全谱ICP质谱(通常指飞行时间电感耦合等离子体质谱,TOF-ICP-MS)是一种基于飞行时间质量分析器的高通量元素分析技术,能够实现全质量范围内同位素的瞬时同步检测。相比传统的四极杆ICP-MS,全谱技术在多元素快速分析、瞬态信号处理及同位素比值测定中展现显著优势。
一、工作原理
1、离子化与传输
样品经雾化器进入高温等离子体(~8000K),离子化后通过接口锥(Sampler/Skimmer Cone)提取至真空系统。
2、质量分离与检测
飞行时间质量分析器(TOF):离子经加速电场后以相同动能进入无场漂移管,质量小的离子飞行时间短,质量大的飞行时间长,通过检测飞行时间差异实现质量分离。
全谱同步采集:单次脉冲(μs级)即可捕获全质量范围(如Li~U)的离子信号,避免四极杆扫描的时间延迟。
3、数据处理
通过高速数字转换器(ADC)记录所有离子到达时间,结合校准曲线将时间转换为质荷比(m/z),生成完整质谱图。
二、核心性能优势
参数 | TOF-ICP-MS | 四极杆ICP-MS |
检测模式 | 全谱同步检测(所有m/z同时采集) | 顺序扫描(逐点测量) |
分析速度 | 每秒>50,000张谱图 | 每秒10-20个质量数 |
动态范围 | 10⁶-10⁸(单次脉冲) | 10⁶(需分段扫描) |
同位素比值精度 | ≤0.1% RSD(短期) | ≤0.3% RSD(受扫描速度限制) |
瞬态信号分析 | 支持单脉冲(如激光烧蚀、单颗粒分析) | 需多次扫描,易丢失信号细节 |
三、典型应用场景
1、多元素快速分析
环境监测:水体、土壤中痕量重金属(As、Cd、Hg等)同步检测,单次进样完成30+元素分析。
生物医学:血清、组织中必需/毒性元素(Fe、Zn、Pb)高通量筛查。
2、瞬态信号解析
激光烧蚀(LA):矿物微区元素分布成像,空间分辨率<10μm。
单颗粒ICP-MS(spICP-MS):纳米颗粒(Ag、TiO₂)数量浓度与粒径分布测定。
3、同位素比值分析
地质年代学:U-Pb、Sr-Nd同位素比值测定,精度媲美多接收器ICP-MS(MC-ICP-MS)。
食品安全溯源:铅、锶同位素指纹追踪葡萄酒、咖啡产地。
四、仪器结构组成
模块 | 功能与关键技术 |
进样系统 | 高精度雾化器)、旋流雾室,耐HF酸(可选配) |
离子源 | 自激式RF发生器,功率1.2-1.6kW,配备三锥接口降低背景噪声 |
质量分析器 | 正交加速TOF,质量分辨率>6000 |
检测器 | 双模检测器(模拟/计数模式),动态范围覆盖1-10⁸ cps |
数据处理 | 实时去卷积算法,消除质量干扰(如⁴⁰Ar³⁵Cl对⁷⁵As的影响) |