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ICP光谱观察方式比较：垂直观测、水平观测、双向观测

JOE HUI

2023/05/25

在ICP光谱仪炬管组件中产生的ICP光源，其观察方式有3种，分别是：垂直观测(Radial)、水平观测(Axial)和双向观测(DUO)，下面介绍他们的区别：

ICP光谱仪垂直观测：
又称为垂直观测或者测试观察，是采用垂直放置的ICP光谱仪炬管，“火焰”气流方向与采光光路方向垂直；从光谱仪能够接收整个分析区的所有信号。

　　对不同的元素不用进行炬管调节，是分析测试的常用观察方式。具有更小的基体效应和干扰，特别是对有机样品；对复杂基体也有好的检出限。可以测定任何基体的溶液，如高盐分样品测定、复杂样品的分析、有机物而积炭相对不严重的分析。较低的氩气消耗量。侧向观测方式的炬管是垂直炬，热量和分析废气自然向上进入排气系统。

ICP光谱仪垂直观测示意图

ICP光谱仪水平观测：
又称为轴向观察或端视观测，是采用水平放置的ICP光谱仪炬管，“火焰”气流方向与采光光路方向呈水平重合；可使整个火焰个个部分的光都全部通过狭缝。

　　水平观测方式的优点是：由于整个“火焰”各个部分的光都可以被采集导致灵敏度高，对简单样品有较好的检出限；其缺点：基体效应和电离干扰大，线性范围小，炬管溶液积炭和积盐而沾污，需要及时清洗和维护，RF功率设置不能一般不超过1350W；使用于光谱仪水质分析中。

ICP光谱仪水平观测示意图

总体而言，ICP垂直观测检测的只是最佳分析区给出的发射信号，其特点就是干扰信号少，但分析元素的发射强度不如水平观测的效果好；水平观测检测的是整个分析通道的发射信号，其特点是分析元素的发射强度大，但缺点是干扰信号比较大。

双向观测：
　　传统双向观测是在水平观测ICP光源的基础上，增加一套侧向采光光路，实现垂直/水平双向观测，即在炬管垂直观测的方向依次放置3块反射镜，当要使用垂直观测的时候，就通过3块反射镜把炬管垂直方向上的光反射到原光路中，并通过旋转原光路的第一块反射镜，使垂直方向来的光与原水平方向来的光在整个光路中重合。该观测方式的切换反射镜由计算机控制，该方式融合了轴向、径向的特点，具有一定的灵活性，增强了测定复杂样品的能力。改观测方式可实现以下3中方式的测量：

　　①全部元素谱线水平测量。

　　②全部元素谱线垂直测量。

　　③部分元素谱线水平测量，部分元素谱线垂直测量。

　　双向观测能有效解决水平观测中存在的电子干扰，进一步扩宽线性范围。但是该观测方式需要不断地切换反射镜，可能导致仪器的稳定性变差。由于径向观测的需要，炬管侧面必须开口，导致炬管的寿命大大降低，同时也改变了炬焰的形状。炬管开口处必须严格与光路对准，要不然炬管壁容易积累盐，会使检测结果严重错误；同时如果在开口出现积盐同样也会导致仪器检测结构存在严重的错误，必须注意清洗。而且增加了曝光次数，降低了分析速度，增加了分析消耗。

ICP光谱仪双向观测示意图

　　在有上述考虑之后，需要改变传统，尤其是改变光路使其简单，几家都推出了双向观测技术。

安捷伦的双向观测

　　首先是安捷伦的5100，它采用ZL的智能光谱组合技术 (DSC)，以及全新的仪器设计理念，推出区别于传统的、极具创新的、全新概念的双向观测 5100 SVDV ICP-OES，可实现同步的水平和垂直双向观测分析。

安捷伦5100同步垂直双向观测技术的设计原理

　　传统的双向观测 ICP-OES 需要人为定义测量元素、分析波长及观测模式，无法完成同步的双向观测分析。某些系统甚至采用多狭缝模式，分别应对不同波段、不同观测方式以及不同灵敏度样品的分析要求，极大地降低了样品分析通量和测量效率。5100 SVDV ICP-OES 凭借独特的智能光谱组合技术 (DSC) 一次测量完成水平和垂直信号的同步采集读取，实现高速高效的样品分析，确保复杂基质样品的分析准确度

斯派克的双向观测

　　斯派克公司也推出了双向观测技术

　　首先，斯派克专门开发了不需经过很多的光路反射、折射，而是采用了无需反射镜的MultiView 等离子体接口，让等离子体切换方向，真正实现直接观测。比如在贵金属分析中，贵金属作为基体元素，其含量90%多，其他微量元素含量极低；而对于贵金属冶炼厂家，矿样中贵金属则变成了微量元素，伴生元素很多；那么采用这种观测方式可以兼顾高含量元素的分析，也可以兼顾低含量元素的分析，同时还能满足复杂基体的分析。

MultiView 的切换示意图

　　此外，斯派克的产品还采用垂直同步双观测（DSOI）技术，一种全新的等离子体视图设计方法，采用垂直等离子体炬，通过新的直接径向视图技术进行观察。两个光学接口捕获从等离子体两侧发射的光，仅使用一个额外的反射，以增加灵敏度和消除困扰新的垂直火炬双视图模型的问题。因此，垂直同步双观测（DSOI）提供了传统径向系统的两倍灵敏度，但是避免了垂直双视图模型的复杂性、缺点和成本。

垂直同步双观测（DSOI）示意图

　　采用同步双向观测应用于斯派克的多款ICP光谱上，包括ACRO，SPECTROGREEN等。

　　除了观测方面，斯派克的ICP光谱整体采用的光学器件少，包括其不用中阶梯光栅，而用帕邢—龙格结构。优点包括：首先在很宽的光谱范围内分辨率是一个恒定的常数，因此能轻松区分谱线富集区域内相邻谱线，最大限度减少光谱干扰。而中阶梯光栅正相反，只是在200nm处有最好的分辨率，而到了300nm或400nm处分辨率会有大幅度的下降。其次是线性范围宽，例如在做固体金属分析时，几乎所有光谱仪器都是采用的帕邢—龙格结构，因为一个固体样品里既有主量元素也有微量元素，高低含量元素都要兼顾到。帕邢—龙格结构线性范围很宽。第三点，帕邢—龙格结构系统采用的光学器件最少，只有反射镜和光栅，由于光路设计越简单，光量损失就越少，仪器灵敏度越高。帕邢—龙格结构的缺点是：仪器体积大。

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