電感耦合等離子體原子發射光譜儀工作原理

一、原子發射光譜的產生

原子發射光譜是原子光譜的一種，有關原子光譜的種類參見第1章節有關內容。原子發射光譜是處于激發態的待測元素原子回到基態時發射的譜線原子發射光譜法包括2個主要的過程，即：激發過程和發射過程。

(1) 激發過程 由光源提供能量使樣品蒸發、形成氣態原子、并進一步使氣態原子激發至高能態。原子發射光譜中常用的光源有火焰、電弧、等離子炬等，其作用是使待測物質轉化為氣態原子，氣態原子的外層電子激發過程獲得能量，變為激發態(高能態)原子。

(2) 發射過程 處于激發態(高能態)的原子十分不穩定，在很短時間內回到基態(低能態)。當從原子激發態過渡到低能態或基態時產生特征發射光譜即為原子發射光譜。一由于原子發射光譜與光源連續光譜混合在一起，且原子發射光譜本身也十分豐富，必須將光源發出的復合光經單色器分解成按波長順序排列的譜線，形成可被檢測器檢測的光譜，儀器用檢測器檢測光譜中譜線的波長和強度。

二、定性原理

由于不同元素的原子結構不同，所以一種元素的原子只能發射由其Eo與Eq決定的特定頻率的光。這樣，每一種元素都有其特征的光譜線。即使同一種元素的原子，它們的Eq也可以不同，也能產生不同的譜線。此外，某些離子也可能產生類似的光譜，因此在原子發射光譜條件下，對特定元素的原子或離子可產生一系列不同波長的特征光譜，通過識別待測元素的特征譜線存在與否進行定性分析。

三、定量原理

試樣由載氣帶入霧化系統進行霧化(對于溶液進樣而言)，以氣溶膠形式進入炬管軸內通道，在高溫和惰性氬氣氣氛中，氣溶膠微粒被充分蒸發、原子化、激發和電離。被激發的原子和離子發射出很強的原子譜線和離子譜線。各元素發射的特征譜線及其強度經過分光、光電轉換、檢測和數據處理，最后由打印機輸出各元素的含量。

由于在某個恒定的ICP等離子體條件下，分配在各激發態和基態的原子數目Ni、No，應遵循統計力學中麥克斯韋一玻爾茲曼分布定律。

Ni= No×(gi／go)×e(-Ei／kT)

而i、j兩能級之間的躍遷所產生的譜線強度Iij與激發態原子數目Ni成正比，即Iij=kNi。因此，在一定的條件下，譜線強度Iij與基態原子數目No成正比。而基態原子數與試樣中該元素濃度成正比。因此，存一定的條件下譜線強度與被測元素濃度成正比，Iij=kc，這是原子發射光譜定量分析的依據。

式中，Ni為單位體積內處于激發態的原子數；No為單位體積內處于基態的原子數；gi,g0。為激發態和基態的統計權重；Ei為激發電位；是為玻爾茲曼常數；T為激發溫度。

四、電感耦合等離子體的形成及工作原理

等離子體是指含有一定濃度陰離子、陽離子、自由電子、中性原子與分子在總體上呈中性能導電的氣體混合物。等離子體作為一種光源是20世紀60年代發展起來的一類新型發射光譜分析用光源。通常用氬等離子體進行發射光譜分析，雖然也會存在少量試樣產生的陽離子，但是氬離子和電子是主要導電物質。在等離子體中形成的氬離子能夠從外光源吸收足夠的能量，并將溫度維持在一定的水平，使進一步離子化，一般溫度可達10000K。目前，高溫等離子體主要有三種：電感耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)；直流等離子體(direct current plasma，DCP)；微波誘導等離子體(microwave induced plasma，MIP)。其中尤以電感耦合等離子體光源應用最廣。

電感耦合高頻等離子體的工作原理為：當有高頻電流通過ICP裝置中線圈時，產生軸向磁場，這時若用高頻點火裝置產生火花，形成的載流子(離子與電子)在電磁場作用下，與原子碰撞并使之電離，形成更多的載流子，當載流子多到足以使氣體(如氬氣)有足夠的導電率時，在垂直于磁場方向的截面上就會感生出流經閉合圓形路徑的渦流，強大的電流產生高熱又將氣體加熱，瞬間使氣體形成最高溫度可達10000K的穩定的等離子炬。感應線圈將能量耦合給等離子體，并維持等離子炬。