電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作原理詳解

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作原理

工作原理是根據(jù)被測元素通過一定形式進入高頻等離子體中，在高溫下電離成離子，產(chǎn)生的離子經(jīng)過離子光學(xué)透鏡聚焦后進人四極桿質(zhì)譜分析器按照荷質(zhì)比分離，既可以按照荷質(zhì)比進行半定量分析，也可以按照特定荷質(zhì)比的離子數(shù)目進行定量分析。該類型質(zhì)譜儀主要由離子源、質(zhì)量分析器和檢測器三部分組成，還配有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)等。

樣品從引入到得到最終結(jié)果的流程如下：

樣品通常以液態(tài)形式以1mL/min的速率泵入霧化器，用大約1L/min的氬氣將樣品轉(zhuǎn)變成細(xì)顆粒的氣溶膠。氣溶膠中細(xì)顆粒的霧滴僅占樣品的1%～2%，通過霧室后，大顆粒的霧滴成為廢液被排出。從霧室出口出來的細(xì)顆粒氣溶膠通過樣品噴射管被傳輸?shù)降入x子體炬中。

ICP-MS中等離子體炬的作用與ICP-AES中的作用有所不同。在銅線圈中輸入高頻(RF)電流產(chǎn)生強的磁場，同時在同心行英管(炬管)沿炬管切線方向輸入流速大約為15L/min的氣體(一般為氬氣)，磁場與氣體的相互作用形成等離子體。當(dāng)使用高電壓電火花產(chǎn)生電子源時，這些電子就像種子一樣會形成氣體電離的效應(yīng)，在炬管的開口端形成一個溫度非常高(大約10000K)的等離子體放電。但是，ICP-MS與ICP-AES的相似之處也僅此而已。在ICP-AES中，炬管通常是垂直放置的，等離子體激發(fā)基態(tài)原了的電了至較高能級，當(dāng)較高能級的電子“落回”基態(tài)時，就會發(fā)射出某一待測元素的特定波長的光子。在ICP-MS中，等離子體炬管都是水平放置的，用于產(chǎn)生帶正電荷的離子，而不是光子。實際上，ICP-MS分析中要盡可能阻止光子到達(dá)檢測器，因為光子會增加信號的噪聲。正是大量離子的生成和檢測使ICP-MS具備了獨特的ng/L量級的檢測能力，檢出限大約優(yōu)于ICP-AES技術(shù)3～4個數(shù)量級。

樣品氣溶膠在等離子體中經(jīng)過去溶、蒸發(fā)、分解、離子化等步驟后變成一價正離子(M→M+)，通過接口區(qū)直接引入質(zhì)譜儀，用機械泵保持真空度為1～2Torr(注：1Torr=1/760atm=1mmHg;1Torr=133.322Pa)。接口錐由兩個金屬錐(通常為鎳)組成，稱為采樣錐和截取錐。每一個錐上都有一個小的錐孔(孔徑為0.6～1.2mm)，允許離子通過離子透鏡引入質(zhì)譜系統(tǒng)。離子從等離子體中被提取出來，必須有效傳輸并進入四極桿質(zhì)濾器。然而RF線圈和等離子體之間會發(fā)生電容耦合而產(chǎn)生幾百伏的電位差。如果不消除這個電位差，在等離子體和采樣錐之間會導(dǎo)致放電(稱為二次放電或收縮效應(yīng))。這種放電會使干擾物質(zhì)的形成比例增加，同時大大影響了進入質(zhì)譜儀離子的動能，使得離子透鏡的優(yōu)化很不穩(wěn)定而且不可預(yù)知。因此，將RF線圈接地以消除二次放電是極其關(guān)鍵的措施。

一旦離子被成功從接口區(qū)提取出來，通過一系列稱為離子透鏡的靜電透鏡直接被引入主真空室。在這個區(qū)域用一臺渦輪分子泵保持約為10-3Torr的運行真空。離子透鏡的主要作用是通過靜電作用將離子束聚焦并引入質(zhì)量分離裝置，同時阻止光子、顆粒和中性物質(zhì)到達(dá)檢測器。

在離子束中含有所有的待測元素離子和基體離子，離開離子透鏡后，離子束就進人了質(zhì)量分離裝置，目標(biāo)是允許具有特定質(zhì)荷比的待測元素離子進入檢測器，并過濾掉所有的非待測元素、干擾和基體離子。這是質(zhì)譜儀的心臟部分，在這一區(qū)域用第二臺渦輪分子泵保持大約為10-6Torr的運行真空?，F(xiàn)在商業(yè)應(yīng)用的ICP-MS設(shè)計通常是用碰撞/反應(yīng)池技術(shù)消除干擾，在后續(xù)的四極桿中進行質(zhì)量過濾分離。

最后一個過程是采用離子檢測器將離子轉(zhuǎn)換成電信號。目前最常用的設(shè)計稱為離散打拿極檢測器，在檢測器縱向方向布置一系列的金屬打拿極。在這種設(shè)計中，離子從質(zhì)量分離器出來之后打擊第一個打拿極，然后轉(zhuǎn)變成電子。電子被下一個打拿極吸引，發(fā)生電子倍增，在最后一個打拿極就產(chǎn)生了一個非常強的電子流。用傳統(tǒng)的方法通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對這些電信號進行測量，再應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)溶液建立的ICP-MS校準(zhǔn)曲線就可以將這些電信號轉(zhuǎn)換成待測元素的濃度。