I  概述

土壤重金屬污染已成為全球性環境威脅，直接影響食品鏈安全與人體健康。傳統氬基電感耦合等離子體質譜（Ar-ICP-MS）雖為痕量元素分析的有效手段，但其高昂的氬氣消耗、氬基多原子離子干擾及復雜的射頻電源系統等問題長期存在。

近期，You等人發表于《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》的研究系統評估了氮氣微波電感耦合常壓等離子體質譜（MICAP-MS）在土壤重金屬分析中的應用潛力，證實其可作為Ar-ICP-MS的可靠替代方案。

II 方法學建立：土壤樣品的消解與測定

研究選取了7種土壤標樣和3種環境土壤樣品，經王水消解后采用MICAP-MS進行分析，并與Ar-ICP-MS結果進行對比。同位素選擇主要依據無同質異位素重疊、豐度適宜及無等離子體多原子離子干擾等原則，最終確定?1V、?3Cr、??Co、?2Ni、??Cu、??Zn、??As、112Cd和2??Pb為目標同位素。

III 土壤標樣分析：與Ar-ICP-MS結果高度一致

對RV24-N2、RV26-N1、BRM 9b、BRM 10a等土壤標樣的分析結果顯示：

整體表現：MICAP-MS與Ar-ICP-MS測定的V、Co、Cu、Cr、As、Pb、Cd等元素質量分數均與參考值高度吻合，絕大多數落在參考范圍內。

Ni的差異：MICAP-MS測定的Ni質量分數與參考值及Ar-ICP-MS結果存在顯著差異。研究推測可能源于??Ti1?N?的干擾（Ti在土壤中普遍存在）以及MICAP-MS截取錐為Ni材質所致。

Zn的差異：Ar-ICP-MS測定的Zn質量分數普遍低于MICAP-MS。研究推測可能是高Ca基體消耗了部分等離子體能量，導致電離能較高的Zn（9.4 eV）電離不全，間接表明MICAP-MS可能具有更高的等離子體能量和電離能力。

Hg的挑戰：因樣品引入系統存在嚴重記憶效應，兩種方法測定的Hg結果均與參考值偏差較大，添加Au溶液未能顯著改善。

計量兼容性：通過E?值驗證，RV樣品的測定結果與參考值具有良好的計量兼容性（E? < 1）。

IV 環境土壤樣品分析：方法適用性驗證

對采集自德國柏林的三份環境土壤樣品進行分析，MICAP-MS與Ar-ICP-MS測得的結果高度一致。值得注意的是，Ni和Zn的差異趨勢與土壤標樣一致（MICAP-MS測定的Ni和Zn含量均高于Ar-ICP-MS），進一步證實了上述差異的系統性。

V 檢出限與靈敏度對比

檢出限（LODs）：對于輕元素（m/z ≤ 112），MICAP-MS的檢出限略高于Ar-ICP-MS，可能源于氮基等離子體中氧化物和氮化物生成率較高所致。對于重元素（如Pb），MICAP-MS的檢出限略低。Ni的檢出限（337 ng/L）比Ar-ICP-MS（22 ng/L）高約15倍，主要歸因于Ni材質截取錐帶來的高背景。

靈敏度：輕元素（如Co）Ar-ICP-MS靈敏度更高或相當，重元素（如Pb）MICAP-MS靈敏度更高。這可能是離子傳輸光學系統差異導致的質量歧視及N?等離子體超聲膨脹中離子動能對質量數更強依賴性所致。

VI 不同純度氮氣對MICAP-MS性能的影響

研究系統考察了不同純度N?（99.5%、99.8%、99.999%、99.9999%）對MICAP-MS分析性能的影響：

定量結果：在不同N?純度下，各元素質量分數幾乎一致，表明等離子體形成和電離效率未受氣體雜質顯著影響。

背景譜圖：主要背景物種為1?NO?、1?N?和1?N??，質荷比均低于35。低純度N?中可檢測到Na?及ArH?、Ar?等雜質信號，可能干擾??Ca、??Fe、??As等分析。

成本優勢：氮氣低于氬氣，且本工作中MICAP-MS的氣體消耗量比Ar-ICP-MS低25%。使用低純度氮氣可進一步降低運行成本，甚至可與氮氣發生器聯用，實現零氣源成本。

V 總結與展望

本研究證實，MICAP-MS采用液體樣品引入系統，可成為土壤中重金屬測定的可靠替代方案。其在V、Co、Cu、Cr、As、Pb、Cd等元素分析中與Ar-ICP-MS結果高度一致，氣體消耗量顯著降低。盡管Ni和Zn的測定存在差異（分別源于截取錐材質和等離子體電離效率差異），但整體性能相當。不同純度氮氣的對比表明，在無干擾前提下使用低純度氮氣可進一步降低成本。綜上，MICAP-MS憑借其與Ar-ICP-MS相當的分析性能、顯著降低的運行成本及更低的維護復雜度，有望成為土壤重金屬分析領域具競爭力的技術選擇。

RADOM等離子體源是一種可直接替換傳統氬氣ICP-MS離子源的模塊化裝置。其核心原理在于采用氮氣（N?）作為工作氣體，結合經過十余年驗證的Cerawave™ “瓷能環”成熟技術，產生穩定、高耐受性的等離子體。該設計從源頭上避免了氬氣產生的多原子離子干擾，顯著提升質譜分析能力，特別是針對³⁹K、⁴⁰Ca、⁵⁶Fe、⁷⁵As、⁸⁰Se等同位素的分析精度與數據可靠性，不再依賴碰撞/反應池或冷等離子體技術。

 同時，其模塊化設計能夠實現與原氬離子源切換自如，優化后的RF系統有效降低高壓負載，增強了設備的耐用性，做到低維護。對于因離子源故障（尤其RF模塊）而年久失修的ICP-MS，能夠使其煥發新生。此外，該離子源具有良好的兼容性，適配多種 ICP-MS 采樣口，適合基于四極桿、飛行時間（TOF）及激光剝蝕（LA）等研究探索的質譜實驗室。

參考文獻

You Z, Akkus A, Weisheit W, Giray T,Penk S, Buttler S,Recknagela S, Abad C. Multielement analysis in soils using nitrogen microwave inductively coupled atmospheric-pressure plasma mass spectrometry. J Anal At Spectrom. 2022, 37: 2556-2562. 

• ICP-MS等離子體源

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