ICP单道扫描光谱仪的发展及应用

点击次数:161  更新时间2020-07-20  【关闭

      一. ICP单道扫描光谱仪的简介
     
      电感耦合等离子体(inductively coupled plasma)简称ICP。
     
      该仪器是由射频发生器、试样引入系统、扫描分光器、光电转换、计算控制系统和分析操作软件组成。它的分析过程是:射频发生器产生的高频功率通过感应工作线圈加到三同心石英炬管上,在石英炬管的外层通过氩气,并引入电火花使之电离形成氩等离子体。这种氩等离子体的最高温度可达6000-8000K。待测水溶试液试样中的元素通过喷雾器形成的气溶胶进入石英炬管中心通道,受到高温的激发后,以光的形式放出特征谱线,通过透镜进入扫描分光器,分光后将待测元素的特征谱线光强,准确定位于出口狭缝处,光电倍增管将该谱线光强转换成光电流,在经电路处理和模V/F数变换后以脉冲数进入计算机进行数据处理,最后由打印机打出分析结果。因此此仪器的稳定性好,测量范围宽,检出下限低,被广泛应用于稀土分析,环境保护,水质检测,合金材料,建筑材料,医药卫生等科学领域元素定量分析。
     
      二.ICP光谱仪的发展过程
     
      1961年Read设计了一种从石英管的切线方向引入冷却气的高频放电装置,称之为电感耦合等离子炬,后来,Read又提出一种三层同心石英炬管的结构装置,他只要用于难熔晶体生长,并预言这种装置可作为发射光谱仪分析光源的可能性。Read的工作引起了(英国Greeufield,美国Fassle)等人的很大兴趣,他们将Read的ICP装置用于发射光谱分析,并分别于1964年和1965年发表了他们的研究结果,开创了ICP在原子发射光谱分析上的应用历史。
     
      在60年代后期,ICP-AES(ICP原子发射光谱)分析仪器的不断完善特别是雾化器和进样技术的改进,,有效的降低了ICP发射光谱仪的分析检出限,从此ICP-AES分析仪器开始得到光谱分析工作者的广泛重视,70年代ICP-AES进入实际应用阶段,特别是1975年美国ARL(APPlied Research Laboratories)公司生产的商品ICP-AES多通道仪器和1979年出现了ICP扫描型发射光谱仪。
     
      我国在1978年,北京重型机械厂首先引进了一台多通道ICP-AES发射光谱仪,有影响的核工业部北京第三研究所在80年代初引进日本岛津ICP-100型发射光谱仪,在样品分析中得到比较满意的结果,引起了国内广大光谱分析工作者的关注。
     
      我国是在70年代中期由北京化工二厂和上海制品二厂合作,核工业产部北京第五研究所与辽宁铁岭电子设备厂合作,先后将高频感应加热炉改进成ICP射频发射器,配上摄谱仪开展工作了ICP-AES的研究工作,并得到了可喜效果。
     
      1982年,北京地质研究所与北京光学仪器厂合作生产出国内ICP射谱商品仪器。
     
      1985年,北京第二光学仪器厂生产的7502型ICP多通道商品仪器。
     
      进入90年代,随着微电子技术的发展和计算机的不断更新,ICP光谱仪也是得到了飞速发展。首先,在射频发生器上采用了CMOS固体组件代替了电子管电路,减少了体积,提高了精度和可靠性。采用CCD二极管陈列组件代替光电倍增管技术,21世纪,CCD技术的发展,已在紫外区具有很高量子的效率,它能接收到180-800的全谱信号。
     
      三.ICP发射光谱仪的特点
     
      1. ICP的形成和特点
     
      射频发生器产生高频功率,通过感应工作线圈在石英炬管外径形成高频磁场,石英炬管是三同心型,有三股氩气分别进入炬管,在常温下,氩气是不导电的,高频能量不会在气体中产生感应电流,因此也不会形成ICP火焰,当用Tesla线圈火花放电引燃时,这些电火花在高频磁场下碰撞氩气原子并使之电离,这一碰撞过程产生大量热量,使氩原子形成正负相等的离子成为等离子体;向雪崩一样连续进行,这种氩原子碰撞电离产生的等离子体称之为ICP。在高频磁场下产生的放电形成的氩等离子体就成为高频电流的导体,由于高频趋肤效应,导体电流密集在导体的表面,导体的中心部位几乎没有电流通过,就给形成中心通道为引入样品不熄灭火焰创造了有利条件。这种加热激发方式使分析样品不会扩散到火焰周围,不会产生自吸现象,保证ICP分析线性有5-6个数量级。
     
      2. ICP发射光谱仪与原子吸收光谱仪的性能比较
     
      1)分析速度:ICP发射光谱仪单道扫描型一分钟可测10个元素以上,全谱型一分钟可记录全设段所有元素谱线可达几十种元素。原子吸收光谱仪是不可能做到这种程度。
     
      2)测量线性范围:ICP可达6个数量级,原子吸收只有2个数量级。
     
      3)多元素同时分析:ICP发射光谱仪是多元素同时分析仪器,同时还能测非金属P、B、Bi、Si、I等及稀土元素;原子吸收光谱仪是单元素分析仪器,非金属不好测。
     
      4) 定性分析:ICP发射击光谱仪能做定性分析,而原子吸收无法完成这一分析方法。
     
      5) 检出下限:ICP发射光谱仪与原子吸收火焰法的检出下限大体相当在g/L级,不如原子吸收无火焰法检出下限低。
     
      6) 测量精密度:ICP发射光谱仪与原子吸收火焰法相同,相对标准偏差RSD在2%左右,好于原子吸收火焰法仪器。
     
      四、ICP发射光谱仪的应用
     
      1、高纯物质中的杂质分析,稀土产品的杂质分析,合金纯度中的杂质分析等。例如:99.9% Nd2O3中La2O3、CeO2、Pr6O11、Sm2O3、Y2O3杂质的总量为0.1%,采用基本匹配法,即取99.99% 以上的Nd 2O3作为基体分别加总量为0.1% La2O3、CeO2、Pr6O11、Sm2O3、Y2O3的杂质,配成2mg/ml或5mg/ml基体浓度采用两点直线方程既高低标建立曲线直接测出待测元素含量La2O3、CeO2、Pr6O11、Sm2O3、Y2O3杂质,配成2mg/ml 或5mg/ml基体浓度采用两点方程既高低标建立曲线直接测出待测元素含量令人满意。
     
      2、 水中的微量元素
     
      如自来水、矿泉水、纯净水、水污染程度等,这类样品不需要对试样处理可直接测试,由于没有基体存在干扰元素较少一般可测量PPm 级即 μg/mg级。
     
      3、 食品及头发分析中的应用
     
      近年来痕量元素与人体健康关系的研究日益增多,对食物人体组织体液等进行元素分析测定也是引起了人们关注。
     
      随着ICP发射光谱仪的发展,它的应用范围也逐步扩大,现在该仪器已成为一种不可缺少的分析研究手段。
     
      五、我厂ICP单道扫描发射光谱仪的特点:
     
      1、 射频发生器的工作方式:自激式振荡电路。
     
      射频发生器一般有两种输出方式;自激式振荡电路、他激式输出电路,自激式振荡电路,电路简单,匹配好调,易于点燃ICP,但很难进行自动功率控制,所以稳定性不如他激式输出电路。
     
      我们经过多年的努力研制出一种自激式电路,采用同轴电缆输出,匹配调谐电路,在同轴电缆上通过定向耦合器取功率反馈,进行自动功率控制,不但保留了自激式振荡电路的优点,同时还达到了输出功率的效果。
     
      2、 扫描分光器
     
      以往我们在扫描传动机构上采用正弦机构,由于加工和装配上不能保障机械精度造成扫描回差较大,往往连续扫描谱线峰位偏出窗口,现在我们改用蜗轮蜗杆传动机构,由于加工精度高,装配合理,所以扫描精度可在0.0024nm之内(步进电机每步为0.0006nm)。
     
      分光器中最关键的部件是光栅,我们采用的离子刻蚀全息光栅,面积为110×80刻线密度3600条/毫米,分光器焦距1米,采用Czemy Tumer型。
     
      在分光器焦距和光栅刻度确定的条件下:分辨能力和检出能力是一对相互制约的技术参数,为了提高分辨能力可减少狭缝宽度,但减小狭缝宽度使光的能量降低,检出线能力下降,保证了分辨率在0.008nm使仪器的检出能力达到比较好的状态,我们调整为入口狭缝为20μm出口、狭缝缝为30μm。
     
      3、 控制电路
     
      由51系列单片机组成一个智能控制器,,由光电倍增管接收下来的光转成电信号通过高阻抗运算放大器OP111,将光电流变成电压值,再经V/F变换成数字脉冲,该脉冲进入51单片机,这个51单片机还有一个功能就是根据输入的某种元素的波长换算成步进电机的步数,然后发给步进电机驱动器,使步进电机走多少步,执行扫描找峰任务。
     
      步进电机和步进电机驱动模拟采用日本ROrze公司的产品光电倍增管为日本滨松生产的R212UH,电子信号为V/F变换对应关系为10μV-1HZ,10V-1MH2 保证ICP的6个数量级测量范围。
     
      4、 线性汞灯电源装置
     
      我们专门为大专院校设计了一种用线性汞灯电源装置,做模拟试验,可以不点燃ICP,不用氩气,也可以完成仪器的工作曲线和做样品的模拟试验,这个装置是在汞灯电源上装上几组不同透过率的石英片,转动这几组石英片的位置来改变光路的透过率,该装置共有四组窗口,不加石英片时汞灯光全透过,作为100%,转到封闭窗口时,全部挡光作为0%,另两组窗口石英片的透光率随着波长不同透过率也有新改变,大约波长435.835在57%;253.652在55%达到控制汞灯发光强度的目的。
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