电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)仪是原子发射光谱仪中的一大类，由于ICP具有激发光源的突出优点而得到广泛应用。现在，光电直读式ICP-AES仪已经占据了商品光谱仪器的主要市场。

在摄谱仪中，色散系统只有入射狭缝而无出射狭缝。而在光电直读光谱仪中，一个出射狭缝和一个光电倍增管即构成一个通道（光的通道），可检测一条谱线。早期光电直读式ICP-AES仪有两种基本类型，一种是单道扫描式，另一种是多道固定狭缝式。

单道扫描式只有一个通道，这个通道可以移动，相当于出射狭缝在光谱仪的焦面上扫描移动（多由转动光栅或其他装置来实现），在不同的时间检测不同波长的谱线。

多道固定狭缝式光谱仪安装了多个（最多可达70个）固定的出射狭缝和光电倍增管，构成多个通道，可以同时接受多种元素的谱线，进行多元素测量。这种光谱仪可以同时测定几十种元素，分析速度快，准确度高，线性范围宽。缺点是出射狭缝和能够分析的元素在仪器出厂时就已固定，所以改换分析线或者增加分析元素都有困难。针对此点，有的仪器增加了一个扫描单色器，相当于增加了一个可以灵活变化的通道，称为n+I型ICP光谱仪。

图4-9为一台多道固定狭缝式光谱仪的示意图。从光源发出的光经透镜聚焦后，在入射狭缝上成像并进入狭缝。进入狭缝的光投射到凹面光栅上，凹面光栅将光色散、聚焦在焦面上，在焦面上安装了一个个出射狭缝，每一狭缝可使一条固定波长的光通过，然后投影到狭缝后的光电倍增管上进行检测。最后经过计算机处理后打印出数据或通过电视屏幕显示。全部过程除进样外都是微型计算机程序控制，自动进行。

目前常见的光电直读光谱仪是全谱直读光谱仪。光电直读电感耦合等离子体发射光谱仪以场致电离的方法形成等离子体焰炬，其温度可达10000K，试样溶液以气溶胶态进入ICP焰炬中，待测元素的基态原子与ICP焰炬中高速运动的离子和电子发生碰撞，吸收其能量，从而处于激发态，当激发态原子返回基态的时候，就会发射出相应的原子谱线。通过对待测元素原子特征谱线或离子特征谱线的测定，对元素进行定性或定量分析。光电直读电感耦合等离子体发射光谱仪主要由三部分构成：激发光源、分光系统和检测器。

1.激发光源

光电直读电感耦合等离子体发射光谱仪所使用的光源是电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP）焰炬。电感耦合等离子体装置的系统框图如图4-10所示。通常，ICP-AES由高频发生器、等离子体焰炬管和雾化器等三部分组成。

图4-9多道固定狭缝式光谱仪示意图

图4-10ICP装置的系统框图

1．高频发生器

高频发生器（RF发生器）通过工作线圈给等离子体输送能量，维持ICP光源稳定放电，目前ICP的高频发生器主要有两种振荡类型，即自激式和它激式。此外，还有固态式高频发生器。

(1)自激式高频发生器

自激式高频发生器又称自由振式高频发生器，由整流电源、振荡回路和功率放大器三部分组成。

整流电源是由三相电源经升压、三相全波整流及L,C滤波提供电子管功率放大器所需的直流高压（3kV)。其振荡回路是由一个电容和一个电感组成的并联回路，当有外加电源时，回路内将产生振荡信号，回路能量交替地储存在电容和电感上。当回路中电阻很小，即R＜2(L/C)^1/2时，其振荡频率为f=1/[2(L/C)^1/2]。

由于回路电阻的存在，每次振荡总要消耗部分能量，使振荡受到阻尼，为了维持等辐振荡，并保持一定的输出功率，使用电子管功率放大器，把L-C振荡回路的信号正反馈一部分供给放大器的栅极，经功放后再输出给 L-C回路，这样L-C回路不断地从放大器取得能量，除反馈一部分外，大部分能量用电感耦合方式供给等离子体焰炬，从而维持稳定的等辐振荡和功率输出。

(2)它激式高频发生器

它激式高频发生器又称晶体控制型高频发生器，利用石英晶体的压电效应构成振荡器，以取代自激式高频发生器的L-C振荡回路。

在它激式振荡器中，通常应用频率为40.68MHz或27.12MHz的石英晶体振荡器作为振源，经过功率放大，就可得到频率相同的2000W输出信号，通过匹配网络匹配后，由同轴电缆传输给负载线圈。它激式高频发生器频率稳定度高，耦合效率好，可自动控制功率输出，但是放电回路中的任何微小变化，都会导致阻抗匹配失效，需要在仪器装配时调节至最佳匹配，但是该发生器性能较好。

(3）固态式高频发生器

固态式高频发生器是用一组固态场效应管（一般是十几只配对）来替代经典高频发生器中的大功率电子管，以获得大功率高频能量输出。固态式高频发生器具有更小的体积，有利于仪器的小型化。

2．等离子体焰炬管

等离子体焰炬管为三层同心石英玻璃炬管，炬管置于高频感应线圈中，并相应通入外气流、中气流和内气流，如图4-11所示。外气流常称作等离子体气流，它沿切线方向引入外管，既维持ICP的工作气流，又起冷却作用，使等离子体的外表面冷却并与管壁保持一定的距离，将高温等离子体与石英管隔开，以防石英管被烧坏。外气流流量为10～20L/min，具体流量视功率以及炬管的大小与冷却效果而定。通入内层和中层石英管之间的气体称为辅助气流，通常其流量控制在0～1.5L/min，在等离子体焰炬点燃后，辅助气体能够将高温等离子体焰炬“束缚”在一定的体积和大小，使其与内层和中层石英管保持一定的距离，以此防止内层和中层石英管顶端，特别是内层管管口不被等离子体高温所熔化；另外辅助气流还可以通过抬升等离子体焰炬，达到改变光谱区观察高度的作用。内气流也称作载气，与原子吸收光谱仪类似，载气首先将样品溶液在雾化器内雾化为气溶胶，然后打通等离子体焰炬的中心通道，将试样气溶胶引入高温等离子体。载气流量大小对中心通道的形成、通道内温度、样品的停留时间等均有很大影响，必须仔细加以选择和控制，其流量一般在0.4～1.OL/min，或压力在15～45psi(1psi=6.894 76×10³ Pa)。

图4-11等离子体焰炬管剖面图

当高频发生器接通电源后，高频电流通过感应线圈产生交变磁场。由于管内氩气在常温下不导电，即使在感应线圈上施加了高频电场，也不会产生感应电流，更不会出现等离子体焰炬。必须使用“点火装置”（感应线圈或金属棒），产生电火花使少量气体电离，产生离子和电子等带电粒子。带电粒子在高频电磁场的作用下高速运动，与其他气体原子发生碰撞，碰撞产生的带电粒子又会与更多的气体原子相碰撞，致使带电粒子数目呈几何级数增长。当带电粒子多至使气体有足够的导电率时，就会在垂直于磁场方向的截面上形成一个闭合环形路径的涡流，并同感应线圈相耦合，它们相互作用产生的高温瞬间就可以将气体加热至10OOOK，在炬管管口形成一个火炬状的稳定的等离子体焰炬。等离子体焰炬形成后，载气从进样管（内管）通入等离子体焰炬中央，在轴向形成一个中央通道。试样气溶胶被载气携带通过等离子体焰炬时，被后者加热至6000～7000K，并被原子化和激发产生发射光谱。

典型的等离子体焰炬是一个非常明亮的“火焰”，它可以分为焰心区、内焰区和尾焰区三部分，各部位的温度有很大差异，其温度分布如图4-12所示。

图4-12电感耦合高频等离子体光源的温度分布

焰心区是带电粒子形成的涡流区，呈白色不透明状态，等离子体焰炬就是通过焰心区与感应线圈藕合获得能量的。由于焰心区温度高（10000K)，电子和各种离子密度很高，会产生很强的连续光谱，不适于作为分析区。由于焰心区位于等离子体焰炬的下部，试样气溶胶会首先通过这一区域，此时气溶胶颗粒会被加热、脱溶剂、蒸发。

焰心区的上方就是内焰区，呈淡蓝色半透明状态。内焰区温度为6000～8000K，样品气溶胶在焰心区预热后，在内焰区原子化、激发和电离，发出原子光谱和离子光谱。绝大多数的光谱分析都是在焰心区进行，因此焰心区又经常被称为测光区。

内焰区的上方为尾焰区，呈无色透明状态，区域内温度较低，通常在6000K以下，只能激发较低能级的谱线。

3．雾化器

雾化器是ICP-AES的进样系统，是整个ICP-AES中极为重要的部分，也是ICP光谱分析研究中最活跃的领域。常见进样方式包括气动雾化进样和超声雾化进样，其对应的雾化器分别是气动雾化器和超声雾化器。二者均只能使用液体进样。

(1)气动雾化器

气动雾化装置是ICP-AES中应用最普遍的，也是最为操作人员熟悉的。气动雾化器通常采用的载气流量都比较低，一般在0.5～1L/min；其样品提升量也比较低，在0.5～2mL/min。此外，气动雾化装置还需要具有较小的记忆效应、较高的雾化效率以及良好的稳定性，并且能够雾化高盐分溶液。同心气动雾化器和正交气动雾化器是ICP-AES中常用的两种雾化器。

同心气动雾化器基本结构如图4-13所示。同心气动雾化器采用固定式结构，是一个双层同心毛细管，氩气流高速通入后，会在内层毛细管管口形成一个负压区，试样溶液被大气压压入后，在内层毛细管管口被氩气流粉碎，形成气溶胶。同心气动雾化器稳定性好、雾化效率高、记忆效应小，但制作工艺要求严格，毛细管各参数必须准确控制以达到最优效果。如果样品溶液黏度较高或含有固体杂质，进样的时候毛细管很容易被堵塞，此时必须采用反冲的方法进行清理。特殊用途的同心气动雾化器必须根据使用目的，用各种不同的材料加工，如GE公司的海水型同心气动雾化器能够直接以海水形态进样而不会产生堵塞。

图4-13同心气动雾化器

正交气动雾化器基本结构如图4-14所示。正交型的进气毛细管和进样毛细管呈直角分布，为了保证雾化性能，过去在设计时常采用可调式结构，由操作人员调节进气毛细管和进样毛细管之间的距离，以获得较好的雾化稳定性。但是这种调节方式受人为影响的因素很大，对于不熟练的操作人员来说非常困难，因此目前仪器上使用的正交气动雾化器大多采用进气毛细管和进样毛细管距离固定的结构形式。相对同心气动雾化器而言。止交气动雾化器结构牢固，耐盐性能较好，但雾化效率稍差。

图4-14正交气动雾化器

这两种气动雾化器中样品溶液的提升，受载气的流量、压力及溶液的物理性质（主要是黏度和密度）影响较大。也有人采用蠕动泵配合气动雾化器来提升溶液，以减小溶液物理性质的影响。总体来说，气动雾化器的雾化效率较低，只有3％～5％的样品溶液进入等离子体焰炬，其余样品溶液都以废液的形式损失了。

(2）超声雾化器

超声雾化器是利用超声波振动的空化作用把样品溶液雾化成气溶胶颗粒，其装置远比气动雾化装置复杂。在使用超声雾化器的时候，通常要利用蠕动泵把样品溶液泵入雾室，再由超声波发生器产生超声波对其进行连续辐射，此时样品溶液与空气界面间会产生空化作用，使样品溶液形成气溶胶，在载气通过雾室的时候，试样气溶胶会被脱去溶剂，随载气进入等离子体焰炬管。

采用超声雾化器时，可以分别对载气流量和气溶胶产生速度设置最佳条件，因此超声雾化器产生的气溶胶雾滴更细更均匀，样品溶液的整体雾化效率可以提高10倍左右。在样品溶液基体不复杂的情况下，使用超声雾化器，其检出限甚至可以比使用气动雾化器低一个数量级。但是在存在光谱干扰的情况下，干扰效应也会大大增加。超声雾化器不适于分析含盐量较高的样品，与气动雾化器相比，其记忆效应比较大，且稳定性还有待提高。