ICPMS讲解

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）药物分析与质量评价实验室目的和要求1、掌握ICP-MS的特点2、熟悉ICP-MS的基本结构3、了解ICP-MS的应用一、ICP-MS简介电感耦合等离子体质谱，即ICP-MS（InductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry），它以独特的接口技术将ICP的高温（8000K）电离特性与四极杆质谱仪灵敏快速扫描的优点相结合，形成了一种新型的元素和同位素分析技术在分析能力上，ICP-MS可取代传统的电感耦合等离子体光谱（ICP-AES）、石墨炉原子吸收光谱（GF-AAS）、火焰原子吸收光谱（F-AAS）等分析技术。ICP-MS作为质谱仪离子源的优势在于：一、获得了进样条件和样品激发所需要的可控且无污染的高温环境；二、将样品快速完全地引入到一个对所有期望发生的过程都有足够滞留时间的环境。与传统无机分析技术相比，ICP-MS技术具有更低的检出限、更宽的动态线性范围、更高的分析精密度和分析速度等优点，并且还可以提供精确同位素信息。该技术不仅可以通过离子的荷质比进行无机元素的定性分析、半定量分析和定量分析，同时能与激光采样（LA）、液相色谱（LC）、气相色谱（GC）、毛细管电泳（CE）、离子色谱（IC）等进样或分离技术进行联用。ICP-MS特点（1）激发能力强（2）灵敏度高（3）检出限低（4）线性范围宽（5）基体效应和自吸收现象小（6）不受电极材料污染二、ICP-MS的结构和工作原理1、ICP-MS的结构ICP-MS主要由样品引入系统、离子源、质量分析器、离子检测器和辅助系统构成。样品引入系统按引入样品的形态可分为气体、液体和固体进样法。气体进样法包括气相色谱(GC)和化学蒸气法。将液体样品引入气流的最方便方法是用雾化器产生气溶胶。目前常用的固体样品引入法主要有火花烧蚀(SB)、激光烧蚀(LA)、SN、DSI和ETV等。离子源离子源是感应耦合等离子体(ICP),与原子发射光谱仪中的ICP相同,主体是一个由3层石英套管组成的炬管,炬管上端绕有负载线圈,线圈由高频电源耦合供电,能产生垂直于线圈平面的磁场。如果通过高频装置使氩(Ar)气电离,则Ar离子和电子在电磁场作用下又会与其它Ar原子碰撞产生更多的离子和电子,形成涡流。强大的电流产生高温,瞬间使Ar气形成温度可达10000K的等离子焰炬。样品由载气带入等离子体焰炬时发生蒸发、分解、激发和电离。质量分析器质量分析器是将离子源产生的离子按质荷比(m/z)不同分开。常用的是四极杆型,其次还有双聚焦、飞行时间(TOF)和离子阱型,其原理均与有机质谱中所用的质量分析器相同。离子检测器离子的检测主要使用电子倍增器和法拉第杯。法拉第杯是一个没有增益的金属电极,具有较高的灵敏度,可扩展动态线性范围的上限。辅助系统主要包括真空、接口、透镜和碰撞/反应池系统等。为保证离子在质量分析器等部件中正常运行,消减不必要的离子碰撞,散射效应和离子-分子反应等发生,ICP-MS必须具有真空系统。真空系统一般由机械真空泵和涡轮分子泵或扩散泵组成。2、ICP-MS工作过程目前上市的ICP-MS的结构和原理基本相同，可简单描述为：样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的MS部分。首先，样品通过一定的方式变成气溶胶状态进入等离子体高温中心通道，ICP作为质谱的高温离子源（8000K），样品在高温中心通道经过蒸发、解离、原子化、电离等过程后，绝大部分转化成带一个正电荷的离子；然后与电子、光子、氩（Ar）原子一起以超声波速度通过采样锥膨胀，由于截取锥后的提取透镜一般为负电压，样品正离子被吸引通过截取锥小孔，而大量Ar原子被机械泵抽走，电子被推斥向接地截取锥而淹没；正离子从大气压等离子体进入真空系统后，因同性相斥而膨胀，电聚焦透镜将它们集中成一束进入透镜，再对正离子进行之字形偏转，不带电的样品基体、中子、光子与样品正离子进一步分离并撞击仪器壁而消除；然后正离子进入四极杆滤质系统，并按荷质比不同将其按顺序分离。MS部分为四极快速扫描质谱仪，从ppq到1000ppm直接测定。定性和定量方式（1）通过质荷比进行定性分析（2）半定量分析，不需要标准溶液，多数元素测定误差小于20%3）用标准溶液校正进行定量4）同位素比测定半定量分析常规定量分析(QuantitativeAnalysis)中,对于需进行分析测量的每一种元素都必须提供标准溶液,在完成标准曲线后才能进行分析测定;而ICP-MS半定量分析不需要对所进行分析测试的每一个元素都提供标准物质,它只需以一种或几种已知浓度的元素作为标准溶液,以此为基础对ICP-MS所能分析的所有元素或被选定测量的元素进行测量,从而获得样品中有何种元素及元素浓度的相关信息。半定量分析准确度为±30%,当标准曲线所选用的元素与未知样品中元素相匹配时,半定量分析结果较接近定量分析。ICP-MS作为一种现代无机分析技术，不仅能胜任无机药物分析这一任务，还能将有机药物分析转化成简单的无机分析。尤其是在药物代谢产物方面，LC-MS虽可被当作识别手段，但如果没有合适的对照品（通常是没有对照品的），要进行定量分析是较困难的，且放射标记合成也费时费力，成本较高。考虑到在定量分析方面单用LC-MS的缺陷，ICP-MS就成了较为理想的选择。它克服了电喷雾（ESI）、紫外（UV）定量分析与样品分子结构有关的局限，并且不必选择与待测物结构相同或相似的标准物进行定量分析。三、ICP-MS在药物分析中的应用ICP-MS已被应用于药物研究分析领域中，主要包括药物及其代谢产物定量分析、体内药物分析、药物的一般杂质检查及中药质量评价和控制等领域和方向。药物及其代谢产物定量分析现行的含量测定方法，对含金属或卤素等元素的有机药物分析之前，需要作适当处理，这样不仅费时费力，还会消耗大量样品，特别对于生物样品的分析而言不可取。在ICP-MS的应用过程中，对定量分析研究较为重要的元素有：（1）碱金属和碱土金属；（2）过渡元素中的铬、铁、铜、锌等；（3）贵重金属铂；（4）非金属磷、硫、硒、氯、溴、碘；（5）其它元素，包括汞和砷等。ICP-MS也常被用于分析放射性元素，因此只要待测物中含有上述任何一种元素就可以用ICP-MS进行快速定量分析。体内药物分析与常规药物分析相比，体内药物分析在选择性、灵敏度和分析对象等方面都有许多差异。生物样品更为复杂：微量药物分布在大量生物介质中，并伴有大量内源性物质和代谢物的干扰，这大大增加了分析的难度，同时生物样品量少，不易重新获得。因此，选择灵敏度高和选择性好的分析方法较为重要。从理论上说，ICP-MS的高灵敏度和选择性为分析来自生物样品中含有可被其检测的元素提供了较为理想的分析手段。ICP-MS在含砷、铋、铝和铂等药物的体内药物分析中有很好的分析效果。特别是对AAS无法测定的含铂类药物分析，ICP-MS更是理想的方法。药物的一般杂质检查现今通行的重金属限量检查和砷盐检查法是在现代分析仪器问世前建立起来的，这两类杂质对人体健康的危害较大。虽然药典规定的方法通用性好，不需要昂贵的仪器和训练有素的操作人员，但易受操作人员主观影响；且样品用量大，无法进行定量和分类分析；而加热或灰化等操作也易引起挥发性元素的损失；此外，有色供试品的处理、药物生成不溶性硫化物，其他金属元素的存在等因素都加大了检测难度，导致传统方法重现性差甚至根本无重现性可言。而ICP-MS的分析特点却可以克服以上缺点，并且具有较高的灵敏度，可用于分析具有复杂基体的重金属元素，在回收率方面也不受样品基体中化合物如鳌合金属离子的影响，并且使分析变得简单易控。因此，有人提出用ICP-MS来进行药物、药物中间体以及原料药的一般杂质检查工作，以取代《美国药典》、《英国药典》等收载的重金属限量检查和砷盐的检查方法。中药材质量评价和控制中药材是我国的传统医药，其质量评价的依据之一就是中药中的微量元素。但由于中药具有成分复杂、微量元素含量低、形态复杂等特点，因此，对其测定方法选择的首要条件就是要灵敏度高、选择性好。ICP-MS问世后，因被公认为元素分析最有效的方法，而被引入到中药微量元素的分析中。ICP-MS应用中存在的问题ICP-MS作为一种新的分析技术，尽管在各方面都表现出了不凡的优点，但其在应用中存在的问题却不容忽视。如：信号的波动，氧化物、双电荷离子、多原子离子、同量异位素等因素的干扰等。信号波动解决办法：内标的应用对校正信号波动是行之有效的办法，质量数接近的被分析元素受信号波动和基体效应的影响相近，所以内标的选择以质量数接近为好；而在进行多元素分析时，应用双内标或多内标是较好的解决办法，且也应选择质量数尽可能相近的元素作内标。ICP-MS未来发展如今的ICP-MS分析技术正在向各个应用领域渗透，与有机质谱联合应用是其发展的一个重要方向，并且随着研究的不断深入，其性能也在不断完善，因此与其相关的联用技术也必将得到广泛的重视和发展。参考文献黄建权，胡欣，张君仁等.ICP-MS技术在药物分析中的应用.西部药学，2006，3（1）：27