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ICP-MS技術與應用最新進展及未來展望（中）
發布時間(jian)：2016-10-20
來源：
瀏(liu)覽(lan)量：1669
電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)及電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)在某些領域例如地質學，始終扮演著獨具魅力的角色。時至今日，ICP-MS仍然活躍在新進展的前沿，在某些熱點領域如金屬組學和納米顆粒分析方面繼續大放異彩。
為慶祝《Spectroscopy》創刊30周年，該刊特邀幾位ICP-MS專家就ICP-MS的近期技術進展、存在的挑戰和未來發展方向做了一個綜述，以饗讀者。
ICP-MS技術與應用最新進展及未來展望(上)
應用新進展
所有這些ICP-MS儀器的進展都導致許多新研究領域的出現。ICP技術在這些重點領域扮演著關鍵的角色：金屬組學、形態分析、納米顆粒分析、新材料、年代學和質譜流式細胞技術。專家們將談到這些領域的進展，并對它們在今后十年的發展做一些預測。
納(na)米顆(ke)粒分析
在原子光譜會議上，由于關注工程式納米顆粒對健康和環境潛在的影響，以及如何在制造過程當中對其加以表征等，使得它的表征方法開發進展受到了極大的關注。由于具有非常優秀的檢測能力，ICP-MS走在了這些方法的最前沿。Westphal說：“有許多合適的技術來測量納米粒子粒徑，但在測量尺寸和組分(包括識別包覆顆粒)上，ICP-MS有其獨特的能力。這點即使是在復雜的基體當中也是一樣。”
雖然ICP-MS是一種強有力的技術，但納米顆粒分析對于當前的儀器設備仍然是個挑戰。Vanhaecke指出，這種挑戰的結果導致儀器制造商努力提高設備的能力。他說：“例如，最低駐留時間被努力地做到50微秒，亦即每秒鐘有20000次獨立的測量。這使得實時的單粒子信息采集成為可能，并由此可提供納米離子的濃度、大小和粒徑分布等信息。然而在單元素納米粒子的研究上，即便有這樣的改善，掃描型的ICP-MS(例如四極桿型ICP-MS)儀器依然只是一種輔助手段。因為選擇另一個質荷比之后典型的穩定時間為毫秒級別，這意味著表征獨立納米粒子當中兩個或多個元素變成了不可能。”
“因此，我希望那些基于飛行時間、飛行距離、Mattauch-Herzog型雙聚焦的同時型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke預測說：“鑒于上述第二種類型的質譜儀尚未商品化，第三種類型質譜的實際應用又遲遲未有進展。在這種情況下，ICP-TOF-MS看起來是一種有利的選擇。”
金屬組(zu)學和其他生(sheng)物醫學方面的應用
金屬組學是另一個從ICP-MS技術當中獲益良多的領域。這是最近發展的一個“組學”領域，它著重關注于生物系統如人體當中金屬的作用，包括必需金屬如銅、鐵、鋅或鉬等供給不足的影響，或者過量有害元素如砷、鉻或鎳所造成的危害。
Koppenaal說：“我所看到的是，ICP-OES和ICP-MS在金屬組學和納米粒子研究領域有著最佳的機會。近來的生物學研究基金和技術必須遵循這個研究方向，并將它們的應用延伸到金屬和同位素生物化學等科學前沿。”
專家指出，ICP-MS儀器上的多項進展，有助于上述這些領域的持續發展。
Vanhaecke將話題轉回到同時型和多接收型檢測上來：“對于使用LA-ICP-MS來做元素分布或者生物成像研究來說，同時型和多接收型儀器提供了非常重要的便利。因為大量目標元素——理論上覆蓋所有的元素——的信息可以精確地同時獲得，從而避免圖像的偏移和獲得更高的空間分辨率，而不是受制于所選擇的目標元素。”
Hanley指出，另一種以ICP-MS研究推進生物醫學領域如金屬組學發展的方式是，通過努力將ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性統合到同一個儀器當中。她說：“此外，醫學領域的應用不斷地涌現，其中LC-ICP-MS連用技術可用于鑒別那些用于標記和替換的金屬——在這之前這類金屬的檢測則依賴于傳統的放射性同位素標記法。”
Koppenaal也考慮了如何讓金屬組學的研究者們思路進一步的拓展。他說：“現今的金屬組學猶如往昔的形態研究，因為一個特定的生物系統中的金屬仍需大量的研究。金屬不會表現出特立的性質，而更像是蛋白質那樣，不同的金屬之間相互有關聯。因此，金屬組學的研究更多地轉變為多金屬和多組學性質的研究。”最后他總結道：“研究人員需要考慮生物系統當中所有金屬的行為，明確其濃度、通量以及和蛋白質或酶之間的關系。”
質譜流式細(xi)胞術
利用ICP-TOF-MS的質譜流式細胞術，已經成為細胞生物學和癌癥研究應用的重要工具。在該技術中，通常使用純稀土同位素(REEs)來標記流式抗體等報告分子。將這些標定過的報告分子與細胞的特異組分進行結合，然后用質譜流式細胞術來表征這些報告分子在每個個體細胞中的表現。ICP和TOF-MS技術的發展成為質譜流式細胞儀發展必不可少的前提。
Hanley說：“相比較于傳統的流式細胞儀，質譜流式細胞儀更具有優勢。因為對于傳統的流式細胞儀而言，后者對所標簽的重金屬元素檢出限更低。相比較于使用熒光標示的傳統流式細胞儀，這些標簽的金屬元素更容易被ICP-TOF-MS所檢測。”
Ray說：“質譜流式細胞儀的發展，是一個洞悉未來社會需求的很好例子。的確，如果不是等離子體源的TOF-MS的發展和過去20年中ICP-MS的發展，質譜流式細胞儀的進展是不可能有成效的。也就是說，這項技術的發明人完全可以獲得‘難以置信的天才’這樣的美譽，并且他們的洞察力、毅力和天賦都是值得稱贊的。”
Vanhaecke也同意這樣的觀點，他說：“就我個人的看法，我認為我們應當感激質譜流式細胞儀的發明人Scott Tanner和他的同事們，感謝他們的智慧和膽量。當他們所建立的公司不支持他們的項目時，他們邁出了重要的一步——成立了一個新的公司來繼續。對于這樣大膽的行動，我標示非常的欽佩。”
Koppenaal補充道：“我們很高興地看到：這項技術在單細胞評價以及在單細胞水平上就生物的異質性加深理解方面，發揮了它的影響力并獲得了成功。它的進展使得利用金屬和同位素標記特定蛋白質的方法得以廣泛推廣。相比較于使用傳統的熒光標記方法，它的分析性能獲得了長足的進步。”
Ray總結道：“毫無疑問，這項技術對實現單細胞流式儀的改進，具有深遠的影響。它也將會越來越廣泛地被加以應用。”
地質(zhi)年代學
地質年代學是另一項得益于ICP-MS技術發展的學科。
Ray說：“在很長一段時間里面，地質年代學推動著同位素比值測定朝著更加準確和精確的方向改進。反之，這些改進又促使地質年代學進一步拓展和系統化。這種相互促進始終存在。”
Vanhaecke說：“具體而言，這些進步是由MC-ICP-MS(多接收電感耦合等離子體質譜)的引入所導致的。這種儀器相較于TIMS(熱電離質譜)而言具有巨大的優勢。MC-ICP-MS的應用，徹底改變了地球化學和宇宙化學。”
他解釋道：“一個重要的原因是，相比TIMS，MC-ICP-MS具有更高的元素電離效率，包括那些具有高電離能的元素。在TIMS中，僅有電離能≤7.5eV的元素才能被有效地電離。而在MC-ICP-MS中，即便是非金屬如硫、溴等同位素比值分析，也是基于這些元素被電離為M+的基礎上。”
特別重要的一項應用是關于汞元素的同位素測試，由于它的毒性和長距離遷移能力，該元素在環境領域方面是一個很重要研究。MC-ICP-MS使得該元素的檢測成為可能，而這個對TIMS來說卻是不可完成的任務。Vanhaecke說：“目前已知的汞的同位素組成分析既受質量依賴也受非質量依賴同位素分餾的影響。這使得汞的研究興趣點——污染的溯源和生物體內的機理研究成為可能。”
此外，不同于TIMS的離子化過程產生于真空中，ICP工作在大氣壓下。這就意味著可以將樣品直接導入到ICP-MS的離子源之中。Vanhaecke說：“溶液的霧化進樣是標準的途徑，但激光消融、蒸氣發生以及色譜分離技術(例如高效液相色譜和氣相色譜)都已經有了相應的應用。”
Koppenaal說：“MC-ICP-MS在地質年代學的推廣速度是十分驚人的。”他回顧多年前就這方面的發展對儀器制造商所提出的建議，但得到的答復卻是“我們為什么要那么做?”他說：“我懷疑他們并不清楚為何要往這方面努力，但現在看起來他們自己回答了這個問題。”
進一步的發展(zhan)：加速同位(wei)素(su)分析
鑒于在地質年代學等領域中，穩定同位素多接收扇形質譜儀已經能進行高精度的同位素分析，我們請專家們討論儀器哪方面的進步，足以加快同位素分析的速度和減少樣品的前處理步驟。
盡管MC-ICP-MS的引入推動同位素分析取得了長足的進展，Vanhaecke仍然期望這些方面能夠獲得改進：“例如，具有更高的靈敏度和更快響應速度的法拉第杯檢測器，使同位素分析獲益匪淺。但最重要制約因素依然是質量歧視效應，這種現象的存在會導致同位素比值分析中實際測試結果和參考值存在偏差，而這樣的偏差甚至可能是數量級的。至今仍然無法完全理解質量歧視效應產生的根本原因，而質量偏差校正的最佳方法則仍然存在著爭議。進一步地了解質量歧視效應的機理是十分必要的，這也有利于指導儀器制造商調整儀器的設計，從而最大程度地降低質量歧視效應的影響。”
這樣的進展可避免目標元素的完全隔離，大幅度提高樣品通量并使多個研究領域受益。他說：“它還使激光消融作為樣品引入手段的使用更加廣泛，提高樣品通量，實現可靠的空間分辨同位素分析。”
Ray指出：當待測樣品量很少(例如生物樣品)或者對瞬時信號(例如)處理要求較高時，飛行時間質譜儀和飛行距離質譜儀比MC-ICP-MS更具有潛在的應用價值。但是提高分析速度的重點仍然在于樣品的前處理——尤其是機械化和自動化的樣品處理。他幽默地說：“就像R.Browner說的那樣，樣品的導入步驟仍然是原子光譜的‘阿喀琉斯之踵’，對許多其他的技術來說也是這樣。”
Koppenaal同意自動化和在線樣品處理方法的關鍵性。他說：“對元素和同位素分析前處理的傳統方法是使用濕法消解，我們必須擺脫這類單調的工作。使用自動化儀器來實現待測物和基體分離的過程，是未來的發展方向。”
Denton則覺得問題完全偏離了焦點：“相比新型的CMOS檢測器技術，穩定同位素磁質譜儀不能進行同位素比值的同時性測試，也不具有CMOS的靈活性。”他解釋道：法拉第杯檢測器的靈敏度比較低，倍增器檢測器的線性范圍比較窄，這意味著這兩種技術依賴于特定同位素的離子流。
他說：“CMOS檢測器可提供類似于倍增器的靈敏度，同時具有高達10個數量級的動態范圍，而且還具有同時地檢測所有同位素的能力。我覺得可以有把握地預言，這種新型的陣列式離子檢測器所產生的影響，將會像陣列式檢測器對OES的革命性影響那樣。”（轉自儀器信息網）
為慶祝《Spectroscopy》創刊30周年，該刊特邀幾位ICP-MS專家就ICP-MS的近期技術進展、存在的挑戰和未來發展方向做了一個綜述，以饗讀者。
ICP-MS技術與應用最新進展及未來展望(上)
應用新進展
所有這些ICP-MS儀器的進展都導致許多新研究領域的出現。ICP技術在這些重點領域扮演著關鍵的角色：金屬組學、形態分析、納米顆粒分析、新材料、年代學和質譜流式細胞技術。專家們將談到這些領域的進展，并對它們在今后十年的發展做一些預測。
納(na)米顆(ke)粒分析
在原子光譜會議上，由于關注工程式納米顆粒對健康和環境潛在的影響，以及如何在制造過程當中對其加以表征等，使得它的表征方法開發進展受到了極大的關注。由于具有非常優秀的檢測能力，ICP-MS走在了這些方法的最前沿。Westphal說：“有許多合適的技術來測量納米粒子粒徑，但在測量尺寸和組分(包括識別包覆顆粒)上，ICP-MS有其獨特的能力。這點即使是在復雜的基體當中也是一樣。”
雖然ICP-MS是一種強有力的技術，但納米顆粒分析對于當前的儀器設備仍然是個挑戰。Vanhaecke指出，這種挑戰的結果導致儀器制造商努力提高設備的能力。他說：“例如，最低駐留時間被努力地做到50微秒，亦即每秒鐘有20000次獨立的測量。這使得實時的單粒子信息采集成為可能，并由此可提供納米離子的濃度、大小和粒徑分布等信息。然而在單元素納米粒子的研究上，即便有這樣的改善，掃描型的ICP-MS(例如四極桿型ICP-MS)儀器依然只是一種輔助手段。因為選擇另一個質荷比之后典型的穩定時間為毫秒級別，這意味著表征獨立納米粒子當中兩個或多個元素變成了不可能。”
“因此，我希望那些基于飛行時間、飛行距離、Mattauch-Herzog型雙聚焦的同時型或者多接收型ICP-MS能有所突破。”Vanhaecke預測說：“鑒于上述第二種類型的質譜儀尚未商品化，第三種類型質譜的實際應用又遲遲未有進展。在這種情況下，ICP-TOF-MS看起來是一種有利的選擇。”
金屬組(zu)學和其他生(sheng)物醫學方面的應用
金屬組學是另一個從ICP-MS技術當中獲益良多的領域。這是最近發展的一個“組學”領域，它著重關注于生物系統如人體當中金屬的作用，包括必需金屬如銅、鐵、鋅或鉬等供給不足的影響，或者過量有害元素如砷、鉻或鎳所造成的危害。
Koppenaal說：“我所看到的是，ICP-OES和ICP-MS在金屬組學和納米粒子研究領域有著最佳的機會。近來的生物學研究基金和技術必須遵循這個研究方向，并將它們的應用延伸到金屬和同位素生物化學等科學前沿。”
專家指出，ICP-MS儀器上的多項進展，有助于上述這些領域的持續發展。
Vanhaecke將話題轉回到同時型和多接收型檢測上來：“對于使用LA-ICP-MS來做元素分布或者生物成像研究來說，同時型和多接收型儀器提供了非常重要的便利。因為大量目標元素——理論上覆蓋所有的元素——的信息可以精確地同時獲得，從而避免圖像的偏移和獲得更高的空間分辨率，而不是受制于所選擇的目標元素。”
Hanley指出，另一種以ICP-MS研究推進生物醫學領域如金屬組學發展的方式是，通過努力將ICP-MS的元素特性和ESI-MS的分子特性統合到同一個儀器當中。她說：“此外，醫學領域的應用不斷地涌現，其中LC-ICP-MS連用技術可用于鑒別那些用于標記和替換的金屬——在這之前這類金屬的檢測則依賴于傳統的放射性同位素標記法。”
Koppenaal也考慮了如何讓金屬組學的研究者們思路進一步的拓展。他說：“現今的金屬組學猶如往昔的形態研究，因為一個特定的生物系統中的金屬仍需大量的研究。金屬不會表現出特立的性質，而更像是蛋白質那樣，不同的金屬之間相互有關聯。因此，金屬組學的研究更多地轉變為多金屬和多組學性質的研究。”最后他總結道：“研究人員需要考慮生物系統當中所有金屬的行為，明確其濃度、通量以及和蛋白質或酶之間的關系。”
質譜流式細(xi)胞術
利用ICP-TOF-MS的質譜流式細胞術，已經成為細胞生物學和癌癥研究應用的重要工具。在該技術中，通常使用純稀土同位素(REEs)來標記流式抗體等報告分子。將這些標定過的報告分子與細胞的特異組分進行結合，然后用質譜流式細胞術來表征這些報告分子在每個個體細胞中的表現。ICP和TOF-MS技術的發展成為質譜流式細胞儀發展必不可少的前提。
Hanley說：“相比較于傳統的流式細胞儀，質譜流式細胞儀更具有優勢。因為對于傳統的流式細胞儀而言，后者對所標簽的重金屬元素檢出限更低。相比較于使用熒光標示的傳統流式細胞儀，這些標簽的金屬元素更容易被ICP-TOF-MS所檢測。”
Ray說：“質譜流式細胞儀的發展，是一個洞悉未來社會需求的很好例子。的確，如果不是等離子體源的TOF-MS的發展和過去20年中ICP-MS的發展，質譜流式細胞儀的進展是不可能有成效的。也就是說，這項技術的發明人完全可以獲得‘難以置信的天才’這樣的美譽，并且他們的洞察力、毅力和天賦都是值得稱贊的。”
Vanhaecke也同意這樣的觀點，他說：“就我個人的看法，我認為我們應當感激質譜流式細胞儀的發明人Scott Tanner和他的同事們，感謝他們的智慧和膽量。當他們所建立的公司不支持他們的項目時，他們邁出了重要的一步——成立了一個新的公司來繼續。對于這樣大膽的行動，我標示非常的欽佩。”
Koppenaal補充道：“我們很高興地看到：這項技術在單細胞評價以及在單細胞水平上就生物的異質性加深理解方面，發揮了它的影響力并獲得了成功。它的進展使得利用金屬和同位素標記特定蛋白質的方法得以廣泛推廣。相比較于使用傳統的熒光標記方法，它的分析性能獲得了長足的進步。”
Ray總結道：“毫無疑問，這項技術對實現單細胞流式儀的改進，具有深遠的影響。它也將會越來越廣泛地被加以應用。”
地質(zhi)年代學
地質年代學是另一項得益于ICP-MS技術發展的學科。
Ray說：“在很長一段時間里面，地質年代學推動著同位素比值測定朝著更加準確和精確的方向改進。反之，這些改進又促使地質年代學進一步拓展和系統化。這種相互促進始終存在。”
Vanhaecke說：“具體而言，這些進步是由MC-ICP-MS(多接收電感耦合等離子體質譜)的引入所導致的。這種儀器相較于TIMS(熱電離質譜)而言具有巨大的優勢。MC-ICP-MS的應用，徹底改變了地球化學和宇宙化學。”
他解釋道：“一個重要的原因是，相比TIMS，MC-ICP-MS具有更高的元素電離效率，包括那些具有高電離能的元素。在TIMS中，僅有電離能≤7.5eV的元素才能被有效地電離。而在MC-ICP-MS中，即便是非金屬如硫、溴等同位素比值分析，也是基于這些元素被電離為M+的基礎上。”
特別重要的一項應用是關于汞元素的同位素測試，由于它的毒性和長距離遷移能力，該元素在環境領域方面是一個很重要研究。MC-ICP-MS使得該元素的檢測成為可能，而這個對TIMS來說卻是不可完成的任務。Vanhaecke說：“目前已知的汞的同位素組成分析既受質量依賴也受非質量依賴同位素分餾的影響。這使得汞的研究興趣點——污染的溯源和生物體內的機理研究成為可能。”
此外，不同于TIMS的離子化過程產生于真空中，ICP工作在大氣壓下。這就意味著可以將樣品直接導入到ICP-MS的離子源之中。Vanhaecke說：“溶液的霧化進樣是標準的途徑，但激光消融、蒸氣發生以及色譜分離技術(例如高效液相色譜和氣相色譜)都已經有了相應的應用。”
Koppenaal說：“MC-ICP-MS在地質年代學的推廣速度是十分驚人的。”他回顧多年前就這方面的發展對儀器制造商所提出的建議，但得到的答復卻是“我們為什么要那么做?”他說：“我懷疑他們并不清楚為何要往這方面努力，但現在看起來他們自己回答了這個問題。”
進一步的發展(zhan)：加速同位(wei)素(su)分析
鑒于在地質年代學等領域中，穩定同位素多接收扇形質譜儀已經能進行高精度的同位素分析，我們請專家們討論儀器哪方面的進步，足以加快同位素分析的速度和減少樣品的前處理步驟。
盡管MC-ICP-MS的引入推動同位素分析取得了長足的進展，Vanhaecke仍然期望這些方面能夠獲得改進：“例如，具有更高的靈敏度和更快響應速度的法拉第杯檢測器，使同位素分析獲益匪淺。但最重要制約因素依然是質量歧視效應，這種現象的存在會導致同位素比值分析中實際測試結果和參考值存在偏差，而這樣的偏差甚至可能是數量級的。至今仍然無法完全理解質量歧視效應產生的根本原因，而質量偏差校正的最佳方法則仍然存在著爭議。進一步地了解質量歧視效應的機理是十分必要的，這也有利于指導儀器制造商調整儀器的設計，從而最大程度地降低質量歧視效應的影響。”
這樣的進展可避免目標元素的完全隔離，大幅度提高樣品通量并使多個研究領域受益。他說：“它還使激光消融作為樣品引入手段的使用更加廣泛，提高樣品通量，實現可靠的空間分辨同位素分析。”
Ray指出：當待測樣品量很少(例如生物樣品)或者對瞬時信號(例如)處理要求較高時，飛行時間質譜儀和飛行距離質譜儀比MC-ICP-MS更具有潛在的應用價值。但是提高分析速度的重點仍然在于樣品的前處理——尤其是機械化和自動化的樣品處理。他幽默地說：“就像R.Browner說的那樣，樣品的導入步驟仍然是原子光譜的‘阿喀琉斯之踵’，對許多其他的技術來說也是這樣。”
Koppenaal同意自動化和在線樣品處理方法的關鍵性。他說：“對元素和同位素分析前處理的傳統方法是使用濕法消解，我們必須擺脫這類單調的工作。使用自動化儀器來實現待測物和基體分離的過程，是未來的發展方向。”
Denton則覺得問題完全偏離了焦點：“相比新型的CMOS檢測器技術，穩定同位素磁質譜儀不能進行同位素比值的同時性測試，也不具有CMOS的靈活性。”他解釋道：法拉第杯檢測器的靈敏度比較低，倍增器檢測器的線性范圍比較窄，這意味著這兩種技術依賴于特定同位素的離子流。
他說：“CMOS檢測器可提供類似于倍增器的靈敏度，同時具有高達10個數量級的動態范圍，而且還具有同時地檢測所有同位素的能力。我覺得可以有把握地預言，這種新型的陣列式離子檢測器所產生的影響，將會像陣列式檢測器對OES的革命性影響那樣。”（轉自儀器信息網）
