誘導結合プラズマ質量分析法

誘導結合プラズマ質量分析法

パーキンエルマー NexION 2000 ICP-MS
頭字語	ICP-MS
分類	質量分析
分析対象物	例外はあるものの、プラズマ中の原子および多原子種。通常はサンプル中の化学元素の濃度として解釈される。
メーカー	Skyray、Agilent、Analytik Jena、Horiba（ICP-OESのみ）、PerkinElmer、Shimadzu、Spectro、Thermo、GBC Scientific、Nu Instruments、DVS Sciences（現在はStandard BioTools）
その他のテクニック
関連している	誘導結合プラズマ原子発光分光法
ハイフン付き	液体クロマトグラフィー-誘導結合プラズマ質量分析法 (LC-ICP-MS)、ガスクロマトグラフィー-誘導結合プラズマ質量分析法 (GC-ICP-MS)、レーザーアブレーション誘導結合質量分析法 (LA-ICP-MS)

誘導結合プラズマ質量分析法( ICP-MS ) は、誘導結合プラズマを使用してサンプルをイオン化する質量分析法の一種です。サンプルを原子化し、原子イオンと小さな多原子イオンを生成して検出します。液体サンプル中の非常に低濃度の金属やいくつかの非金属を検出できることで知られ、使用されています。同じ元素の異なる同位体を検出できるため、同位体標識の多目的ツールになります。

原子吸光分光法と比較すると、ICP-MS は速度、精度、感度に優れています。ただし、熱イオン化質量分析法(TIMS) やグロー放電質量分析法 (GD-MS) などの他のタイプの質量分析法と比較すると、ICP-MS では、プラズマからのアルゴン、コーンの開口部から漏れる空気の成分ガス、ガラス器具やコーンからの汚染物質など、多くの干渉物質が発生します。

誘導結合プラズマは、電磁コイルでガスを誘導加熱することで励起（イオン化）されるプラズマであり、ガスを導電性にするのに十分な濃度のイオンと電子が含まれています。ガスがプラズマの特性を持つためには、ガスのすべてがイオン化される必要はなく、わずか1％のイオン化でプラズマが生成されます。^[1]分光化学分析で使用されるプラズマは、基本的に電気的に中性であり、イオン上の各正電荷は自由電子によってバランスが取られています。これらのプラズマでは、正イオンはほぼすべて単独で帯電しており、負イオンはほとんどないため、プラズマの各単位体積あたりのイオンと電子の数はほぼ同じです。

ICPには、プラズマ密度が低い容量性（E）モードとプラズマ密度が高い誘導性（H）モードと呼ばれる2つの動作モードがあり、EからHへの加熱モードの遷移は外部入力によって発生します。^[2]誘導結合プラズマ質量分析はHモードで動作します。

誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) が他の無機質量分析法と異なるのは、分析対象物を中断することなく連続的にサンプリングできる点です。これは、グロー放電質量分析法(GDMS) や熱イオン化質量分析法(TIMS) などの他の無機質量分析法とは対照的です。これらの方法では、サンプルを真空チャンバーに挿入し、真空チャンバーを密閉し、真空を下げ、サンプルにエネルギーを与えてイオンを質量分析装置に送り込むという 2 段階のプロセスが必要です。ICP-MS では、分析対象のサンプルは大気圧下に置かれます。差動ポンプ (差動アパーチャ (穴) で区切られた複数の真空ステージ) を効果的に使用することで、アルゴン プラズマで生成されたイオンは、さまざまな静電集束技術の助けを借りて、質量分析装置を介して検出器に送られ、カウントされます。これにより、分析者はサンプル スループット (時間経過に伴うサンプルの量) を大幅に向上できるだけでなく、「時間分解取得」と呼ばれるものも実行できます。液体クロマトグラフィー ICP-MS (LC-ICP-MS)、レーザーアブレーションICP-MS (LA-ICP-MS)、フローインジェクションICP-MS (FIA-ICP-MS) などのハイフン技術は、この比較的新しい技術の恩恵を受けています。この技術は、地球化学、法医学、生化学、海洋学などの研究のための新しいツールの開発を刺激しました。さらに、サンプル処理量が 1 日あたり数十サンプルから数百サンプルに増加したことで、環境分析に革命が起こり、コストが削減されました。基本的に、これはすべて、サンプルが環境圧力下にある一方で、分析装置と検出器が通常動作中に同じ圧力の 1/10,000,000 になっているという事実によるものです。

分光分析用の誘導結合プラズマ (ICP) は、通常石英製の 3 本の同心管からなるトーチ内で維持されますが、フッ化水素酸を使用する場合は、内側の管 (インジェクター) がサファイアになることもあります。このトーチの端は、高周波電流が供給される誘導コイル内に配置されます。アルゴンガスの流れ (通常 13 ～ 18 リットル/分) がトーチの最も外側の 2 本の管の間に導入され、短時間電気火花が加えられて、ガス流に自由電子が導入されます。これらの電子は、誘導コイルの高周波磁場と相互作用し、磁場が高周波 (通常 2,712 万サイクル/秒) で変化するにつれて、最初は一方向に加速され、次に他の方向に加速されます。加速された電子はアルゴン原子と衝突し、衝突によってアルゴン原子が電子の 1 つを失うこともあります。放出された電子は、急速に変化する磁場によって加速されます。このプロセスは、衝突で放出される新しい電子の速度と、電子とアルゴンイオン (電子を失った原子) の再結合速度が釣り合うまで続きます。これにより、ほとんどがアルゴン原子で、自由電子とアルゴンイオンがごくわずかに含まれる「火の玉」が生成されます。プラズマの温度は非常に高く、10,000 K 程度です。プラズマは紫外線も生成するため、安全のため直接見ないでください。

最も外側の 2 本のチューブ間のガスの流れによってプラズマがトーチの壁から離れているため、ICP は石英トーチ内に保持されます。2 番目のアルゴンの流れ (約 1 リットル/分) は通常、中央のチューブと中間のチューブの間に導入され、プラズマが中央のチューブの端から離れるようにします。3 番目のガスの流れ (これも通常約 1 リットル/分) は、トーチの中央のチューブに導入されます。このガスの流れはプラズマの中心を通過し、周囲のプラズマよりも低温ですが、化学炎よりはるかに高温のチャネルを形成します。分析対象のサンプルは、通常、液体サンプルをネブライザーに通すことによって形成される液体のミストとして、この中央のチャネルに導入されます。

プラズマ温度（したがってイオン化効率）と安定性を最大化するには、サンプルをできるだけ液体（溶媒負荷）が少なく、液滴サイズが一定になるように中央チューブから導入する必要があります。液体サンプルにはネブライザーを使用し、その後スプレーチャンバーで大きな液滴を除去するか、または脱溶媒ネブライザーを使用して、溶媒がトーチに到達する前にほとんどの溶媒を蒸発させることができます。固体サンプルは、レーザーアブレーションを使用して導入することもできます。サンプルは ICP の中央チャネルに入り、蒸発して分子が分解し、構成原子がイオン化します。プラズマ内の温度では、多くの化学元素の原子のかなりの割合がイオン化され、各原子は最も緩く結合した電子を失って単電荷イオンを形成します。プラズマ温度は、第 1 イオン化エネルギーが高い元素のイオン化効率を最大化し、第 2 イオン化エネルギーが低い元素の第 2 イオン化（二重電荷）を最小化するように選択されます。

質量分析と組み合わせる場合、プラズマからのイオンは一連のコーンを通して質量分析計（通常は四重極）に抽出されます。イオンは質量電荷比に基づいて分離され、検出器は濃度に 比例したイオン信号を受け取ります。

サンプルの濃度は、単一または複数の元素の参照標準などの認定参照物質による較正によって決定できます。ICP-MS は、同位体濃縮標準に基づく単一点法である同位体希釈による定量的決定にも適しています。再現性を高め、誤差と感度の変動を補正するために、内部標準を追加できます。

ICP システムに結合されたその他の質量分析装置には、単一および複数のコレクターを備えた二重焦点磁気静電セクター システムや、飛行時間システム (軸方向および直交方向の加速器の両方が使用されている) などがあります。

ICP-MS の最も大規模な用途の 1 つは、医学および法医学分野、特に毒物学です。^[要出典] 医師は、重金属中毒の疑い、代謝の懸念、さらには肝臓の問題など、さまざまな理由で金属分析を指示する場合があります。各患者の診断計画に固有の特定のパラメータに応じて、分析用に収集されるサンプルは、全血、尿、血漿、血清、さらには赤血球パックにまで及びます。この機器のもう 1 つの主な用途は、環境分野です。このような用途には、自治体や個人のための水質検査から、工業目的での土壌、水、その他の材料の分析までが含まれます。^[3]

近年、産業および生物学的モニタリングでは、ICP-MS による金属分析に対するもう一つの大きなニーズが提示されています。バッテリー工場など、金属への曝露の可能性があり避けられない工場で働く個人は、雇用主から、金属毒性について定期的に血液または尿を分析することが義務付けられています。このモニタリングは、作業環境から労働者を保護し、適切な作業ローテーション (つまり、従業員を高曝露のポジションから低曝露のポジションにローテーションする) を確実にするための取り組みとして、米国労働安全衛生局によって実施されている義務的な慣行となっています。

ICP-MS は、地球化学分野でも放射年代測定に広く使用されており、特にウランや鉛など、さまざまな同位体の相対存在比を分析するために使用されます。ICP-MS は、オスミウムやタングステンなどの高イオン化エネルギーの種を簡単にイオン化できるため、これまで使用されていた熱イオン化質量分析よりもこの用途に適しています。高精度の比率作業では、計算された比率への影響ノイズを減らすために、通常、複数のコレクター機器が使用されます。

フローサイトメトリーの分野では、従来の蛍光色素の代わりに ICP-MS を使用する新しい技術が採用されています。簡単に言うと、抗体(または他の生物学的プローブ) を蛍光色素で標識する代わりに、各抗体をランタニドの異なる組み合わせで標識します。目的のサンプルを専用のフローサイトメーターで ICP-MS によって分析すると、各抗体は、ICP の「フットプリント」の違いによって識別および定量化できます。理論上は、1 秒あたり約 1,000 個の細胞という速度で、個々の細胞で数百種類の生物学的プローブを分析できます。ICP-MS では元素が簡単に区別できるため、マルチプレックス フローサイトメトリーの補正の問題は効果的に解消されます。

レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法 (LA-ICP-MS) は、法医学のケースワークで遭遇するさまざまな物質の元素分析に有効な手法です。 (LA-ICP-MS) は、法医学、金属、ガラス、土壌、自動車の塗料、骨や歯、印刷インク、微量元素、指紋、紙などの分野ですでに効果的に適用されています。これらの中で、法医学的ガラス分析は、この手法が大きな有用性を発揮する用途として際立っています。ひき逃げ、窃盗、暴行、ドライブバイシューティング、爆破などの状況では、ガラスの移動状況に関連する証拠として使用できるガラスの破片が発生する可能性があります。LA-ICP-MS は、サンプルの準備とサンプルの時間が短く、サンプルサイズが 250 ナノグラム未満と小さいため、ガラスの分析に最適な手法の 1 つと考えられています。さらに、サンプルの分解に使用される危険な物質の複雑な手順や取り扱いは必要ありません。これにより、主要元素、微量元素、および微量元素を高い精度と正確さで検出できます。ガラスサンプルの測定には、色、厚さ、密度、屈折率 (RI) などの物理的および光学的特性などの一連の特性が使用されます。また、必要に応じて、関連付けの価値を高めるために元素分析を実施することもできます。

製薬業界では、ICP-MS は医薬品およびその成分中の無機不純物の検出に使用されています。USP (米国薬局方) « 〈232〉元素不純物 - 限度値» ^[4]および USP « 〈232〉元素不純物 - 手順» ^[5]で導入された、栄養補助食品からの重金属の最大許容暴露レベルが新しく引き下げられたことにより、これまでは他の分析方法で十分であった場合でも、ICP-MS 技術の必要性が高まります。 ^[6] 犯罪現場から回収された口紅などの化粧品は、貴重な法医学情報を提供してくれる場合があります。タバコの吸殻、ガラス製品、衣類、寝具、ナプキン、紙などに残った口紅の汚れは、貴重な証拠となる場合があります。衣類や皮膚から回収された口紅は、個人間の物理的接触を示す場合もあります。回収された口紅の汚れの証拠を法医学的に分析すると、被害者または容疑者の最近の行動に関する貴重な情報が得られます。口紅の汚れの微量元素分析は、口紅のブランドと色を判断するための既存の視覚比較手順を補完するために使用できます。

単粒子誘導結合プラズマ質量分析法（SP ICP-MS）は、2000年にクロード・ドゥゲルドルによって粒子懸濁液用に設計されました。彼は最初にこの新しい方法論をジュネーブ大学のフォーレル研究所でテストし、2002年春のEMRS会議中の「コロイド2oo2」シンポジウムと2003年の議事録でこの新しい分析アプローチを発表しました。^[7]この研究では、SP ICP-MSの理論と、粘土粒子（モンモリロナイト）やその他のコロイド懸濁液で行われたテストの結果を紹介します。この方法はその後、Degueldre & Favarger (2004) による二酸化トリウムナノ粒子、^[8] Degueldreら(2004)による二酸化ジルコニウム^[9] 、およびナノファーマシーの基質として使用され Degueldreら(2006)によって発表された金ナノ粒子でテストされました。 ^[10]その後、二酸化ウランのナノ粒子とマイクロ粒子の研究から詳細な出版物が生まれました (Ref. Degueldreら(2006))。^[11] 2010 年以降、SP ICP-MS への関心が爆発的に高まっています。

口紅の組成比較による有機分析にこれまで使用されてきた法医学的手法には、薄層クロマトグラフィー (TLC)、ガスクロマトグラフィー (GC)、および高速液体クロマトグラフィー (HPLC) があります。これらの方法は、口紅の識別に関する有用な情報を提供します。しかし、いずれもサンプルの準備に長い時間がかかり、サンプルを破壊します。口紅の汚れの法医学的分析のための非破壊的手法には、パージアンドトラップガスクロマトグラフィーと組み合わせた UV 蛍光観察、顕微分光法、走査型電子顕微鏡エネルギー分散分光法 (SEM-EDS)、およびラマン分光法があります。^[12]

元素分析の世界では、クロムやヒ素などの特定の金属の化学種分析、つまり酸化状態の判定がトレンドになっています。これらの元素の毒性は酸化状態によって異なるため、食品当局の新しい規制では、一部の元素の化学種分析が義務付けられています。これを実現するための主な手法の 1 つは、高性能液体クロマトグラフィー(HPLC) またはフィールドフローフラクショネーション(FFF) で化学種を分離し、ICP-MS で濃度を測定することです。

ICP-MS をスペシエーション分析のツールとして使用する傾向が高まっています。スペシエーション分析には通常、フロントエンドのクロマトグラフ分離と、AAS や ICP-MS などの元素選択検出器が含まれます。たとえば、ICP-MS をサイズ排除クロマトグラフィーや分取ネイティブ PAGEと組み合わせて、生体液中の金属タンパク質を識別および定量化することができます。また、タンパク質のリン酸化状態を分析することもできます。

2007 年には、金属、特にランタニドでタンパク質を定量的に標識するための、金属コード化アフィニティ タグ(MeCAT) と呼ばれる新しいタイプのタンパク質タグ付け試薬が導入されました。 ^[13] MeCAT 標識により、あらゆる種類のタンパク質やペプチドなどの他の生体分子の相対的および絶対的な定量が可能になります。MeCAT は、金属と結合する少なくとも 1 つの強力なキレート基を持つ部位特異的な生体分子タグ付けグループで構成されています。MeCAT 標識タンパク質は、ICP-MS によって低アトモル量の分析対象物まで正確に定量でき、これは他の質量分析法に基づく定量方法よりも少なくとも 2～3 桁感度が高くなります。生体分子に複数の MeCAT 標識を導入し、LC-ICP-MS をさらに最適化することで、ゼプトモル範囲の検出限界が実現可能になります。異なるランタニドを使用することで、MeCAT マルチプレックス化は、タンパク質およびペプチドの薬物動態、または生体液などにおけるタンパク質の差次的発現 (プロテオミクス) の分析に使用できます。MeCAT ラベル付けされたタンパク質の分離には、Breakable PAGE SDS-PAGE (DPAGE、溶解性 PAGE)、2 次元ゲル電気泳動、またはクロマトグラフィーが使用されます。DPAGE SDS-PAGE ゲルからのタンパク質バンドまたはスポットのフローインジェクション ICP-MS 分析は、電気泳動およびゲルの染色後に DPAGE ゲルを溶解することで簡単に実行できます。MeCAT ラベル付けされたタンパク質は、MALDI-MS または ESI-MS によってペプチド レベルで識別され、相対的に定量化されます。

ICP-MS では、原子質量範囲が 7 から 250 ( LiからU ) の元素、場合によってはそれ以上の元素を測定できます。サンプル中のアルゴン含有量が多いため、質量 40 などの一部の質量は測定できません。その他のブロック領域には、質量 80 (アルゴン二量体による) や質量 56 (ArO による) が含まれますが、後者は、機器に反応室が装備されていない限り、 Fe分析を著しく妨げます。このような干渉は、2 つ以上のスリットを使用してビームを狭め、近くのピークを区別する高解像度 ICP-MS (HR-ICP-MS) を使用することで軽減できます。ただし、感度が低下します。たとえば、鉄とアルゴンを区別するには約 10,000 の分解能が必要であり、鉄の感度が約 99% 低下する可能性があります。干渉する一部の種に対する別の解決策は、衝突反応セルの記事で説明されているように、衝突室を使用することです。

シングルコレクター ICP-MS では、非常に低い信号を増幅するためにパルスカウント モードで乗算器を使用し、中程度の信号を検出するために減衰グリッドまたはアナログ モードで乗算器を使用し、より大きな信号を検出するためにファラデー カップ/バケットを使用します。マルチコレクター ICP-MS では、これらのいずれかを複数使用でき、通常ははるかに安価なファラデー バケットを使用します。この組み合わせにより、1 ppq から 100 ppm までの 12 桁のダイナミック レンジが可能になります。

ICP-MSは生物学的サンプル中のカドミウムの測定に適した方法です。^[14]

一度に 1 つの元素しか測定できない原子吸光分光法とは異なり、ICP-MS はすべての元素を同時にスキャンする機能を備えています。これにより、サンプル処理を迅速に行うことができます。リチウムからウランまでの分析スペクトル全体をすべての分析で記録できる同時 ICP-MS は、2010 Pittcon Editors' Awardsで銀賞を受賞しました。ICP-MS では、速度と精度のバランスがそれぞれ異なる複数のスキャン モードを使用できます。磁石のみを使用してスキャンすると、ヒステリシスのために遅くなりますが、正確です。磁石に加えて静電プレートを使用して速度を上げることができ、複数のコレクターと組み合わせることで、リチウム 6 から酸化ウラン 256 までのすべての元素を 0.25 秒未満でスキャンできます。検出限界が低く、干渉種が多く、精度が高い場合は、カウント時間が大幅に長くなる可能性があります。高速スキャン、広いダイナミック レンジ、広い質量範囲は、海水、尿、消化された岩石サンプルなど、最小限の準備で済んだサンプル (TIMS よりも優れている) 内の複数の未知の濃度と同位体比を測定するのに最適です。また、レーザー アブレーションされた岩石サンプルにも適しており、スキャン速度が非常に速いため、任意の数の同位体のリアルタイム プロットが可能です。これにより、鉱物粒子の空間マッピングも簡単に行えます。

入力と出力の点では、ICP-MS 装置は準備されたサンプル材料を消費し、それを質量スペクトル データに変換します。実際の分析手順にはしばらく時間がかかります。その後、装置を切り替えて次のサンプルの処理に移ることができます。このような一連のサンプル測定では、装置のプラズマを点火する必要がありますが、同時に、得られた結果が実現可能なほど正確で精密な解釈を持つように、いくつかの技術的パラメータが安定している必要があります。プラズマを維持するには、キャリア ガス (通常は純粋なアルゴン) を一定に供給し、装置の消費電力を増やす必要があります。これらの追加のランニング コストが正当化されない場合、プラズマとほとんどの補助システムをオフにすることができます。このようなスタンバイ モードでは、ポンプのみが動作して質量分析計内の適切な真空を維持します。

ICP-MS 装置の構成要素は、再現性のある安定した操作を可能にするように設計されています。

分析の最初のステップはサンプルの導入です。これは ICP-MS ではさまざまな手段で実現されています。

最も一般的な方法は、分析用ネブライザーの使用です。ネブライザーは液体をエアロゾルに変換し、そのエアロゾルをプラズマに吹き込んでイオンを生成します。ネブライザーは単純な液体サンプル (溶液など) で最もよく機能します。ただし、スラリーなどのより複雑な材料に使用された例もあります。空気圧式、クロスフロー式、バビントン式、超音波式、脱溶媒和式など、さまざまな種類のネブライザーが ICP-MS に結合されています。生成されたエアロゾルは、通常、ペルチェ冷却ダブルパスまたはサイクロン式スプレーチャンバーによって、最小の液滴に制限されるように処理されることがよくあります。オートサンプラーを使用すると、特にルーチン作業や大量のサンプルの場合は、これがより簡単かつ迅速になります。脱溶媒和ネブライザー (DSN) も使用できます。これは、フッ素ポリマー膜でコーティングされた長い加熱キャピラリーを使用して、ほとんどの溶媒を除去し、プラズマへの負荷を軽減します。マトリックス除去導入システムは、海水など、対象種が微量レベルで存在し、周囲に大量の汚染物質が存在するサンプルに使用されることがあります。

レーザーアブレーションも別の方法です。以前はあまり一般的ではありませんでしたが、ICP-MS のスキャン速度の向上により、サンプル導入の手段として急速に普及してきました。この方法では、パルス UV レーザーをサンプルに当てて、プラズマに流し込むことができるアブレーションされた物質の煙を発生させます。これにより、地球化学者は岩石サンプルの断面の同位体組成を空間的にマッピングできます。このツールは、岩石が分解されて液体サンプルとして導入されると失われます。このタスク用のレーザーは、高度に制御可能な出力と均一な放射状出力分布を持つように構築されており、底が平らで、選択した直径と深さのクレーターを作成します。

レーザーアブレーションと脱溶媒噴霧器の両方において、少量の窒素流をアルゴン流に導入することもできます。窒素は二量体として存在するため、振動モードが多く、トーチ周囲の RF コイルからエネルギーをより効率的に受け取ることができます。

サンプル導入の他の方法も利用されています。電熱蒸発 (ETV) とトーチ蒸発 (ITV) では、高温の表面 (通常はグラファイトまたは金属) を使用してサンプルを蒸発させて導入します。これらの方法では、ごく少量の液体、固体、またはスラリーを使用できます。蒸気生成などの他の方法も知られています。

ICP-MS で使用されるプラズマは、アルゴンガスを部分的にイオン化することによって生成されます (Ar → Ar ⁺ + e ⁻ )。この反応に必要なエネルギーは、アルゴンガスの流れでプラズマトーチを囲む負荷コイルに交流電流をパルスさせることによって得られます。

サンプルを注入すると、プラズマの高温によりサンプルは個々の原子に分離します（原子化）。次に、プラズマはこれらの原子をイオン化します（M → M ⁺ + e ⁻）。これにより、質量分析計で検出できるようになります。

分光分析用の誘導結合プラズマ（ICP）は、通常石英製の3本の同心管からなるトーチ内で維持される。2つの主要な設計は、ファッセルトーチとグリーンフィールドトーチである。^[15] このトーチの端は、無線周波数電流が供給される誘導コイル内に置かれる。アルゴンガスの流れ（通常14〜18リットル/分）がトーチの最も外側の2本の管の間に導入され、電気火花が短時間適用されてガス流に自由電子が導入される。これらの電子は誘導コイルの無線周波数磁場と相互作用し、磁場が高周波（通常27.12 MHzまたは40 MHz）で変化するにつれて、最初は一方向に加速され、次に他の方向に加速される。加速された電子はアルゴン原子と衝突し、衝突によりアルゴン原子が電子の1つを手放すことがある。解放された電子は、急速に変化する磁場によって今度は加速される。このプロセスは、衝突で新しい電子が放出される速度と、電子とアルゴンイオン（電子を失った原子）との再結合速度が釣り合うまで続きます。これにより、ほとんどがアルゴン原子で、自由電子とアルゴンイオンの割合はかなり少ない「火の玉」が生成されます。

他のガスではなくアルゴンからプラズマを作ることには、いくつかの利点があります。まず、アルゴンは豊富（大気中ではカリウムの放射性崩壊の結果として）であるため、他の希ガスよりも安価です。また、アルゴンはHe、F、およびNeを除く他のすべての元素よりも高い第一イオン化ポテンシャルを持っています。この高いイオン化エネルギーのため、反応（Ar ⁺ + e ^{− → Ar）は反応（M +} + e ⁻ → M）よりもエネルギー的に有利です。これにより、サンプルはイオン化されたまま（M ⁺として）保たれ、質量分析計で検出できるようになります。

ICP-MS で使用するアルゴンは、冷蔵液体またはガスの形で購入できます。ただし、購入するアルゴンの形態にかかわらず、最低でも 99.9% のアルゴン純度が保証されている必要があることに注意してください。特定の状況に最も適したアルゴンのタイプを決定することが重要です。液体アルゴンは通常、ガスの形態よりも安価で、大量に保管できます。一方、ガスの形態は高価で、タンクのスペースもより多く占めます。機器があまり使用されない環境にある場合は、ガスの状態でアルゴンを購入するのが最適です。短い実行時間には十分すぎるほどで、シリンダー内のガスは長期間安定したままです。一方、液体アルゴンは、長期間保管するとタンクの通気により環境への損失が発生します。ただし、ICP-MS を日常的に使用し、週に数日、毎日 8 時間以上オンにして稼働させる場合は、液体アルゴンが最適です。複数の ICP-MS 装置を長期間稼働させる場合は、ガス供給会社が保守するバルクまたはマイクロバルクのアルゴン タンクを研究所に設置すると効果的です。これにより、タンクを頻繁に交換する必要がなくなり、使用済みの各タンクに残っているアルゴンの損失とタンク交換のためのダウンタイムが最小限に抑えられます。

ヘリウムはプラズマ生成のためにアルゴンの代わりに、またはアルゴンと混合して使用することができる。^{[16] [17]}ヘリウムの第一イオン化エネルギーが高いため、イオン化が促進され、イオン化しにくい元素に対する感度が高まります。また、純粋なヘリウムを使用すると、ArOなどのアルゴンベースの干渉も回避できます。^[18]しかし、多くの干渉は衝突セルの使用によって軽減することができ、ヘリウムのコストが高いため、商用のICP-MSでは使用されていません。^[要出典]

キャリアガスは中央のチャネルを通って非常に高温のプラズマに送られます。次にサンプルは無線周波数にさらされ、ガスがプラズマに変換されます。プラズマの高温は、サンプルの大部分がイオンを形成するのに十分です。このイオン化率は、一部の元素（ナトリウムなど）では 100% に近づくことがありますが、これはイオン化ポテンシャルに依存します。形成されたイオンの一部は、約 1 mm の穴（サンプラー コーン）を通過し、次に約 0.4 mm の穴（スキマー コーン）を通過します。その目的は、質量分析計に必要な真空を可能にすることです。

真空は一連のポンプによって生成され、維持されます。第 1 段階は通常、粗引きポンプ (最も一般的なのは標準ロータリー ベーン ポンプ) に基づいています。これによりほとんどのガスが除去され、通常は約 133 Pa の圧力に達します。後段では、より強力な真空システム (ほとんどの場合はターボ分子ポンプ) によって真空が生成されます。古い機器では、高真空領域にオイル拡散ポンプが使用されていた可能性があります。

質量分離の前に、プラズマから陽イオンのビームを抽出し、質量分析装置に集中させる必要があります。イオンを紫外線光子、高エネルギー中性粒子、およびICPから装置内に持ち込まれた可能性のある固体粒子から分離することが重要です。従来、ICP-MS装置では、この目的のために透過イオンレンズ配置が使用されてきました。例としては、アインツェルレンズ、バレルレンズ、アジレントのオメガレンズ^[19]、パーキンエルマーのシャドウストップ^[20]などがあります。別のアプローチは、イオンガイド（四重極、六重極、または八重極）を使用して、光子または中性粒子の軌道から離れた経路に沿ってイオンを質量分析装置に導くことです。さらに別のアプローチは、バリアンが特許を取得し、アナリティク・イエナICP-MSで使用されている^[21] 90度反射パラボリック「イオンミラー」光学系であり、質量分析装置へのイオン輸送をより効率的にし、感度を向上させ、バックグラウンドを低減すると主張されている。アナリティク・イエナICP-MS PQMSは、市場で最も感度の高い機器である。^{[22] [23] [24] [検証失敗]}

セクター ICP-MS には通常、抽出加速領域、ステアリング レンズ、静電セクター、磁気セクターの 4 つのセクションがあります。最初の領域ではプラズマからイオンを取り出し、高電圧を使用して加速します。2 番目の領域では、平行プレート、リング、四重極、六重極、八重極の組み合わせを使用してビームを操縦、成形、および焦点を合わせ、結果として得られるピークが対称で上部が平らで透過率が高いものになるようにします。静電セクターは、特定の機器に応じて磁気セクターの前または後に配置でき、プラズマによって引き起こされる運動エネルギーの広がりを減らします。この広がりは ICP-MS では特に大きく、グロー放電よりも大きく、TIMS よりもはるかに大きくなります。機器の形状は、静電セクターと磁気セクターを組み合わせた焦点がコレクターにあるように選択され、二重焦点 (またはダブル フォーカシング) と呼ばれます。

対象質量の感度が低く、より大きなピークのすぐ下にある場合、この大きなピークからの低質量のテールが対象質量に侵入する可能性があります。このテールを減らすには、遅延フィルターを使用する場合があります。これはコレクターの近くにあり、加速電圧と同じで反対の電圧を適用します。機器の周りを飛び回っている間にエネルギーを失ったイオンは、フィルターによって減速されて静止します。

衝突/反応セルは、イオン/中性反応によって干渉イオンを除去するために使用されます。^[25]衝突/反応セルはいくつかの名前で知られています。動的反応セルは、 ICP-MSデバイス内の四重極の前に配置されています。 ^{[26] [27] [28] [29]}チャンバーには四重極があり、反応（または衝突）ガス（アンモニア、メタン、酸素、水素）を充填することができ、一度に1種類のガスまたは2種類のガスの混合物で、導入されたサンプルと反応して干渉の一部を除去します。

Analytik Jena ICP-MS で使用されている統合衝突反応セル (iCRC) は、放物面イオンミラー光学系の前に設置されたミニ衝突セルで、スキマーコーンやサンプラーコーンを流れるプラズマに衝突ガス (He)、反応性ガス (H ₂ )、またはその 2 つの混合物を直接注入することで干渉イオンを除去します。^{[30] [31]} iCRC は、従来使用されていた大型衝突セルと同様に、衝突運動エネルギー弁別 (KED) 現象^[要出典]と干渉イオンとの化学反応を利用して干渉イオンを除去しました。

あらゆる機器や装置と同様に、毎日、毎週、毎年の手順で実施する必要があるメンテナンスには多くの側面があります。メンテナンスの頻度は通常、機器が受けるサンプル量と累積実行時間によって決まります。

ICP-MS の校正前に最初に実行すべきことの 1 つは、感度チェックと最適化です。これにより、オペレーターは機器に起こりうる問題を認識し、問題があれば校正を開始する前に対処できます。感度の一般的な指標は、ロジウム レベル、セリウム/酸化物比、および DI 水ブランクです。一般的な標準的な方法の 1 つは、プラズマ トーチを起動するたびに ICP メーカーが提供する標準チューニング ソリューションを測定することです。その後、機器は最適な感度に自動校正され、オペレーターは感度、質量分解能、酸化種および二重正電荷種の推定量などの特定のパラメーターを示すレポートを取得します。

最も頻繁に行われる定期メンテナンスの 1 つは、ペリスタルティック ポンプのサンプル チューブと廃液チューブの交換です。これらのチューブはすぐに摩耗してサンプル ラインに穴が開いたり詰まったりするため、結果が歪む可能性があります。その他の定期的なクリーニングや交換が必要な部品には、サンプル チップ、ネブライザー チップ、サンプル コーン、スキマー コーン、インジェクター チューブ、トーチ、レンズなどがあります。機器にかかる負荷に応じて、インターフェイス粗引きポンプと真空バッキング ポンプのオイル交換も必要になる場合があります。

ICP-MS を使用するほとんどの臨床方法では、サンプル準備プロセスは比較的簡単で迅速です。サンプルの主成分は内部標準であり、希釈剤としても機能します。この内部標準は、主に脱イオン水、硝酸または塩酸、インジウムおよび/またはガリウムで構成されています。揮発性酸を添加すると、サンプルがプラズマ内でガス成分に分解されるため、濃縮塩や溶媒負荷がコーンを詰まらせ、機器を汚染する可能性が最小限に抑えられます。^[32]サンプルの種類によって異なりますが、通常、内部標準 5 mL を 10～500 マイクロリットルのサンプルとともに試験管に追加します。次に、この混合物を数秒間またはよく混ざるまでボルテックスし、オートサンプラー トレイにロードします。非常に粘性の高いサンプルや粒子状物質を含むサンプルが関係する可能性のある他のアプリケーションでは、サンプルをピペットで採取して分析する前に、サンプル分解と呼ばれるプロセスを実行する必要があります。これにより、上記のプロセスに最初のステップが追加され、サンプルの準備にかかる時間が長くなります。

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