电感耦合等离子体质谱仪工作原理详解
发布时间:2019-06-25 07:29:29
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电感耦合等离子体质谱仪工作原理详解
电感耦合等离子体质谱仪是一种常用的质谱仪产品,主要由等离子体发生
器、雾化室、矩管、四极质谱仪和一个快速通道电子倍增管等部件组成,在多
个行业中都有一定的应用。电感耦合等离子体质谱仪工作原理是什么呢?下面
小编就来具体介绍一下,希望可以帮助到大家。电感耦合等离子体质谱仪工作
原理工作原理是根据被测元素通过一定形式进入高频等离子体中,在高温下电
离成离子,产生的离子经过离子光学透镜聚焦后进人四极杆质谱分析器按照荷
质比分离,既可以按照荷质比进行半定量分析,也可以按照特定荷质比的离子
数目进行定量分析。该类型质谱仪主要由离子源、质量分析器和检测器三部分
组成,还配有数据处理系统、真空系统、供电控制系统等。样品从引入到得到
最终结果的流程如下:样品通常以液态形式以 1mL/min 的速率泵入雾化器,用
大约 1L/min 的氩气将样品转变成细颗粒的气溶胶。气溶胶中细颗粒的雾滴仅
占样品的 1%~2%,通过雾室后,大颗粒的雾滴成为废液被排出。从雾室出口
出来的细颗粒气溶胶通过样品喷射管被传输到等离子体炬中。ICP-MS 中等离
子体炬的作用与 ICP-AES 中的作用有所不同。在铜线圈中输入高频(RF)电流产
生强的磁场,同时在同心行英管(炬管)沿炬管切线方向输入流速大约为 15L/min
的气体(一般为氩气),磁场与气体的相互作用形成等离子体。当使用高电压电
火花产生电子源时,这些电子就像种子一样会形成气体电离的效应,在炬管的
开口端形成一个温度非常高(大约 10000K)的等离子体放电。但是,ICP-MS 与
ICP-AES 的相似之处也仅此而已。在 ICP-AES 中,炬管通常是垂直放置的,等
离子体激发基态原了的电了至较高能级,当较高能级的电子落回基态时,就会
发射出某一待测元素的特定波长的光子。在 ICP-MS 中,等离子体炬管都是水
平放置的,用于产生带正电荷的离子,而不是光子。实际上,ICP-MS 分析中
要尽可能阻止光子到达检测器,因为光子会增加信号的噪声。正是大量离子的
生成和检测使 ICP-MS 具备了独特的 ng/L 量级的检测能力,检出限大约优于
ICP-AES 技术 3~4 个数量级。样品气溶胶在等离子体中经过去溶、蒸发、分
解、离子化等步骤后变成一价正离子(MM+),通过接口区直接引入质谱仪,用
机械泵保持真空度为 1~2Torr(注:1Torr=1/760atm=1mmHg;1Torr=133.322Pa)。
接口锥由两个金属锥(通常为镍)组成,称为采样锥和截取锥。每一个锥上都有
一个小的锥孔(孔径为 0.6~1.2mm),允许离子通过离子透镜引入质谱系统。离
子从等离子体中被提取出来,必须有效传输并进入四极杆质滤器。然而 RF 线
圈和等离子体之间会发生电容耦合而产生几百伏的电位差。如果不消除这个电
位差,在等离子体和采样锥之间会导致放电(称为二次放电或收缩效应)。这种
放电会使干扰物质的形成比例增加,同时大大影响了进入质谱仪离子的动能,
使得离子透镜的优化很不稳定而且不可预知。因此,将 RF 线圈接地以消除二
次放电是极其关键的措施。一旦离子被成功从接口区提取出来,通过一系列称
为离子透镜的静电透镜直接被引入主真空室。在这个区域用一台涡轮分子泵保
持约为 10-3Torr 的运行真空。离子透镜的主要作用是通过静电作用将离子束聚
焦并引入质量分离装置,同时阻止光子、颗粒和中性物质到达检测器。在离子
束中含有所有的待测元素离子和基体离子,离开离子透镜后,离子束就进人了
质量分离装置,目标是允许具有特定质荷比的待测元素离子进入检测器,并过
滤掉所有的非待测元素、干扰和基体离子。这是质谱仪的心脏部分,在这一区
域用第二台涡轮分子泵保持大约为 10-6Torr 的运行真空。现在商业应用的 ICP-
MS 设计通常是用碰撞/反应池技术消除干扰,在后续的四极杆中进行质量过滤
分离。最后一个过程是采用离子检测器将离子转换成电信号。目前最常用的设