ICPMS的离子源是Ar等离子体，今天想聊的是什么是等离子体，样品在等离子体中是如何发生电离的。

1、 什么是等离子体

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等离子体百度词条

概括一下要点：

1） 自然界中的物质以4种形态存在，分别是固态、液态、气态和等离子体态。固态物质在持续吸收能量以后是可以发生由固态向液态、液态向气态、气态向等离子态的转变。

2） 等离子体是由中性分子、原子、离子、电子组成的一种高温离子气体，整体呈电中性，同时具有良好的导电性。

3） 等离子体是比较常见的一种物质。宇宙中99%的物质是由等离子体组成，如太阳等恒星。自然界种的闪电、日常生活中的霓虹灯等都是等离子体。

4） 由于等离子体中含有大量的离子和电子，通过磁场可以捕捉、移动和加速等离子体（高中物理：带电离子在磁场中做圆周运动，ICPMS的离子源就是通过电磁场形成、和维持的）

自然界中的等离子体现象

2、ICPMS为什么要用Ar2

一方面是因为氩为惰性气体价格便宜且容易获得高纯气体，最重要的是氩第一电离能为15.76eV，具有一定的优势，这高于大多数元素的第一电离能（除了He、Ne、F），且低于大多数元素的第二电离能（除了Ca、Sr、Ba等）。在Ar等离子体环境中，元素大多都可以电离成+1价离子，同时很少形成+2价离子。

其实He的电离能比Ar还要高，理论上，He等离子体环境也能是几乎所有元素发生电离，为什么不选择He作为离子源呢。第一个原因是He是稀有气体，价格昂贵；第二个原因是He的电离能比一般元素第一电离能高太多，容易形成+2价离子；第三个原因是He的质量数为4，低质量数原子非常容易与其他元素结合形成多原子分子，这样的结合方式有太多可能性，更易形成某种质量数上信号重合的质谱干扰。

元素的第一电离能元素的第一电离能

2、 ICPMS中等离子体是如何产生和维持的

氩气分子通过矩管的时候本身是电中性的，不会收到电偶线圈磁场力的作用，Ar2分子不会有任何变化。在四级杆ICPMS仪器中，RF线圈旁边会有一个点火线（导电头），以施加高压电弧放电，垂直穿过Ar气流，部分氩气受到高能放电作用（能量来源）原子高速运动碰撞会脱去1个电子e，形成一些小火花（小团等离子体，氩离子Ar+和电子e-），同时电偶线圈上可施加（600-1600W）（27MHz或40MH）中的大功率射频（不同仪器所用射频功率略有区别，Agilent和Thermo仪器的射频功率为27MHz，PE仪器的功率为34MHz），这制造了一个高频震荡的磁场区域。上述的小团等离子体在经过高频震荡的磁场区域时，因磁场力的作用会高频震荡运动，在震荡运动过程中与更多的Ar原子碰撞，产生更多的离子和电子，这种过程持续发生直至整个电偶线圈围绕的矩管区域充满了稳定的等离子体。离子的高频震荡及相互碰撞，是一个放热过程，形成等离子体是一个高温环境，其中心温度最高可达10000K，等离子体边缘温度也可达到6000K，这就是我们所说的高温离子源。

ICPMS中等离子体形成过程（From Robert Thomas 2001-2003）高温等离子体中的温度分布（From Robert Thomas 2001-2003）

电偶线圈有一个非常重要的作用，通过交变磁场维持稳定的稳定的等离子体区域，仔细观察可以发现，等离子呈舌形状逐渐聚拢形态。这种形态更有利用元素在等离子体中电离后聚焦被锥采集。试想一下，若等离子体呈发散形状，一方面元素在等离子体中电离后分布很分散，不利于离子的聚焦采集。另一方面，射线状的高温等离子体更容易烧矩管的前端部位。当我们电偶线圈受损或者线圈间隙距离不均匀，造成的点火困难或者熄火现象，甚至是烧矩管的现象，这就是因为电偶线圈的受损而不能维持稳定的等离子区域环境的结果。

4、样品在等离子体中是如何发生电离的

首先样品经过雾化器及雾室的分选，进入到矩管样品通道的样品气溶胶大多为粒径小于4μm的气溶胶。气溶胶在通过中心管传输到等离子体中心，在高温的环境中进而发生干燥、去溶剂、解离、原子化和电离等过程。

（From Robert Thomas 2001-2003）

样品的离子化是一个消耗等离子体的能量的过程，该过程中Ar+离子和e-间相互碰撞应该仍占主导地位，以维持高温等离子体为样品电离持续提供电离能量。一定的射频功率下的等离子体能量是一定的，其载样量有限，若载样量过大，会大大消耗等离子能量，造成样品的电离效率降低甚至是熄火。

样品离子化中的主要过程

最后想说的是，点火成功并形成稳定的等离子体环境是ICPMS工作的基础和首先要去保证的，产生ICP高温离子源的RF发生器，是ICPMS仪器的心脏，心脏若停了，ICPMS就无法开展任何工作。其他部位，如样品引入系统、离子传输系统、质量分析器、信号放大器的损伤最多是造成仪器的不稳定和分析精度和准确性问题。