在地质勘探、环境监测、材料科学等领域，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是当之无愧的 "元素分析利器"。它凭借ICP离子源的强大电离能力，能与多种质谱仪结合，实现高精度的元素和同位素分析，还能在常压下便捷更换样品、连接各类进样装置，广泛应用于科研和工业检测。但这个 "精准利器" 却有个致命短板——容易受大气干扰，空气中的氢、碳、氮、氧等气体，会与等离子体中的物质形成干扰离子，严重影响分析结果的准确性。

对于地质学家们来说，这些大气相关干扰时常让他们在分析数据的时候头皮发麻，比如：钡的氧化物（BaO）会干扰铕（Eu）的检测，导致稀土元素异常值计算失真，阻碍地质学家们破解岩石中元素的蛛丝马迹；轻稀土元素（LREE）的氧化物会影响中重稀土元素（HREE）的分析精度，让地质学家走进岩石成因和岩浆源区判断的迷雾中无法自拔；碳、氮、氧与氩形成的复合离子，还会干扰镁、硅、铁等关键元素的同位素测量。为解决这一问题，科学家们曾尝试过减压等离子体、ICP炬屏蔽罩、封闭腔体等方案，尽管这些工作的确取得了富有成效的结果，但同样伴随着一些亟待解决的问题，比如，要么结构复杂，要么限制了 ICP 炬的三维移动——而ICP炬的灵活调节对找到各元素的最佳电离区域、保证分析精度至关重要，这些问题让这些方法的推广应用受到了阻碍。

针对这一困境，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队的博士生姜昕在导师刘勇胜教授的指导下，研发出一种新型大气干扰减少装置（AIRD），它不仅能高效阻挡大气干扰，还能保留仪器的调节灵活性，为ICP-MS分析提供了全新解决方案。

AIRD 的设计思路是站在前人的肩膀上，综合前人的优点并整合与发展的。核心是在等离子体和采样锥之间打造一个相对隔离的区域，利用惰性保护气形成正压屏障，像“防护盾”一样阻止空气进入干扰分析过程。它主要由密封环、石英帽和金属环三部分组成，密封环采用石英或聚醚醚酮等耐高温材料制成，中间设有带密封槽的阶梯孔，搭配耐 280℃高温的氟橡胶O型圈，既能实现可靠密封，又能通过特殊的通气设计引入保护气。与全封闭结构不同，AIRD的相对隔离设计保留了ICP火炬的三维移动空间，确保不同元素都能在最佳电离区域进行分析。

为了验证 AIRD 的性能，团队通过气体动力学模拟和实验测试进行了全面优化：

（1）优化保护气参数：选择氩气（Ar）和氦气（He）作为保护气（两者均为惰性气体，不会与分析物质反应产生新干扰），用氪-82（⁸²Kr）作为内标物监测仪器灵敏度变化。通过 COMSOL 软件模拟发现，当保护气流量达10 L/min时，隔离区域能形成足够的正压，有效阻断空气进入，这是最优工作参数。

图1 未安装AIRD（a-c）和安装AIRD（d-f）的Comsol气体动力学模拟结果对比

（2）验证干扰抑制效果：实验显示，氦气的干扰抑制效果更优——能使碳离子（¹²C⁺）干扰减少32%，氮离子（¹⁵N⁺）减少51%，氧离子（¹⁶O⁺）减少 56%，氢氧复合离子（¹⁶O¹H¹H⁺）减少54%；氩气则在抑制氩氮（⁴⁰Ar¹⁴N⁺）、氩氧（⁴⁰Ar¹⁶O⁺）等复合离子干扰方面略占优势。值得一提的是，当AIRD与膜去溶装置配合使用，将氧化物产率降至0.03%后，即使关闭保护气，这个低干扰状态也能维持24小时以上，这是因为隔离区域内的空气已被保护气完全置换，仪器自身的冷却气和辅助气能继续维持正压环境。

图2 对比Ar和He两种隔离气降低大气相关干扰效果

（3）优化载气流量：载气流量会影响样品传输效率和等离子体状态，实验发现，使用 AIRD 时，载气流量为0.7 L/min时仪器灵敏度最佳，此时各干扰离子的信号强度相比无 AIRD 时显著降低，碳、氮、氧等干扰离子的减少幅度可达48%-67%。

图3 大气相关干扰和待测元素（⁸²Kr）的信号强度与载气流速的关系

（4）提升元素灵敏度：好的防干扰装置不能以牺牲灵敏度为代价。实验表明，AIRD 不仅不降低灵敏度，还能提升部分元素的检测信号 —— 用氦气作为保护气时，内标物⁸²Kr的信号强度提升了约25.7%，氩气作为保护气时也能提升19.5%。这得益于氦气的高导热性，它能优化等离子体状态，促进离子传输，进一步提升分析性能。

图4 对比安装AIRD前后⁸²Kr信号强度的变化

（5）适配 LA-ICP-MS 分析：在LA-ICP-MS实验中，使用 AIRD 后，钍氧化物与钍的比值（ThO/Th）从 0.92% 降至 0.15%，大幅减少了氧化物干扰；同时，镁、铝、锆等多种元素的灵敏度得到提升，证明 AIRD 在激光剥蚀样品分析中同样适用。

图5 LA-ICP-MS分析中安装AIRD前后ThO/Th对比

不过，AIRD 也存在需要权衡的地方：氦气的干扰抑制和灵敏度提升效果更优，但成本比氩气高，实际应用中需根据分析需求和预算选择合适的保护气。未来，团队还将进一步优化装置结构和分析条件，让它在更多领域发挥作用。

本研究设计的AIRD以简单可靠的结构设计，既解决了长期困扰的大气干扰问题，又保留了仪器的操作灵活性，还能提升部分元素的检测灵敏度，为地质、环境、材料等领域的元素和同位素分析提供了更精准、高效的技术支撑。无论是稀土元素的精准测定，还是同位素比值的准确分析，这个“防干扰护盾”都能帮助科研人员获取更真实可靠的数据，推动相关领域的研究不断深入。

相关研究成果已发表在国际知名期刊《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》上，该项研究受国家自然科学基金委重大仪器研制项目(41927803)资助。

文章信息：Jiang, Xin, Liu, Yongsheng*, Liu, Wengui, Lin, Jie, Liu, Zhenyi, Chen, Lifei, Zhu, Xi, Zhang, Wen, Hu, Zhaochu, 2024. A device for reducing the atmosphere-induced interferences for analysis using inductively coupled plasma-mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 39 (10) 2452-2460. http://dx.doi.org/10.1039/D4JA00185K