電感耦合等離子體質譜中的基質效應

龔子珊,蔣學慧,楊 雨,姜曉梅,汪 曣

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院,天津 300072)

電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)以獨特的接口技術將ICP的高溫電離特性與四極桿質量分析器(MS)快速靈敏掃描的優點相結合,具有靈敏度高、穩定性好、線性范圍寬、可多元素同時檢測以及譜圖相對簡單、離子信息受干擾程度小、樣品制備和進樣技術簡單等特點[1],成為公認的最強有力的痕量元素分析技術,檢測范圍幾乎涵蓋了周期表中所有元素,濃度從pg/mL到μg/mL水平。盡管ICP-MS在元素分析中表現出諸多優勢,但其在檢測復雜基質樣品時,仍然會遇到許多問題。如生物樣本基質成分復雜,除含有大量的大分子蛋白質外,還含有小分子的無機鹽和有機化合物等成分[2-3],采用ICP-MS檢測時不僅會造成霧化器、炬管中心管和采樣錐入口處的堵塞,還會帶來分析物信號的干擾,影響準確定量。

ICP-MS中的干擾可分為質譜干擾和非質譜干擾,質譜干擾是指干擾成分的質譜峰與被分析同位素重疊,對后者的分析產生干擾，主要包括同量異位素重疊干擾、多原子離子干擾和雙電荷離子干擾等。消除質譜干擾的方法主要有數學校正法、冷等離子體技術、屏蔽矩技術、進樣前處理技術、高分辨質譜法以及碰撞/反應池技術等[4-5]。非質譜干擾即基質效應,是指樣品中分析物以外的組分,在樣品的引入和傳輸、離子的產生以及離子的提取和傳輸等環節對分析物離子檢測結果產生的干擾。與無基質溶液相比,基質效應可能會造成樣品溶液中分析物信號強度的抑制或增強。關于質譜干擾的研究已有諸多報道[6-7],并已形成較為成熟和系統的理論體系,但對于基質效應的研究較少,這是因為基質效應的來源比較復雜,機理尚不明確。近幾年來,本課題組在ICP-MS檢測微量元素及基質效應校正方面進行了相關研究[8-11]，本研究結合已有工作,介紹了幾種常見基質效應及影響因素,探究了基質效應產生的可能原因,并對國內外去除基質效應的方法進行了系統的歸納和總結。

圖1 ICP中離子形成過程Fig.1 Process of ion formation in ICP

1 ICP-MS中的基質效應

ICP-MS檢測過程中,被測樣品通過蠕動泵引入到霧化器中,并在載氣(氬氣)作用下形成高度分散的氣溶膠液滴,小的氣溶膠可通過霧室傳輸到等離子炬中,而大的氣溶膠常會沉降在霧室壁,形成廢液排出。其中進入離子炬中的樣品經去溶、蒸發、原子化和電離等過程,形成帶電離子束(圖1),帶電離子束再經過離子提取系統和傳輸系統,最終到達檢測器被檢測。在此過程中,來自樣品溶液或ICP中的其他物質可能會在樣品的引入和傳輸、離子的產生以及離子的提取和傳輸等環節對測定結果產生影響,造成檢測結果的偏差,即基質效應。根據基質效應的種類和影響因素,可從以下幾方面進行討論：

1.1 元素基質

元素基質指的是樣品中含有的除分析物以外的高濃度元素,根據第一電離能大小,可分為易電離元素(Easily ionized elements,EIEs)和難電離元素。EIEs指電離能較低的元素,在ICP-MS的基質效應中研究較多,主要原因是：一方面,EIEs比其他元素產生的基質效應影響更大；另一方面,很多樣品中均含有高濃度EIEs。Todolí等[12]在文獻中指出,EIEs在ICP中的作用比較復雜。

ICP分析中,熱電離是其主要的電離方式,被分析物原子與Ar碰撞釋放出電子成為帶正電荷的離子。雖然加入濃度較高的EIEs時,電子密度的增加相對于等離子體中存在的電子總數并不顯著,但是湯普森和瑞利散射的測量結果表明[18],在EIEs存在下,沿著等離子體中心軸上的電子密度顯著增加。此外,包含EIEs的氣溶膠液滴可能會導致分析物離子附近的電子數量局部增加,從而使熱電離平衡向中性原子方向移動,導致分析物信號受到抑制。Olivares等[19]的研究進一步證明了該觀點,并發現EIEs的干擾程度與其電離能成反比,不同元素對分析物的抑制程度為Na>Mg>I>Br>Cl。但是,Beauchemin等[20]發現EIEs存在的條件下也出現了分析物信號增強或者不變的現象,作者認為單一的熱電離機理并不能解釋這一現象,并將其歸因于碰撞理論,即EIEs的電離加大了原子和電子的碰撞速率,使分析物的電離程度增加,因此導致分析物離子信號增強。

圖2 離子傳輸過程中的空間電荷效應和質量歧視效應Fig.2 Space charge effect and mass bias effect during ion transport

盡管離子透鏡對離子束具有聚焦功能,但是當離子密度非常高時,由于空間電荷效應,同電荷離子會相互排斥致使分析元素離子束明顯膨脹,甚至有的離子偏離到離子透鏡之外造成靈敏度損失。孫傳強[21]通過理論計算得出,空間電荷效應在離子束剛形成的區域比較嚴重,且沿徑向方向,質量數小的分析元素離子要比質量數大的分析元素離子更容易被推向外側,產生質量歧視現象。由于空間電荷效應而導致的這種靈敏度損失與離子動能成反比。這是因為從采樣錐和截取錐出來的離子具有相同的初始速度,離子的能量取決于其質量,所以質量數大的離子具有較大的動能,受斥力影響小,傳輸效率較高,而質量數小的離子受斥力影響大,容易被排斥出離子束而丟失。離子在傳輸過程中的空間電荷效應和質量歧視效應如圖2所示。當樣品中存在濃度高、質量數大的元素基質時,會對質量數小的分析元素造成較強的抑制作用,且元素基質的質量數越大,抑制效果越嚴重。

1.2 含碳基質

含碳基質在環境、生物、食品和石化樣品中含量較高,是ICP-MS中基質效應的一個重要來源。樣品溶液中含碳基質不僅會通過改變溶液的物理化學性質來影響溶液的霧化和分析物的傳輸效率,還會改變ICP狀態和分析物在ICP中的電離行為。Agatemor等[22]研究發現,在ICP不過載的情況下,樣品溶液中易揮發性有機溶劑的存在會改變溶液的物理性質(包括表面張力、密度和粘度等),有利于溶液霧化形成較小的液滴,從而增加了進入到ICP中有效液滴的數量,進而提高分析物傳輸效率,使分析物信號增強。Kralj等[23]的工作也表明,有機物的存在提高了分析物的傳輸效率；Grindlay等[24]指出有機物影響氣溶膠分布和分析物傳輸的結論僅適用于易揮發性有機溶劑,他們研究了不同有機基質(包括甘油、檸檬酸、檸檬酸鉀和碳酸銨等)對難電離元素檢測的影響,發現這些有機基質的存在并未明顯改變溶液的物理性質,與水相比,對溶液的霧化和分析物的傳輸過程也沒有明顯影響。

研究發現,含碳基質對第一電離能在9～11 eV范圍內且電離度小于100%的分析物信號具有增敏作用,如含碳基質會使As、Se、Te、Au、Hg、Be、B和Sb等難電離元素的信號得到增強[25-27]。Allain等[28]報道,與水相比,加入1 mol/L甘油使As、Au和Hg等元素的信號分別提高了2.4、3.2和6.0倍,加入葡萄糖也有類似現象。研究者傾向于將其歸因于C+的電荷轉移反應機理,即在等離子體中,C+離子通過與分析物離子發生電荷轉移反應,提高分析物的電離效率,從而使信號增強。Grindlay等[24]研究了含碳基質對難電離元素的影響,發現P、As、Se、Sb、Te、I、Au和Hg等分析物信號增強與等離子體中含碳的帶電物質有關,C+起主要作用,其他含碳物質如CO+、CO2+、C2+和ArC+等可能也參與并發揮了作用。因此,可以利用含碳基質的增敏作用來提高分析物的檢測靈敏度,尤其對于含量低且難電離的分析物。但過多的含碳基質反而帶來不利影響,由于溶劑負載造成等離子體的溫度降低,且含碳基質會消耗等離子體更多的能量,因此可用于分析物電離的能量就相對減少,從而造成分析物信號的抑制。

1.3 酸基質

酸和EIEs是ICP-MS元素分析中最常見的基質,傳統上,研究人員更多地關注EIEs對ICP-MS檢測的影響,對酸的討論較少,但這不能否定酸影響的重要性。酸(尤其是HNO3)是ICP-MS分析中常用的介質,通常用于不同的樣品預處理程序中(例如固體樣品消解、樣品存儲和分析物穩定化等)。由酸引起的系統行為的改變稱為酸效應。酸對ICP-MS檢測的影響主要通過兩種方式：一是通過改變溶液的物理性質,影響樣品提取速率、氣溶膠尺寸分布和樣品傳輸效率等,從而對分析物信號產生影響；二是通過對分析元素在等離子體中行為的影響而影響分析物信號。在自然提取模式下(不施加外力),酸的加入會使溶液的密度和粘度增大,導致樣品提取率降低。研究發現,30%的H2SO4和H3PO4溶液的樣品提取率約為水的50%[29],使用蠕動泵雖然可以減小但并不能消除這種影響。

Liu等[30]研究了HNO3對ICP-MS檢測Hg的影響,發現隨著HNO3濃度的增加,Hg信號所受到的抑制程度也明顯增加。他們還考察了不同種類的酸對Hg信號的影響,發現H2SO4和H3PO4對Hg的信號抑制程度最大,HNO3和HClO4次之,HCl最小。說明酸效應不僅與其濃度有關,還與其種類有關。對于大多數元素,酸效應對分析物信號表現出抑制作用,且抑制程度隨著酸濃度的增加而增加。但也會出現分析物信號增強現象。García-Poyo等[31]研究發現,加入2%(質量分數)H2SO4后,Te、Se、As和P等元素信號出現增強,推測可能是在等離子體中發生了S+的電荷轉移反應,使分析物總離子數增加所致。Chen等[32]將酸對B元素的增強作用歸因于庫侖裂變機理,庫侖裂變使大的氣溶膠液滴破碎成小液滴,更多有效液滴進入到等離子體中,從而使B的信號增強。Stewart等[33-35]提出酸效應對分析物的抑制或增強與ICP-MS的操作條件有關,采用“魯棒性”條件(即高射頻功率和低霧化氣流速)可減少酸對分析物的抑制作用,甚至出現分析物信號增強的現象。

1.4 其 他

此外,通過改變儀器條件,可在一定程度上調節基質效應對分析物信號的影響。儀器條件主要包括霧化器和霧化室的設計、樣品提升速率、霧化氣流速、射頻功率、采樣深度和離子透鏡電壓等[36]。儀器條件本身雖然不是基質效應產生的原因,卻會影響基質效應的影響程度和方向。

2 基質效應去除方法

目前,消除基質效應的方法包括采用適當的樣品前處理方法、選擇合適的樣品引入系統、優化儀器參數以及采用校準方法等[36]。由于每種方法均有各自的局限性,通常采用兩種或者兩種以上方法配合來實現消除或者校正基質效應的目的。

2.1 樣品前處理方法

基質效應的程度取決于基質成分的絕對濃度,通過適當的樣品前處理方法,能把基質效應減少到無關緊要的水平。直接稀釋法是一種常用的樣品前處理方法,這種方法操作簡單、經濟、高效[8-9],不僅可減少基質效應,而且當溶液中含有較高濃度的總溶解固體(TDS)時,也可以通過這種方式得到稀釋,從而減少對霧化器和采樣錐的堵塞以及導致的儀器漂移現象。但對于本身含量比較低的分析物,該方法會降低檢測靈敏度,而且會使背景信號變得嚴重。

化學分離法相對來說是一個比較好的選擇,常用的化學分離技術有沉淀法[37]、液液萃取[38]、濁點萃取[39-40]和固相萃取[10]等。通過化學分離的方法,不僅可凈化基質,也在一定程度上使分析物得到富集,從而提高檢測靈敏度。前3種方法是比較傳統的化學分離方法,尤其是共沉淀法和液液萃取法,其缺點是分離過程中需消耗大量的有機試劑,不符合綠色環保的理念。濁點萃取盡管消耗試劑相對較少,但萃取量有限。固相萃取法是近年來比較受歡迎的一種化學分離方法,一般不需要消耗有機溶劑,簡單、快速、環保、吸附容量大,尤其是隨著可供選擇的吸附劑種類的增多,使其也越來越受到分析檢測工作者的青睞[10]。幾種化學分離法去除基質效應的原理和特點對比如表1所示?；瘜W分離法雖能有效減少樣品的基質及其產生的干擾,但分離過程較為耗時,還可能造成某些元素的丟失和對低含量元素的污染。

色譜分離技術(液相色譜、離子交換色譜、毛細管電色譜或氣相色譜)與ICP-MS聯用能有效地將色譜的高效分離特性和ICP-MS的高靈敏度結合,還利用了固相萃取技術的特點,可實現在線的基質凈化和分析物富集。尤其在元素形態分析(同一元素的不同形態)方面,色譜與ICP-MS聯用技術,特別是液相色譜與ICP-MS的聯用,已成為一種標準檢測手段[41-43]。但色譜分離系統中通常使用較高濃度的緩沖鹽(如磷酸鹽、醋酸鹽等)或者一定比例的有機溶劑(如甲醇、乙腈等),會造成ICP-MS管路、接口錐的堵塞,同時有機溶劑也會影響等離子體狀態的穩定性,對分析物信號產生干擾[44]。將色譜系統微型化以減少緩沖鹽和有機溶液的使用,是減少基質效應的一個發展方向,如毛細管電色譜和微流控分析芯片等,但是霧化室的霧化效率有待進一步提升。

表1 化學分離法對比Table 1 Comparison of chemical separation methods

2.2 樣品引入系統

在樣品引入過程中,可能會導致分析物信號的抑制或增強,因此選擇合適的霧化器和霧化室是需要考慮的一個重要因素。霧化器的作用是將樣品溶液變成高度分散的氣溶膠,常用的有微同心霧化器和交叉流霧化器。傳統的微同心霧化器在連續進較高濃度TDS樣品(如生物樣品和海水樣品等)過程中會發生阻塞,導致分析物信號降低。交叉流霧化器采用垂直設計的方式,相對于微同心霧化器雖可減少此現象,但效果仍然不理想。因此,一些耐高鹽的霧化器(如V型槽霧化器、Babington霧化器、Hilderbrand網格式霧化器和Conespray霧化器等[22])應運而生。霧化器產生的氣溶膠經過霧化室的篩選作用,大的氣溶膠液滴被剔除,小的氣溶膠液滴(通常<10 μm)可以傳遞到等離子體中,但霧化室的氣溶膠傳輸效率通常不足10%,大部分形成了廢液。霧化室的設計會影響三級氣溶膠的特性,進而改變基質效應對分析物信號的影響程度和方向,最常見的是雙通道Scott型霧化室和旋流霧化室。雙通道Scott型霧化室傳輸效率比旋流霧化室低,但具有更高的耐鹽性[45]。此外,霧化室加熱、超聲波霧化、氫化物發生、去溶裝置、流動注射和電熱蒸發等特殊的樣品引入技術,在提高霧化效率和傳輸效率、降低干擾和對等離子體的溶劑負載等方面取得了較好的效果[46-47]。

2.3 優化儀器參數

通過調節儀器參數(如樣品提升速率、霧化氣流速、射頻功率、采樣深度和離子透鏡電壓等)雖然不能消除基質效應,但是在一定程度上可以降低基質效應的影響程度[21]。例如,減小樣品提升速率和霧化氣流速,可減少進入等離子中樣品的絕對量,從而減小基質效應。減小霧化氣流速,還可降低樣品溶液對等離子體中心通道的冷卻作用,增加分析物在等離子體中的停留時間,使其能夠得到充分電離,增加采樣深度也可實現這一目的。增加等離子體的射頻功率可改善分析物的離子化程度,從而減小基質效應,但同時也會導致更多的雙電荷離子。在這些儀器參數中,改變樣品提升速率和霧化氣流速在減少基質效應中發揮著重要作用[36,48]。

2.4 校準法

2.4.1 內標法內標法是分別向標液、樣品和空白溶液中加入等量的內標元素,通過分析物信號強度和內標元素信號強度的比值繪制標準曲線進行定量分析的方法,是校正基質效應最常用的方法。內標元素通常是樣品中所不含有的元素,常用的內標元素有6Li、45Sc、72Ge、89Y、103Rh、115In、169Tm、175Lu、185Re和209Bi等。理想情況下,所選擇內標元素的質量數、第一電離能以及化學行為應和分析物相近。但由于ICP-MS是一種多元素檢測技術,因此通常采用一種以上的內標元素來對不同質量數的待測元素進行分別校正。De Boer等[3]根據內標元素的質量數和第一電離能列出了常見內標元素45Sc、72Ge、103Rh、125Tn、185Re和209Bi的適用范圍(表2)。Finley-Jones等[49]對51種元素及影響內標元素選擇的多個因素進行了考察,發現質量數是影響內標元素選擇的最主要因素。使用正確的內標元素,不僅簡化了樣品制備和定量過程(可以使用由簡單標準溶液制備的校準曲線來定量復雜基質溶液中的分析物濃度),還可以校正儀器的漂移、由于錐體堵塞而導致的漂移以及噪聲等影響。

表2 常見內標元素適用范圍[3]Table 2 Suitability of common internal standard elements[3]

2.4.2 基質匹配法對于基質不是非常復雜的樣品,可通過基質匹配的方法進行校正?；|匹配法是在實驗室條件下,向標準曲線溶液中加入和樣品基質相似的模擬基質來消除基質效應影響的方法。采用基質匹配的方法,無需從分析物中分離基質,不僅減少了樣品前處理步驟、增加了樣品通量,還避免了由于樣品前處理過程可能導致的分析物損失或污染。汪曣課題組[8-9]在檢測人血清中微量元素時,研究了5種不同成分的稀釋劑對微量元素檢測的影響。實驗發現,以TBAOH(正四丁基氫氧化銨)、Na2EDTA(乙二胺四乙酸二鈉)和Triton X-100(曲拉通-100)為有效成分的弱堿性稀釋劑更適合人血清中微量元素的檢測。Gajek等[50]用NaCl和正丁醇分別作為鈉源和碳源,同時向稀釋劑中加入NH4OH、乙二胺四散乙酸二鈉、Triton X-100來配制標準曲線,實現了與人血漿、人血清的基質匹配,成功用于Mn、As、Cd、W、Hg、Pb和U等痕量元素的高靈敏檢測。但通過模擬基質的方式很難實現真正的基質匹配,尤其是對于基質復雜的環境和生物樣品。而一些市售的基質種類有限、價格昂貴,所以一般基質匹配法會和內標法一起使用來校正基質效應。

2.4.3 標準加入法當樣品基質成分比較復雜且分析物含量較低,或者很難用基質匹配的方法對基質效應校正時,可采用標準加入法[51]。標準加入法是在幾個等份樣品中各加入一份逐漸遞增且遞增量相等的含有一個或多個待測元素的標準溶液,用于定量的標準曲線由這些加標的樣品和未加標的原始樣品組成。由于標準曲線和樣品基質相同,采用標準加入法可很好地校正基質效應。Huang等[52]使用在線標準加入法成功檢測了人血清中Al、Mn、Fe、Co、Cu和Zn等元素。但該法比較耗時,不適合大樣本量分析,具有一定的局限性。

2.4.4 同位素稀釋法同位素稀釋法是校正ICP-MS中基質效應比較好的方法,該法是在樣品中加入各種分析元素的同位素作為內標元素,因此分析元素和內標元素在化學行為上可高度一致,從而達到比較理想的校正效果[53]。但同位素稀釋法要求分析元素存在至少兩種穩定同位素,不適合無同位素的元素(如Al、As、Au、Cs、I和Mn等)和只有一個同位素不存在同量異位素干擾的元素(如Cd、Ce、In、Rb、Re和V等)。而且,同位素標準溶液價格昂貴,經濟性和普適性受限。

3 結 論

本文總結了ICP-MS中常見的基質效應及其對分析元素檢測的影響,并系統闡述了基質效應的去除方法。在基質效應的研究上,科學工作者給出了許多指導性的結論。盡管如此,在未來的研究中仍有許多工作要做。目前對于基質效應的機理研究,更多的還是依靠理論推測,缺乏直觀的實驗驗證。如含碳基質對分析元素具有一定的增敏作用,尤其對于砷元素和硒元素,這種增敏效果較明顯。學術界普遍認可的觀點是,在等離子體中,碳離子與分析元素離子發生了電荷轉移反應,提高了分析元素的電離效率,這種觀點主要是基于元素本身性質和電離能的差異,但無法提供更為直觀的驗證手段。目前,雖然已有多種技術用于消除或校正基質效應,但每種方法均有各自的局限性,需多種技術優化組合,才能實現更有效的基質效應校正。此外,在不提高對儀器要求的前提下,基于新型試劑或者新型材料的樣品前處理方法有望成為解決基質效應、實現“無干擾”技術檢測的一個發展方向。