Elan DRC II ICP-MS 培训 瞿成利 中国科学院烟台海岸带研究所 分析测试中心 ELAN 9000 Page 1
什么是ICP-MS ICP-MS Inductively coupled plasma 电感耦合等离子体 mass spectrometry 质谱仪 Page 2
基本结构和原理 Page 3 31
各种衍生型ICP-MS 常 规ICP-MS（四级杆质量分析器） ICP-MS 高分辨率ICP-MS （电磁双聚集质量分析器） HR-ICP-MS 多接收器ICP-MS （电磁双聚集质量分析器） MC-ICP-MS 飞行时间ICP-MS （飞行时间质量分析器） TOF-ICP-MS 激光进样ICP-MS （四级杆质量分析器） LA-ICP-MS ICP-MS HR-ICP-MS MC-ICP-MS TOF-ICP-MS LA-ICP-MS Page 4
其他无机质谱 气体稳定同位素质谱仪IRMS 辉光放电质谱仪GDMS 加速质谱仪AMS 稀有气体同位素质谱仪 热电离质谱仪TIMS Page 5
Why ICP-MS？ 多元素同时检出 极低的检出限 （pg/g） 分析精度高(通常<5%,1ppb) 分析速度快(5min完成全谱扫描) 干扰相对较少(运用荷质比进行质量分析) 宽动态范围（ppt～ppm，最高可达9个量级） 相对较低的仪器成本 相对较低的运行成本 Page 6
检出限范围 ppm 100 10 1 0.1 0.01 0.001 火焰原子吸收 ICP-OES - 径向 ICP-OES - 轴向 氢化物原子吸收 石墨炉原子吸收 ICP-MS 100 10 1 0.1 0.01 0.001 Page 7
可分析的元素 Page 8
应用 1、概括： “通过各种方法获得的液体样品中痕量元素含量的定性、半定量和定量分析” 2、核心用途： 环境分析：尤其是重金属污染 地球科学：地球化学过程研究 工业生产：产品质控控制（如半导体） 农业生产：食品安全 Page 9
硬件组成 Page 10
真空系统 接口 进样 系统 质量分析器 离子传输系统 检测器 ICP离子源 控制系统 Page 11
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示意图 DRC四极杆 主四极杆 接口锥 检测器 氩气 预四极杆 离子透镜 轴向场电压 涡轮分子泵 机械泵 DC + AC ( U + Vcost ) 接口锥 反应气入口 排气阀 检测器 氩气 预四极杆 AC only ( Vcost ) 离子透镜 轴向场电压 涡轮分子泵 机械泵 Page 13
流程图 8、离子经四级杆逐一进行分离 7、DRC室去除干扰离子 6、离子透镜对离子流进行聚集 5、离子经接口进入真空舱 3、气溶胶经雾室进入矩管 4、气溶胶离子化 8、碰撞产生电信号 2、样品雾化成气溶胶 1、样品由蠕动泵泵入 Page 14
系统分解1——进样系统 雾化器：采样氩气将液体吹分 成大小不等的液滴 雾 室：沉降大液滴 输送小液滴 Page 15
系统分解2——ICP离子源 Ar 气 雾室 电感耦合线圈 矩管 中心喷射管 基座 Page 16
ICP离子源在仪器中的位置 Page 17
等离子体气 雾化气 + 液滴 辅助气 电感线圈 Plasma Page 18
Ce(OH)2 Ce Ce+ 分子 原子 离子 颗粒 工作原理 电感线圈 通入高频 高压交流电 高频 电磁场激发 Ar气电离 产生高温 （7000K） 离子流 气溶胶 雾化 分子 蒸发 Ce(OH)2 原子 去基团 Ce 离子 离子化 Ce+ 颗粒 去溶剂 Page 19
离子化机理 发射光谱 吸收光谱 离子化 Energy M 能量一般 电子跃迁产生 吸收光谱 能量供给不持续 电子回迁产生 放射光谱 能量大且供给持续 电子逃逸 形成带电荷M+ Page 20
不同元素的电离能 Page 21
Ar 等离子体中不同元素的离子化效率 100 Ionisation efficiency (%) Atomic number 10 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Atomic number Ionisation efficiency (%) Li Be B C Ba Mg Al Si P S Cl K Ca Sc V Ti Cr Mn Zn Ga Ge Cu Fe Ni Co As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Na Lanthanoides Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Rn Ra Ac N F Kr He O Ne Ar Electron temperature : 6,680K Electron density : 1.4714 x 10 cm-1 Page 22
为什么ICP-MS要采取双锥甚至三锥设计？ 系统分解3——接口 为什么ICP-MS要采取双锥甚至三锥设计？ Page 23
接口的作用1——维持质谱分析所需的真空度 高真空 低真空 常压 Page 24
接口的作用2——离子流提取 Page 25
系统分解4——离子传输系统（离子透镜） Plasma Page 26
ICP离子源在仪器中的位置 Page 27
工作原理 Page 28
作用1——聚焦目标离子 截取锥 样品锥 Plasma Ions from the sample Background ions from the interface Plasma + 3 to 8 V + + - 15 V Page 29
Grounded differential aperture – no voltage – no drift 作用2——去除中性分子 DRC cell ( U + V cos wt ) 150 v Shadow stop AutoLens M+ Grounded differential aperture – no voltage – no drift Neutral species from plasma Page 30
DRC=Dynamic Reaction Cell 动态反应池 Plasma Page 31
反应气入口 排气阀 Page 32
ICP-MS分析中的干扰 Ti V 红色斜体表示具有较高的离子能，无法在冷等离子体中分析。 棕色阴影的元素具有较高的氧化物结合能，无法在冷等离子体中分析。 绿色带下划线的干扰物无法在冷等离子体中除去 Page 33
DRC作用：去除基底中带来的干扰离子/离子对 NH3 gas in + + NH3 + + Ar+ Ca+ K+ + + + Page 34
离子-分子反应 M IP(M) Ar 15.76 eV NH3 10.16 eV Ca 6.11 eV Ar+ + NH3 NH3+ + Ar D Hr = D IP = - 5.6 eV (放热反应) k = 1.60 X 10-9 cm-3 molecule-1 second-1(*) Ca+ + NH3 no reaction D Hr = D IP = + 4.0 eV (吸热反应) k < 10-13 cm-3 molecule-1 second-1 (*) + + + + Ca+ Ar+ NH3 Page 35
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Cr in 10% H2SO4 34S18O interfere with 52Cr STD mode DRC mode NH3 gas 0.6 ml/min, RPa=0, RPq=0.5
Cu in 1% H3PO4 31P16O2 interfere with 63Cu STD mode DRC mode NH3 gas 0.3 ml/min, RPa=0, RPq=0.5
Zn in 1% H3PO4 31P16O2H interfere with 64Zn STD mode DRC mode NH3 gas 0.3 ml/min, RPa=0, RPq=0.5 DRC mode
系统分解6——四级杆质量分析器 DRC四级杆+预四级杆+四级杆 Plasma Page 40
实物 Page 41
极低的热膨胀系数确保了极稳定的质量扫描和分辨率 ELAN DRC II 四极杆特点 2.5 MHz高频四极杆，独特的陶瓷镀金结构 用户可根据需要调节分辨率 （0.3-3.0在线可调） 极低的热膨胀系数确保了极稳定的质量扫描和分辨率 优秀的单点跳峰测量技术 Page 42
原理 Page 43
四极杆如何分离不同质量数的离子？ 1、四级杆上不加任何电压的时候 任何离子都可以通过； 2、每种荷质比的离子都有各自的 稳定区间，当四级杆电压在相应 范围内变化时，该离子可以通过 四级杆，但其他离子也可以能通 过 3、当四级杆电压在一个很窄的范 围内变化时，一次只能通过一种 离子； 4、选择合适的扫描线，可以保证 多种离子依次被检测到。 AC (V) DC (U) 9Be 59Co 115In 238U Page 44
系统分解7——检测器 Plasma Page 45
双阶倍增检测器原理 低浓度 同时自动获得模拟和脉冲信号 高浓度 事先不需要知道分析物含量水平 使线性动态范围扩展到9个数量级 计数 鉴别r 脉冲方式 gate 同时自动获得模拟和脉冲信号 事先不需要知道分析物含量水平 使线性动态范围扩展到9个数量级 模拟方式 高浓度 A/V 转换 模拟/脉冲 系数 Page 46
双检测器校正 Page 47
系统分解8——控制系统 The flexibility of the software makes it ideal for both routine high-throughput laboratories and research laboratories. Page 48