ICP-MS の原理

ICP-MS (誘導結合プラズマ質量分析計)の原理

ICP-MS* とは、高感度な多元素分析を高いサンプルスループットで実現する元素分析装置です。プラズマ (ICP) をイオン源として使用し、発生したイオンを質量分析部 (MS) で検出します。周期表上のほとんどすべての元素を同時に測定可能であり、測定元素についてサブ ng/L (ppt) の濃度レベルで測定できます。また、定性分析、半定量分析、定量分析を実行でき、質量分析であるため同位体比測定も可能です。

* (分析機器) 誘導結合プラズマ質量分析計 Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer
 (分析法)    誘導結合プラズマ質量分析 Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry
   JIS 通則 : JIS K 0133 : 2007JIS 高周波プラズマ質量分析通則

図1. Agilent ICP-MS の構成

イオン源としてのプラズマ

一般に、液体サンプルはペリスタルティックポンプでネブライザに導入され、そこでエアロゾル化します。ダブルパス型のスプレーチャンバの採用により、安定したエアロゾルがプラズマに導入されます。アルゴン (Ar) ガスは石英製トーチに導入され、ICP (誘導結合プラズマ) を形成します。トーチは、RF エネルギーが印加された RF コイルの中心に位置します。強力な高周波が Ar 原子同士の衝突を発生させ、高エネルギーのアルゴンプラズマを生成します。エアロゾル化されたサンプルは、プラズマ (温度は 6,000 ~ 10,000K) 内で瞬時に分解し、測定対象元素は原子化、そしてイオン化されます。発生したイオンはプラズマから、高真空状態 (通常は 10-4Pa) に維持された質量分析部に送られます。この真空状態は、差動排気により維持され、測定対象のイオンはサンプリングコーンとスキマーコーンと呼ばれる一対のオリフィスを通って導かれます。

ORS コリジョンセル

プラズマとサンプルマトリックスに起因する干渉を除去しています。
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四重極質量アナライザ

次に、測定元素イオンは、イオンレンズシステムにより四重極質量アナライザに収束され、質量電荷比に基づいて分離されます。「四重極」 という用語は、質量アナライザが基本的に 4本の平行なロッドから構成され、そのロッドに RF 電圧と DC 電圧を組み合わせて印加することに由来しています。この電圧の組み合わせにより、四重極質量アナライザは、特定の質量電荷比を持つイオンのみを透過させることができます。

検出器

最後に、イオンは二次電子増倍管で測定され、質量数ごとの信号となります。

質量スペクトル

得られる質量スペクトルは、きわめてシンプルなものです。各元素の同位体の信号がそれぞれの質量数 (たとえば Al は 27amu) に現れ、その信号強度は、サンプル溶液内の当該同位体の濃度に比例します。低質量数のリチウム (Li) から高質量数のウラン (U) までの多数の元素を同時に分析でき、所要時間は通常 1 ~ 3分程度です。ICP-MS を使用すると、ppt オーダーから ppm オーダーまでの濃度のさまざまな元素を一度に測定できます。

アニメーションビデオ – ICP-MS の原理

イオンが ORS などを通過する様子を 「イオンの視点」から見たアニメーションで ICP-MS の原理をご紹介します (Agilent 7500 の装置でのご紹介)。
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ICP-MS 関連用語

データ解析編

1 質量スペクトル マススペクトルともいう。横軸にイオンの質量電荷 (数) 比 m/z (斜体字で表す) を、縦軸に信号強度を表した二次元表示。ICP-MS では多くの場合、1価イオンが対象となるので m/z は元素の質量数にそのまま対応する。一部の元素については 2 価イオンも生成するのでその場合には信号は m/2 の位置に出現する。
2 質量数 質量数は原子もしくはイオン中の陽子と中性子の数の合計。同位体の質量数は12C のように元素記号の前につけられた上付き数字で示される。原子番号と違い順位を表していないので、「質量数は7 番」 のように 「番」 をつけない。
3 CPS または cps カウント毎秒 Counts per Second の略。1秒あたりのカウントを意味する。カウント/積分時間で計算される。
4 カウント 検出器が積分時間内に検出した、特定の元素のイオンの信号強度。サンプル中のその元素の濃度に比例する。積分時間1秒でのカウントは CPS に同じ。
5 積分時間 信号強度を平均化してばらつきを抑えるため、検出された質量信号を積分し、その時間平均値を算出するための単位時間。
6 相関係数 Correlation Coefficient を意味し、一般に R または r で表示される場合が多い。測定点が回帰直線にどれくらい合致するかを見積もるために計算する。-1 < R < 1 の範囲で値をとり、ICP-MS では(標準溶液が正しく調製され、装置が適切に調整されていれば) ほとんどの場合 0.99 以上の値をとる。
7 DL Detection Limit の略で各元素ごとの装置の検出下限 (限界)、すなわち検出できる最小量 (値) を意味する。検量線ブランクの標準偏差の 3 倍を与える信号強度を感度 S で除して濃度に換算した値。D L= 3σBLK/S。
近年、Limit of Detection, LOD の使用が ISO、JIS にて推奨されているが、DL は慣用的に多用されている。
8 BEC バックグラウンド相当濃度 Background Equivalnet Concentration の略。バックグラウンドの信号強度を感度 S で除して濃度に換算した値。単位は ng/L など濃度。「ベック」 と読むのは望ましくない。
9 RSD 相対標準偏差 Relative Standard Deviation の略で、変動係数 coefficient of variation, CV ともいう。単位はパーセント%。測定値の標準偏差を測定値の平均値で除した値。RSD% = σ(x)/xaverage。濃度、cps それぞれについて算出される。

アプリケーション

ICP-MS は、微量元素の測定を行う主要分析ツールとして、半導体、環境分析、地質学、化学、原子力、クリニカルおよび各種研究所をはじめとする幅広い業界で使用されています。


関連情報

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