ICP-MS分析高手必备的高端技能，拿走不谢

赵敏 0 2021-01-14

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ICP-MS的组成部件一般比其它原子光谱仪器复杂。为确保仪器处于最佳状态，ICP -MS的日常维护需要花的时间相应也要长一些。有些地方只需要用眼睛简单检查一下，有些地方则需要经常清洗或更换部件。今天咱们就ICP-MS的日常维护来聊一聊。

ICP-MS的基本原理

从10000K高温的等离子体中通过接口提取离子进入真空度约为10^-⁶Torr的质谱仪。样品以液体气溶胶(在激光烧灼中是固体颗粒)形式被引入，在等离子体被电离，在此区域基体和待测元素的离子被引入质谱仪进行分离，最后由离子检测系统进行检测。

这一原理使得ICP-MS具有无与伦比的同位素分析的选择性和灵敏性。但也因此存在其自身的弱点，样品是“流人”质谱仪，而不是像火焰AAS和ICP -AES那样“通过”激发源。这意味着产生热的问题、腐蚀、化学侵蚀、堵塞、基体沉淀和漂移的可能性都比其它原子谱仪器要高得多。

然而只要充分认识到这一事实，对仪器组件定期检查可以减轻甚至消除这些潜在的问题。 需要定期或半定期检查和维护的主要区域是：进样系统、等离子体炬管、接口区域、离子光学系统、机械泵、空气过滤器和循环水过滤器。

进样系统

进样系统由蠕动泵、雾化器、雾室和排废液系统等部分组成，进样系统最先接触样品基体，因而是ICP MS中需要很多维护和注意的地方。

① 蠕动泵泵管：一般由聚合物材料制成，蠕动泵的滚动轴提供泵的运动和稳定的压力，可以确保连续的液流泵入雾化器。但是，长时间使用后，滚动轴持续拉伸泵管，使得泵管的内径改变，从而改变输入雾化器的样品流量，造成待测元素的强度发生不稳定的变化，长期的稳定性降低。

因此，每隔几天应该检查泵管的状态，尤其是实验室分析的样品量大，或者分析腐蚀性极强的溶液。蠕动泵泵管极有可能是最容易忽视的区域，因此应该视为例行日常维护的工作之一。

以下几点提示可减少泵管出现问题：

a．新的泵管在使用之前用手拉伸一下；

b．对泵管保持正确的拉力；

c．确保泵管正确放置在蠕动泵的通道内；

d．定期检查样品的提升情况，如有问题则更换泵管；

e．如果泵管一旦发生磨损，建议立刻更换；

f．分析的样品量大时，隔天或隔周更换泵管，视样品量而定；

g．仪器不进样时，及时释放泵管上的压力；

h．泵管和进样毛细管可能造成的沾污；

i．泵管是一种消耗品，建议多备一些存货。

②雾化器：维护雾化器的频率主要取决于被分析样品的类型及雾化器的具体设计。例如，在交叉型雾化器中，氩气直接以90°通入毛细管管头，而在同心雾化器中氩气输入方向与毛细管平行。

在交叉型雾化器中，液体毛细管的直径更大，液体和气体喷嘴之间的距离更长，使得它比同心雾化器更能承受样品中溶解的固体盐分和悬浮的颗粒。另外，交叉型雾化器中生成气溶胶的效率低于同心雾化器，因此其产生的雾滴更少。正因如此，同心雾化器比交叉型雾化器灵敏度高，准确度稍高，但更容易被堵塞。

具体选择哪一种雾化器通常由样品的类型和分析的数据质量目标而定。但是，不管采用哪一种，应该注意确保雾化器的喷嘴没有被堵塞。有时候操作人员可能没有注意到，细颗粒可能已经在雾化器的喷嘴上沉淀，长时间导致灵敏度降低，结果不准确，长期的稳定性较差。除此之外，O形圈和进样毛细管被溶液腐蚀，仪器的性能也会降低。因此，雾化器应该是例行维护的部件之一。

检查过程中通常要考虑以下几点：

a．吸入水，以肉眼检查雾化器产生的气溶胶(雾化器一旦被堵塞，由于含有许多大的雾滴，通常形成的喷雾会不稳定)。

b．氩气气流反方向加压或将雾化器放入合适的酸液或溶剂中浸泡，可以消除堵塞；也可以采用超声波清洗促进堵塞物溶解(要与制造厂商确认，是否允许超声波清洗该类型的雾化器)。

注意：不要用任何金属丝之类去捅雾化器喷嘴，这有可能导致永久性的损坏。

c．确保雾化器被安全密封在雾室的端帽上。

d．检查所有的O形圈的损坏和磨损情况。

e．确保进样毛细管正确连接到雾化器的进样管路中。

f．每隔1～2周检查雾化器，检查周期由工作量决定。

③ 雾室：迄今为止，商用ICP-MS仪器中雾室最常采用的一种设计是双通道设计，气溶胶直接进入雾室的内管来选择小的雾滴。大的雾滴从内管出来后通过重力作用由排废液管排出雾室。排废液管的末端有一个U形管形成液封，使得气溶胶保持正压，迫使小的雾滴由雾率的外壁和内管之间回流，从雾室出口进入等离子体炬管的中心喷射管中。Scott型双通道雾室的形状、大小、材料多种多样，但对于日常使用而言，它的设计被认为是最经久耐用的。

雾室的维护，重要的是确保排废液管正常排液。排废液管发生故障或泄漏可能导致雾室内的压力发生变化，使得待测元素的信号产生波动，导致数据不稳定或不准确，精密度变差。雾室和等离子体炬管中样品喷射管之间的O形圈发生老化也会出现类似问题，但后者老化出现的概率较小。

对雾室传统的维护包括：

a．确保排废液管固定紧密，不发生泄漏；

b．确保从雾室出来的废液由蠕动泵排废液管排出；

c．如果使用液封，要确保排废液管中的液面稳定；

d．检查雾室和炬管中心喷射管之间的O形圈和球形磨口接头，确保连接得恰到好处；

e．雾室可能是一个某些基体／待测元素形成沾污的污染源，因此在测下一个样品之前要彻底冲洗干净；

f．仪器不用时将雾室中的液体排空；

g．每隔1～2周应检查雾室和排废液管，具体由工作量而定。

等离子体炬管

等离子体炬管和样品喷射管不仅与样品基体和溶剂接触而受到腐蚀，而且还要在点火后维持温度约10000K的等离子体。

这些因素使得炬管所处的环境非常恶劣，因而炬管需要经常检查和维护。主要的问题之一是由于高温和液体样品的腐蚀性质使得石英炬管的外管受到沾污和变色。如果问题严重，有可能导致放电。另一个问题是样品喷射管等被样品基体组分堵塞。

当气溶胶离开样品喷射管时，发生“去溶”，这意味着样品在进入等离子体之前已由小的雾滴转变成微小的固体颗粒。尤其是对于某些样品基体，这些颗粒在样品喷射管上长时间沉积，有可能导致堵塞和漂移。

实际上，当雾化有机溶剂时，如果在雾化气流中没有加入少量的氧，碳迅速在样品喷射管和锥孔上产生积累，这个问题可能更为严重。

有些炬管使用金属屏蔽圈来减低等离子体和炬管之间的放电。由于高温和RF电磁场的影响，这些金属屏蔽圈或屏蔽炬都是消耗品，其状态不好时会影响仪器的性能，因此用户时刻都应该意识到这点，在需要时对其进行更换。

对炬管的维护有以下一些技巧：

a．检查石英炬管外管上的变色或沉积情况——如有必要将炬管浸泡在合适的酸或溶剂中去除上面的污物；

b．检查炬管的热变形情况——不同心的炬管会导致信号损失；

c．检查样品喷射管的堵塞情况——如果样品喷射管是可拆卸式的，如有必要可将喷射管浸泡在合适的酸或溶剂中，如果炬管是不可拆卸式的，可将整个炬管浸泡在酸中；

d．重新安装炬管时，确保炬管放置在负载线圈的中心，并与采样锥之间保持正确的距离；

e．如果由于某种原因取下过线圈，则在重新安装时要按照操作手册中推荐的方法检查，以确保线圈每一圈之间的距离是正确的；

f．检查O形圈和球形磨口接头的磨损和腐蚀情况——必要时更换；

g．如果采用金属屏蔽炬与线圈接地，需确保屏蔽炬处于正常的运行状态，并根据需要及时检查，必要时更换；

h．每隔1～2周应检查炬管，具体视工作量而定。

接口区域

接口区是ICP和MS的连接区域，通过采样锥和截取锥这两个锥，在大气压下电离的等离子体被引人10^-6Torr压力的质谱仪中。

将ICP这样高温的离子源与质谱仪的金属接口连接起来，这对仪器的接口区域提出独特的要求，这也是在以前的原子谱技术中从来没有遇到过的。再加上基体、溶剂、分析物离子以及颗粒物、中性粒子均以极高的速度冲击接口锥，这在接口区域造成了一个极端恶劣的环境。

接口最常见的问题是采样锥、截取锥的堵塞和腐蚀，一般而言采样锥孔的情况比截取锥更加明显。 堵塞和腐蚀并不总是显而易见的，因为锥上堵塞物的积累和锥孔的腐蚀常常要经历很长的一段时间。因此采样锥和截取锥要定期检查和清洗，其频次通常取决于所分析样品的类型和ICP-MS质谱仪的设计。

例如，已有大量研究文献资料表明，接口区域的二次放电会使采样锥过早的变色和退化，尤其是当仪器分析复杂基体样品或者仪器高通量地分析样品时更是如此。

除了接口锥之外，接口区域的金属腔室也同样暴露在等离子体的高温之下。因此接口区域腔室需要用循环冷却水系统进行冷却，冷却水通常含有某种成分的抗凝剂和防腐剂，或者用不循环的连续流动水也可以冷却。采用循环冷却水系统可能更广泛些，因为它可以把接口区域的温度控制得更准。除了需要经常检查循环冷却水的质量以确保接口冷却系统没有腐蚀之外，接口腔并不需要真正的日常维护。如果由于某种原因导致接口变得太热，这通常会触发仪器的安全联锁保护，及时熄灭等离子体。

下面这些提示有助于延长接口和锥的寿命：

① 检查采样锥和截取锥是否洁净，是否有样品沉淀——通常每周要检查一次，这取决于样品的类型和工作的负荷。

② 应用仪器制造商推荐的方法拆卸和清洗锥。通常包括：把锥浸没在盛有稀酸的烧杯里、或者浸没在含有清洗剂的热水里、或者浸没在超声水浴或酸浴里，也可以使用细毛绒布料或者粗抛光粉进行擦拭。

③ 不要用任何金属丝来戳锥孔——这会造成永久性的损坏。

④ 析某些样品基体时镍锥会很快退化——建议使用铂锥分析强腐蚀性溶液和有机溶剂。

⑤ 用10～20倍的放大镜周期性检查锥孔的直径和形状-不规则的锥孔形状会影响仪器性能。

⑥ 待锥彻底干燥后方能安装回仪器-否则上面的水和溶剂会被真空系统抽入质谱仪。

⑦ 检查循环水系统的冷却水，可以发现接口区域腐蚀的信息-例如铜盐者铝盐(或者接口使用的其它金属)。

离子光学系统

为了使离子最大可能地进人质谱仪，离子光学系统通常紧靠在截取锥的后面。离子光学系统有很多种不同的商业设计和布局，但有一点是相同的，那就是最大可能地传输分析物离子，同时最大可能地避免离子进入质量分析器。

离子透镜系统并不像大家想的那样不需要经常检查，由于它距离接口区域很近，会积累一些小的颗粒物和中性粒子，时间久了，这些粒子会被撞击重新电离，从而进入质量分析器，影响仪器的性能。一个脏的或者被沾污的离子光学系统通常会使仪器的稳定性变差，并需要逐步提高离子透镜电压。

因此，无论使用何种设计的离子光学系统，每2～3个月(取决于工作负荷和样晶类型)检查和清洗该系统，这一步骤应该是完整的预防性维护计划的一个重要组成部分。

下面一些提示有助于保持离子光学系统的最人离子传输效率和良好的稳定性：

① 经常监视灵敏度是否有损失，尤其是进行复杂基体检测后；

② 如果清洗了进样系统、炬管和接口锥后，灵敏度依然较低，则可能意味着离子透镜系统已经变脏；　　

③ 重新调节或者重新优化离子透镜电压；

④ 如果重新优化后的透镜电压和以前的电压有显著的不同(通常比以前设定的电压要高)，则极有可能是透镜变脏；

⑤ 当透镜电压变高得令人无法接受时，意味着离子透镜系统可能需要清洗或者更换——按照仪器操作手册推荐的程序进行；

⑥ 由于离子光学系统设计的不同，有的离子透镜系统需要用水或稀酸浸泡清洗或超声清洗，有的离子透镜系统需要用砂纸和抛光粉进行清洁，并用水和有机溶剂冲洗，有的离子透镜系统则是消耗品，无法维护，过一段时期后需要更换；

⑦ 清洗完离子光学系统后，要确保其彻底干燥之后再装回去，否则水和溶剂会被真空系统抽入质谱仪；

⑧ 重新安装离子光学系统时通常推荐使用无尘手套，以避免沾污；

⑨ 更换离子光学系统时别忘了检查或者更换O形圈或封圈；

⑩ 根据仪器的具体工作负荷，一般而言，经过3～4个月使用后，离子光学系统性能通常会变差，建议根据需要进行清洗或更换。

机械泵

在商品化的ICP-MS中，通常使用两个机械泵，一个用来抽采样锥和截取锥之间的接口区域，一个用作主真空室涡轮分子泵的支撑泵。它们通常是使用泵油的旋转泵或者扩散泵，需要根据仪器使用的情况定期更换泵油。

由于接口区域泵的工作时间长，抽走的样品基体多，以致接口区域泵的泵油更换比支撑泵的泵油更换更加频繁。

通过观察窗观察泵油的颜色可以判断何时需要更换泵油。 如果泵油已呈暗棕色，表明泵油的润滑特性已下降，需要更换。接口区域的机械泵泵油建议每2～3个月更换一次，支撑泵泵油建议每4～7个月更换一次。 这些建议仅仅是个估计，实际时间取决于分析的样品量以及仪器实际运行的时间。

下面是更换泵油的一些重要提示：

① 更换泵油时切记关闭仪器电源——如果环境温度较低，可在更换泵油前让仪器运行10～15min，这样泵油会稍热，流动性好；

② 把废油排到一个合适的容器中(小心，如果仪器整天都在运行，泵油会发烫)；　　

③ 通过观察窗观察，加入新泵油所需的量；

④ 检查泵的所有连接管路，确保无松动或漏气；

⑤ 根据需要更换泵油过滤器；

⑥ 重新开机——检查加油孔螺帽处是否漏油一根据需要将其拧紧。

空气过滤器和循环水过滤器大多数电子元件尤其是RF发生器中的电子元件都是空气冷却的。因此空气过滤器必须经常进行检查、清洗或更换。虽然这类常规操作与样品引人系统不一样，但例行检查空气过滤器的周期一般为每隔3～6个月，这取决于仪器的工作量和具体使用情况。

需要定期检查的组件需要重点强调的是，ICP -MS中其它的组件都有使用寿命，一定时间内需要更换，或至少每隔一段时间视察。这些组件不列为常规维护程序，通常由一名维修工程人员(或至少一名有经验的用户)进行清洗或更换。这些组件包括检测器、涡轮分子泵和质量分析器等。

涡轮分子泵： 现代ICP-MS系统中使用的涡轮分子泵的数量由质谱仪的设计而定，有些较新的仪器使用集中控制的两个涡轮分子泵，评价这种设计的可靠性尚为时过早。 但是，目前大多数仪器使用两个涡轮分子泵，为主质量分析器／检测器及离子透镜提供真空。

这些泵的使用寿命受多种因素的影响，如涡轮泵的抽吸速度(L／s)、被抽气的真空室大小(容积)、接口锥的喷嘴孔径和仪器的使用时间。

有些仪器运行5～10年后仍然在使用同一台涡轮泵。如果一台仪器的样品分析量相当高，则其涡轮泵的正常寿命为3～4年，这是一个近似的估计，由泵的设计和构造而定(尤其所用的轴承)。由于涡轮泵是ICP-MS系统中最昂贵的组件之一，应该将其纳入到仪器使用寿命的综合成本之内。

值得一提的是，虽然涡轮泵一般不属常规维护组件，但大多数仪器使用冷阴极电离规(俗称“潘宁”规，Penning gauge)或类似的真空规监测主真空室中的真空。这种真空规使用一段时间后会变脏，不能准确量压。这种情况几乎不可能预知，但与被分析样品的类型和数量有关。

一个脏的潘宁真空规会从很多方面表现出来，最常见的两种迹象是压力急速下降或信号发生激烈波动。当发生此类现象，必须取下真空规进行清洗。潘宁真空规在高电压下工作，取出真空规、清洗真空规、保持电极正确的几何形状，并成功安装使用，这个过程相当复杂。因此，应该由专业的维修工程人员操作完成。

质量分析器

在正常条件下，操作人员不需要对质量分析器进行维护。使用现代先进的涡轮分子泵系统将抽走任何泵或样品的废气，使得四极杆、扇形磁场或飞行时间质量分析器不大可能变脏而受到沾污。

当然有些早期开发的仪器使用扩散泵，情况就不同了，很多研究者都遇到过扩散泵的油蒸气污染四极杆和过滤器的情况。

目前，使用涡轮分子泵的四极杆质量分析器可以一直使用到整个ICP-MS仪器报废都无需维护，顶多需要由维修工程师每年检查一次仪器整体性能。但是，对一些比较老的仪器，在非不得已的情况下可能需要取下四极杆组件进行清洗，以获得可接受的峰形分辨率和丰度灵敏度等性能。

小结

ICP -MS足一台复杂的设备，样品由进样系统引入，在等离子体中形成离子，通过接口区和离子透镜系统导控到质量分析器中。这一系列循环的工作流程，如没有正确的维护，应用时可能会故障频出。

因此，每隔多长时间进行常规的维护，是保障仪器性能的一个重要措施，尤其是需要分析复杂的样品时。尽管日常维护被看作是一件费时费力的家务杂事，但只常维护对于保持仪器处于正常状态的时间，有着显著的影响。

请参阅仪器操作手册中日常维护部分的内容，以每日、每周、每月和每年为周期，列出仪器预防性维护的时间表。也就是说，为保持仪器处于良好的工作状态，需要清楚一些零部件的维护和更换频率，防患于未然。

此外，还可以购买仪器商的预防性维护维修合同。这样，维修工程师将定期检查仪器的所有的重要系统和零部件，以确保它们处于正常的工作状态，提前做好防范措施，未雨绸缪、减少故障率。

（内容来源：中思锐标质量论坛由小析姐整理编辑）

责任编辑：展源

审　　核：何发

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