Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist die empfindlichste Technik für die Multielement-Spuren- und Ultra-Spurenelementanalyse. Sie koppelt die effiziente Atomisierung und Ionisierung eines Argonplasmas mit dem Massenauflösungsvermögen eines Massenspektrometers und erreicht Nachweisgrenzen im parts-per-trillion (ppt) bis parts-per-quadrillion (ppq)-Bereich – 100–1000× niedriger als ICP-OES für die meisten Elemente. Die Technik ermöglicht auch Isotopenverhältnismessungen, eine Fähigkeit, die unter den routinemäßigen Elementanalysemethoden einzigartig ist.
Das Probenaufgabesystem (Zerstäuber, Sprühkammer, Peristaltikpumpe) ähnelt dem der ICP-OES und wandelt die flüssige Probe in ein feines Aerosol um. Das Aerosol gelangt in den Plasmabrenner, wo Temperaturen von ~7000 K die enthaltenen Elemente desolvatisieren, atomisieren und ionisieren. Ionen werden aus dem Plasma durch einen Sampling Cone und einen Skimmer Cone in das Massenspektrometer extrahiert – zwei wassergekühlte Nickel- oder Platin-Kegel mit kleinen Öffnungen, die den Druckunterschied zwischen Atmosphärendruck (Plasma) und Hochvakuum (Massenanalysator, ~10⁻⁶ Torr) überbrücken. Der Ionenstrahl wird durch elektrostatische Linsen (Ionenoptik) in den Massenanalysator fokussiert.
Mehrere Massenanalysator-Konfigurationen sind im Einsatz. Der Quadrupol ist der häufigste und kosteneffektivste und nutzt oszillierende elektrische Felder, um Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/z) zu filtern. Sektorfeld-Instrumente verwenden einen magnetischen Sektor (und optional einen elektrostatischen Sektor) für höhere Auflösung und lösen spektrale Störungen auf, allerdings zu höheren Kosten und mit größerer Komplexität. Flugzeit (TOF)-Analysatoren extrahieren alle m/z-Werte gleichzeitig aus jedem Ionenpuls und bieten schnelle, quasi-simultane Multiisotopenmessungen, ideal für transiente Signale (z. B. Laserablation oder Einzelpartikel-ICP-MS).
Störungen sind in der ICP-MS komplexer als in der ICP-OES. Polyatomare Störungen entstehen aus Kombinationen von Ar, O, H, N und der Probenmatrix – z. B. stört ⁴⁰Ar¹⁶O⁺ die Messung von ⁵⁶Fe⁺. Isobare Störungen treten auf, wenn zwei Isotope verschiedener Elemente dieselbe nominelle Masse haben (z. B. ⁸⁷Rb⁺ und ⁸⁷Sr⁺). Kollisions-/Reaktionszellen (CRC), die vor dem Massenanalysator platziert werden, mildern polyatomare Störungen durch Einleiten eines Gases (He zur kinetischen Energiediskriminierung; H₂, NH₃ oder O₂ für chemische Reaktionen), das störende Spezies selektiv entfernt oder verschiebt.
ICP-MS-Anwendungen umfassen die klinische Chemie (Spurenelemente in Blut, Serum und Urin für ernährungsphysiologische und toxikologische Bewertungen), die Umweltüberwachung (regulierte Metalle in Trinkwasser auf sub-ppb-Niveau), die Nuklearforensik (Isotopen-Fingerprinting von Uran und Plutonium), die Geochronologie (U-Pb-Datierung mittels Laserablations-ICP-MS) und die Lebensmittelsicherheit (Schwermetalle in landwirtschaftlichen Produkten). Die außergewöhnliche Empfindlichkeit, Multielementgeschwindigkeit und Isotopenfähigkeiten machen sie zu einem Eckpfeiler der modernen Spurenanalytik.
