第二节　电感耦合等离子体发射光谱基本原理

一、电感耦合等离子体的产生

等离子体（plasma）是在一定程度上被电离（电离度大于0.1%）的气体，而其中带正电荷的阳离子和带负电荷的电子数相等，宏观上呈电中性的物质。

电感耦合等离子体装置由三部分组成，高频发生器、等离子体炬管和进样系统。高频发生器可产生固定频率高频电；等离子体炬管是由三层同心石英管组成的，如图2-1所示。外管由切线方向通入冷却气氩气，中管通入辅助气氩气，内管通入载气氩气；进样系统是通过载气引入被雾化的气溶胶进入等离子体炬管。

图2-1　等离子体炬管示意图

电感耦合等离子体的产生同电磁感应高频加热原理相似。将由三层同心石英管组成的ICP炬管置于由通冷水的铜管绕成的线圈中，施加一定频率的高频电场，当高频电流通过线圈时，产生轴向的高频磁场。气体在常温下不会电离，需要用电火花引燃，触发少量气体电离，产生的带电粒子（电子和阳离子）就会在高频磁场的作用下高速运动，碰撞气体，使更多的气体电离。电离了的气体在垂直于磁场的截面上就会产生闭合环形的涡流，即涡流效应，这股高频感应电流瞬间使气体产生高温，形成一个火焰状的稳定的等离子体炬火。

等离子体的环状结构是由两种作用形成的。一种是载气流速的涡流效应，另外一种就是趋肤效应，高频电流密度集中在导体表层。此时等离子体外层电流密度最大温度高，中心轴线密度小温度低，如图2-2所示。等离子体的这种环状结构有利于样品从中心通道通过并保持等离子体的稳定性，有利于样品充分蒸发、原子化和激发，发射出特征谱线。

图2-2　电感耦合等离子体光源的温度

二、原子、离子的状态和光能量的关系

原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组成的。物质是由元素组成的，而物质又是由原子、分子和离子等基本粒子构成的，原子包含原子核和核外电子，每个电子都处在有一定能量的能级上。在正常情况下，原子都处于能量最低的、最稳定的基态，但当原子受到外界能量作用时，就会与高速运动的带电粒子相互碰撞获得能量，使原子中的外层电子从基态跃迁至更高能级的激发态。当能量足够大时，部分原子就脱离原子核的束缚电离成离子。处于激发态的原子不稳定，会自发地跃迁至基态或其他较低能级上，并把多余的能量以一定波长的电磁波形式辐射出去。由于原子被激发后，电子跃迁的能级不同，对特定的元素的原子可产生一系列不同波长的特征光谱，其基本关系式如式（2-1）所示：

　　 （2-1）

式中，ΔE为辐射能量差；E2和E1分别为高能级、低能级的能量；h为普朗克常量，6.62606896（33）×10-34J·s；c为真空中光的速度（2.997×1010cm/s）；ν为辐射频率；λ为辐射波长。

总的来说，原子发射光谱要经历如下过程，分析试样的组分被蒸发为气态分子，气态分子获得能量而被解离为原子，部分原子电离为离子，原子的外层电子从基态跃迁到激发态，再返回到较低能级时，会发出特征谱线，通过测定光谱线来研究物质的化学组成。