元素の宇宙を解き明かす: ICP-MS 技術への洞察

誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) の基本紹介

誘導結合プラズマ質量分析法は、ICP 技術と質量分析法を組み合わせた分析技術です。ICP-MS は、1980 年代に開発された無機元素および同位体の分析および試験技術です。誘導結合プラズマの高温イオン化特性と、質量分析計の高感度で高速なスキャンの利点を独自のインターフェース技術と組み合わせることで、高感度分析技術を形成します。1984 年に最初の商用機器が登場して以来、この技術は地質科学研究での最初の応用から急速に発展し、材料、化学工業、生物学、医学、冶金、石油、環境などの分野で広く使用されています。

誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) の原理

ICP-MS は、ICP と MS を組み合わせた装置とみなすことができます。ICP-MS の主な原理は、次の 3 つのポイントに分けられます (図 1 を参照)。

1. ICP-MS では、ICP がイオン源として機能します。高周波 RF 信号を使用してインダクタコイルの高電力を強化し、コイル内に高温プラズマを形成し、ガスの促進によってプラズマのバランスと継続的なイオン化を確保します。サンプルは蠕動ポンプによってアトマイザーに送られ、エアロゾルを形成します。エアロゾルはキャリアガスによってプラズマトーチの中央領域に運ばれ、蒸発、分解、励起、イオン化が起こります。高温プラズマにより、ほとんどのサンプル内の元素が電子をイオン化して一価の陽イオンを形成します。

2.プラズマ内のイオンは、ICP-MSのインターフェースを介して質量分析計に効果的に伝達されます。

3.質量分析は、質量スクリーニングと分析装置です。異なる質量対核比（m/z）のイオンを選択することにより、特定のイオンの強度が検出され、特定の元素の強度が分析および計算されます。

図 1 ICP-MS の原理図

誘導結合プラズマ質量分析 (ICP-MS) の装置構造

ICP-MS 試験用の装置は誘導結合プラズマ質量分析計と呼ばれ、標準的な ICP-MS 装置は主に ICP (サンプル導入システム、イオン源)、インターフェース (サンプリングコーン、インターセプションコーン)、質量分析計 (イオン集束システム、四重極フィルター、イオン検出器) の 3 つの基本部分に分かれています。構造を図 2 に示します。

図 2 誘導結合プラズマ質量分析計の構造

誘導結合プラズマ質量分析 (ICP-MS) の特徴

ICP-MS には次の特徴があります:

1. 試験速度が速く、同位体分析、有機物中の金属元素の形態分析など、複数の元素の同時測定が可能です。

2. 感度が高く、検出限界が低いです。

3. スペクトル線がシンプルで、選択性が高く、スペクトル技術に比べて干渉が少ないです

4. 測定可能な元素表面の幅は最大 80 元素以上です。

5. ダイナミック線形範囲は広く、最大7〜9桁です。

6. 他の質量分析技術と比較して、サンプルの準備と導入が比較的簡単です。

誘導結合プラズマ質量分析 (ICP-MS) の干渉要因

ICP-MS スペクトルは非常にシンプルですが、避けられない干渉要因が多数あります。主に次のとおりです。

1. 質量分析干渉: ICP-MS における質量分析干渉 (等圧干渉) は予測可能であり、その数は 300 未満です。0.8 amu の分解能を持つ質量分析計では、58 Ni から 58 Fe、40 Ar から 40 Ca など、これらを区別することはできません。

2. マトリックス酸干渉: HCl、HClO4、H3PO4、H2SO4 は、かなりの質量スペクトル干渉を引き起こします。

3. 二価イオンの干渉: 二価イオンによる質量分析の干渉は、一価イオンの M/Z の半分です (例: 138 Ba2+ から 69 Ga+、208 Pb2+ から 104 Ru+)。

4. 空間電荷効果。

5. マトリックス効果。

6. 電子干渉。

誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) の応用

高速スキャン、高精度、広い検出範囲という利点により、ICP-MS の応用範囲はますます広がっています。現在、ICP-MS の応用範囲は主に次のとおりです。1. 水環境の監視と分析、2. 土壌環境の監視と分析、3. 半導体産業材料の不純物分析、4. 鉄鋼および非鉄金属の分析、5. 石油化学分析、6. 法医学的公安分析、7. 原子力産業分析などです。

次に、ICP-MS の 2 つの応用事例を紹介します。

事例 1: 土壌中の重金属元素の測定: ICP-MS プラズマ質量分析法を使用して、土壌中の鉛、クロム、水銀の含有量を同時に検出しました。マイクロ波分解法を使用して、質量分析干渉と非質量分析干渉を効果的に補正しました。