大型精密儀器ICP-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

楊麗婷 王 靜 郭懷蘭*

(1.湖北醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)藥研究院，十堰 442000；2.湖北醫(yī)藥學(xué)院公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，十堰 442000；3.湖北醫(yī)藥學(xué)院南水北調(diào)水源地環(huán)境與健康研究中心，十堰 442000)

1 ICP-MS基礎(chǔ)地位與實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

電感耦合等離子體質(zhì)譜(Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)是以獨(dú)特的接口技術(shù)將MS的快速靈敏掃描的性能與ICP的高溫電離特性結(jié)合成的一種新型的元素分析儀器[1，2]，其具有線性范圍寬、精密度高、干擾少、多元素同時(shí)分析的優(yōu)勢(shì)[3]；另外，ICP-MS與其他技術(shù)聯(lián)用，如氣相色譜[4，5]、液相色譜[6，7]等可實(shí)現(xiàn)元素同位素分析、形態(tài)分析等多種應(yīng)用。因此，ICP-MS現(xiàn)已在藥品、食品和環(huán)境樣品的分析中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性[8，9]。近年來，隨著國家對(duì)科學(xué)研究的重視和投入不斷提高，越來越多的事業(yè)單位、科研院所及第三方檢測(cè)公司配置了ICP-MS，使其普及率迅速提升。與此同時(shí)，國家相關(guān)部門也出臺(tái)了土壤和固體廢物[10]、水[11]、大氣顆粒物[12]、食品[13]中金屬元素的ICP-MS分析方法。

順應(yīng)時(shí)代要求，越來越多的高校將ICP-MS納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，但集中在儀器的基本原理和基礎(chǔ)使用[8,14]，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的介紹比較缺乏，然而這部分內(nèi)容對(duì)學(xué)生奠定科研發(fā)展基礎(chǔ)和培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力十分重要；另外，作為微量、痕量元素分析的大型精密儀器，ICP-MS操作復(fù)雜、注意事項(xiàng)較多，傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，無疑會(huì)增加學(xué)習(xí)焦慮和折損學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)不到滿意的教學(xué)效果。本校針對(duì)研究生開設(shè)有“現(xiàn)代儀器分析”實(shí)驗(yàn)課程 ，ICP-MS綜合實(shí)驗(yàn)課為該課程的核心課程之一。本課程采用“線上線下”混合教學(xué)模式，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，主要從ICP-MS概述、無機(jī)元素分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器的使用及樣品測(cè)定和儀器關(guān)鍵部位的維護(hù)四個(gè)方面內(nèi)容展開教學(xué)，不斷探索ICP-MS教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生在基礎(chǔ)技能知識(shí)、科研素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)得到綜合提高。

2 ICP-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1 理論教學(xué)

本實(shí)驗(yàn)課理論教學(xué)主要包括ICP-MS概述和無機(jī)元素分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。通過概述內(nèi)容的介紹，使學(xué)生初步、系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)ICP-MS儀器結(jié)構(gòu)、原理及發(fā)展應(yīng)用等；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從儀器選擇、樣品前處理技術(shù)及方法驗(yàn)證闡述了無機(jī)元素分析的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)，為實(shí)踐教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1.1ICP-MS概述

(1)ICP-MS儀器主要結(jié)構(gòu)及工作原理。

(2)ICP-MS發(fā)展和應(yīng)用。近年，ICP-MS儀器自身性能及其分析測(cè)試的方法都有顯著提升，主要表現(xiàn)為4個(gè)方面：1)四級(jí)桿質(zhì)譜的升級(jí)換代，如采用碰撞/反應(yīng)池技術(shù)，改善分析性能；2)通過MS技術(shù)的改進(jìn)及信息處理研究，推出其他類型的等離子體質(zhì)譜儀，如多接收高分辨等離子體質(zhì)譜儀、雙聚焦扇形磁場(chǎng)等離子體質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等，以減少質(zhì)譜干擾、提高儀器精密度，主要用于同位素組成的高精度測(cè)定；3)各種色譜技術(shù)與ICP-MS的接口研究，主要應(yīng)用于元素形態(tài)分析；4)進(jìn)樣技術(shù)和前處理技術(shù)如激光燒蝕、冷蒸發(fā)進(jìn)樣、微波消解等。目前市場(chǎng)上主要以性價(jià)比高的四級(jí)桿質(zhì)譜為主，因此本實(shí)驗(yàn)課以四級(jí)桿ICP-MS為例，探討ICP-MS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

(3)ICP-MS相關(guān)實(shí)驗(yàn)課題，激勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)研究，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)ICP-MS的興趣。列舉本校ICP-MS涉及的國家級(jí)、省部級(jí)和校級(jí)的科研項(xiàng)目，ICP-MS涉及食品、藥品、環(huán)境、地質(zhì)及生物樣品等近期的時(shí)事要聞等。

2.1.2無機(jī)元素分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)儀器的選擇

實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求、儀器特性、操作性及成本等相關(guān)因素選擇合適的檢測(cè)儀器。ICP-MS作為最先進(jìn)的元素分析儀器之一，可以測(cè)量元素周期表上除了放射性元素以外的幾乎所有的元素，在元素分析中占有不可替代的作用，但在具體的實(shí)驗(yàn)中，并不是所有的元素分析都會(huì)選用ICP-MS。目前無機(jī)元素分析方法主要有原子熒光光譜法(atomic fluorescence spectrometry，AFS)、原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy，AAS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy，ICP-AES)法和ICP-MS法，這4種技術(shù)的比較見表1[15，16]，前3種技術(shù)動(dòng)態(tài)范圍窄，適用于單元素分析，確保所有元素測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠；ICP-MS線性范圍寬，適合多元素高通量分析。

表1 無機(jī)元素分析方法的比較

(2)樣品前處理方法的選擇

常見的前處理方法包括直接稀釋法、固相提取、液相萃取、干法灰化、濕法消解和微波消解等[17]，目前還沒有一種前處理方法可以普遍適用于不同類型樣品中不同元素的測(cè)定。樣品前處理是無機(jī)元素分析難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)樣品和待測(cè)元素的的特性，操作性及對(duì)環(huán)境的污染程度等因素選擇合適的前處理方法。本實(shí)驗(yàn)課著重比較了常用的3種完全分解方法，特性比較見表2。

表2 3種無機(jī)元素分析前處理方法的比較

(3)方法驗(yàn)證

樣品上機(jī)前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證，確保元素分析結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。方法驗(yàn)證的主要內(nèi)容包括無機(jī)元素同位素的選擇，方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線及線性、檢測(cè)限、定量限、精密度、準(zhǔn)確度(加標(biāo)回收率、質(zhì)控，內(nèi)標(biāo)回收率)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及判定標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀是前沿大型精密儀器，只有經(jīng)過實(shí)踐才能真正掌握操作技能，并在實(shí)踐中加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，獲取準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果。本實(shí)踐教學(xué)重點(diǎn)介紹儀器使用、樣品測(cè)定及會(huì)影響結(jié)果的儀器關(guān)鍵部位的基本維護(hù)。

2.2.1ICP-MS儀器使用及樣品測(cè)定

(1)ICP-MS實(shí)驗(yàn)室基本情況的了解，如維持室內(nèi)潔凈、濕度35～50%、溫度18～25℃，實(shí)驗(yàn)室的布局如氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)及真空系統(tǒng)等，以及實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度等，使學(xué)生從宏觀上把握ICP-MS實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，認(rèn)識(shí)到符合條件的外部環(huán)境對(duì)大型儀器的正常穩(wěn)定運(yùn)行是非常必要的。

(2)儀器的正確開關(guān)機(jī)程序，真空，氣源、風(fēng)機(jī)、冷凝水及UPS等各項(xiàng)狀態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)，保障儀器正常開機(jī)并減少儀器損壞。

(3)儀器相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)，了解儀器狀態(tài)的控制、基礎(chǔ)調(diào)諧、樣品測(cè)試及數(shù)據(jù)處理的步驟。

(4)應(yīng)用ICP-MS測(cè)定飲用水中砷、鎘、鉈和鉛元素[3]。

2.2.2ICP-MS關(guān)鍵部位的維護(hù)

ICP-MS靈敏度高，儀器關(guān)鍵部位的日常維護(hù)直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，了解儀器相關(guān)的維護(hù)操作，有助于加深對(duì)理論知識(shí)的理解、指導(dǎo)樣品前處理操作及對(duì)異常數(shù)據(jù)的解釋與處理，并減少儀器的損壞、延長(zhǎng)儀器使用壽命。

(1)集成的蠕動(dòng)泵系統(tǒng)：保證液體樣品以一定的流速被送入霧化器，在確認(rèn)進(jìn)樣和排廢液方向正確后，將蠕動(dòng)泵管以適當(dāng)?shù)乃删o程度放置在泵管槽；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將泵管放松。一旦發(fā)現(xiàn)泵管變形或任何磨損都應(yīng)該及時(shí)更換，避免因進(jìn)樣不均影響分析精度，或者因漏液腐蝕蠕動(dòng)泵滾柱。另外為減少對(duì)測(cè)試樣品的污染，進(jìn)樣毛細(xì)管需要定期更換。

(2)霧化器、霧室、矩管及中心管：輸入的液體樣品經(jīng)霧化器轉(zhuǎn)變成細(xì)微的氣溶膠，經(jīng)霧室的分離，允許大約1%的液滴進(jìn)入ICP炬管而被離子化。樣品上機(jī)前需要離心或過濾，否則很容易堵塞霧化噴嘴內(nèi)的毛細(xì)管，如果堵塞可以反轉(zhuǎn)蠕動(dòng)泵管沖出堵塞物。為了減少交叉污染、改善儀器氧化物噪音，每批樣品分析結(jié)束后，將霧化器、霧室、矩管及中心管放入5%HNO3溶液(體積比)中浸泡16h，以清除沉積物，再用去離子水清洗，禁止超聲，干燥后即可安裝使用。如果炬管和中心管清洗不干凈或者出現(xiàn)變形、磨損，都應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行更換。

(3)采樣錐、截取錐、離子透鏡：選取富含樣品離子的氣體進(jìn)入接口區(qū)域，離子光學(xué)透鏡提取離子流聚焦成散角盡量小的離子束，被攔截的大部分等離子體被真空泵抽走。在實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間后，采樣錐和截取錐表面會(huì)附著有許多殘留物并且絲口處松動(dòng)，錐口會(huì)堵塞、變形，離子透鏡可能會(huì)積累一些沉積物等，因此在測(cè)試前應(yīng)該檢查需采樣錐、截取錐及離子透鏡是否達(dá)到測(cè)樣的要求，必要時(shí)需要用純水超聲清洗15～20min(3次)，徹底干燥后安裝。

(4)其他。測(cè)試前需確保循環(huán)冷卻水的水位正常，并定期更換為新鮮雙蒸水?？諝膺^濾網(wǎng)過濾空氣中塵粒，需要定期清洗或更換。

3 ICP-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

ICP-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)是順應(yīng)時(shí)代要求發(fā)展起來的，但是由于ICP-MS操作的復(fù)雜性和實(shí)踐操作的限制，在短時(shí)間內(nèi)掌握此類儀器的使用難度較大，傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已無法有效的承擔(dān)大型精密儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用數(shù)字信息資源，對(duì)接線上線下教育資源，建立以微信公眾號(hào)、討論群和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)三位一體的“線上線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以期營造靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)符合時(shí)代要求的教與學(xué)方式的變革，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。線上教學(xué)即學(xué)生通過微信公眾號(hào)中的視頻、PPT文檔資料庫和群在線交流自主學(xué)習(xí)與探索的教學(xué)，主要內(nèi)容包括儀器應(yīng)用、工作原理、樣品準(zhǔn)備和儀器日常維護(hù)等，線上教學(xué)突破時(shí)間和空間的限制，允許學(xué)生自己安排學(xué)習(xí)時(shí)間及學(xué)習(xí)進(jìn)度，并可以及時(shí)進(jìn)入討論群探討問題，實(shí)現(xiàn)大型儀器的個(gè)性化學(xué)習(xí)和使用；線下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)即通過集中的理論和實(shí)踐教學(xué)，一方面講解并實(shí)踐儀器的開關(guān)機(jī)、軟件使用、數(shù)據(jù)處理和儀器日常維護(hù)等內(nèi)容，加深知識(shí)的理解，另一方面?zhèn)魇趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)思維，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

4 ICP-MS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效

為了更好的加深學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的印象及了解學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的滿意度，在實(shí)驗(yàn)課結(jié)束時(shí)針對(duì)ICP-MS相關(guān)知識(shí)及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)問題進(jìn)行問卷調(diào)查。結(jié)果顯示，由于學(xué)生的醫(yī)學(xué)背景，有60.6%的同學(xué)有接觸大型儀器的經(jīng)歷，但是仍有50.9%的同學(xué)對(duì)使用ICP-MS有畏懼心理，甚至20.3%的學(xué)生非常畏懼，他們都一致認(rèn)為ICP-MS的理論復(fù)雜難理解以及操作繁雜是使用中最大的難點(diǎn)。在這種背景下，90.8%的同學(xué)認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)課不僅對(duì)正在進(jìn)行的科研有幫助，并且有助于提高學(xué)生的科研興趣、綜合科研能力以及科研創(chuàng)新能力。99.8%的同學(xué)對(duì)這種線上線下的混合教學(xué)模式表示認(rèn)可和接受。對(duì)ICP-MS基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)掌握情況統(tǒng)計(jì)顯示，學(xué)生對(duì)該儀器的應(yīng)用范圍，開關(guān)機(jī)注意事項(xiàng)，樣品前處理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試流程等都有了一定的了解但是細(xì)節(jié)掌握情況并不理想，究其原因可能是ICP-MS的理論復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)要求較高，短時(shí)間內(nèi)掌握有一定的難度。另外，有2位同學(xué)以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了創(chuàng)新課題，由此可見，本實(shí)驗(yàn)課有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和探索性，使學(xué)生在知識(shí)技能和綜合素養(yǎng)方面都得到了提高。

5 結(jié)語

ICP-MS是目前無機(jī)元素分析中不可替代的基礎(chǔ)設(shè)備，在環(huán)境調(diào)查、突發(fā)公衛(wèi)事件及科技創(chuàng)新等方面發(fā)揮重要作用，將其納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是時(shí)代發(fā)展的要求。本實(shí)驗(yàn)課采用“線上線下”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，完成ICP-MS概述、無機(jī)元素分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、ICP-MS儀器的使用及樣品測(cè)定、會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵部位的維護(hù)共四部分內(nèi)容的講解，取得了較好的成效。作為前沿精密大型儀器，ICP-MS儀器原理復(fù)雜和操作繁雜，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)要求較高，只有通過不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、完善教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，才能將更高效的運(yùn)用短暫的課堂時(shí)間，提高學(xué)生使用ICP-MS的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索能力。