等离子体稳定性及其重要性

王中泰

等离子体稳定性及其重要性

对于大多数典型的 ICP-MS 应用，关键性能特征可以总结为：
1. 仪器能否处理我的样品？
2. 能否实现我需要的检测限？
3. 能否解决任何质谱干扰？
这三个相互关联的方面可以称为“成功实施 ICP-MS 分析 的三大支柱”。

其中的第一个支柱是 ICP-MS 处理典型样品类型的能力， 主要取决于等离子体对样品基质的分解程度。这一指标通常被称为等离子体“稳定性”，通常利用 CeO/Ce 比进行监测。氧化物比显示等离子体分解强结合的 Ce-O 分子 （代表分解样品基质及其他分子离子）的能力。

ICP 离子源：
任何 ICP-MS 的重要组成部分 ICP-MS 的等离子体发挥着重要作用。来自雾化室的携带气溶胶液滴的气体流速设置为大约 1 L/min，因此液滴在几毫秒内即可通过等离子体。这段时间内，等离子体必须使样品干燥、分解、解离、原子化和离子化，如图 1 所示。

ICP-MS 系统中所用的炬管中心管的内径 (ID) 通常在 1.5–2.5 mm 之间。中心管内径引起的通过中心通道的载气线速度的差异汇总于表 1 中。


炬管中心管的截面积随内径平方的增加而增加，因此，中心管直径的细微变化会对气体速度产生较大的影响。例如，炬管内径从 2.5 mm 减小为 2.0 mm 时（减小 20%）， 气体速度将从 3.4 m/s 提高至 5.3 m/s，即提高 55% 以上。



当载气从炬管的中心管喷出后，将穿过等离子体的中心。较低的载气速度可以减小等离子体背面的冷却区，从而增加液滴在等离子体中温度最高部分所行进的距离（和时间）。这可以提高有效等离子体温度，实现更出色的基质分解、更低含量的残留分子（多原子）离子和更高的电离度。电离度越高，灵敏度越高。

除减小等离子体背面的冷却以外，更宽的炬管中心管还降低了气溶胶的密度。使用低流量雾化器和双通道雾化室 可以进一步降低气溶胶密度，从而去除更多的大气溶胶液滴。气溶胶密度对于 ICP-MS 性能至关重要，因为每个气溶胶液滴在蒸发时都会吸收能量，从而冷却其周围的区域。如果液滴彼此靠近，它们将彼此冷却，从而影响图 1 所示的 过程。

ICP-MS 等离子体中的电离效率等离子体温度对关键痕量元素电离的影响如图 3 和图 4 所示。


图 3 展示了所有元素的电离度相对于第一电离能（或电离 势，IP）绘制的关系图。

第一电离势是指中性原子失去第一个电子成为离子所需的能量。

图 4 展示了图 3 曲线的中间部分（从 6.5 eV 到 11.5 eV）， 以简单的直线绘制了 6600–7600 K 之间的等离子体温度。




显示了等离子体温度对四种关键 ICP-MS 分析物 As、 Cd、Hg 和 Pb（第一电离能介于 7.43 eV 和 10.43 eV 之 间）的电离度的影响。
黑色箭头表明所有四种元素的电离 度在较低的等离子体温度下均有所下降。

一致的高效电离对于成功实施 ICP-MS 分析至关重要。稳定的等离子体可确保获得最高的灵敏度，同时最大程度减小基质抑制。