發明人HOUK教授訪談：ICPMS的前世今生

　　2017年BCEIA展會上，萊伯泰科在慶祝公司成立15年之際，創始人胡克先生邀請自己在美國求學時的導師、美國愛荷華州立大學Robert Samuel Houk教授來到中國。Houk教授是全球光譜質譜屆極負盛名的大咖級人物、ICP-MS發明人之一，在化學界獲獎無數。分析測試百科網記者在展臺采訪了Houk教授，他為我們分享了ICP-MS誕生的故事和對當今ICP-MS發展的許多見解，希望對廣大的網友有啟發。

　　美國愛荷華州立大學Robert Samuel Houk教授（左），萊伯泰科董事長胡克

ICP-MS發展的里程碑

　　Houk教授首先回顧了ICP-MS發展史上的重要里程碑。

　　第一個里程碑：1978年，Houk實驗室搭建了全球第一臺可以從ICP中提取離子的ICP-MS，1979年3月在美國EPA綜述研討會上，Houk教授做題為"Analytical Capabilities of ICP-MS"（ICP-MS的分析能力）的演講。

　　第二個里程碑：1980年，Houk在Anal Chem（美國分析化學期刊）上發表全球第一篇ICP-MS論文，題目是“Inductively Coupled Argon Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements”。該論文被美國分析化學期刊評為前60年60篇最有影響力的論文之一。

　　第三個里程碑：1983年，研究者們提升了ICP-MS的檢測性能用于分析水樣、尿樣、血樣等真實的樣品，同年加拿大SCIEX和英國VG兩家公司推出了商品化的ICP-MS儀器（演化為我們后來熟知的PerkinElmer和賽默飛的ICP-MS）。

　　第4個里程碑：碰撞池的出現。根據用戶們的報告，后來儀器的性能不斷提高，更多的創新用于不斷提高靈敏度，去除更多的干擾。所以第4個里程碑是碰撞池的出現，最早的論文見于1990年，1997-1998年出現了商品化帶碰撞池的ICP-MS。

　　第5個里程碑：1989年，英國的一個團隊搭建了高分辨率磁質譜的ICP-MS，可以更有效地去除干擾，提高靈敏度。

　　回顧當年發明ICP-MS時自己面臨的挑戰，Houk教授說，當時搭建的第一臺ICP-MS用于美國EPA，他們需要更高的靈敏度來測定痕量的金屬類元素，比如鉛、鈾、汞、鈷。當時面臨的挑戰主要是：如何從ICP中有效地提取離子。因為ICP接口會放電，會產生很多二次離子，對后續分析造成困難，所以必須找到辦法來最小化這種放電現象。經過Houk課題組的不斷努力克服了這種困難，商品化的儀器才得以出現；最早的ICP-MS設計采用的是二級真空方式，進樣口直徑僅有0.5mm，靈敏度較低，而且容易堵塞，實用性差。后來的設計改為三級真空，進樣口擴大為1mm，進樣面積增大了4倍，樣品中的離子流直接進入了一級和二級真空，靈敏度和實用性得到了大大提高。在第二代技術上，ICP發生器得到了很大改善，可以持續提供ICP源產生等離子體并抑制放電。大多數早期的工作都是Houk教授課題組發明的，后來他也和加拿大的SCIEX公司談了一些合作。

ICP-MS的現有儀器技術

　　各種商品化技術一覽

　　談到市場上已有的ICP-MS商品化儀器的差別，Houk表示，目前各種四極桿型商品化儀器在ICP源、提取離子的部分幾乎一樣，只有耶拿一家是不一樣的，他們在Skimmer上加了正電壓作為能量，其發明人也是Houk本人和他的學生胡克。主流的四極桿ICP-MS在分析器部分也基本一樣，都有碰撞池。

　　另一種是高分辨雙聚焦的磁質譜，還可以用多接收器（MCP）同時收集離子。這類儀器雖然非常龐大，非常昂貴，但可以獲得非常棒的結果。還有一種是TOF類ICP-MS，最近被廣泛用于分析單顆粒和單細胞；不過迄今為止，應用市場比較局限。另外還有激光剝蝕方面的進展，可用于固體進樣的ICP-MS。

　　和30年前相比ICP-MS的主要進展

　　Houk表示，和30年前相比，當前ICP-MS發生的最大變化是，幾乎所有的四極桿ICP-MS都有碰撞池；納米顆粒或單細胞分析既可以用四極桿，也可以用TOF。另一個重大的改進是，儀器越來越容易使用。還有一些創新來自于進樣技術，如激光剝蝕進樣技術廣泛用于ICP-MS，還有去溶劑化，更低進樣量，以及和GC、LC的聯用方面的創新和改進。

　　三重四極桿ICP-MS會是發展趨勢么？

　　如今，安捷倫、賽默飛都推出了串聯四極桿的ICP-MS/MS，Houk教授認為，這是近年來的一個比較大的創新。三重四極桿ICP-MS/MS，用第一個四極桿選擇離子后，在第二個多極桿區和碰撞氣體進行反應，生成更高質量的離子，然后在第三個四極桿區測定它。這種設計可以大幅降低干擾，有更高的靈敏度，更低的檢出限。

　　從儀器發展上來說，這是一個趨勢，其實很多家都應該可以實現。當然，面向的主要是一些干擾特別嚴重的應用，當然儀器也會更貴。

　　談到有機質譜的三重四極桿為何更普及，Houk表示，有機質譜特別是液質聯用，在離子源區產生的大都是分子離子，人們更有動力去獲得碎片，所以三重四極桿串聯質譜的需求變得很迫切；同時在第二個桿區使用通用的碰撞氣進行CID碰撞，總可以獲得碎片。對于ICP-MS，離子化的是原子，很難再獲得碎片，所以在第二個桿區需要根據樣品加上不同的碰撞氣來反應成更高質量的離子，不像有機質譜那么容易。三重四極桿ICP-MS/MS對于某些特定的元素很有用。

　　質量轉移反應模式下進行硒的測定：傳統的 ICP-QMS 與 ICP-MS/MS對比

　　輝光放電和高分辨ICP-MS

　　Houk教授表示，輝光放電（GD，Glow Discharge）質譜，大多數應用是高純金屬分析，不能分析非導電的樣品，儀器體積很大，都采用高分辨磁質譜，目前看不到更多的應用。GD-MS最大的優點是可以直接分析固體，由于產生很多金屬簇離子，難以分開，所以必須要用高分辨質譜，因此儀器也就非常昂貴。胡克談到，目前有一種替代的方法是用激光剝蝕+四極桿ICP-MS，就可以直接分析固體，而且對非金屬和金屬都適用，同時ICP-MS有很好的檢出限。

　　輝光放電磁質譜GD-MS

ICP-MS的未來發展趨勢

　　是否可以做便攜ICP-MS？

　　目前有機質譜一個趨勢是向小型、便攜化發展，對于ICP-MS的走向，Houk教授表示，首先，現在的ICP-MS比當年體積已經減小了很多，可以很容易地放在臺子上（而不是落地的）。其次ICP-MS為保證性能，不大可能做到便攜。因為ICP-MS需要完成的過程包括：大氣壓離子化，提取和傳輸離子，抽真空，在質譜中分離；而如果做得太小，無法達到ICP-MS的性能。

　　磁質譜仍舊不可替代

　　目前有機質譜已經快要放棄磁質譜，比如興奮劑、二噁英都可以用GC-MS/MS串聯四極桿或高分辨GC-MS（TOF或Orbitrap）來測定。Houk教授認為，對于無機元素分析，磁質譜還有不可替代的優勢。對于元素干擾比較嚴重的情況，還需要磁質譜，特別是MCP-ICP-MS在地質領域測定同位素比值，一定要用高分辨磁質譜，TOF和Orbitrap在短期內都不能達到磁質譜的效果。這是因為，TOF和Orbitrap都需要把ICP炬中提取的離子先“冷卻”，降低其動能，才能進入碰撞池和進行后續分析；這種“冷卻”的功能需要有靠近Skimmer的多極桿（六極桿或八極桿）離子光學透鏡，而使用這種RF only的多極桿，會大幅降低ICP-MS的性能。降低原子離子的動能，比降低蛋白和有機小分子這些分子離子要難得多，需要更高能量的碰撞氣，會帶來更多的問題。所以，ICP-MS最理想的分析器還是四極桿或磁質譜。

　　已經可以測定絕大部分元素

　　Houk教授表示，ICP-MS發展至今的30年，除了H，He，N，O和一些惰性氣體元素，已經可以測定絕大部分元素。只不過有些元素用ICP-MS效果不一定非常好。

ICP-MS的應用進展

　　ICP-MS發展了30多年的時間，目前在核材料、食品、環境等領域都有應用，Houk教授表示，最新的應用包括：免疫方法分析疾病標志物，單顆粒或單細胞分析，這都是ICP-TOFMS適合的領域。LC-ICPMS聯用技術發展得也很快；還有一些課題組（包括Houk教授課題組）致力于用ICP-MS發現新的元素。對于月球樣品的同位素分析，目前尚有比較大的挑戰。

　　ICP-MS在生命科學方面的應用越來越廣，比如癌癥診斷方面，可以用ICP-MS測定健康人和病人細胞中元素的同位素比值，這是ICP-MS的新應用方向。美國明尼蘇達州有一家第三方醫學檢測中心（Rochester），擁有12臺ICP-MS；他們用ICP-MS測定血液中的鉛，每天做上千例樣品。密歇根的水體已發現鉛污染，并發布了鉛的分布圖，因此研究者們測定了至少3000個孩子血液中的鉛，并與分布圖中飲用水中鉛的分布做對比，發現了兩者的比例關系。

　　ICP-MS也被用于當前熱門的代謝組學研究。比利時根特大學 的Frank Vanhaecke教授對從環境中分離的氯代和溴代化合物等含有雜原子的化合物，進行后續的GC-MS和LC-ICP-MS分析，通過測定各種中間態來推測起始的狀態，以及變化的機理，從而發現污染的來源及代謝的通路。和有機質譜的研究方法類似，只不過有機質譜測定的是分子，ICP-MS測定的是雜原子（如S、P、金屬）等元素。關于如何進行前處理，Houk教授給出的答案是：通過GC或LC分離是最好的手段。

對中國儀器和BCEIA怎么看

　　在Labtech十五年慶典的答謝晚宴上，Houk教授上臺分享了早年胡克的一些故事。胡克剛到愛荷華州立大學時，Houk只對他說：我們要搭一臺新的多功能ICP-MS，你先去做一個提案。胡克轉身回去就從零開始自己研究各種資料，幾周后提交了一份非常詳細的設計方案，并于后來成功搭建了這臺多功能ICP-MS；由此可證明胡克的勤奮和獨立思考能力。Houk表示，這些年每年在Pittcon展會上見到Labtech和胡克，這是第一次在中國的展會上見到Labtech。Houk對于學生的成功也感到驕傲，他說：“Labtech為實驗室提供具有非常廣泛應用的產品，是非常不錯的工作。”

　　胡克當年在實驗室搭建的多功能ICP-MS

　　談到本次BCEIA，Houk談了幾點感受。首先，學術會議組織得很好，每天都有不同的主題。其次，該場館不像Pittcon那么大，走起來不累，這一點讓Houk教授感覺很滿意。

　　談到中國制造生產的ICP-MS，Houk表示，在本屆BCEIA上看到的ICP-MS，比世界上任何展會上都要多，這正是因為中國有數家企業都推出ICP-MS。所以，Houk斷定中國ICP-MS用得很多，推測應該是同中國環境市場的需求有關。Houk教授最后談到了一點希望，即如果中國的ICP-MS要走向全球，就一定需要有自己的特點，要有與現有產品的不同之處，即產品要有差異化的特點。

　　Robert Samuel Houk教授

Robert Samuel Houk教授

　　全球光譜質譜屆極負盛名的大咖級人物、ICP-MS發明人之一、美國愛荷華州立大學博士導師、美國Ames國家實驗室資深化學家——Robert Samuel Houk教授。

　　R.S.Houk教授在ICP質譜儀器設計和應用領域耕耘了幾十年，取得過耀眼的成就。他是發表ICP-MS儀器領域文章的第一人，此后陸續在各種權威雜志上發表了兩百多篇相關論文，并在化學界獲獎無數：

　　美國化學會光譜化學獎（ACS Award for Spectrochemical 2012）

　　分析化學獎（Anachem Award, Association for Analytical Chemistry 2000）(affiliated with ACS Detroit Section)

　　美國化學會化學儀器獎（ACS Award for Chemical Instrumentation 1993）；

　　匹茲堡大會Maurice F. Hasler獎，該獎項表彰“對光譜學領域的重大貢獻，導致廣泛用途的應用”（1993） （Maurice F. Hasler Award from Spectroscopy Society of Pittsburgh and Fisons (1993). This award recognizes "significant contributions to the field of spectroscopy that have resulted in applications of broad utility."）

　　美國應用光譜Lester W. Strock 獎（Co-recipient, Lester W. Strock Award from Society for Applied Spectroscopy (1986) ）

　　美國分析化學雜志60篇最有影響力原創文章（Original ICP-MS paper chosen to be reprinted as “one of the 60 most influential papers published in the journal Analytical Chemistry," （1994））

　　R．S．Houk教授任職美國愛荷華州立大學教授和美國能源部歐姆斯國家實驗室資深科學家（Ames Lab）的同時，還擔任過：

　　美國質譜學會雜志副主編（Associate Editor, Journal of the American Society for Mass Spectrometry (1989-1994)）；

　　質譜百科全書——無機質譜卷編輯（Volume Editor, Inorganic Mass Spectrometry, Encyclopedia of Mass Spectrometry, 2002-2008）

　　光譜化學編輯顧問委員會委員（Editorial Advisory Board, Spectrochimica Acta, Part B (1989-present)）

　　原子光譜分析期刊編輯顧問委員會委員（Editorial Advisory Board, Journal of Analytical Atomic Spectrometry (1995-2005)）

　　日本鋼鐵研究所期刊編輯顧問委員會委員（Editorial Advisory Board, Journal of the Iron & Steel Institute of Japan, (2000-2006)）

　　美國質譜學會元素分析興趣小組主席（Chairman, Elemental Analysis Interest Group, American Society for Mass Spectrometry (1990-1994)）。

　　R．S．Houk教授的導師更是大名鼎鼎的ICP光譜之父V. A. Fassel法賽爾教授， Fassel是ICP光譜的發明人，他明確定義了上千條可應用的光譜譜線，他的貢獻極大地促進了光譜化學的發展和進步，是國際化學界公認的杰出科學家， 曾獲美國應用光譜學會獎、匹茲堡光譜學會獎 、美國化學會分析化學獎、化學儀器儀表獎……