一、ICP-MS使用的主要气体种类

ICP-MS的工作气体通常包括以下几种：

1. 载气（氩气，Ar）

2. 辅助气（氩气，Ar）

3. 碰撞气（氩气，Ar，或氦气，He）

4. 反应气（氩气，Ar，或氨气，NH₃）

每种气体在ICP-MS系统中有着不同的功能，下面将逐一详细介绍它们的作用和选择依据。

二、载气：氩气（Ar）

氩气是ICP-MS中最常用的工作气体，主要用于以下几个方面：

1. 等离子体的维持与激发

• 氩气作为等离子体的维持气体，负责在ICP源中产生稳定的等离子体。等离子体的温度通常在6000K至10000K之间，氩气的高化学惰性使得它能够在高温环境下稳定存在并帮助维持等离子体。

• 由于氩气的高惰性，它不容易与其他化学元素发生反应，因此不会干扰样品元素的电离过程，使其成为ICP-MS中必不可少的气体。

2. 离子源的作用

• 氩气在ICP-MS中通过高能量等离子体将样品中的元素转化为带电离子。通过合理调整氩气的流速，可以有效控制等离子体的稳定性和样品电离效率，进而影响信号强度和分析结果的精度。

3. 气体流量的控制

• 氩气的流量对等离子体的质量和稳定性至关重要。一般来说，等离子体气体（氩气）的流量范围在0.6至1.2 L/min之间。过高或过低的氩气流量可能导致等离子体不稳定，进而影响ICP-MS的分析结果。

三、辅助气：氩气（Ar）

辅助气主要用于调节等离子体的形态和控制离子的传输效率。尽管氩气通常用于辅助气，但某些仪器可能会使用不同种类的气体作为辅助气。

1. 离子束的形成与稳定性

• 在ICP-MS中，辅助气主要用于将已电离的样品离子通过不同的离子通道传输到质量分析器。辅助气的流速会影响离子束的稳定性，进而影响元素的定量分析。

• 在一些系统中，辅助气流量的调整对于保持最佳的离子化效率和减少背景噪声至关重要。通常情况下，辅助气的流量在0.1至0.6 L/min之间调整。

2. 等离子体的形状

• 氩气作为辅助气的流速对等离子体的形状有重要影响。在适当的流速下，辅助气能够帮助形成稳定且均匀的等离子体，这对于确保高效的离子化过程至关重要。

四、碰撞气：氩气（Ar）和氦气（He）

碰撞气用于ICP-MS的碰撞/反应池（CRS），目的是减少干扰离子对目标离子的影响，提高分析的精度。常用的碰撞气有氩气（Ar）和氦气（He）。

1. 氩气作为碰撞气

• 氩气不仅用作等离子体和辅助气，它还常常用作碰撞气。氩气通过在碰撞池中与离子碰撞，降低高电荷状态离子的干扰，特别是减少来自其他元素（如锂、钠、钙等）的干扰。

• 碰撞气的作用是通过增加碰撞池中的气体分子与离子之间的相互作用，来使干扰离子失去能量并降低其强度。这有助于提高信号的清晰度，减少因背景干扰引起的误差。

2. 氦气作为碰撞气

• 氦气作为碰撞气有着更高的效能。氦气的质量较轻且化学惰性更强，适用于减少基质效应和解决高背景干扰问题。与氩气相比，氦气对元素的干扰作用较小，因此在处理复杂样品或低浓度分析时，氦气作为碰撞气具有明显的优势。

• 氦气通过减少“同位素干扰”来提升精度，特别是在需要区分不同同位素的分析中，氦气能够有效降低干扰，提供更清晰的信号。

3. 碰撞池的工作原理

• 在ICP-MS中，碰撞池通过产生气体碰撞作用来降低干扰信号的强度。通过调节碰撞气的流量和类型，可以有效提高仪器的选择性和灵敏度。

• 氦气的使用特别适用于复杂基质或多元素分析，尤其是在矿物、环境样品或复杂生物样品中进行痕量分析时。

五、反应气：氩气（Ar）和氨气（NH₃）

反应气主要用于ICP-MS中的反应池，其功能是与特定元素或离子发生反应，从而改善元素分析的选择性和敏感度。常用的反应气包括氨气（NH₃）和氩气（Ar）。

1. 氨气（NH₃）作为反应气

• 氨气常常用于处理含有碱土金属、过渡金属等元素的复杂样品。氨气通过与待测元素离子发生化学反应，形成稳定的氮化物或氨基离子，从而减少干扰信号的影响。

• 氨气的使用能够显著改善铅、铝、钙、镁等元素的检测效果，特别是在其含量较低的情况下，有助于提高元素的选择性和灵敏度。

2. 反应气的选择

• 反应气的选择依赖于分析样品中元素的种类和干扰的性质。例如，对于某些过渡金属，使用氨气作为反应气可以通过反应生成离子化物，避免干扰干扰。对于某些金属元素，如钙、锂、镁等，氨气同样能通过形成离子化物来降低干扰。

六、气体流量的控制与优化

ICP-MS中的气体流量对分析性能具有重要影响。在实际应用中，气体流量的控制需要根据分析的具体需求进行调整。

1. 等离子体气体（氩气）流量

• 等离子体气体的流量决定了等离子体的温度和稳定性。过高的氩气流量可能导致样品离子化效率的降低，影响分析的灵敏度；而过低的流量则可能导致等离子体的不稳定，无法有效激发样品。

• 合理的氩气流量应根据实际分析的需求进行调整，一般控制在0.6到1.2 L/min之间。

2. 辅助气流量

• 辅助气的流量对离子化效率和离子束的稳定性有重要影响。调整辅助气的流量有助于控制离子束的传输效率。

• 在实际使用中，辅助气的流量通常调节在0.1至0.6 L/min之间。具体的流量设置需要根据仪器的参数和样品的复杂度来决定。

3. 碰撞气与反应气的流量

• 碰撞气（氩气或氦气）和反应气（氨气）通常需要根据不同的分析需求调整其流量。过多的碰撞气可能导致离子过多的碰撞，从而降低离子传输效率；反之，流量过低可能不足以减少干扰信号。

七、总结

ICP-MS作为一种高灵敏度、高选择性的元素分析技术，其分析结果受到气体选择和气体流量控制的显著影响。常用的ICP-MS工作气体包括氩气、氦气、氨气等，每种气体都有其独特的作用和选择依据。在实际应用中，操作人员需要根据样品的性质、分析的需求以及仪器性能，精确调节气体流量，以获得最佳的分析效果。通过合理选择和优化工作气体，能够显著提高ICP-MS的灵敏度、准确性和稳定性，确保分析结果的可靠性和精度。