环境现代仪器分析实验：痕量金属元素全定量分析

一、实验目的

掌握原子质谱的基本原理；了解电感耦合等离子体发射质谱仪（ICP-MS）的基本结构；掌握内标法的概念与应用；学会使用电感耦合等离子体发射质谱仪进行痕量元素的全定量分析。

二、实验原理与仪器结构

内标法（Internal Standard Method）是质谱定量分析中较常使用的定量方法，尤其在样品基体较为复杂的情况下，内标法能更准确地获得待测样品的含量信息。在无机元素的光谱和质谱分析中，通常用的是内标标准曲线法，即在标准溶液和样品中分别加入等量的内标物，对含有内标物的标样和样品进行分析，分别测定内标物和待测组分的信号值。由于内标物在标样和样品中的含量相同，可以通过内标物响应值变化来校正环境因素、仪器条件或基体效应对待测物的影响，从而得到更为准确的待测物的含量信息。该方法以待测元素与内标元素信号值之比为纵坐标，标准溶液中待测元素浓度为横坐标作图，得到内标法标准曲线。分析时，取样品中待测元素与内标元素的信号值比，由标准曲线即可得到待测元素的含量。

无机质谱法是利用质谱技术对样品所含元素进行定性、定量分析的方法。目前无机质谱法中发展最快也最成熟的是ICP-MS。ICP-MS的主体结构由ICP 部分和MS部分构成。ICP部分含进样系统和等离子体发生系统（离子源），MS部分包括接口，质量分析器（由离子透镜、碰撞反应池、滤质器组成），检测器及真空系统。附属设备包括循环冷却水系统、供气系统、通风系统等。ICP-MS中ICP部分与原子发射光谱仪所用的ICP类似，其作用是作为质谱部分的离子源。为了确保离子有足够的平均自由程，质谱必须在一定的真空度下运行。由于ICP部分和MS部分的压差非常大，常规的做法是在ICP和MS之间通过2～3个锥，也就是接口来实现逐级增加真空度的过渡方式。

在ICP-MS中，样品通过蠕动泵提升，雾化器雾化，在氩气等离子焰中蒸发、解离、原子化并电离形成一价阳离子，即提供能被质谱检测的离子。由于氩的第一电离能高于绝大部分元素的第一电离能，低于第二电离能，因此绝大部分金属元素在氩等离子体中形成的离子是一价阳离子，这对于金属元素的定性定量是十分有利的。产生的一价阳离子进入MS部分后经四极杆质量分析器分离，由检测器检测计数后得到待测元素的响应信号，分析流程示意图如图4-3所示。ICP-MS的质谱响应信号通常用每秒计数值（counts per second，cps）来表示。根据质谱检测器扫描到的离子的质荷比可对样品中的金属元素进行定性，在一定范围内样品中待测元素的浓度与该元素离子的cps值成正比，该函数关系可用于待测元素的定量分析。

图4-3　ICP-MS从样品引入到质量分析的流程示意图

三、实验条件

1.仪器设备

电感耦合等离子发射质谱仪（Agilent，7700），循环冷却水仪，氩气钢瓶（纯度＞99.995%）、氦气钢瓶（纯度＞99.999%），抽湿设备，通风设备等。

2.试剂与样品

超纯水（Millipore），硝酸（GR），盐酸（GR）。

自动进样器洗针液：2%硝酸0.5%盐酸混合溶液（v／v）。取硝酸20mL，盐酸5mL，用去离子水稀释定容至1 000mL。用于系统清洗及自动进样器洗针。

金属元素混标储备液：ICP-MS用金属元素混标（含1 000μg／L Pb，Co，Cu，Cd，Cr，Mn，Zn，As，Ni等重金属元素）。

内标溶液：含1mg／L Li，Sc，Ge，Rh，In，Tb，Lu，Bi的溶液。

样品：自来水、饮用水样品若干，取样后立即加入硝酸调节pH＜2，在实验室冷藏密封保存待测。

3.测试参数

以Agilent7700型电感耦合等离子体发射质谱仪为例（不同仪器型号、不同性质样品应重新确定实验条件）。主要参数如下：功率1 500 W，采样深度7.0 mm，载气流速0.75L／min，补偿气流速0.30L／min，蠕动泵转速0.1rps，氦气流速4.0mL／min。

待测元素的定量同位素及内标元素设置如下：52Cr，60Ni，63Cu，66Zn，75As以72Ge为内标；114Cd以115In为内标；202Hg、208Pb以209Bi为内标。

本实验采用碰撞消除干扰的方式，碰撞气为氦气。使用干扰方程如下：

75As干扰校正方程：［75］×1-［77］×3.127+［82］×2.548 505

114Cd干扰校正方程：［114］×1-［118］×0.023 11

208Pb干扰校正方程：［208］×1+［206］×1+［207］×1

四、实验步骤

1.系列标准溶液的配制

用移液器分别移取0.5mL，1mL，5mL，20mL 混标溶液于100mL 的容量瓶中，加入1mL硝酸，用超纯水稀释至刻度线摇匀。另外，以不添加混标的1%稀硝酸溶液作为标准空白。此系列混标溶液中各元素的含量分别为0μg／L，0.5μg／L，1μg／L，5μg／L 和20μg／L。

2.内标溶液准备

内标溶液无须稀释，使用专用的内标管（内标通常为进样管的1／4～1／3）通过蠕动泵在线加入标样及样品。

3.仪器准备

（1）开启仪器电源，待仪器自检完成后打开电脑软件，点击“Vaccum on”（抽真空）按钮，约半小时后真空度达到分析要求，仪器状态由“shut down”（关闭）变为“stand by”（待机），准备点燃等离子体分析样品。通常，实验室的质谱仪都会保持常开状态，因此该部分工作可由教师提前准备好。

（2）打开通风设备，打开氩气、氦气钢瓶，氩气分压调至0.7 MPa，氦气分压调至0.08MPa，打开循环冷却水主面板上的开关，打开自动进样器电源，准备好洗针液。安装蠕动泵进样管、废液管及内标管（注意方向），内标管一头连进样四通，一头插入内标液，进样管一头连自动进样器，一头连进样四通，废液管一头接雾化室废液口，一头插入废液桶。将标样和样品按顺序放置到自动进样器的样品盘上。双击打开“ICP MS Top”软件。

（3）认识仪器主要功能及状态。软件常用功能窗口包括Instrument Control（仪器控制），Tuning（调谐），Data Acquisition（数据采集），Data Analysis（数据分析）等。打开仪器状态面板界面，在窗口顶端中部显示仪器状态。仪器共有3 个状态，分别为：“Analysis（Reaction）”（分析状态），调谐或样品分析；“Standby”（待机状态），真空开启，未点火；“Shut down”（真空关闭）。

（4）吹扫碰撞反应池。碰撞反应池用氦气吹扫，选择“Instrument Control”（仪器控制）的“Maintenance”（维护）菜单，打开“Reaction Gas”（反应气）对话框，在“open by-pass valve”（打开旁通阀）选项前打钩，设置He流量5mL／min。根据停机时间的不同，“purge”（吹扫）氦气管路0.5～2h（此项工作也可由教师提前完成）。

4.编制分析方法

（1）方法信息。从“Methods”（方法）菜单中选择“Edit Entire Method”（编辑完整方法），启动一系列对话框编辑方法参数。填写“Method Information”（方法信息），“Method Comments”（方法注释），点击“OK”。选择合适的干扰方程。在“Acquisition mode”（采集模式）中选择“Spectrum”（质谱）采集模式，点击“OK”进入“Spectrum Acquisition Parameters”（质谱采集参数）窗口。

（2）质谱采集信息。点击“Periodic Table”（周期表），左键选择元素（注意待测元素和内标元素都要选择），右键功能为取消选定的元素；在“Peak Pattern”（峰状态）窗口中选择“TRA”按钮，采用全定量分析模式；检查右边窗口各元素的“Integration Time”（积分时间），一般为0.1s，As、Cd、Pb等不容易离子化的元素可以设为0.2～0.3s。在“Repetition”（重复次数）中输入3次。所有信息输入完毕后点击“OK”。根据需要设定洗针程序。

（3）方法保存。出现“Method Save Options”（方法保存选项）窗口，在“Alert when Method is Overwritten”（提示文件名重复）前打钩，点击“OK”。在“Save Method As”（方法另存）的窗口选择保存路径，输入方法名称，方法文件名称的扩展名为“.m”。(www.xing528.com)

5.编制分析序列

（1）序列信息。从“ICP-MS TOP”窗口的“Sequence”（序列）菜单中选择“Edit Sample Log Table”（编辑样品信息表）。打开序列编辑表。序列必填信息包括“Method”（方法名），“Type”（样品类型），“Vial”（样品瓶位置），“Sample”（样品名称），“Dil／lel”（稀释倍数／浓度级别）等。

（2）序列编制。双击打开“Select Method”（选择方法）对话框选择已经编辑好的分析方法；“Type”（样品类型）列标样空白选择“Stdblk”（标准空白），标样选择“Std”（标准），样品则选择“sample”（样品），根据实验要求，按先后设置1个标样空白，4个标样，2个样品，样品后面再加1～2个空白（超纯水）清洁系统，类型仍为“sample”（样品）。

“Vial”（样品瓶位置）指标样和样品的位置，根据标样和样品摆放的实际位置进行设定。Vial编号由4位数组成，左边第一位表示样品架的位置，左边第二位表示在该样品架中的第几列，后两位数表示在该列中的位置。

“Sample”（样品名称）列填写标样和样品的名称，由数字和字母组成。

“Dil／lel”（稀释倍数／浓度级别）列对样品来说填写稀释倍数，对标样来说填写浓度级别。

本实验的分析序列编写可参考表4-5：

表4-5　分析序列

（3）序列保存。序列编写完成后，点击“OK”关闭序列编写窗口，从“ICP-MS”窗口的“Sequence”（序列）菜单中选择“Save”（保存），保存新建的序列，序列文件名称扩展名为“.s”。

6.点燃等离子体

点火前“purge”（吹扫）氩气管路，选择“Instrument Control”（仪器控制）窗口的“Maintainace”（维护）菜单，打开“Sample Introduction”（样品引入）对话框，在“open Ar bypass valve”（打开旁通阀）选项前打钩，“Gas Select”（气体选择）选“Make up”（补偿气），“Enable temp Control”（温度控制）选项打钩，“Plasma Gas”（等离子气体）15 L／min，“carrier Gas”（载气）1.0L／min，“Aux Gas”（辅助气）1.0L／min，“Purge”（吹扫）氩气管路1～2min。关闭“Sample Introduction”（样品引入）窗口，选择“Plasma”（等离子体）菜单，点击“Plasma On”（点燃等离子体）。1～2min后，等离子体点燃。待等离子体稳定，雾化器半导体制冷也稳定在2℃时可进行样品分析。通常稳定时间20min左右。

7.样品分析

从“Sequence”（序列）菜单中选择“Load and Run”（调用及运行），选择要运行的序列，点击“OK”，在“startsequence”（开始运行序列）窗口的“Data Batch Directory”（数据批处理目录）后选择数据“Batch”（批处理）文件夹的保存位置并输入名称，注意末尾加“＼”。点击“run sequence”（运行序列）按钮开始运行。此时窗口出现“ICPMS-Acquisition”（ICPMS信号采集）窗口，显示实时序列运行状态。自动进样针启动，开始进样分析。

8.结束实验关机

样品分析完成后选择“Instrument Control”（仪器控制）窗口，选择“Plasma”（等离子体）菜单，点击“Plasma Off”（熄灭等离子体）关炬（注意，请勿关闭真空和仪器电源），仪器状态变回“standby”（待机）。从“ALS”菜单中选择“Home”（返回）命令，将自动进样针归位。松开蠕动泵进出水及内标管。关闭氩气，氦气钢瓶总阀，关闭循环冷却水，关闭通风系统。

五、实验结果与数据处理

1.原始数据记录

详细记录实验条件，实验步骤，实验参数及原始测试结果。

2.数据处理与讨论

（1）课内软件处理数据

分析完成后，可利用软件进行自动数据处理。

点击“ICP-MS TOP Data Analysis”（数据分析）菜单或电脑桌面的“Offline Data Analysis”（脱机数据处理）图标进入数据处理窗口。选择“File”（文件）菜单，点击“Open Analysis File”（打开分析文件）命令，打开数据“Batch”（批处理）调出数据。选择“DA Method”（数据分析方法），点击“Edit”（编辑）命令进入数据分析方法编辑器。在页面左侧第一列“Method Development Tasks”（方法开发任务）中选择“set up basic information”（设置基础信息）中的“Data Analysis Method”（数据分析方法），在第二列“Data Analysis”（数据分析）中“FullQuant Analysis”（全定量分析）选项后打钩。点击向下箭头进入下一页面的分析物列表，点击“data”（数据）图标从已采集数据文件中调用元素列表并从“Analyte／ISTD”（待测元素／内标物）列中选择标识出相应的内标元素。点击向下箭头进入下一页面的“FullQuant”（全定量）界面。在定量分析表中进行定量分析信息编辑，编辑每个元素合适的浓度单位，浓度级别中各浓度值信息。如使用内标，则给每个元素选择合适的内标。方法编辑完成后，在左侧第一列中点击“Validate”（校验）检查方法，如方法无误则点击“Return to Batch-at-a-Glance”（返回批处理）返回数据“Batch”（批处理）界面。点击菜单下方“Process Batch”（运行批处理）快捷图标定量分析数据。软件直接给出每一个标样和样品中待测元素及内标元素的信号值及计算浓度值。

（2）课后数据处理

根据软件提供的标样和样品中待测元素及内标元素的信号值，利用制图软件采用内标法绘制工作曲线，如图4-4所示，并计算饮用水样品中重金属元素的含量。

图4-4　内标法标准曲线

六、问题与讨论

1.简述电感耦合等离子体发射质谱仪的工作原理及其基本结构。

2.什么是内标法？何时需使用内标法定量？如何绘制内标法工作曲线？

3.试比较电感耦合等离子体发射光谱仪和电感耦合等离子体发射质谱仪在分析特点上有何异同。

4.参考我国饮用水安全质量标准，根据实验结果简单分析饮用水中各重金属元素的含量特点。

七、注意事项

1.内标法注意事项

内标法是ICP-MS定量分析的常用方法，内标法可以有效校正由基体效应和仪器漂移引起的响应信号变化。内标法以假定分析元素与内标元素在等离子体中的行为相似为前提，因此选择合适的内标非常重要。内标选择需考虑：样品溶液和标准溶液中不含有的元素，与分析元素质量接近，电离电位与分析元素相近，化学特征相近。对于具有高电离电位的元素来讲电离电位的匹配尤为重要。常用的内标元素有：Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Tb、Ho、Bi等。内标元素可以以蠕动泵在线的方式加入，也可以在每个样品和标准溶液中分别加入。无论哪种方式加入，加入内标的浓度最好在标准曲线中间范围，加入的浓度必须统一。

2.避免仪器污染

理论上ICP-MS既可以分析低浓度样品也可以分析高浓度样品，但其对痕量和超痕量元素的分析优势是其他光谱分析设备无法比肩的。为保证痕量和超痕量元素分析的准确度和稳定性，建议样品中待测元素的浓度应低于100μg／L。未知浓度样品应先用光谱仪分析元素大致含量后再权衡是先稀释后上样还是可以直接分析。如没有其他手段辅助判断，可先将样品稀释1 000倍后再进行分析，视分析结果情况再酌情选择分析流程。