作为质谱法电离源的电感耦合等离子体的是如何生成的

自从 PerkinElmer-SCIEX 公司于 1983 年商品化电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）以来，它就成为了发展快的痕量元素检测技术，覆盖了多个应用领域。随着中心抽头接地线圈的设计突破，我们克服了 ICP 源与质谱仪成功联结的障碍，从而将等离子体电势降至低，消除了等离子体与接地 MS 接口之间的二次放电问题。等离子体射频发生器进一步发展后出现了*的不同步设计，在无活动部件的情况下，这种设计可以通过细微的频率变化实现等离子体阻抗变化的即时匹配。另外，通过电平衡与地面电势有关的等离子体使等离子体电势保持在低水平。

电感耦合等离子体是在三个同轴石英管组成的外管，即我们所说的炬管内形成的部分电离热气体区域。图 1 为正在运行的 ICP 炬管组成示意图。氩气以不同的流速流过三个石英管，从而起到生成等离子体，冷却和保护高温等离子体下的石英炬管表面的功能，后将气溶胶样品引入等离子体的中心通道。

炬管顶端被与射频（RF）发生器相连的感应线圈（也叫加感线圈）包围。感应线圈一般是由盘绕的铜管组成，由流经线圈的冷却剂进行气体冷却或液体冷却。线圈在高电压下放电，使得流经感应线圈围绕区域的下游气体中产生电子和氩离子。电磁场与离子和电子的互动使其加速。但因为和阳离子相比，电子的质量轻得多，所以电子获得了更高的速度，从而在等离子体的碰撞过程中起到主导作用。电子与氩原子发生碰撞，产生足够的能量传递，更多氩原子的电离伴随着更多电子的释放，这些电子接下来又将参与碰撞过程。当电子从原子释放的速率等于电子与粒子重新结合的速率时，点火后等离子体短暂维持。后续过程涉及光子形式的能量释放，通过氩线光谱的叠加，光子产生等离子体连续发射。

射频磁场的大部分能量耦合于类似于“环状线圈”形状的等离子体外区，其温度可高达 10,000 K，但中心管区域的温度一般只有大约 5000 至 7000 K，这取决于等离子体的工作条件。图 2 显示的是氩 ICP 内的模拟温度场，演示了等离子体内的热不均匀性。因此不能假定 ICP 处于热力学平衡，因为包括电离、重组和激发在内的碰撞过程的性质从本质上而言各不相同。但可以放心地假定部分局部热力学平衡，在电离温度（Tion）、气体动态学温度（Tgas）、电子温度（Te）、激发温度（Texc）和转动温度（Trot ）的基础上描绘 ICP 的特征。

图 1 还详细给出了每个液滴胶在等离子体中生成离子云的过程。气溶胶样品的液滴在等离子体中的停留时间内经历了一系列的去溶剂化、汽化、原子化和离子化过程。我们在思考由这些过程主导的等离子体区域时非常清晰明了，但实际上气溶胶样品不是由单分散液滴组成的，而是包含各种尺寸的液滴分布。因此我们认为这些区域在一定程度上重叠。除了上述过程以外，蒸汽样品的扩散和等离子体中产生的离子云可能明显影响信号的强度。通常在等离子体这个点的周围的信号是强的，此时汽化和离子化过程几近完成，但扩散仍是这一过程的主导因素。除了液滴尺寸以外，等离子体中的这些过程的持续时长很大程度上取决于操作条件，例如等离子体取样深度、等离子体功率、雾化器气体流速和内管直径。

ICP-MS 的理想射频发生器的重要属性

任何射频发生器的主要功能都是向加感线圈发出一个带有边界和稳定的交流电，从而点燃和维持可靠的等离子体。为了使射频功率与等离子体的传输效率大化，源阻抗（即发生器）和负荷（即等离子体源）必须匹配，形成一个单独的电路。这叫做共鸣或阻抗匹配条件。电路的阻抗（Z）取决于操作频率，并有一个实数（电抗）部分和虚数（无功）部分定义相位关系，用笛卡尔术语表示为： Z = R + jX 式中，j是虚数项(√ -1)，R和X分别是电阻（Ω）和电抗（Ω），定义阻抗的实数部分和虚数部分。

等离子体的阻抗是一个动态变量，会随着变化着的等离子体操作条件快速变化，例如射频功率、气体流速、气体类型、样品/蒸汽荷载、样品类型、操作频率和采样深度。发生器电路系统可以快速检测出负载阻抗的变化并对其作出反应，这个功能十分重要，可以将反射功率降至低并能维持稳健的等离子体条件。这一特征将通过操作频率的细微变化基于瞬时阻抗匹配的设计方法与依靠相对较慢和易发生故障的活动部件的设计方法区分开来，例如在阻抗匹配网络中的伺服驱动电容器。

射频发生器的另一个重要之处就是发生器驱动加感线圈的方式。如果输出射频驱动器是单端型，加感线圈的一端总与地面相连，则我们称这种发生器为不平衡的射频驱动源。这种电路系统产生的等离子体表现出相对较高的等离子体电势，这可能导致等离子体和质谱仪的接地采样锥之间发生二次放电。降低等离子体电势的机械方法包括使用交错的加感线圈（本质上是接地极性相反的两股缠绕的加感线圈），或使用静电屏蔽矩作为加感线圈和等离子体之间的接地屏蔽。如果发生器使用两个相同但 180°反相的射频输出驱动加感线圈，则我们称这种发生器为平衡的射频源。这 个 方 法 首 先 由 PerkinElmer-SCIEX 公 司 研 发， 并 以 “PlasmaLok”为商标名获得zhuanli。两个相反波形输出之间的相位关系在加感线圈的电气中心生成了虚拟接地。无论等离子体的操作条件如何（例如，内管流速、等离子体功率、基质组成），采用这种设计方法的等离子体电势被降至低，因此在定义等离子体种类时并非占据重要地位。因此可以单独优化等离子体操作条件和离子光学。其他属性，例如功率传输效率、尺寸、简易性、冷却方案、强度、消耗品、维护性和高低射频功率极限的快速切换依然对射频发生器的设计起着重要的作用。