溶液中离子在ICP-MS分析中的利用效率是多少？

对于很多基础性的问题，我们可能并没有深入思考过。比如说：ICP-MS测试时，溶液里的离子最终利用了多少比例？实际上两年前写过，行文存在一些认识错误，故而重新编辑，整理。

我们选择U作为评估对象。其原因有多个:

首先是U的原子序数很大，是常见元素里质量数最大的元素，具有很低的电离能，只要不在冷模式下可以在ICP里完全电离为单价正离子；离子传输很少受到空间电荷效应的影响；99%以上的丰度集中于U238，便于简化计算。

很反对，甚至是厌恶在ICP-MS测试技术故弄玄虚得大谈高深理论。说得俗一点，这与“满嘴仁义道德，满脑子男盗女娼”本质是没区别的，因为不了解细节与本质，那只能是把水搅浑，最终想让大家都糊涂。

首先，要计算出1ppb的U溶液，每秒泵入的原子数量。这里，只需要高一化学的物质的量概念即可计算。过程如下：

① 假定进样量为0.24g/min，即每秒泵入仪器的质量为0.004g。

② 1s时间内进入仪器溶液中的离子个数为：0.004*0.000000001/238*6.02E+23，计算结果: 约为100亿个离子。

ICP-MS测到才能算离子利用上了，也就是说以最终灵敏度为准，我们忽视仪器型号 :U灵敏度范围: 10w-100w cps/ppb。

众所周知检测器电压的变化会显著影响灵敏度，也就是说：可能打到检测器多个离子才会产生一个计数。但在最优的检测器电压下，检测器应有能力测到1个离子的。

我们就可以计算出U238的离子利用效率了：10万-100万除以100亿，也就是1-10w个U离子才能被测到一个！万分之一是溶液利用效率的极限。

假定In115灵敏度为10w cps/1ppb，Li7/ ppb灵敏度分别为5k/cps。同理，计算出：In115的离子利用效率为二十万分之一，Li7约为百万分之一。

以下，我们梳理一下溶液的元素个数是怎么损失一万倍的。

1. 提升的溶液，雾化为气溶胶，并通过雾化室筛选过滤掉较大粒径的气溶胶传输出雾化室的过程中存在气溶胶传输效率的问题。一般来说为百分之几，大部分的溶液是被浪费掉的。通过特殊装置：膜去溶，超声雾化器，单细胞进样系统等可大幅度提高气溶胶的传输效率，甚至可以完全传输。     

和单细胞进样系统类似，在Scott体积较大的雾化室里往往设置有另外一路气，名曰补偿气。适当的氩气吹扫可以提高气溶胶的传输效率。

作为对比，在所有商业化ICP-MS上旋流雾化室中均无此设计，原因在于旋流雾化室体积小，传输效率已无提升空间。对于任何ICP-MS进样系统，溶液提升量较低时，气溶胶传输效率会更高一些。    

2. 选定元素为易电离元素，一般认为在水溶液中电离度100%。但很多高电离能元素会受到电离过程的强烈影响。比如：P，S，Si等非金属元素 ，这些元素由于电离度差，不能变成离子就不能传输，利用效率更差！

3. 锥以及透镜系统：这个部分对于中，高质量数的离子传输效率是较高的，主要离子损失的过程在锥口部分。一般中心管2.5mm，截取锥口按0.5mm计算，接口锥部分，离子通过效率5%左右。

透镜的不同设计理念与选择会影响灵敏度5-10倍，目前高端型号ICP-MS在这部分的传输效率提升空间已经不大。

实际上，但是由于空间电荷效应的存在对于低质量数影响很大，传输效率低一到两个数量级。空间电荷效应对ICP-MS灵敏度的重大影响。这时离子利用效率上Li7远远低于In115和U238的原因。

至此，气溶胶在雾化室内的传输效率1%-2%，离子在锥口部分通过效率5%，透镜系统在高端ICP-MS型号上高质量数我认为超过50%。综合溶液中的原子个数，最多也只利用千分之一。

4. 质量分析器，在正常分辨率下，离子利用效率损失得并没有想象得那么多，通过对Q3 only与MS/MS   模式灵敏度的对比，离子通过效率不高于40%。

对于检测器，只要没有损坏，且设置了合适的检测器电压，损失很少，不再考虑。另外，碰撞反应池的中的过程影响还没有考虑，当需要比较苛刻的池参数时，对离子的影响甚至超过上述的所有过程。

综上所述，目前ICP-MS万分之几的溶液离子利用效率在哪些部分损失的，基本就说清楚了。

有朋友可能会质疑: 按你这么说，2.5mm中心管的离子传输效率更低，1.0mm的传输效率高，那为什么我实际用1.0mm中心管的时候反而灵敏度更低了呢？

确实有这种情况，但灵敏度变低和传输效率高低并无逻辑关系。你仔细想用1.0mm的中心管时，是不是雾化器流量也变较低？问题出在了气溶胶就是通过雾化室的传输效率变低了。

这也提醒我们，想提高灵敏度，想考虑整个系统的传输效率，不能只盯着个别部分！听到一个问题说: 远洋海水里的很多元素含量很低，而单细胞进样系统传输效率高，那用单细胞雾化室做海水岂不是更好？

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