ICP�電感耦合等離�體(Inductively Coupled Plasma�,是騎士年代出現(xiàn)的一種新型發(fā)射光譜分析用�光源。因?yàn)樗捎妙l�7-50兆赫的高�電源�(lái)�(chǎn)生等離子�,所以有人稱(chēng)之為“高頻等離子體光源”或“高頻感�(yīng)等離子體光源�。它具有較好的分析性能,已�(yīng)用于原子�(fā)射光譜儀�
炬管的組成:三層石英同心管組成(如下圖)。冷卻(等離子)氬氣以外管內(nèi)壁相切的方向�(jìn)入ICP炬管�(nèi),有效地解決了石英管壁的冷卻�(wèn)�。防止其被高溫的ICP燒熔。炬管置于高頻線圈的正中,線圈的下端距中管的上端2-4mm,水冷的線圈連接到高頻發(fā)生器的輸出端。高頻電能通過(guò)線圈耦合到炬管內(nèi)電離的氬氣中。當(dāng)線圈上有高頻電流通過(guò)�(shí),則在線圈的軸線方向上產(chǎn)生一�(gè)�(qiáng)烈振蕩的�(huán)形磁�(chǎng)如圖所�。開(kāi)始時(shí),炬管中的原子氬并不�(dǎo)�,因而也不會(huì)形成放電。當(dāng)�(diǎn)火器的高頻火花放電在炬管�(nèi)使小量氬氣電離時(shí),一旦在炬管�(nèi)出現(xiàn)了導(dǎo)電的粒子,由于磁�(chǎng)的作�,其�(yùn)�(dòng)方向隨磁�(chǎng)的頻率而振�,并形成與炬管同軸的�(huán)形電流。原�、離子、電子在�(qiáng)烈的振蕩�(yùn)�(dòng)中互相碰撞產(chǎn)生更多的電子與離�。終于形成明亮的白色Ar-ICP放電,其外形尤如一滴剛形成的水�。在高度電離的ICP�(nèi)部所形成的環(huán)形渦流可看作只有一匝的變壓器次�(jí)線圈,而水冷的工作線圈則相�(dāng)于變壓器的初�(jí)線圈,它們之間的耦合,使磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向隨時(shí)間而變�,受磁場(chǎng)加速的電子和離子不斷改變其�(yùn)�(dòng)方向,導(dǎo)致焦耳發(fā)熱效�(yīng)并附帶產(chǎn)生電離作�。這種氣體在極短時(shí)間內(nèi)在石英的炬管�(nèi)形成一�(gè)新型的穩(wěn)定的“電火焰”光源�
樣品�(jīng)霧化器被氣動(dòng)力吹散擊碎成粒徑�1-10um之間的細(xì)粒截氬氣由中心管注入ICP�,霧滴在�(jìn)入ICP之前,經(jīng)霧化室除去大霧滴使到�(dá)ICP的氣溶膠微滴快速地去溶、蒸�(fā)和原子化�
1)趨膚效應(yīng):高頻電流在�(dǎo)體上傳輸�(shí),由于導(dǎo)體的寄生分布電感的作�,使�(dǎo)線的電阻從中心向表面沿半徑以指數(shù)的方式減�,因此高頻電流的傳導(dǎo)主要通過(guò)電阻較小的表面一�,這種�(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效�(yīng)。等離子體是電的良導(dǎo)�,它在高頻磁�(chǎng)中所感應(yīng)的環(huán)狀渦流也主要分布在ICP的表層。從ICP的端部用肉眼即可觀察到在白色圈�(huán)中有一亮度較暗的內(nèi)�,俗�(chēng)“炸面圈”結(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)提供一�(gè)電學(xué)的屏蔽筒,當(dāng)試樣注入ICP的通道�(shí)不會(huì)影響它的電學(xué)參數(shù),從而改善了ICP的穩(wěn)定性�
2)通道效應(yīng):由于切線氣流所形成的旋渦使軸心部分的氣體壓力較外周略低,因此攜帶樣品氣溶膠的載氣可以極容易地從圓錐形的ICP底部鉆出一條通道穿過(guò)整�(gè)ICP。通道的寬度約2mm,長(zhǎng)�5cm。樣品的霧滴在這�(gè)�7000K的高溫環(huán)境中很快蒸發(fā)、離解、原子化、電離并激�(fā)。即通道可使這四�(gè)�(guò)程同�(shí)完成。由于樣品在通過(guò)通道的時(shí)間可�(dá)幾�(gè)毫秒,因此被分析物質(zhì)的原子可反復(fù)地受激�(fā),故ICP光源的激�(fā)效率較高�
在光譜分析中所謂的等離子體光源,通常指外觀上類(lèi)似火焰的一�(lèi)放電光源。目前最常用的有三類(lèi):即電感耦合等離子體炬(ICP�、直流等離子體噴焰(DCP)和微波感生等離子體炬(MIP�。對(duì)于MIP�(lái)�(shuō),雖然允許微量�(jìn)�,耗氣量小,功率低、易�(cè)定非金屬,但�(duì)多數(shù)金屬檢測(cè)限差、元素間干擾�(yán)�、需要氦�,因此主要用于色譜分析的檢測(cè)��
ICP光源主要�(yōu)�(diǎn)是:
1) 檢出限低:許多元素可�(dá)�1ug/L的檢出限
2) �(cè)量的�(dòng)�(tài)范圍寬:5-6�(gè)�(shù)量級(jí)
3) �(zhǔn)確度�
4) 基體效應(yīng)?。篒CP是一種具�6000-7000K的高溫激�(fā)光源,樣品又�(jīng)�(guò)化學(xué)處理,分析用的標(biāo)�(zhǔn)系列很易于配制成與樣品溶液在酸度、基體成�、總鹽度等各種性質(zhì)十分相似的溶液。同�(shí),光源能量密度高,特殊的激�(fā)�(huán)境——通道效應(yīng)和激�(fā)�(jī)理,使ICP光源具有基體效應(yīng)小的突出�(yōu)�(diǎn)�
5) 精密度高:RSD~0.5%
6) 曝光�(shí)間短:一般只需10-30�
7) 原子�(fā)射光譜分析所具有的多元素同時(shí)分析的特�(diǎn)與其他分析方法逐�(gè)元素單獨(dú)�(cè)定相�,無(wú)論從效率的經(jīng)�(jì),技�(shù)等方面都具有很大的特�(diǎn)。這也是ICP原子�(fā)射光譜分析取得很大�(jìn)展的原因之一�
1)RF功率:幾乎所有的譜線�(qiáng)度都隨功率的增加而增�。但功率�(guò)大也�(huì)帶來(lái)背景輻射增強(qiáng),信背比變差,檢出限反而不能降�。對(duì)于水溶液樣品,一般選用的功率�950w-1350w,對(duì)于溶液中含有�(jī)試劑或有�(jī)溶劑的樣�,為使有�(jī)物充分分�,一般選�1350w-1550w的功率。在�(cè)定易激�(fā)又易電離的堿金屬元素�(shí),可選用更低的功率(750w-950w),而在�(cè)定較難激�(fā)的As、Sb、Bi等元素時(shí),可選用1350w的功��
2)霧化氣流量(壓力):霧化氣的作用已如上述,其大小直接影響霧化器提升量、霧化效�、霧滴粒烴、氣溶膠在通道中的停留�(shí)間等。因此要根據(jù)每�(gè)具體的霧化器精心選擇并在分析�(guò)程中保持一�。對(duì)于目前廣泛使用的Menhard和GE同心型霧化器,霧化壓力通常�22-35psi間選擇(最常用的是26-30psi�,對(duì)于“較難”激�(fā)元素如As、Sb、Se、Cd等元素的�(cè)定可選用較小的霧化壓力(24-26psi�,使氣溶膠在通道中停留較�(zhǎng)的時(shí)�,更有利于激�(fā)�(fā)�,對(duì)于K、Na等易激�(fā)又易電離的元素的�(cè)�,可選用較高霧化壓力�32-35psi�,使氣溶膠在通道中停留時(shí)間較�,且霧化得更好,以獲得更低的檢出��
3)觀察高度:在炬管垂直放置的情況�,采用側(cè)向采�,各種元素的激�(fā)區(qū)因元素而異。具有較難激�(fā)的原子譜線的元素如As、Sb、Se等,它們的激�(fā)區(qū)在ICP通道偏低的位�。而具有較易激�(fā)的離子譜線的元素如堿土族元素,周期表的第三、四副族元素,其激�(fā)區(qū)則應(yīng)在ICP通道偏高的位�。易激�(fā)又易電離的堿金屬元素,在通道較低位置則絕大部分成為很難激�(fā)的離子狀�(tài)。只有在通道的較高位置為觀察區(qū)域。所謂的觀察離度是指工作線圈的頂部作為起點(diǎn)向上�(jì)算(如圖所示)。而原子發(fā)射光譜分析的一�(gè)重大�(yōu)�(shì)是多元素同時(shí)分析,因此曝光高度與其他參數(shù)一�,很難僅考慮�(gè)別元素的觀察高�,必須兼顧一次采樣分析所有待�(cè)元素,所以一般采用折中的觀察高�。在�(diào)試儀器時(shí),一般以1ppm的Cd元素�(lái)選擇的觀察高度(通常�15mm左右�。另可通過(guò)輔助氣的改變可使觀察高度在13-17mm間調(diào)整�
4)頻率:在一般情況下ICP的頻率并不認(rèn)為是重要的參�(shù),目前常用的頻率�27.12MHz�40.68MHz,這是為了避免與廣播通訊相干涉而專(zhuān)門(mén)留給工業(yè)部門(mén)使用的頻�,也比較適合于產(chǎn)生ICP,所以正�(guī)的ICP�(fā)生器都采用這�(gè)指定的頻��
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