提供全方位且综合的技术支持。通过整合各研究所的专业优势，致力于推动资源环境领域的基础研究、应用研究与工程研究的创新活动。中心的任务不仅仅为科学家们提供实验数据和技术支持，推动资源环境科学领域的前沿研究，还扮演着促进科学创新、跨学科合作和科研成果转化的重要角色,综合性任务使得中心成为资源环境科学领域的关键组织，塑造领域发展方向方面发挥着重要作用。