电感耦合等离子体原子发射光谱仪工作原理

一、原子发射光谱的产生

原子发射光谱是原子光谱的一种，有关原子光谱的种类参见第1章节有关内容。原子发射光谱是处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的谱线原子发射光谱法包括2个主要的过程，即：激发过程和发射过程。

(1) 激发过程 由光源提供能量使样品蒸发、形成气态原子、并进一步使气态原子激发至高能态。原子发射光谱中常用的光源有火焰、电弧、等离子炬等，其作用是使待测物质转化为气态原子，气态原子的外层电子激发过程获得能量，变为激发态(高能态)原子。

(2) 发射过程 处于激发态(高能态)的原子十分不稳定，在很短时间内回到基态(低能态)。当从原子激发态过渡到低能态或基态时产生特征发射光谱即为原子发射光谱。一由于原子发射光谱与光源连续光谱混合在一起，且原子发射光谱本身也十分丰富，必须将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线，形成可被检测器检测的光谱，仪器用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。

二、定性原理

由于不同元素的原子结构不同，所以一种元素的原子只能发射由其Eo与Eq决定的特定频率的光。这样，每一种元素都有其特征的光谱线。即使同一种元素的原子，它们的Eq也可以不同，也能产生不同的谱线。此外，某些离子也可能产生类似的光谱，因此在原子发射光谱条件下，对特定元素的原子或离子可产生一系列不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析。

三、定量原理

试样由载气带入雾化系统进行雾化(对于溶液进样而言)，以气溶胶形式进入炬管轴内通道，在高温和惰性氩气气氛中，气溶胶微粒被充分蒸发、原子化、激发和电离。被激发的原子和离子发射出很强的原子谱线和离子谱线。各元素发射的特征谱线及其强度经过分光、光电转换、检测和数据处理，最后由打印机输出各元素的含量。

由于在某个恒定的ICP等离子体条件下，分配在各激发态和基态的原子数目Ni、No，应遵循统计力学中麦克斯韦一玻尔兹曼分布定律。

Ni= No×(gi／go)×e(-Ei／kT)

而i、j两能级之间的跃迁所产生的谱线强度Iij与激发态原子数目Ni成正比，即Iij=kNi。因此，在一定的条件下，谱线强度Iij与基态原子数目No成正比。而基态原子数与试样中该元素浓度成正比。因此，存一定的条件下谱线强度与被测元素浓度成正比，Iij=kc，这是原子发射光谱定量分析的依据。

式中，Ni为单位体积内处于激发态的原子数；No为单位体积内处于基态的原子数；gi,g0。为激发态和基态的统计权重；Ei为激发电位；是为玻尔兹曼常数；T为激发温度。

四、电感耦合等离子体的形成及工作原理

等离子体是指含有一定浓度阴离子、阳离子、自由电子、中性原子与分子在总体上呈中性能导电的气体混合物。等离子体作为一种光源是20世纪60年代发展起来的一类新型发射光谱分析用光源。通常用氩等离子体进行发射光谱分析，虽然也会存在少量试样产生的阳离子，但是氩离子和电子是主要导电物质。在等离子体中形成的氩离子能够从外光源吸收足够的能量，并将温度维持在一定的水平，使进一步离子化，一般温度可达10000K。目前，高温等离子体主要有三种：电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)；直流等离子体(direct current plasma，DCP)；微波诱导等离子体(microwave induced plasma，MIP)。其中尤以电感耦合等离子体光源应用最广。

电感耦合高频等离子体的工作原理为：当有高频电流通过ICP装置中线圈时，产生轴向磁场，这时若用高频点火装置产生火花，形成的载流子(离子与电子)在电磁场作用下，与原子碰撞并使之电离，形成更多的载流子，当载流子多到足以使气体(如氩气)有足够的导电率时，在垂直于磁场方向的截面上就会感生出流经闭合圆形路径的涡流，强大的电流产生高热又将气体加热，瞬间使气体形成最高温度可达10000K的稳定的等离子炬。感应线圈将能量耦合给等离子体，并维持等离子炬。