ICP-MS는 고온 플라즈마(약 10,000K)에서 시료를 원자화하고, 이온화된 원소를 질량 분석기로 측정하여 초미량 금속 원소를 ppt~ppq 수준까지 분석하는 장비.

ICP-OES보다 감도가 더 높고, 다중 원소 동시분석 가능.

동작 원리

시료 (액체) → Nebulizer → fine aerosol 

Aerosol → Plasma Torch → 6,000~10,000K에서 원자화 및 이온화

이온 → Interface (skimmer, sampler cone) → high vacuum 상태로 이송

Ion Optics → 이온 빔 초점화

Mass Analyzer (주로 Quadrupole, TOF, SF, Orbitrap) → 질량/전하비(M/z)로 이온 분리

Detector (전자증배관, MCP) → 이온 개수 검출 → 농도 계산

➡️ 검출 신호 ∝ 분석 대상 원소 농도

주요 장점 

✔️ ppt~ppq 검출 한계 → 가장 민감한 다원소 분석법 

✔️ 동시 다원소 분석 (수십 개 원소 동시 측정) 

✔️ 동위원소 분석 가능 (isotopic ratio analysis) 

✔️ 매우 넓은 dynamic range (10⁸~10⁹) 

✔️ 표준물질 적합성 확보 → 법적 규제 대응 가능

단점 

❌ 고가 장비 (구매 + 유지비 포함 수억 원) 

❌ Matrix effect → ionization suppression/enhancement 

❌ Mass interference (polyatomic ions, isobaric overlap) 

❌ Clean room, 고순도 reagent, ultra-pure water 필요 

❌ RF coil, cone 등 consumables frequent replacement

주요 구성요소

Plasma Torch

6000~10000K plasma 생성 

Nebulizer

액체 → aerosol 

Spray Chamber

large drop 제거 

Interface

Plasma → vacuum 연결 (sampler, skimmer cone) 

Ion Optics

이온 focusing 

Mass Analyzer

Quadrupole, TOF, SF, Orbitrap 등

Detector

이온 신호 감지 (EM, MCP, Daly 등)

Mass Analyzer 종류

Quadrupole

가장 많이 사용, 빠름, 경제적 

TOF

Full scan, 고속, high resolution 

SF-ICP-MS

High Resolution (M/ΔM > 10,000) 

ICP-MS/MS

Collision/Reaction Cell 적용 

Orbitrap

초고해상도, high mass accuracy

분석 가능한 원소

대부분의 금속 원소 

반금속(As, Se, Sb, Te) 

rare earth elements (REE)

동위원소 분석 (Pb206/207/208, Sr87/86 등)

간섭(interference)

Polyatomic

40Ar35Cl⁺ → 75As⁺ 간섭

Collision Cell (H₂, He), Reaction Cell (O₂, NH₃)

Isobaric

114Cd, 114Sn overlap

Mass separation (HR), mathematical correction

Doubly Charged

138Ba++ → 69 m/z

Low mass cutoff

주요 구성요소

Plasma Torch

6000~10000K plasma 생성 

Nebulizer

액체 → aerosol 

Spray Chamber

large drop 제거 

Interface

Plasma → vacuum 연결 (sampler, skimmer cone) 

Ion Optics

이온 focusing 

Mass Analyzer

Quadrupole, TOF, SF, Orbitrap 등

Detector

이온 신호 감지 (EM, MCP, Daly 등)

응용 분야

환경

수질, 대기, 토양 중 중금속, 희토류 분석 

식품

미량영양소, 독성 금속 (Pb, Cd, Hg, As) 

제약

ICH Q3D metal impurities 검출 

임상

trace metals in blood, urine 

지질

Pb isotope dating, U-Pb geochronology 

반도체

초고순도 시약 trace analysis (ppt~ppq 수준)

분석법

External calibration 

Internal standard correction (Sc, Y, In, Rh)

Standard addition 

Isotope dilution analysis (IDA)

규제 및 표준

EPA 200.8: 수질 내 trace metals 분석

ISO 17294-2: ICP-MS general method 

FDA, USP <232>, ICH Q3D: 의약품 중 metal impurities

AOAC official methods: food analysis

유지관리

✔️ Sampler/Skimmer cone 주기적 청소 

✔️ RF coil 교체 

✔️ Torch 유지관리 

✔️ Plasma gas (Ar) purity 99.999% 이상 

✔️ Clean room → 먼지, 소금 buildup 방지 

✔️ Ion lens tuning

가격

장비 가격: 3억~8억 원 

연간 유지비: 수천만 원 (cone, RF coil, 가스, 펌프 등)  

ICP-OES vs ICP-MS 비교

검출한계

ICP-OES ppb

ICP-MS ppt~ppq

동위원소분석

ICP-OES 불가능

ICP-MS 가능

간섭

ICP-OES 스펙트럼 간섭

ICP-MS mass 간섭

비용

ICP-OES 낮음

ICP-MS 높음

유지관리

ICP-OES 쉬움

ICP-MS 복잡

ICP-MS에 사용하는 가스종류

아르곤(Ar)

플라즈마 가스: 토치에 불 붙여 플라즈마 유지

보조/보조플로우(Aux), 네뷸라이저 가스: 분무·수송

⇒ 한 마디: ICP-MS의 주력 가스는 대부분 Ar.

셀(간섭 제거용, 모델에 따라 선택)

헬륨(He) – Collision 모드

→ 이온을 부딪쳐 간섭 이온 에너지↓(KED) → 배경 줄임.

수소(H₂), 암모니아(NH₃), 산소(O₂) – Reaction 모드

→ 화학 반응으로 간섭을 없애거나(on-mass 제거),

분석 이온을 다른 질량으로 이동(mass-shift)해 간섭 회피.

옵션(상황에 따라 추가)

산소(O₂) 소량 첨가: 유기용매 시 카본 적층 방지(토치 보호).

질소(N₂) 소량 첨가: 일부 장비에서 감도 향상(신호 부스팅).

레이저 어블레이션(ICP-MS-LA): He(캐리어) + Ar 혼합을 자주 사용.

요약

용도

플라즈마/분무/수송

주로 쓰는 가스

Ar

용도

셀 충돌(Collision)

주로 쓰는 가스

He

용도

셀 반응(Reaction)

주로 쓰는 가스

H₂ / NH₃ / O₂

용도

유기용매 보조

주로 쓰는 가스

O₂ (미량)

용도

감도 보조(일부)

주로 쓰는 가스

N₂ (미량)

용도

LA 캐리어

주로 쓰는 가스

He(+Ar 혼합)

정리

ICP-MS는 기본적으로 아르곤이 주력, 간섭 제어가 필요하면 He/H₂/NH₃/O₂를 셀 가스로 더해 씁니다.

최신 동향

🌟 ICP-MS/MS (tandem mass analyzer, Agilent 8900, Triple Quad ICP-MS) → mass filtering + collision/reaction → interference 제거 

🌟 HR-ICP-MS (Thermo Element XR, Nu Plasma) → ultra high resolution 

🌟 Single-particle ICP-MS (SP-ICP-MS) → nanoparticle size/count 분석 

🌟 LA-ICP-MS (Laser ablation ICP-MS) → 고체시료 direct ablation 

🌟 AI/ML 기반 auto interpretation software

사용 시 주의점

organic solvent matrix → plasma quenching 주의 → oxygen addition 필요

high salt matrix → cone clogging → dilution 필요

hydride-forming elements → HG-ICP-MS 적용 가능  

Speciation (종분석)

HPLC-ICP-MS, GC-ICP-MS coupling 

→ As³⁺/As⁵⁺, Se⁴⁺/Se⁶⁺ species 구분 

→ 환경/생물학적 독성 형태 확인 

동위원소 분석

Pb isotope ratio (environmental tracing, archeometry)

Sr isotopes (geology, wine traceability)

U-Pb dating (zircon dating)

미래 기술

🔭 Portable ICP-MS 

🔭 Microdroplet introduction 

🔭 Multi-collector ICP-MS (MC-ICP-MS) 

🔭 Interfacing with chromatography, laser ablation, thermal desorption 

🔭 Sustainability → Ar gas saving plasma, low power plasma

“ICP-MS는 ultra-trace-level 원소 분석, 동위원소비 측정, 다중원소 동시분석이 가능한 가장 민감하고 다재다능한 원소 분석법으로, 환경, 제약, 식품, 지질, 소재 등 거의 모든 산업 분야의 정밀 분석에 필수적인 도구이다.”

ICP-MS (Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry를 생산 판매하는 주요 업체.

Agilent Technologies (애질런트 테크놀로지스, 미국)

주요제품명: 7850/7900(싱글쿼드), 8900(TQ, 트리플쿼드)

강점, 특징

He-mode 충돌/반응 셀 운용이 안정적, 매트릭스 내성(HMI 등) 우수 

초미량(ppq–ppt) 검출, 빠른 스캔/오토튜닝, 자동 간섭 보정

대형 레퍼런스/애플리케이션 자료 풍부, 유지보수 네트워크 탄탄

PerkinElmer (퍼킨엘머, 미국)

제품명: NexION 1000/2000/5000

강점, 특징

다중 모드 셀(반응·KED 등)로 다양한 간섭 대응

매트릭스 다양성(환경/식품/제약) 대응이 용이, Syngistix SW 친화적

소비자층 넓고 소모품/서비스 공급 안정

Shimadzu (시마즈, 일본)

제품명: ICPMS-2030

강점, 특징

Ar 절감(Eco) 모드, 간단한 유지관리로 운영비 절감

직관적 소프트웨어(메서드 템플릿/검량 지원), 교육·QC랩에 적합

소형 풋프린트로 설치 유연성

Thermo Fisher Scientific (써모 피셔 사이언티픽, 미국)

제품명: iCAP RQ(싱글쿼드), iCAP TQ(트리플쿼드)

강점, 특징

반응/충돌 셀(QCell) 기반 간섭 제거 성능 우수 

Qtegra 소프트웨어로 규제 시험(ICH Q3D 등) 워크플로우 지원 

안정적인 플라즈마 제어, 장시간 연속 분석에 강함