ICP-OES与ICP-MS射频发生器原理、构造与维护

王中泰

ICP-OES与ICP-MS射频发生器原理、构造与维护

1. 基本概念
等离子体：高电离度的气体（电离度大于0.1%），且呈电中性（正负电荷相等）。

ICP（电感耦合等离子体）：高温常压气体（稳定达到10000K），通过RF发生器使电感线圈产生高频振荡磁场，将能量耦合到氩气中，使Ar电离。ICP呈电中性，含有大量亚稳态Ar原子。

2. ICP等离子体的形成

ICP等离子体的形成过程包括以下步骤：

1. 高频电流产生电磁场：通过电磁感应，在被电离的气体中产生感应电流，加热气体，将电能转换为气体分子、电子、离子的动能。

2. 电火花点火：产生自由电子，引发雪崩电离，形成等离子体。

3. 稳定的高频电源和气流供给：保持等离子体的稳定燃烧。

3. ICP-OES与ICP-MS的仪器结构

ICP-OES的仪器结构：主要包括进样系统、ICP光源、光学系统和检测系统。

ICP-MS的仪器结构：主要包括进样系统、ICP离子源、接口、四极杆质谱仪和检测系统。

4. 样品被激发过程

样品在ICP中的变化过程包括以下步骤：

1. 雾化：样品溶液被雾化成气溶胶。


2. 去溶：气溶胶中的溶剂被去除。


3. 蒸发：样品中的化合物被蒸发。


4. 原子化和离子化：样品中的元素被原子化并进一步离子化。


5. ICPOES与ICPMS对RF发生器的要求

- 共同点：


  - 点火容易、功率稳定。
  
- 能量转化效率高、皮实可靠。

- 调谐快速、耐受基体能力强。


- ICPOES对ICP的特性要求：

- 原子、离子合理配分（中档功率1000-1300W）。

- 适合大的样品进样量（2mL/min或更多）。


  - 高跃迁几率，低背景发射。


- ICPMS对ICP的特性要求：
  
- 一价离子高产率（中高功率1300-1600W）。
  
- 控制离子动能（控制等离子体电位，气体流量控制）。
  
- 减低二次放电的可能。

6. RF发生器的特性化设计


- 工作线圈（平板）的感抗选择。


- 工作线圈（平板）的形状设计。


- 频率的选择。

7. RF发生器的原理与结构

电子管放大型RF发生器：

  - 工作线圈（workcoil）与并联匹配电感（L3）、串联箱体电感（L1）及大功率管的内部电容组成LC震荡电路，震荡频率由电感、功率管电容及阳极寄生电容决定。

  - L2把阳极信号耦合采集并作为正反馈加到栅极，维持震荡。
  
- 功率输出的大小由加载到阳极电压控制。

自激型RF放大电路：

  - 把阳极信号采集作为正反馈加载到栅极，再被放大输出，两者的频率完全一致，但相位相差180°。

  - 每个周期中只有1/3是有效输出。

  - 匹配电感L3的作用是确保工作线圈随负载变化时，震荡电路的频率在功率管的工作参数中。

8. 电子管放大型RF发生器的优缺点

优点：

- 结构简单，皮实可靠。

- 不使用机械转动的调谐电容。

缺点：
  
- 功率转换效率差，功率管发热高，需大气流冷却。

- 功率管有寿命，需要定期更换。

9. 固态放大RF发生器的原理与构造

固态放大RF发生器：

- 在电子管年代，调谐的目的是使阳极与栅极波形相位相差180°，对于固态RF发生器，其本质是高频信号的来路与回路相位相反（相差180°）。

  - 在项圈两侧加相位相反的两路RF，可以把电感线圈变成类似电阻结构，不再需要匹配电路，只要控制好功率即可。

10. Perkinelmer对RF发生器的设计（举例说明）

PlasmaLok接地方式：

- 通过特殊的接地方式，提高了等离子体的稳定性和耐受基体的能力。平板等离子体：

  - 解决了线圈形状对ICP的限制，提高了调谐速度和耐受复杂基体的能力。

LDMOS晶体管：
  - 使用横向扩散金属氧化物晶体管（LDMOS），提高了RF发生器的性能和可靠性。

自冷加感线圈LumiCoil：

  - 提升了散热能力，通过磁性耦合激励杂散射频电流通过金属表面，形成磁链结构，抑制线圈各匝间同轴射频电流，有效避免射频泄露，突破了美军对仪器射频频率的限制。

ICP-OES和ICP-MS在痕量元素分析中具有广泛的应用，RF发生器是其核心部件之一。通过合理的RF发生器设计和维护，可以显著提高仪器的性能和可靠性，确保检测结果的准确性和稳定性。Perkinelmer公司在RF发生器设计方面的创新贡献，为提高ICP技术的应用效果提供了重要支持。