发明人HOUK教授访谈：ICP-MS的前世今生
2017年BCEIA展会上，莱伯泰科在庆祝公司成立15年之际，创始人胡克先生邀请自己在美国求学时的导师、美国爱荷华州立大学Robert Samuel Houk教授来到中国。Houk教授是全球光谱质谱届极负盛名的大咖级人物、ICP-MS发明人之一，在化学界获奖无数。分析测试百科网记者在展台采访了Houk教授，他为我们分享了ICP-MS诞生的故事和对当今ICP-MS发展的许多见解，希望对广大的网友有启发。
美国爱荷华州立大学Robert Samuel Houk教授（左），莱伯泰科董事长胡克
ICP-MS发展的里程碑
Houk教授首先回顾了ICP-MS发展史上的重要里程碑。
第一个里程碑：1978年，Houk实验室搭建了全球第一台可以从ICP中提取离子的ICP-MS，1979年3月在美国EPA综述研讨会上，Houk教授做题为"Analytical Capabilities of ICP-MS"（ICP-MS的分析能力）的演讲。
第二个里程碑：1980年，Houk在Anal Chem（美国分析化学期刊）上发表全球第一篇ICP-MS论文，题目是“Inductively Coupled Argon Plasma as an Ion Source for Mass Spectrometric Determination of Trace Elements”。该论文被美国分析化学期刊评为前60年60篇最有影响力的论文之一。
第三个里程碑：1983年，研究者们提升了ICP-MS的检测性能用于分析水样、尿样、血样等真实的样品，同年加拿大SCIEX和英国VG两家公司推出了商品化的ICP-MS仪器（演化为我们后来熟知的PerkinElmer和赛默飞的ICP-MS）。
第4个里程碑：碰撞池的出现。根据用户们的报告，后来仪器的性能不断提高，更多的创新用于不断提高灵敏度，去除更多的干扰。所以第4个里程碑是碰撞池的出现，最早的论文见于1990年，1997-1998年出现了商品化带碰撞池的ICP-MS。
第5个里程碑：1989年，英国的一个团队搭建了高分辨率磁质谱的ICP-MS，可以更有效地去除干扰，提高灵敏度。
回顾当年发明ICP-MS时自己面临的挑战，Houk教授说，当时搭建的第一台ICP-MS用于美国EPA，他们需要更高的灵敏度来测定痕量的金属类元素，比如铅、铀、汞、钴。当时面临的挑战主要是：如何从ICP中有效地提取离子。因为ICP接口会放电，会产生很多二次离子，对后续分析造成困难，所以必须找到办法来最小化这种放电现象。经过Houk课题组的不断努力克服了这种困难，商品化的仪器才得以出现；最早的ICP-MS设计采用的是二级真空方式，进样口直径仅有0.5mm，灵敏度较低，而且容易堵塞，实用性差。后来的设计改为三级真空，进样口扩大为1mm，进样面积增大了4倍，样品中的离子流直接进入了一级和二级真空，灵敏度和实用性得到了大大提高。在第二代技术上，ICP发生器得到了很大改善，可以持续提供ICP源产生等离子体并抑制放电。大多数早期的工作都是Houk教授课题组发明的，后来他也和加拿大的SCIEX公司谈了一些合作。
ICP-MS的现有仪器技术
各种商品化技术一览
谈到市场上已有的ICP-MS商品化仪器的差别，Houk表示，目前各种四极杆型商品化仪器在ICP源、提取离子的部分几乎一样，只有耶拿一家是不一样的，他们在Skimmer上加了正电压作为能量，其发明人也是Houk本人和他的学生胡克。主流的四极杆ICP-MS在分析器部分也基本一样，都有碰撞池。
另一种是高分辨双聚焦的磁质谱，还可以用多接收器（MCP）同时收集离子。这类仪器虽然非常庞大，非常昂贵，但可以获得非常棒的结果。还有一种是TOF类ICP-MS，最近被广泛用于分析单颗粒和单细胞；不过迄今为止，应用市场比较局限。另外还有激光剥蚀方面的进展，可用于固体进样的ICP-MS。
和30年前相比ICP-MS的主要进展
Houk表示，和30年前相比，当前ICP-MS发生的最大变化是，几乎所有的四极杆ICP-MS都有碰撞池；纳米颗粒或单细胞分析既可以用四极杆，也可以用TOF。另一个重大的改进是，仪器越来越容易使用。还有一些创新来自于进样技术，如激光剥蚀进样技术广泛用于ICP-MS，还有去溶剂化，更低进样量，以及和GC、LC的联用方面的创新和改进。
三重四极杆ICP-MS会是发展趋势么？
如今，安捷伦、赛默飞都推出了串联四极杆的ICP-MS/MS，Houk教授认为，这是近年来的一个比较大的创新。三重四极杆ICP-MS/MS，用第一个四极杆选择离子后，在第二个多极杆区和碰撞气体进行反应，生成更高质量的离子，然后在第三个四极杆区测定它。这种设计可以大幅降低干扰，有更高的灵敏度，更低的检出限。
从仪器发展上来说，这是一个趋势，其实很多家都应该可以实现。当然，面向的主要是一些干扰特别严重的应用，当然仪器也会更贵。
谈到有机质谱的三重四极杆为何更普及，Houk表示，有机质谱特别是液质联用，在离子源区产生的大都是分子离子，人们更有动力去获得碎片，所以三重四极杆串联质谱的需求变得很迫切；同时在第二个杆区使用通用的碰撞气进行CID碰撞，总可以获得碎片。对于ICP-MS，离子化的是原子，很难再获得碎片，所以在第二个杆区需要根据样品加上不同的碰撞气来反应成更高质量的离子，不像有机质谱那么容易。三重四极杆ICP-MS/MS对于某些特定的元素很有用。
质量转移反应模式下进行硒的测定：传统的 ICP-QMS 与 ICP-MS/MS对比
辉光放电和高分辨ICP-MS
Houk教授表示，辉光放电（GD，Glow Discharge）质谱，大多数应用是高纯金属分析，不能分析非导电的样品，仪器体积很大，都采用高分辨磁质谱，目前看不到更多的应用。GD-MS最大的优点是可以直接分析固体，由于产生很多金属簇离子，难以分开，所以必须要用高分辨质谱，因此仪器也就非常昂贵。胡克谈到，目前有一种替代的方法是用激光剥蚀+四极杆ICP-MS，就可以直接分析固体，而且对非金属和金属都适用，同时ICP-MS有很好的检出限。
辉光放电磁质谱GD-MS
ICP-MS的未来发展趋势
是否可以做便携ICP-MS？
目前有机质谱一个趋势是向小型、便携化发展，对于ICP-MS的走向，Houk教授表示，首先，现在的ICP-MS比当年体积已经减小了很多，可以很容易地放在台子上（而不是落地的）。其次ICP-MS为保证性能，不大可能做到便携。因为ICP-MS需要完成的过程包括：大气压离子化，提取和传输离子，抽真空，在质谱中分离；而如果做得太小，无法达到ICP-MS的性能。
磁质谱仍旧不可替代
目前有机质谱已经快要放弃磁质谱，比如兴奋剂、二噁英都可以用GC-MS/MS串联四极杆或高分辨GC-MS（TOF或Orbitrap）来测定。Houk教授认为，对于无机元素分析，磁质谱还有不可替代的优势。对于元素干扰比较严重的情况，还需要磁质谱，特别是MCP-ICP-MS在地质领域测定同位素比值，一定要用高分辨磁质谱，TOF和Orbitrap在短期内都不能达到磁质谱的效果。这是因为，TOF和Orbitrap都需要把ICP炬中提取的离子先“冷却”，降低其动能，才能进入碰撞池和进行后续分析；这种“冷却”的功能需要有靠近Skimmer的多极杆（六极杆或八极杆）离子光学透镜，而使用这种RF only的多极杆，会大幅降低ICP-MS的性能。降低原子离子的动能，比降低蛋白和有机小分子这些分子离子要难得多，需要更高能量的碰撞气，会带来更多的问题。所以，ICP-MS最理想的分析器还是四极杆或磁质谱。
已经可以测定绝大部分元素
Houk教授表示，ICP-MS发展至今的30年，除了H，He，N，O和一些惰性气体元素，已经可以测定绝大部分元素。只不过有些元素用ICP-MS效果不一定非常好。
ICP-MS的应用进展
ICP-MS发展了30多年的时间，目前在核材料、食品、环境等领域都有应用，Houk教授表示，最新的应用包括：免疫方法分析疾病标志物，单颗粒或单细胞分析，这都是ICP-TOFMS适合的领域。LC-ICPMS联用技术发展得也很快；还有一些课题组（包括Houk教授课题组）致力于用ICP-MS发现新的元素。对于月球样品的同位素分析，目前尚有比较大的挑战。
ICP-MS在生命科学方面的应用越来越广，比如癌症诊断方面，可以用ICP-MS测定健康人和病人细胞中元素的同位素比值，这是ICP-MS的新应用方向。美国明尼苏达州有一家第三方医学检测中心（Rochester），拥有12台ICP-MS；他们用ICP-MS测定血液中的铅，每天做上千例样品。密歇根的水体已发现铅污染，并发布了铅的分布图，因此研究者们测定了至少3000个孩子血液中的铅，并与分布图中饮用水中铅的分布做对比，发现了两者的比例关系。
ICP-MS也被用于当前热门的代谢组学研究。比利时根特大学 的Frank Vanhaecke教授对从环境中分离的氯代和溴代化合物等含有杂原子的化合物，进行后续的GC-MS和LC-ICP-MS分析，通过测定各种中间态来推测起始的状态，以及变化的机理，从而发现污染的来源及代谢的通路。和有机质谱的研究方法类似，只不过有机质谱测定的是分子，ICP-MS测定的是杂原子（如S、P、金属）等元素。关于如何进行前处理，Houk教授给出的答案是：通过GC或LC分离是最好的手段。
对中国仪器和BCEIA怎么看
在Labtech十五年庆典的答谢晚宴上，Houk教授上台分享了早年胡克的一些故事。胡克刚到爱荷华州立大学时，Houk只对他说：我们要搭一台新的多功能ICP-MS，你先去做一个提案。胡克转身回去就从零开始自己研究各种资料，几周后提交了一份非常详细的设计方案，并于后来成功搭建了这台多功能ICP-MS；由此可证明胡克的勤奋和独立思考能力。Houk表示，这些年每年在Pittcon展会上见到Labtech和胡克，这是第一次在中国的展会上见到Labtech。Houk对于学生的成功也感到骄傲，他说：“Labtech为实验室提供具有非常广泛应用的产品，是非常不错的工作。”
谈到本次BCEIA，Houk谈了几点感受。首先，学术会议组织得很好，每天都有不同的主题。其次，该场馆不像Pittcon那么大，走起来不累，这一点让Houk教授感觉很满意。
谈到中国制造生产的ICP-MS，Houk表示，在本届BCEIA上看到的ICP-MS，比世界上任何展会上都要多，这正是因为中国有数家企业都推出ICP-MS。所以，Houk断定中国ICP-MS用得很多，推测应该是同中国环境市场的需求有关。Houk教授最后谈到了一点希望，即如果中国的ICP-MS要走向全球，就一定需要有自己的特点，要有与现有产品的不同之处，即产品要有差异化的特点。
Robert Samuel Houk教授
Robert Samuel Houk教授
全球光谱质谱届极负盛名的大咖级人物、ICP-MS发明人之一、美国爱荷华州立大学博士导师、美国Ames国家实验室资深化学家——Robert Samuel Houk教授。
R.S.Houk教授在ICP质谱仪器设计和应用领域耕耘了几十年，取得过耀眼的成就。他是发表ICP-MS仪器领域文章的第一人，此后陆续在各种权威杂志上发表了两百多篇相关论文，并在化学界获奖无数：
美国化学会光谱化学奖（ACS Award for Spectrochemical 2012）
分析化学奖（Anachem Award, Association for Analytical Chemistry 2000）(affiliated with ACS Detroit Section)
美国化学会化学仪器奖（ACS Award for Chemical Instrumentation 1993）；
匹兹堡大会Maurice F. Hasler奖，该奖项表彰“对光谱学领域的重大贡献，导致广泛用途的应用”（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."）
美国应用光谱Lester W. Strock 奖（Co-recipient, Lester W. Strock Award from Society for Applied Spectroscopy (1986) ）
美国分析化学杂志60篇最有影响力原创文章（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教授任职美国爱荷华州立大学教授和美国能源部欧姆斯国家实验室资深科学家（Ames Lab）的同时，还担任过：
美国质谱学会杂志副主编（Associate Editor, Journal of the American Society for Mass Spectrometry (1989-1994)）；
质谱百科全书——无机质谱卷编辑（Volume Editor, Inorganic Mass Spectrometry, Encyclopedia of Mass Spectrometry, 2002-2008）
光谱化学编辑顾问委员会委员（Editorial Advisory Board, Spectrochimica Acta, Part B (1989-present)）
原子光谱分析期刊编辑顾问委员会委员（Editorial Advisory Board, Journal of Analytical Atomic Spectrometry (1995-2005)）
日本钢铁研究所期刊编辑顾问委员会委员（Editorial Advisory Board, Journal of the Iron & Steel Institute of Japan, (2000-2006)）
美国质谱学会元素分析兴趣小组主席（Chairman, Elemental Analysis Interest Group, American Society for Mass Spectrometry (1990-1994)）。
R．S．Houk教授的导师更是大名鼎鼎的ICP光谱之父V. A. Fassel法赛尔教授， Fassel是ICP光谱的发明人，他明确定义了上千条可应用的光谱谱线，他的贡献极大地促进了光谱化学的发展和进步，是国际化学界公认的杰出科学家， 曾获美国应用光谱学会奖、匹兹堡光谱学会奖 、美国化学会分析化学奖、化学仪器仪表奖……
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