想成為ICP-MS分析高手，必須掌握的技能

上海連橋生物科技有限公司

ICP-MS的組成部件一般比其它原子光譜儀器復雜。為確保儀器處于最佳狀態(tài)，ICP -MS的日常維護需要花的時(shí)間相應也要長(cháng)一些。有些地方只需要用眼睛簡(jiǎn)單檢查一下，有些地方則需要經(jīng)常清洗或更換部件。日常維護對于ICP-MS而言極為重要的，這將影響ICP-MS的性能和使用壽命。

ICP-MS的基本原理

　從10000K高溫的等離子體中通過(guò)接口提取離子進(jìn)入真空度約為10-6Torr的質(zhì)譜儀。樣品以液體氣溶膠(在激光燒灼中是固體顆粒)形式被引入，在等離子體被電離，在此區域基體和待測元素的離子被引入質(zhì)譜儀進(jìn)行分離，最后由離子檢測系統進(jìn)行檢測。

這一原理使得ICP-MS具有wuyu倫比的同位素分析的選擇性和靈敏性。但也因此存在其自身的弱點(diǎn)，樣品是“流人"質(zhì)譜儀，而不是像火焰AAS和ICP -AES那樣“通過(guò)"激發(fā)源。這意味著(zhù)產(chǎn)生熱的問(wèn)題、腐蝕、化學(xué)侵蝕、堵塞、基體沉淀和漂移的可能性都比其它原子譜儀器要高得多。

然而只要充分認識到這一事實(shí)，對儀器組件定期檢查可以減輕甚至消除這些潛在的問(wèn)題。需要定期或半定期檢查和維護的主要區域是：進(jìn)樣系統、等離子體炬管、接口區域、離子光學(xué)系統、機械泵、空氣過(guò)濾器和循環(huán)水過(guò)濾器。

進(jìn)樣系統

　進(jìn)樣系統由蠕動(dòng)泵、霧化器、霧室和排廢液系統等部分組成，進(jìn)樣系統最先接觸樣品基體，因而是ICP MS中需要很多維護和注意的地方。

① 蠕動(dòng)泵泵管：一般由聚合物材料制成，蠕動(dòng)泵的滾動(dòng)軸提供泵的運動(dòng)和穩定的壓力，可以確保連續的液流泵入霧化器。但是，長(cháng)時(shí)間使用后，滾動(dòng)軸持續拉伸泵管，使得泵管的內徑改變，從而改變輸入霧化器的樣品流量，造成待測元素的強度發(fā)生不穩定的變化，長(cháng)期的穩定性降低。

　因此，每隔幾天應該檢查泵管的狀態(tài)，尤其是實(shí)驗室分析的樣品量大，或者分析腐蝕性*的溶液。蠕動(dòng)泵泵管極有可能是最容易忽視的區域，因此應該視為例行日常維護的工作之一。

以下幾點(diǎn)提示可減少泵管出現問(wèn)題：

a．新的泵管在使用之前用手拉伸一下；

b．對泵管保持正確的拉力；

c．確保泵管正確放置在蠕動(dòng)泵的通道內；

d．定期檢查樣品的提升情況，如有問(wèn)題則更換泵管；

e．如果泵管一旦發(fā)生磨損，建議立刻更換；

f．分析的樣品量大時(shí)，隔天或隔周更換泵管，視樣品量而定；

g．儀器不進(jìn)樣時(shí)，及時(shí)釋放泵管上的壓力；

h．泵管和進(jìn)樣毛細管可能造成的沾污；

i．泵管是一種消耗品，建議多備一些存貨。

②霧化器: 維護霧化器的頻率主要取決于被分析樣品的類(lèi)型及霧化器的具體設計。例如，在交叉型霧化器中，氬氣直接以90°通入毛細管管頭，而在同心霧化器中氬氣輸入方向與毛細管平行。

在交叉型霧化器中，液體毛細管的直徑更大，液體和氣體噴嘴之間的距離更長(cháng)，使得它比同心霧化器更能承受樣品中溶解的固體鹽分和懸浮的顆粒。另外，交叉型霧化器中生成氣溶膠的效率低于同心霧化器，因此其產(chǎn)生的霧滴更少。正因如此，同心霧化器比交叉型霧化器靈敏度高，準確度稍高，但更容易被堵塞。

具體選擇哪一種霧化器通常由樣品的類(lèi)型和分析的數據質(zhì)量目標而定。但是，不管采用哪一種，應該注意確保霧化器的噴嘴沒(méi)有被堵塞。有時(shí)候操作人員可能沒(méi)有注意到，細顆?？赡芤呀?jīng)在霧化器的噴嘴上沉淀，長(cháng)時(shí)間導致靈敏度降低，結果不準確，長(cháng)期的穩定性較差。除此之外，O形圈和進(jìn)樣毛細管被溶液腐蝕，儀器的性能也會(huì )降低。因此，霧化器應該是例行維護的部件之一。

檢查過(guò)程中通常要考慮以下幾點(diǎn)

　　a．吸入水，以肉眼檢查霧化器產(chǎn)生的氣溶膠(霧化器一旦被堵塞，由于含有許多大的霧滴，通常形成的噴霧會(huì )不穩定)。

　　b．氬氣氣流反方向加壓或將霧化器放入合適的酸液或溶劑中浸泡，可以消除堵塞；也可以采用超聲波清洗促進(jìn)堵塞物溶解(要與制造廠(chǎng)商確認，是否允許超聲波清洗該類(lèi)型的霧化器)。

　　 注意：不要用任何金屬絲之類(lèi)去捅霧化器噴嘴，這有可能導致yong久性的損壞。

　　c．確保霧化器被安全密封在霧室的端帽上。

　　d．檢查所有的O形圈的損壞和磨損情況。

　　e．確保進(jìn)樣毛細管正確連接到霧化器的進(jìn)樣管路中。

　　f．每隔1～2周檢查霧化器，檢查周期由工作量決定。

　?、?霧室：迄今為止，商用ICP-MS儀器中霧室最常采用的一種設計是雙通道設計，氣溶膠直接進(jìn)入霧室的內管來(lái)選擇小的霧滴。大的霧滴從內管出來(lái)后通過(guò)重力作用由排廢液管排出霧室。排廢液管的末端有一個(gè)U形管形成液封，使得氣溶膠保持正壓，迫使小的霧滴由霧率的外壁和內管之間回流，從霧室出口進(jìn)入等離子體炬管的中心噴射管中。Scott型雙通道霧室的形狀、大小、材料多種多樣，但對于日常使用而言，它的設計被認為是最經(jīng)久耐用的。

　　霧室的維護，重要的是確保排廢液管正常排液。排廢液管發(fā)生故障或泄漏可能導致霧室內的壓力發(fā)生變化，使得待測元素的信號產(chǎn)生波動(dòng)，導致數據不穩定或不準確，精密度變差。霧室和等離子體炬管中樣品噴射管之間的O形圈發(fā)生老化也會(huì )出現類(lèi)似問(wèn)題，但后者老化出現的概率較小。

　　對霧室傳統的維護包括：

　　a．確保排廢液管固定緊密，不發(fā)生泄漏；

　　b．確保從霧室出來(lái)的廢液由蠕動(dòng)泵排廢液管排出；

　　c．如果使用液封，要確保排廢液管中的液面穩定；

　　d．檢查霧室和炬管中心噴射管之間的O形圈和球形磨口接頭，確保連接得恰到好處；

　　e．霧室可能是一個(gè)某些基體／待測元素形成沾污的污染源，因此在測下一個(gè)樣品之前要*沖洗干凈；

　　f．儀器不用時(shí)將霧室中的液體排空；

　　g．每隔1～2周應檢查霧室和排廢液管，具體由工作量而定。

　等離子體炬管

　　等離子體炬管和樣品噴射管不僅與樣品基體和溶劑接觸而受到腐蝕，而且還要在點(diǎn)火后維持溫度約10000K的等離子體。

這些因素使得炬管所處的環(huán)境非常惡劣，因而炬管需要經(jīng)常檢查和維護。主要的問(wèn)題之一是由于高溫和液體樣品的腐蝕性質(zhì)使得石英炬管的外管受到沾污和變色。如果問(wèn)題嚴重，有可能導致放電。另一個(gè)問(wèn)題是樣品噴射管等被樣品基體組分堵塞。

當氣溶膠離開(kāi)樣品噴射管時(shí)，發(fā)生“去溶"，這意味著(zhù)樣品在進(jìn)入等離子體之前已由小的霧滴轉變成微小的固體顆粒。尤其是對于某些樣品基體，這些顆粒在樣品噴射管上長(cháng)時(shí)間沉積，有可能導致堵塞和漂移。

　　實(shí)際上，當霧化有機溶劑時(shí)，如果在霧化氣流中沒(méi)有加入少量的氧，碳迅速在樣品噴射管和錐孔上產(chǎn)生積累，這個(gè)問(wèn)題可能更為嚴重。

　　有些炬管使用金屬屏蔽圈來(lái)減低等離子體和炬管之間的放電。由于高溫和RF電磁場(chǎng)的影響，這些金屬屏蔽圈或屏蔽炬都是消耗品，其狀態(tài)不好時(shí)會(huì )影響儀器的性能，因此用戶(hù)時(shí)刻都應該意識到這點(diǎn)，在需要時(shí)對其進(jìn)行更換。

　　對炬管的維護有以下一些技巧：

　　a．檢查石英炬管外管上的變色或沉積情況——如有必要將炬管浸泡在合適的酸或溶劑中去除上面的污物；

　　b．檢查炬管的熱變形情況——不同心的炬管會(huì )導致信號損失；

　　c．檢查樣品噴射管的堵塞情況——如果樣品噴射管是可拆卸式的，如有必要可將噴射管浸泡在合適的酸或溶劑中，如果炬管是不可拆卸式的，可將整個(gè)炬管浸泡在酸中；

　　d．重新安裝炬管時(shí)，確保炬管放置在負載線(xiàn)圈的中心，并與采樣錐之間保持正確的距離；

　　e．如果由于某種原因取下過(guò)線(xiàn)圈，則在重新安裝時(shí)要按照操作手冊中推薦的方法檢查，以確保線(xiàn)圈每一圈之間的距離是正確的；

　　f．檢查O形圈和球形磨口接頭的磨損和腐蝕情況——必要時(shí)更換；

　　g．如果采用金屬屏蔽炬與線(xiàn)圈接地，需確保屏蔽炬處于正常的運行狀態(tài)，并根據需要及時(shí)檢查，必要時(shí)更換；

　　h．每隔1～2周應檢查炬管，具體視工作量而定。

　　接口區域

接口區是ICP和MS的連接區域，通過(guò)采樣錐和截取錐這兩個(gè)錐，在大氣壓下電離的等離子體被引人10-6Torr壓力的質(zhì)譜儀中。

　　將ICP這樣高溫的離子源與質(zhì)譜儀的金屬接口連接起來(lái)，這對儀器的接口區域提出*的要求，這也是在以前的原子譜技術(shù)中從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)的。再加上基體、溶劑、分析物離子以及顆粒物、中性粒子均以*的速度沖擊接口錐，這在接口區域造成了一個(gè)ji端惡劣的環(huán)境。

　　接口最常見(jiàn)的問(wèn)題是采樣錐、截取錐的堵塞和腐蝕，一般而言采樣錐孔的情況比截取錐更加明顯。堵塞和腐蝕并不總是顯而易見(jiàn)的，因為錐上堵塞物的積累和錐孔的腐蝕常常要經(jīng)歷很長(cháng)的一段時(shí)間。因此采樣錐和截取錐要定期檢查和清洗，其頻次通常取決于所分析樣品的類(lèi)型和ICP-MS質(zhì)譜儀的設計。

　　例如，已有大量研究文獻資料表明，接口區域的二次放電會(huì )使采樣錐過(guò)早的變色和退化，尤其是當儀器分析復雜基體樣品或者儀器高通量地分析樣品時(shí)更是如此。

　　除了接口錐之外，接口區域的金屬腔室也同樣暴露在等離子體的高溫之下。因此接口區域腔室需要用循環(huán)冷卻水系統進(jìn)行冷卻，冷卻水通常含有某種成分的抗凝劑和防腐劑，或者用不循環(huán)的連續流動(dòng)水也可以冷卻。采用循環(huán)冷卻水系統可能更廣泛些，因為它可以把接口區域的溫度控制得更準。除了需要經(jīng)常檢查循環(huán)冷卻水的質(zhì)量以確保接口冷卻系統沒(méi)有腐蝕之外，接口腔并不需要真正的日常維護。如果由于某種原因導致接口變得太熱，這通常會(huì )觸發(fā)儀器的安全聯(lián)鎖保護，及時(shí)熄滅等離子體。

　　下面這些提示有助于延長(cháng)接口和錐的壽命

　?、?檢查采樣錐和截取錐是否潔凈，是否有樣品沉淀——通常每周要檢查一次，這取決于樣品的類(lèi)型和工作的負荷。

　?、?應用儀器制造商推薦的方法拆卸和清洗錐。通常包括：把錐浸沒(méi)在盛有稀酸的燒杯里、或者浸沒(méi)在含有清洗劑的熱水里、或者浸沒(méi)在超聲水浴或酸浴里，也可以使用細毛絨布料或者粗拋光粉進(jìn)行擦拭。

　?、?不要用任何金屬絲來(lái)戳錐孔——這會(huì )造成yong久性的損壞。

　?、?析某些樣品基體時(shí)鎳錐會(huì )很快退化——建議使用鉑錐分析強腐蝕性溶液和有機溶劑。

　?、?用10～20倍的放大鏡周期性檢查錐孔的直徑和形狀-不規則的錐孔形狀會(huì )影響儀器性能。

　?、?待錐*干燥后方能安裝回儀器-否則上面的水和溶劑會(huì )被真空系統抽入質(zhì)譜儀。

　?、?檢查循環(huán)水系統的冷卻水，可以發(fā)現接口區域腐蝕的信息-例如銅鹽者鋁鹽(或者接口使用的其它金屬)。

　為了使離子最大可能地進(jìn)人質(zhì)譜儀，離子光學(xué)系統通常緊靠在截取錐的后面。離子光學(xué)系統有很多種不同的商業(yè)設計和布局，但有一點(diǎn)是相同的，那就是最大可能地傳輸分析物離子，同時(shí)最大可能地避免離子進(jìn)入質(zhì)量分析器。

　　離子透鏡系統并不像大家想的那樣不需要經(jīng)常檢查，由于它距離接口區域很近，會(huì )積累一些小的顆粒物和中性粒子，時(shí)間久了，這些粒子會(huì )被撞擊重新電離，從而進(jìn)入質(zhì)量分析器，影響儀器的性能。一個(gè)臟的或者被沾污的離子光學(xué)系統通常會(huì )使儀器的穩定性變差，并需要逐步提高離子透鏡電壓。

　　因此，無(wú)論使用何種設計的離子光學(xué)系統，每2～3個(gè)月(取決于工作負荷和樣晶類(lèi)型)檢查和清洗該系統，這一步驟應該是完整的預防性維護計劃的一個(gè)重要組成部分。

　　下面一些提示有助于保持離子光學(xué)系統的最人離子傳輸效率和良好的穩定性

　?、?經(jīng)常監視靈敏度是否有損失，尤其是進(jìn)行復雜基體檢測后；

　?、?如果清洗了進(jìn)樣系統、炬管和接口錐后，靈敏度依然較低，則可能意味著(zhù)離子透鏡系統已經(jīng)變臟；

　?、?重新調節或者重新優(yōu)化離子透鏡電壓；

　?、?如果重新優(yōu)化后的透鏡電壓和以前的電壓有顯著(zhù)的不同(通常比以前設定的電壓要高)，則極有可能是透鏡變臟；

　?、?當透鏡電壓變高得令人無(wú)法接受時(shí)，意味著(zhù)離子透鏡系統可能需要清洗或者更換——按照儀器操作手冊推薦的程序進(jìn)行；

　?、?由于離子光學(xué)系統設計的不同，有的離子透鏡系統需要用水或稀酸浸泡清洗或超聲清洗，有的離子透鏡系統需要用砂紙和拋光粉進(jìn)行清潔，并用水和有機溶劑沖洗，有的離子透鏡系統則是消耗品，無(wú)法維護，過(guò)一段時(shí)期后需要更換；

　?、?清洗完離子光學(xué)系統后，要確保其*干燥之后再裝回去，否則水和溶劑會(huì )被真空系統抽入質(zhì)譜儀；

　?、?重新安裝離子光學(xué)系統時(shí)通常推薦使用無(wú)塵手套，以避免沾污；

　?、?更換離子光學(xué)系統時(shí)別忘了檢查或者更換O形圈或封圈；

?、?根據儀器的具體工作負荷，一般而言，經(jīng)過(guò)3～4個(gè)月使用后，離子光學(xué)系統性能通常會(huì )變差，建議根據需要進(jìn)行清洗或更換。

　　機械泵

　　在商品化的ICP-MS中，通常使用兩個(gè)機械泵，一個(gè)用來(lái)抽采樣錐和截取錐之間的接口區域，一個(gè)用作主真空室渦輪分子泵的支撐泵。它們通常是使用泵油的旋轉泵或者擴散泵，需要根據儀器使用的情況定期更換泵油。

　　由于接口區域泵的工作時(shí)間長(cháng)，抽走的樣品基體多，以致接口區域泵的泵油更換比支撐泵的泵油更換更加頻繁。

通過(guò)觀(guān)察窗觀(guān)察泵油的顏色可以判斷何時(shí)需要更換泵油。如果泵油已呈暗棕色，表明泵油的潤滑特性已下降，需要更換。接口區域的機械泵泵油建議每2～3個(gè)月更換一次，支撐泵泵油建議每4～7個(gè)月更換一次。這些建議僅僅是個(gè)估計，實(shí)際時(shí)間取決于分析的樣品量以及儀器實(shí)際運行的時(shí)間。

下面是更換泵油的一些重要提示

?、?更換泵油時(shí)切記關(guān)閉儀器電源——如果環(huán)境溫度較低，可在更換泵油前讓儀器運行10～15min，這樣泵油會(huì )稍熱，流動(dòng)性好；

?、?把廢油排到一個(gè)合適的容器中(小心，如果儀器整天都在運行，泵油會(huì )發(fā)燙)；

?、?通過(guò)觀(guān)察窗觀(guān)察，加入新泵油所需的量；

?、?檢查泵的所有連接管路，確保無(wú)松動(dòng)或漏氣；

?、?根據需要更換泵油過(guò)濾器；

?、?重新開(kāi)機——檢查加油孔螺帽處是否漏油一根據需要將其擰緊。

　(6) 空氣過(guò)濾器和循環(huán)水過(guò)濾器 大多數電子元件尤其是RF發(fā)生器中的電子元件都是空氣冷卻的。因此空氣過(guò)濾器必須經(jīng)常進(jìn)行檢查、清洗或更換。雖然這類(lèi)常規操作與樣品引人系統不一樣，但例行檢查空氣過(guò)濾器的周期一般為每隔3～6個(gè)月，這取決于儀器的工作量和具體使用情況。

　(7) 需要定期檢查的組件需要重點(diǎn)強調的是，ICP -MS中其它的組件都有使用壽命，一定時(shí)間內需要更換，或至少每隔一段時(shí)間視察。這些組件不列為常規維護程序，通常由一名維修工程人員(或至少一名有經(jīng)驗的用戶(hù))進(jìn)行清洗或更換。這些組件包括檢測器、渦輪分子泵和質(zhì)量分析器等。

　　渦輪分子泵：現代ICP-MS系統中使用的渦輪分子泵的數量由質(zhì)譜儀的設計而定，有些較新的儀器使用集中控制的兩個(gè)渦輪分子泵，評價(jià)這種設計的可靠性尚為時(shí)過(guò)早。但是，目前大多數儀器使用兩個(gè)渦輪分子泵，為主質(zhì)量分析器／檢測器及離子透鏡提供真空。

這些泵的使用壽命受多種因素的影響，如渦輪泵的抽吸速度(L／s)、被抽氣的真空室大小(容積)、接口錐的噴嘴孔徑和儀器的使用時(shí)間。

有些儀器運行5～10年后仍然在使用同一臺渦輪泵。如果一臺儀器的樣品分析量相當高，則其渦輪泵的正常壽命為3～4年，這是一個(gè)近似的估計，由泵的設計和構造而定(尤其所用的軸承)。由于渦輪泵是ICP-MS系統中最昂貴的組件之一，應該將其納入到儀器使用壽命的綜合成本之內。

　值得一提的是，雖然渦輪泵一般不屬常規維護組件，但大多數儀器使用冷陰極電離規(俗稱(chēng)“潘寧"規，Penning gauge)或類(lèi)似的真空規監測主真空室中的真空。這種真空規使用一段時(shí)間后會(huì )變臟，不能準確量壓。這種情況幾乎不可能預知，但與被分析樣品的類(lèi)型和數量有關(guān)。

　　一個(gè)臟的潘寧真空規會(huì )從很多方面表現出來(lái)，最常見(jiàn)的兩種跡象是壓力急速下降或信號發(fā)生激烈波動(dòng)。當發(fā)生此類(lèi)現象，必須取下真空規進(jìn)行清洗。潘寧真空規在高電壓下工作，取出真空規、清洗真空規、保持電極正確的幾何形狀，并成功安裝使用，這個(gè)過(guò)程相當復雜。因此，應該由專(zhuān)業(yè)的維修工程人員操作完成。

　　質(zhì)量分析器

　　在正常條件下，操作人員不需要對質(zhì)量分析器進(jìn)行維護。使用現代先進(jìn)的渦輪分子泵系統將抽走任何泵或樣品的廢氣，使得四極桿、扇形磁場(chǎng)或飛行時(shí)間質(zhì)量分析器不大可能變臟而受到沾污。

　　當然有些早期開(kāi)發(fā)的儀器使用擴散泵，情況就不同了，很多研究者都遇到過(guò)擴散泵的油蒸氣污染四極桿和過(guò)濾器的情況。

　　目前，使用渦輪分子泵的四極桿質(zhì)量分析器可以一直使用到整個(gè)ICP-MS儀器報廢都無(wú)需維護，頂多需要由維修工程師每年檢查一次儀器整體性能。但是，對一些比較老的儀器，在非不得已的情況下可能需要取下四極桿組件進(jìn)行清洗，以獲得可接受的峰形分辨率和豐度靈敏度等性能。

　ICP -MS足一臺復雜的設備，樣品由進(jìn)樣系統引入，在等離子體中形成離子，通過(guò)接口區和離子透鏡系統導控到質(zhì)量分析器中。這一系列循環(huán)的工作流程，如沒(méi)有正確的維護，應用時(shí)可能會(huì )故障頻出。

　　因此，每隔多長(cháng)時(shí)間進(jìn)行常規的維護，是保障儀器性能的一個(gè)重要措施，尤其是需要分析復雜的樣品時(shí)。盡管日常維護被看作是一件費時(shí)費力的家務(wù)雜事，但只常維護對于保持儀器處于正常狀態(tài)的時(shí)間，有著(zhù)顯著(zhù)的影響。

　　請參閱儀器操作手冊中日常維護部分的內容，以每日、每周、每月和每年為周期，列出儀器預防性維護的時(shí)間表。也就是說(shuō)，為保持儀器處于良好的工作狀態(tài)，需要清楚一些零部件的維護和更換頻率，防患于未然。

此外，還可以購買(mǎi)儀器商的預防性維護維修合同。這樣，維修工程師將定期檢查儀器的所有的重要系統和零部件，以確保它們處于正常的工作狀態(tài)，提前做好防范措施，未雨綢繆、減少故障率。

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