ICP-MS讲座：12. ICP样品离子提取系统（文字说明）

                       ICP样品离子提取系统
为了方便进入质谱系统，等离子体炬管在ICP-AES中是竖着安装的，而在质谱中则水平安装，除此之外和AES中没什么区别。等离子体火焰围绕着锥口的端部张开，即在锥孔的尖部张开。可以看到中心通道或喷射口气流沿炬管的轴向流动，可以提取很多的气体，环状区的气体沿锥孔的边缘流走。锥孔钻在良导体的锥体的尖部。直径一般使用1.0—1.2 mm。所使用的金属材料已报道的一般有：铝、铜、镍和铂都能得到较好的结果，但发现镍在成本上和耐久性上都有较好的性能。锥体是可以更换的,通常用螺钉固定在一个水冷却板上,这个水冷板就是真空系统的前壁。锥体的寿命非常地长很明显是重要的，但其与所雾化的酸的类型有极大的关系。如果用1%硝酸工作的话，全天使用，镍锥体的寿命能使用几个月，但若要使用10%的硫酸工作的话，可能镍锥体也就仅仅使用几天就需更换。经常注意所用酸的类型和浓度是很有利的，锥孔很少突然地不能使用——磨损使其形成表面凹坑或粗糙，会引起积累冷凝固体，接近锥体使用寿命时，锥孔的直径会增大，孔的外边缘会变得圆滑。锥的更换是很方便的，可以在正常的分析方便时很快地将其更换。尽管需要关闭等离子体，但在几分钟之内即可更换完毕，包括所需的优化离子光学部分。一个好的分析工作者将会很好地处理此事，因为他应该知道在他使用了几个星期后，锥口会慢慢损坏，他会在每天开机之前，经常检查并进行正常的清洗。
因为表头通常离开接口很远安装，锥孔之后，气压维持在5 mbar，但监测表的读数常常只有这个数字的一半。
膨胀到低压区的气体在少于一个锥孔距离内在这些条件下可以达到超过声速的速度。 温度急剧下降, 可以引起提取气体组成改变的反应即刻停止。随着气压和温度的下降, 动力学能量通过一个称作柱形激波(barrel shock)的冲击波转化成沿轴向的直接流动, 形成有界的自由喷射。 第二个冲击波称作马赫盘(Mach disc)，是在膨胀的压力比和锥孔直径决定的距离在轴向形成。 对于通常使用的两套分析系统来说, 在相似的孔径约1 mm和类似的压力比时, 马赫盘是在锥孔后面10 mm处形成。因为超出了马赫盘的距离, 气流再次变为次声波速度, 抽进的气体和周围的背景气相混合, 在Surry的仪器上和在PlasmaQuad中采用的是把截取锥放在逆向马赫盘的6.5 mm的距离的空间里。在Elan的仪器中是放在相同的空间里(6.1 mm)。 截取锥通常比采样锥的角度更尖一些, 加工成一个尖嘴, 新的截取锥大约5 μm宽, 以便使在尖口上形成的冲击波最小。 尽管喷射物的中心线上温度约为200K， 但围绕着喷流的气体很热, 通常也要给截取锥冷却。 没有冷却的话, 截取锥的尖部可能会变红热。 因为截取锥的截面很小, 在很多操作时, 对待截取锥要比采样锥应更严格仔细, 还因为很高的尖部温度, 会使得尖部退火且相当地软。 尽管需要很小心, 经常清洗截取锥是很有益的, 否则重金属基体沉积在上面会再蒸发形成记忆效应。 工作中还发现经常较好地清洗截取锥的外表面和采样锥的内表面可以使多原子离子的干扰减到最小。形成直流喷射过程的更全面的讨论和截取锥的使用参见分子束采样文献(Stearn 等, 1968提供了很有用的综述)，并且Gray已将此技术应用于ICP的采样过程(Gray, 1982)。 Douglas和French(1988)最近已经综述了更全面的ICP过程。
离开截取锥后, 抽进的气体进入了一个压力足够低的区域, 在这个区域气体平均自由程大于系统的尺寸且气体是随机流动。通常采样锥和截取锥都是在接地电势下工作, 随后形成的离子云的过程完全是一个空气动力学的过程。 为了尽可能地把许多离子聚集成一束通过质量分析器, 下面考虑的是截取锥之后放置一个静电透镜系统。但通常在透镜系统之前使用一个某种形式的阀门, 这个阀门能够形成通入到高真空区域在分离器之后的可关闭通道。 这个阀门关闭时, 采样锥和截取锥可以在不影响真空压力的情况下取下。如果提取段的压力没降低时这个阀门不能打开。