電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀結(jié)構(gòu)分析
1、ICP光源
ICP光源是ICP發(fā)射光譜儀的核心部分。原子發(fā)射光譜常用的激發(fā)源有火焰，電?。ㄖ绷麟娀?、交流電弧）、火花（高壓火花、低壓火花）、輝光放電、等離子體（直流等離子體DCP、電感耦合等離子體ICP、微波感生等離子體MIP、微波耦合等離子體CMP）。
等離子體光源是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一類新型發(fā)射光譜分析用光源。等離子體光源不是火焰，而是含有一定濃度陰、陽離子能導(dǎo)電的氣體混合物。在等離子體中，陰離子和陽離子的濃度時相等的，靜電荷為零。
通常用氬等離子進(jìn)行發(fā)射光譜分析，一般溫度可達(dá)10000K。
1.1 ICP光源的組成
ICP光源由高頻電源和ICP炬管構(gòu)成。ICP炬管由三個同心石英管和管外上部環(huán)繞的高頻感應(yīng)圈組成（一般為2~4圈空心銅管），存在三個進(jìn)氣管。
1.2 ICP的行成條件及過程
形成穩(wěn)定的ICP炬焰需要四個條件：高頻高強(qiáng)度的電磁場、工作氣體（持續(xù)穩(wěn)定的純氬氣流，純度要求為99.99%以上）、維持氣體穩(wěn)定放電的適應(yīng)炬管以及電子-電離源。
石英外管和中間管之間通10~20L/min的氬氣，其作用是作為工作氣體形成等離子體并冷卻石英炬管，稱為等離子體氣或冷卻氣；中間管和中心管通入0.5~1.5L/min氬氣，成為輔助氣，用以輔助等離子體的形成，在形成等離子炬后可以關(guān)掉；中心管通載氣用于導(dǎo)入試樣氣溶膠。
形成ICP焰炬通稱為點(diǎn)火。點(diǎn)火分為三步：*步是向外管及中管通入等離子體和輔助氣，此時中心管不通氣體，在炬管中建立氬氣氣氛；第二步向感應(yīng)圈接入高頻電源，一般頻率為7~50MHz，電源功率1~1.5kW，此時線圈內(nèi)有高頻電流I及由它產(chǎn)生的高頻電磁場。第三步是用高頻火花等方法使中間流動的工作氣體電離，產(chǎn)生的離子和電子再與感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的起伏磁場作用。這一相互作用使線圈內(nèi)的離子和電子沿圖中的封閉環(huán)路流動；它們對這一運(yùn)動的阻力則導(dǎo)致歐姆加熱作用。由于強(qiáng)大的電流產(chǎn)生高溫，是氣體加熱，從而形成火炬狀的等離子體。
形成等離子體的具體過程為：在感應(yīng)線圈上施加高頻電場的同時，用高頻火花等使部分等離子體工作氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子在高頻交變電磁場的作用下做高速運(yùn)動，碰撞氣體原子，使之迅速、大量電離，形成雪崩式放電，電離的氣體在垂直于磁場方向的截面上形成閉合環(huán)形的渦流，在感應(yīng)線圈內(nèi)形成相當(dāng)于變壓器的次級線圈并同相當(dāng)于初級線圈的感應(yīng)線圈耦合，這種高頻感應(yīng)電流產(chǎn)生的高溫又將氣體加熱、電離，并在管口形成一個火炬狀的穩(wěn)定的等離子體焰炬。
樣品在ICP源中的激發(fā)過程為：液體樣品經(jīng)過霧化成氣溶膠，然后脫溶（固體樣品經(jīng)導(dǎo)入）；成為固體顆粒后到達(dá)激發(fā)源，在激發(fā)源中固體顆粒被進(jìn)一步氣化變成分子形態(tài)；分子經(jīng)激發(fā)解離成為原子，同時光子發(fā)射——原子發(fā)射線；原子在經(jīng)進(jìn)一步激發(fā)離子化變?yōu)殡x子，在此過程中伴隨光子發(fā)射——離子線。
原子線（Atomic line）——原子外層電子被激發(fā)；離子線（Ionic line）——原子被電離，離子外層電子被激發(fā)。所以ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer）等同于ICP-AES（Inductively Coupled PlasmaAtomic Emission Spectrometer）。
在感應(yīng)線圈以上15~20mm的高度上，背景輻射中的氬譜線很少，故光譜觀察在這個區(qū)域上進(jìn)行。ICP中心通道的預(yù)熱區(qū)溫度較低，試液氣溶膠在此區(qū)內(nèi)首先脫水（去溶劑）形成干氣溶膠顆粒。干氣溶膠顆粒向上移動進(jìn)入高溫區(qū)，分析物開始分解和原子化，激發(fā)發(fā)光。此區(qū)域溫度很高，發(fā)射很強(qiáng)的光譜背景，分析線的信背比不佳，不在此區(qū)域取光測定。分析物在中心通道繼續(xù)上移進(jìn)入正常分析區(qū)。當(dāng)試樣原子抵達(dá)觀察點(diǎn)時，它們可能已在4000~8000K溫度范圍內(nèi)停留了約2ms時間。這個時間和溫度大約比在火焰原子化中所用的乙炔/氧化亞氮火焰大2~3倍。因此，原子化比較安全，并且減少了化學(xué)干擾的產(chǎn)生。
電感耦合等離子體焰炬的特點(diǎn)如下：
（1）工作溫度高、同時工作氣體為惰性氣體，因此原子化條件良好，有利于難熔化合物的分解及元素的激發(fā)，對大多數(shù)元素有很高的靈敏性。
（2）趨膚效應(yīng)的存在，穩(wěn)定性高，自吸現(xiàn)象小，測定的現(xiàn)性范圍寬。
（3）電子密度高，堿金屬的電離引起的干擾小
（4）無極放電，不存在電極污染
（5）載氣流速低，利于試樣在中央通道中充分激發(fā)，而且耗樣量少。
（6）采用惰性氣體作工作氣體，因而光譜背景干擾少。
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2、樣品引入系統(tǒng)
氣溶膠進(jìn)樣系統(tǒng)是目前常用的方法。樣品引入系統(tǒng)由兩個主要部分組成：樣品提升部分和霧化部分。樣品提升部分一般為蠕動泵，也可使用自提升霧化器。要求蠕動泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，泵管彈性良好，使樣品溶液勻速地泵入，廢液順暢地排出。
霧化部分包括霧化器和霧化室。樣品以泵入方式或自提升方式進(jìn)入霧化器后，在載氣作用下形成小霧滴并進(jìn)入霧化室，大霧滴碰到霧化室壁后被排除，只有小霧滴可進(jìn)入等離子體源。
要求霧化器霧化效率高，霧化穩(wěn)定性高，記憶效應(yīng)小，耐腐蝕；霧化室應(yīng)保持穩(wěn)定的低溫環(huán)境，并需經(jīng)常清洗。
常用的霧化器有氣動霧化器和超生霧化器。另外，特別是對于固態(tài)樣品采用電熱蒸發(fā)。
3、光學(xué)（分光）系統(tǒng)
電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜的單色器通常采用光柵或棱鏡與光柵的組合。目前較常使用的是中階梯光柵。中階梯光柵常數(shù)為微米級?？叹€密度10~80線/mm；閃爍角60°左右；入射角大于45°；常用譜級20~200級。
4、檢測系統(tǒng)
電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜的檢測系統(tǒng)是光電轉(zhuǎn)換器——光電倍增管和固態(tài)成像系統(tǒng)，利用光電效應(yīng)將不同波長光的輻射能轉(zhuǎn)化成電信號。電荷耦合器件CCD（charge-coupled device）、電荷注入器件CID（ChargeInjection Device）是一種新型固體多道光學(xué)檢測器件，它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電路芯片。由于其輸入面空域上逐點(diǎn)緊密排布著對光信號敏感的像元，因此它對光信號的積分與感光板的情形頗相似。具有多譜線同時檢測能力，檢測速度快，動態(tài)線性范圍寬，靈敏度高的特點(diǎn)。目前這類檢測器已經(jīng)在光譜分析的許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。
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