電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀工作原理
一、原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生
原子發(fā)射光譜是原子光譜的一種，有關(guān)原子光譜的種類參見第1章節(jié)有關(guān)內(nèi)容。原子發(fā)射光譜是處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時發(fā)射的譜線原子發(fā)射光譜法包括2個主要的過程，即：激發(fā)過程和發(fā)射過程。
(1) 激發(fā)過程 由光源提供能量使樣品蒸發(fā)、形成氣態(tài)原子、并進一步使氣態(tài)原子激發(fā)至高能態(tài)。原子發(fā)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(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子，氣態(tài)原子的外層電子激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)(高能態(tài))原子。
(2) 發(fā)射過程 處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))的原子十分不穩(wěn)定，在很短時間內(nèi)回到基態(tài)(低能態(tài))。當從原子激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時產(chǎn)生特征發(fā)射光譜即為原子發(fā)射光譜。一由于原子發(fā)射光譜與光源連續(xù)光譜混合在一起，且原子發(fā)射光譜本身也十分豐富，必須將光源發(fā)出的復合光經(jīng)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(jié)構(gòu)不同，所以一種元素的原子只能發(fā)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(chǎn)生不同的譜線。此外，某些離子也可能產(chǎn)生類似的光譜，因此在原子發(fā)射光譜條件下，對特定元素的原子或離子可產(chǎn)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(tǒng)進行霧化(對于溶液進樣而言)，以氣溶膠形式進入炬管軸內(nèi)通道，在高溫和惰性氬氣氣氛中，氣溶膠微粒被充分蒸發(fā)、原子化、激發(fā)和電離。被激發(fā)的原子和離子發(fā)射出很強的原子譜線和離子譜線。各元素發(fā)射的特征譜線及其強度經(jīng)過分光、光電轉(zhuǎn)換、檢測和數(shù)據(jù)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(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)目Ni、No，應遵循統(tǒng)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(chǎn)生的譜線強度Iij與激發(fā)態(tài)原子數(shù)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(tài)原子數(shù)目No成正比。而基態(tài)原子數(shù)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(fā)射光譜定量分析的依據(jù)。
式中，Ni為單位體積內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)；No為單位體積內(nèi)處于基態(tài)的原子數(shù)；gi,g0。為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重；Ei為激發(fā)電位；是為玻爾茲曼常數(shù)；T為激發(fā)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(fā)展起來的一類新型發(fā)射光譜分析用光源。通常用氬等離子體進行發(fā)射光譜分析，雖然也會存在少量試樣產(chǎn)生的陽離子，但是氬離子和電子是主要導電物質(zhì)。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(chǎn)生軸向磁場，這時若用高頻點火裝置產(chǎn)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(jīng)閉合圓形路徑的渦流，強大的電流產(chǎn)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(wěn)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。
