【大PK】三种ICP光谱观察方式,你站谁?

在ICP光谱仪炬管组件中产生的ICP光源,其观察方式有3种,分别是:垂直观测(Radial)、水平观测(Axial)和双向观测(DUO),下面介绍他们的区别(www.nensun.cn)。

等离子体是 ICP-AES 的核心之一,其结构如图所示,工作线圈(Work coil)通以高频(27.12MHz/40.68 MHz)、大功率的能量,在石英炬管(Torch)中形成强交变电磁场,使其中之氩气(Ar)电离,形成一个稳定的、高温放电炬——等离子体(Plasma)。样品的气溶胶通过中心管喷入等离子体中形成一个Φ2mm 左右的分析通道。由于等离子体不同区域存在不同的温度分布,整个分析通道分为:原子化区(温度较低)、原子发射区(温度较高)和离子发射区(温度高)。

科学家早已证实离子发射区具有最好的信背比和最佳的稳定性,提出了最佳观测高度(一般在工作线圈上方 12-16mm 处)的概念,垂直(Radial)观测正是测量该区域的信号;水平(Axial)观测测量的是除了尾焰外的整个分析通道的信号。

ICP光谱仪垂直观测

又称为垂直观测或者测试观察,是采用垂直放置的ICP光谱仪炬管,“火焰”气流方向与采光光路方向垂直;从光谱仪能够接收整个分析区的所有信号。

垂直观测是 ICP 经典观测方式,它从等离子体的侧面采光,测量的是离子发射区(最佳观测区)的信号,显然此区域的信号没有水平观测时整个分析通道的信号强,因此其灵敏度不及水平观测的高,但此区域的信号能提供最佳的信背比,尤其在复杂基体下,其信背比更为特出。

同时垂直观测不采集等离子体中原子化区和原子发射区的光信号,因此它根本不存在易电离干扰(EIE),具有非常好的线性范围(105-106)、非常小的基体效应和非常低的背景,且灵活方便。垂直观测的炬管很短,不易沾污,大功率下也不易发热,更适应于高基体样品以及油样、有机样的直接进样分析。

ICP光谱仪水平观测

又称为轴向观察或端视观测,是采用水平放置的ICP光谱仪炬管,“火焰”气流方向与采光光路方向呈水平重合;可使整个火焰个个部分的光都全部通过狭缝。

早在 80 年代初期,我国的科技人员就开始尝试把等离子体水平放置。轴向采集整个分析通道的信号以提高灵敏度,并发表了一些应用报告。但当时受尾焰切割技术以及高基体背景的限制,此技术实际上没有得到采纳,一直至 90 年代初,科学家在光学采集、聚焦方式、尾焰去除、等离子体的稳定、进样系统等方面进行一系列的创新。

水平观测采集的是除了尾焰外整个分析通道的信号,因此其灵敏度要优于仅采集局部区域信号的垂直观测,检出限下降5-10倍。但正由于水平观察采集的是包括原子化区和原子发射区的整个分析通道的信号,而此二区域并非是 ICP 最佳观测区域,因此水平观测在提高灵敏度的同时,也增加了背景噪声和基体影响,引入了易电离干扰(EIE)。在基体简单的场合,背景和基体效应均比较小,水平观测有很好的信背比,从而使仪器具有非常好的检出限,但对于基体复杂的场合,其背景噪声和基体效应均非常突出,此时的信背比可能反而不如垂直观测,基体效应和易电离干扰使测量误差增大。

除此之外,水平观测增加了观测区域也增加了发射谱线的自吸现象,因此其线性范围将受到影响,特别是在测定高含量元素时,因标准曲线弯曲而引起较大的测量误差。水平观测需一定的技术去除尾焰,为了得到稳定的等离子体,水平观测的石英炬管需比垂直观测长出许多,使整个等离子体的高温区域包含在炬管中。在复杂基体下,炬管极易沾污,在大功率下,也易损坏炬管。另外,水平观测所采集的有效分析通道仅有Φ1~2mm 宽,因此水平观测要求非常严格的外光路轴向对准和聚焦。否则一旦稍稍偏离分析通道的中心,灵敏度将大受影响。

由此可见:水平观察非常适用于环保、水质、食品、卫检等基体比较简单的领域。不适用于冶金、石化、地质等基体复杂的领域。易电离干扰(EIE):指存在碱土金属元素(Ca 、Mg 等)的情况下,引起碱金属元素(K、Na 等)测量结果偏高的现象,即碱土金属对碱金属元素产生正干扰。

研究表明:这种干扰来源于等离子体中温度较低的原子化区。以前人们普遍采用垂直观测方式,在信号采集上是完全避开了原子化区,因此根本不存在易电离干扰的问题,随着水平观测的应用,由于水平观测采集的是包括原子化区的整个分析通道的信号,人们才认识到易电离干扰(EIE)的严重性。

水平观测方式的优点是:

由于整个“火焰”各个部分的光都可以被采集导致灵敏度高,对简单样品有较好的检出限;

其缺点:基体效应和电离干扰大,线性范围小,炬管溶液积炭和积盐而沾污,需要及时清洗和维护,RF功率设置不能一般不超过1350W;使用于光谱仪水质分析中。

双向观测

传统双向观测是在水平观测ICP光源的基础上,增加一套侧向采光光路,实现垂直/水平双向观测,即在炬管垂直观测的方向依次放置3块反射镜,当要使用垂直观测的时候,就通过3块反射镜把炬管垂直方向上的光反射到原光路中,并通过旋转原光路的第一块反射镜,使垂直方向来的光与原水平方向来的光在整个光路中重合。

该观测方式的切换反射镜由计算机控制,该方式融合了轴向、径向的特点,具有一定的灵活性,增强了测定复杂样品的能力。改观测方式可实现以下3中方式的测量:

①全部元素谱线水平测量;

②全部元素谱线垂直测量;

③部分元素谱线水平测量,部分元素谱线垂直测量。

双向观测能有效解决水平观测中存在的电子干扰,进一步扩宽线性范围。但是该观测方式需要不断地切换反射镜,可能导致仪器的稳定性变差。由于径向观测的需要,炬管侧面必须开口,导致炬管的寿命大大降低,同时也改变了炬焰的形状。炬管开口处必须严格与光路对准,要不然炬管壁容易积累盐,会使检测结果严重错误;同时如果在开口出现积盐同样也会导致仪器检测结构存在严重的错误,必须注意清洗。而且增加了曝光次数,降低了分析速度,增加了分析消耗。

内容来源:百度文库

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