ICP之原理.docVIP

ICP-OES基本原理 一、 前言 在1960年代感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)開始應用於元素放射光譜儀之偵測，並對許多元素之分析有良好之分析結果。近期伴隨光學系統設計之演進及固態偵測器如CCD,CID等之發展；使得ICP-OES在無機分析上有更快速、準確及更低偵測極限之能力。再配合資料處理之軟體功能，可有效克服光譜干擾之效應；使得感應耦合電漿放射光譜儀成為近年來在無機分析上不可或缺之重要工具。下文特別針對感應耦合電漿放射光譜儀之設計原理及其限制作一說明。 二、原理 感應耦合電漿放射光譜儀主要部分包括進樣系統、電漿放射及光學系統三部份；其主要流程為樣品溶液首先經由霧化器霧化，進入感應耦合電漿中，霧化樣品在高能量電漿中氣化、原子化進而游離化；當離子化離子受到更高溫度游離化時，離子在激發狀態不穩定之情況下必回到基態離子能階(如下圖)；在此過程中所有元素皆有其特定之光譜線且離子濃度越高其光之強度越強；再利用電子倍增器或固態半導體偵測器如CCD,CID等偵測定量。 下列就各系統逐一說明其原理： 進樣系統： 樣品輸入系統一般係以氣動式霧化器作為樣品導入系統，主要原理為利用氣體之壓力，將流經此壓力的溶液擊碎而變為霧狀浮質，再經由攜帶氣流導入儀器中作偵測。氣動式霧化器既有簡單、便宜及良好穩定性之優點；但其霧化之傳輸效率低易阻塞之缺點；為補救氣動式霧化器的缺失，不斷有改良式之霧化器設計出如交叉式霧化器等。 經由霧化器所產生之旋浮物質顆粒較大，造成訊號跳動較大；因此在霧化器之後一般加有混合腔(Spray chambers)其主要效果為可將某些尺寸以上之霧狀旋浮質擋掉，使其霧化效果更佳。 電漿離子原 電漿是一種含高密度電子的離子化氣體，在ICP中由氬氣組成，， 由於電漿受到磁場之方向及強度隨時間改變，造成電子加速流動，若在加速過程中遇到其他氬氣原子而互相碰撞，則會因電子受到阻力而產生焦耳加熱現象，使得更多氬氣游離，這樣的過程迅速且重複進行，產生高達9000-10,000K的高溫電漿，而樣品就由中間的樣品注入管輸入電漿中，在此溫度相當均勻的區域下被氣化、原子化進而游離化放射出光譜線。如下圖 光學系統 感應耦合電漿放射光譜儀依光學系統及單光器之設計可分為傳統掃描式(Sequential)及同步式(Simultaneous)光學設計其差異性討論如下; a: 掃描式為利用單一光柵之轉動，將預分析之元素或波長依序掃描到PMT倍增管中,為傳統之光學設計(如下圖)。優點為可作背景掃描及價格便宜；無需熱機時間但需作每一波長之PMT電壓較正十分費時；期缺點為分析述速度十分緩慢，一般十個元素約需五到十分鐘之分析時間。目前漸漸為同步式ICP所起代,因目前同步式ICP皆已可作背景掃描。 b:同步加掃描式ICP其原理為利用一Echelle 光柵再加上一垂直擺置之菱鏡將光譜形成二度平面圖譜,而後於圖譜之特定波長上擺上極小之CCD或SCD素像來感光如同數位形型相機，依個別波長光之強度轉換成電流同時來判別其濃度高低如下圖,並可作背景之快速掃描,其速度為每分鐘可分析75個元素，不論元素之多寡。其優點為速度快，省成本(速度快氬氣用量較節省)，感度較掃描式佳，偵測極限低，解析度較好(因二次分光)及較優軟體功能較優。 光譜干擾之效應 當樣品來源不同時，由於光譜背景之不同，使測定微量元素時可能產生誤差，此 時需使用背景校正技術來處理 。 背景強度的決定必須使用在待分析元素譜線 附近的波長 ，一般可在譜線左右選定一個或兩個沒有光譜干擾，且背景強度變 化與待測物譜線相同之參考位置進行背景校正。