第二節　電感耦合等離子體發射光譜基本原理

一、電感耦合等離子體的產生

等離子體（plasma）是在一定程度上被電離（電離度大于0.1%）的氣體，而其中帶正電荷的陽離子和帶負電荷的電子數相等，宏觀上呈電中性的物質。

電感耦合等離子體裝置由三部分組成，高頻發生器、等離子體炬管和進樣系統。高頻發生器可產生固定頻率高頻電；等離子體炬管是由三層同心石英管組成的，如圖2-1所示。外管由切線方向通入冷卻氣氬氣，中管通入輔助氣氬氣，內管通入載氣氬氣；進樣系統是通過載氣引入被霧化的氣溶膠進入等離子體炬管。

電感耦合等離子體的產生同電磁感應高頻加熱原理相似。將由三層同心石英管組成的ICP炬管置于由通冷水的銅管繞成的線圈中，施加一定頻率的高頻電場，當高頻電流通過線圈時，產生軸向的高頻磁場。氣體在常溫下不會電離，需要用電火花引燃，觸發少量氣體電離，產生的帶電粒子（電子和陽離子）就會在高頻磁場的作用下高速運動，碰撞氣體，使更多的氣體電離。電離了的氣體在垂直于磁場的截面上就會產生閉合環形的渦流，即渦流效應，這股高頻感應電流瞬間使氣體產生高溫，形成一個火焰狀的穩定的等離子體炬火。

等離子體的環狀結構是由兩種作用形成的。一種是載氣流速的渦流效應，另外一種就是趨膚效應，高頻電流密度集中在導體表層。此時等離子體外層電流密度最大溫度高，中心軸線密度小溫度低，如圖2-2所示。等離子體的這種環狀結構有利于樣品從中心通道通過并保持等離子體的穩定性，有利于樣品充分蒸發、原子化和激發，發射出特征譜線。

二、原子、離子的狀態和光能量的關系

原子發射光譜分析是根據原子所發射的光譜來測定物質的化學組成的。物質是由元素組成的，而物質又是由原子、分子和離子等基本粒子構成的，原子包含原子核和核外電子，每個電子都處在有一定能量的能級上。在正常情況下，原子都處于能量最低的、最穩定的基態，但當原子受到外界能量作用時，就會與高速運動的帶電粒子相互碰撞獲得能量，使原子中的外層電子從基態躍遷至更高能級的激發態。當能量足夠大時，部分原子就脫離原子核的束縛電離成離子。處于激發態的原子不穩定，會自發地躍遷至基態或其他較低能級上，并把多余的能量以一定波長的電磁波形式輻射出去。由于原子被激發后，電子躍遷的能級不同，對特定的元素的原子可產生一系列不同波長的特征光譜，其基本關系式如式（2-1）所示：

　　 （2-1）

式中，ΔE為輻射能量差；E2和E1分別為高能級、低能級的能量；h為普朗克常量，6.62606896（33）×10-34J·s；c為真空中光的速度（2.997×1010cm/s）；ν為輻射頻率；λ為輻射波長。

總的來說，原子發射光譜要經歷如下過程，分析試樣的組分被蒸發為氣態分子，氣態分子獲得能量而被解離為原子，部分原子電離為離子，原子的外層電子從基態躍遷到激發態，再返回到較低能級時，會發出特征譜線，通過測定光譜線來研究物質的化學組成。