40不惑，仍在解决新的应用问题：ICP-MS应用场景的变迁

作者

Robert Thomas

在1983年的匹兹堡会议上，SCIEX推出了基于四极杆的电感耦合等离子体（ICP）质谱仪。12个月后，SCIEX与PerkinElme的合资公司宣布成立，但这一事件标志着ICP- MS作为超痕量元素分析的主要多元素技术的迅速崛起。这是一场竞争的开始，在接下来的40年里，我们看到许多其他供应商和质谱仪技术的出现和发展。

如今，全球每年安装近2000套ICP-MS系统，年销售额约4亿美元，应用范围广泛，从常规的高通量多元素分析到更复杂的任务，如与高效液相色谱联用进行微量元素形态研究和纳米颗粒监测。随着越来越多的实验室投资采购该技术，应用清单也越来越大，越来越多样化。

ICP-MS被广泛认可

由于ICP-MS被广泛使用和接受，商品化仪器的成本在过去40年里大幅下降。当这项技术第一次被推出时，25万美元是一个相当典型的花费，而今天人们可以花不到15万美元购买一个四极杆或TOF（飞行时间）系统。

尽管投资于扇形磁场质量分析器技术或“三重四极”碰撞/反应池仪器的成本要高得多，但大多数希望投资于该技术的实验室应该能够证明购买仪器的合理性，不会让价格成为主要问题。

这种价格侵蚀的好处之一是，原子吸收（AA）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）的用户群体正缓慢地但毫无疑问地被ICP-MS所吸引，结果是，该技术被用于越来越多的应用领域。下图显示了过去40年在全球范围内ICP-MS服务的主要细分市场的大致百分比。

这里要强调三点。

首先，这些数据可能在地理或区域的基础上存在显著差异，例如，由于一个国家对环境问题的承诺（或缺乏承诺）或一个地区的电子或核工业的规模等因素。

此外，许多实验室开展了不止一种类型的应用，因此可能在多个细分市场中被计入。

最后，研究市场部分被列为一个单独的类别，以显示在学术环境中或用于非常规应用的仪器。然而，许多大学、联邦机构或公司研发团队可能会将其仪器用于特定应用领域的研究目的。

出于这些原因，这些数据只应被视为用于比较的近似值。

应用能力

可以说，超痕量的检测能力，加上样品通量的增加，是促使分析化学家投资ICP-MS的主要原因。该技术现在被认为是一种成熟的工具，用于复杂样品的常规、高通量分析，具有相对无缝的样品制备流程。

在早期，它被学术机构和大型企业研发实验室使用。如今，ICP-MS仪器也被承接外包合同业务的实验室用于环境、制药和生物监测等领域的常规分析。这得益于样品制备方面的更高自动化程度和无缝方法开发工具，这大大降低了运行它们所需的操作人员的专业知识。

还值得指出的是，更严格的法规要求越来越低的检出限，特别是在半导体、毒理学和食品市场领域。此外，在过去的五年里，大麻产业的快速增长意味着种植者和加工商必须确保消费品的安全，满足联邦政府对重金属等污染物的严格限制。

大麻，图片来源于网络

因此，追求更低的检出限只是一个因素，而另一个因素是客户的分析需求和要求。例如，电子行业面临着“追求零”的巨大挑战，因此制造商必须测量工艺化学品和电子设备中元素杂质的最低水平，以确保其产品的最优性能。

挑战

随着ICP-MS在各种应用领域的应用越来越广泛，新建实验室也更容易获得它。为缺乏经验和新手用户开发食品、环境、生物监测、地球化学、制药和大麻应用等领域的“交钥匙”分析方法是部分原因，这对该技术在这些细分市场的增长至关重要。

重要的考虑因素包括易用性、软件的无缝性、低维护以及处理不同基体的能力，这让分析人员对生成的结果有信心，并确保他们第一次及以后每次都能得到正确的答案。用户群体期望这些品质，特别是在高通量实验室。

他们希望在同时运行多个样品（其中许多样品含有高浓度的无机酸）的同时，以最小的维护和较短的停机时间来延长仪器的运行时间。需要强调的是，这种进样环境对仪器并不友好。当样品中含有>10%的矿物酸或>10%的溶解固体时，它将对仪器的进样部分造成损害。

因此，仪器必须足够皮实，以处理这种样品基体，而不会对系统的日常维护产生重大影响，同时每天都提供高质量的数据。

因此，在设计ICP-MS仪器时，耐用性是至关重要的。然而，这只是分析挑战的一个方面。

如前所述，半导体行业是需要这种耐用性的一个应用领域，但也需要尽可能低的检出限。就在15年前，半导体制程化学品中元素杂质的指导值是10ppt；如今，这个行业要求1-2个ppt。这就对用于这种分析的任何仪器设计提出了独特的要求。

因此，随着对越来越低的检出限的追求，不仅要开发具有高分析物灵敏度和极低背景噪声的仪器，而且要有一个超干净的实验室和样品制备环境，为在如此低的浓度水平上检测元素奠定基础，这是一个主要的挑战。

这两个因素都至关重要。易用性的趋势意味着操作人员参与分析过程的时间越来越少，因此往往不熟悉在超痕量环境中工作的细微差别，如果出现需要用户干预的问题，也不一定能识别出来。出于这个原因，仪器必须提供维护提醒，以便于在潜在问题真正发生之前降低它们的严重程度。

法 规 

对提供实用解决方案的最先进ICP-MS设备的需求不断增长，主要是由监管要求推动的。无论哪个行业，对于像重金属这样的无机污染物杂质的更低含量的检测都有巨大的需求。

例如，许多法规要求在土壤中种植任何作物之前都要对土壤中的有毒金属进行检测。此外，必须对工业废水进行监管，以了解究竟什么被排入到了废水管线中。纳米材料尤其如此，相关研究正在寻找它们进入环境的途径。专家们还没有广泛研究无机纳米颗粒对动植物的长期影响，因此，展望未来，工业界显然必须对这个问题要有更好的理解。

另一个例子是矿物的开采，如用作增白剂的二氧化钛，和因为独特的干燥和抗结块性能而被用于制造药用辅料、填充剂和片剂粘合剂的二氧化硅。新法规要求制造商测量其产品中24种含量在微克水平的元素杂质。如果他们不遵守这些每日允许暴露量（PDE）的限制，他们可能会被处以巨额罚款，甚至关闭他们的制造厂。

因此，很明显，金属在我们生活的世界中扮演着许多重要的角色，所以，需要对这些金属和类金属进行定量检测和监管。因此，使用高灵敏技术，如ICP-MS，以及可以提升性能和效率的配件，来帮助我们进行这些极低含量的测量是非常重要的。

应用趋势

满足这些需求有两个主要趋势。一个是高端市场，半导体和生物监测市场都在追求最低的检出限，能够分析尽可能多的无机分析物。在这里，您可以看到正在进行的重要研究，以开发具有最低检出限、最大干扰抑制和最佳灵活性的产品——换句话说，性能最高的仪器。

另一个并行的趋势涉及对食品、环境、药品和大麻相关样品的常规分析，ICP-MS的灵敏度已经足以满足它们的要求。对于这些实验室来说，趋势是提高耐用性，减少例行维护，与自动化进样解决方案更加无缝集成，并且易于使用，这显然是一个与超低背景水平和检出能力非常不同的应用方向。

影响ICP-MS仪器发展的因素

由于许多学术课题组目前并没有开发用于商业化的硬件，这些机构的趋势似乎更侧重于应用方法的开发。这与20世纪70年代和80年代形成了鲜明对比，当时ICP-MS的基础研究主要是在学术界进行的。

然而，最近，我们看到了ICP-MS开发的转变，主要由制造商进行，许多前沿应用工作则由学术界进行或支持。一个很好的例子是ICP-MS在纳米材料领域的扩展，特别是在过去四到五年里检测环境和生物样品中的纳米颗粒。在这方面，大学和制造商之间已经有了一些很好的合作。

一般来说，大学越来越有兴趣扩展到供应商或其他用户不一定能解决的小众应用领域，如单颗粒和单细胞分析，监测单细胞内的金属含量，以便更好地了解金属（如铂）在癌症治疗研究中发挥作用的机制。

铂类配合物在抗癌疗法中的作用，图源网络

另一个例子是在制药行业，美国药典（USP）章节<232 >、<2232>和<233>以及ICH Q3D（元素杂质指导原则）通过最近对药品和膳食补充剂中元素杂质检测的规定，为ICP-MS开辟了新的市场。

这一应用的延伸是对大麻和大麻素消费品进行重金属污染物测试，即四大重金属——铅（Pb）、镉（Cd）、砷（as）和汞（Hg）——直接引用由制药业发起的法规。然而，与药物制造不同的是，大麻中重金属的来源并没有真正的追踪，因此由于元素污染物水平升高而召回产品的情况并不少见。

所以，至关重要的是使用 ICP-MS 监测大麻植物和产品的元素污染物的范围要比“四大”更广泛，并包括其他值得考虑的元素。这再一次清楚地表明，一些应用领域正在受到行业需求的刺激，并受到制造商的支持和推动，而不是来自大学主导的研究。

未来方向和 最后的思考

仪器供应商坚定地致力于ICP-MS市场，销售额每年增长约6%（相比之下，ICP-OES的增长率约为3%）。如果我们看看主要的细分市场，例如半导体、生物监测、环境、地质、工业、食品、制药和大麻等，很明显对ICP-MS的需求仍在快速增长。

这种增长主要是通过与以市场为导向的关键客户的合作来实现的，以确保他们解决其未来的需求，并使用这些反馈来帮助他们设计创新的相关产品，无论是应用方法开发、硬件改进还是软件增强等等。

因此，本文的目的是让读者对ICP-MS应用全景有一个概览，并更好地理解为什么它仍然是当今市场上发展最快的微量元素技术。如果有一个贯穿这些应用的共同话题，那就是该技术提供的无与伦比的检出限，无论是对于元素总量还是形态。

再结合ICP-MS的快速多元素特性、同位素测量能力、不受干扰和易于使用，很明显，ICP-MS将继续在其整个应用领域内，凌驾于其他原子光谱技术之上，发挥主导作用。

说明：本文摘译自《Spectroscopy》, MARCH 2023, VOLUME 38, NO. 3.