简介ICP(电感耦合等离子体发射光谱)起源

简介ICP(电感耦合等离⼦体发射光谱)起源
前⾔
现代分析仪器中,对于溶剂中⾦属的分析⽐较普遍的应⽤是采⽤电感耦合等离⼦体发射光谱法(ICP),或者是电感耦合等离⼦体质谱法(ICP-MS),并逐渐取代了传统的原⼦吸收(AA),概因发射光谱法技术灵敏度⾜够⾼,也就是检出限⾜够低;同时动态线性范围完胜吸收光谱。同时如果考虑到分析速度以及结果精密度的因素,这种趋势成为⼀种必然。
成都制药一厂等离⼦体
⼈类对于等离⼦的物理学研究已经超过150年以上,这种有别于固体、液体、⽓体的物质,⼀般是由于⼀些⽓态原⼦及原⼦团被⾼温或其他原因持续输⼊能量,使得原⼦核外的电⼦脱离了原⼦核的束缚,也就是发⽣“电离”,电离之后带正电的原⼦核与电⼦组成了⼀⼤坨正负离⼦团,因此有时等离⼦体也被翻译为“电浆”。
德国是最开始研究等离⼦体的,有据可考的是Bonn跟他的学⽣Johann Wilhelm Hittorf⼆⼈在1865年发表名为“初步原⼦化的⽓态物质点燃及蒸发后⽣成的光谱研究”的⽂章为第⼀篇正式论述相关性质的⽂献,⽽且引起了此后⼤名⿍⿍的汤普逊爵⼠的注意,并由该⽂章启发发现了电⼦的存在。当然另有⼀种
图书馆学会说法是1884年W Hittorf发现⾼频感应在真空管内产⽣的辉光,是等离⼦放电的最初观察,总之⼈没有变。此后1928年,兰谬尔重复了相关实验并进⾏了⼀定拓展,最后将该类物质命名为“等离⼦体”,也就是希腊语“结构”的意思。随着等离⼦物质的理论完善,⼈们于是开始思考如何利⽤这种物质⼀些物理特性开展实验,譬如说,这是种天然的导体;它以被磁场/电场捕捉,移动乃⾄加速;它蕴藏着巨⼤的能量等等。那么就有望在⼀定的实验条件下,利⽤这些特性去开发新的技术或者⼯艺。
ICP的原理
葫芦岛锌厂样品由载⽓带⼊雾化系统进⾏雾化后,以⽓溶胶形式进⼊等离⼦体的轴向通道,在⾼温和惰性⽓氛中被充分蒸发、原⼦化、电离和激发,发射出所含元素的特征谱线。根据特征谱线的存在与否,鉴别样品中是否含有某种元素(定性分析);根据特征谱线强度确定样品中相应元素的含量(定量分析)。张卫平教你打篮球
开端
ICP最早可以追溯⾄1956年,当时在荷兰的国际光谱学术研讨会上,德国⼈报告开发了⼀种新型的等离⼦体⽕炬⽣成技术,其原理与现在的差不多,也就是⽤当时的巴宾顿式的雾化器⽣成⽓雾,然后利⽤线圈的⾼频振荡向其“注⼊”能量使其等离⼦化。很容易看出,作为⽣成等离⼦⽕炬的核⼼技术,如何产⽣稳定的⾼频电流输送给电感线圈是其中的关键。⾄此,世界科学家的技术路线分裂成了两条,⼀条是英国线,⽽另外⼀条是德-美线。
两条路线
英国线的代表⼈物是G.I.Babat,T.B.Reed及Stanley Greenfield等⼈,他们主张采⽤⾼功率发⽣器,并且完善了相关理论,在1961年做出了样机,1964年做出了成品并发表了ICP在原⼦光谱上的应⽤报告。其中Babat发现了常压下的氩⽓ICP放电;Reed则设计出了同⼼等离⼦炬管,稳定⽣成了ICP⽕焰;Greenfiled作为集⼤成者,曾向世界骄傲地宣布“没有分析不了的样品”。实际上也是如此,他们的研究奠定了现代ICP的基础。当然,作为科学家,他们并没有在产品优化的⽅⾯进⼀步深⼊。毕竟,发表相关的研究成果是第⼀要务。
德-美线则要零碎曲折⼀些,因为很多科学家分别在不同的细分领域在进⾏探究。譬如严谨的德国⼈⼀直在纠结究竟是采⽤微波等离⼦体发⽣技术还是电感耦合等离⼦体发⽣技术;到底是⽤氮⽓还是⽤氩⽓作为燃烧⽓,还有⼀些⼈在尝试利⽤超声雾化技术向离⼦源导⼊液体样品;他们的美国同⾏则忙于论证究竟是采⽤低功率发⽣器还是⾼功率发⽣器。后来在1964年,德国⼈与美国⼈共享了⾃⼰的研究成果,也⾛上了仪器设计之路,与英国线相反,他们⾛的是低功率的路线(也就是现代ICP的前⾝Fassel设计)。还有⼀件不得不提的事情,当年由于东西德分裂导致东德境内所有有关ICP的项⽬都被砍掉,作为该项技术的发源地,这差点宣布了ICP的死刑。
产品化
京师同文此后⾼-低之争仍在继续,不过不论科学家如何吵闹,ICP此时还停留在实验室当中,没有⾛⼊⼤众视野,直到1973年。美国⼈在⼆战之后经济得到了长⾜的发展,各种科学技术井喷,资⾦⼈才也雄厚⽆⽐,⼀旦资本介⼊,很容易想象技术的转化程度能有多快。彼时有家名为KONTRON的公司参加了荷兰的第⼗七届国际光谱学术研讨会,听说有种技术能够实现ng/L的检出限之后两眼冒光,⽴刻决定去参观⼀下实验室深⼊了解情况,并决定开始量产。德国⼈也不⽢⽰弱,在⾛访了有关科学家之后也对该技术交⼝称赞,⼀家名为霍希钢铁的公司订购了美国产的2kW的射频
发⽣器,准备⼤显⾝⼿。显然他们更接受的是低功率的ICP技术,两家均在次年开发出了样机。
1975年,KONTRON第⼀台ICP闪亮登场,并在同年的法国举办的第⼗七届国际光谱学研讨会1975分会上正式亮相。1976年在荷兰第⼀届ICP 技术交流会举办。此后,科学界与⼯业界共同携⼿,进⼀步推动该技术⾛向成熟。包含匹配箱、⽓体供应以及燃烧头设计,数据采集,诸多难题⼀⼀克服,连电器巨头飞利浦也亲⾃下⽔参与制造。
继续发展
对于ICP这种类型的设备来说,从⼀诞⽣开始,其瞄准的⽅向就是⾦属元素,鉴于元素的种类有限远没有有机物复杂,因此它的⽅法开发并不算复杂。仪器性能的优化反⽽成为该类技术发展的最重要的环节。此后,更加复杂的连续波长扫描仪被开发出来,使得ICP不再依赖于预设波长从⽽可以连续测
试多个⾦属离⼦;原⼦吸收光谱仪的⽯墨炉也被拿出来借鉴,解决固体样品的测试问题。此外,像铁基元素中镁的测定这种杂质定量,微升级样品进样,与⽓相⾊谱联⽤等技术纷纷破⼟⽽出。
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是的,ICP技术的诞⽣相⽐其他类型的仪器似乎并不算复杂,其原理决定如此,因此到1980年左右,ICP基本已经得到了相当的普及。随着能够提供⾼分辨⼒的中阶级光栅引⼊以及检测器的进步(CID、CCD代替了传统的光电倍增管PMT),全谱ICP⾄此成熟。此后该技术的发展趋于缓慢,直到ICP-MS的横空出世,再次吸引了世界的⽬光。
参考⽂献:
1. J. Anal. At. Spectrom., 2016, 31, 22
2. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7571.2001.01.013

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