ICP-OES檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析-華普通用
ICP-OES檢測系統(tǒng)即光電轉(zhuǎn)換器件有光電倍增管和電荷轉(zhuǎn)移器件兩種。由光電轉(zhuǎn)換器將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在積分放大后，通過輸出裝置給出定性或定量分析結(jié)果。
1 光電倍增管
光電倍增管由光陰極、倍增極及陽極構(gòu)成。原子發(fā)射光譜分析要求選用低倍電流的管子，其光陰極材料依據(jù)分光系統(tǒng)波段范圍來選擇。如紫外光區(qū)要選用Cs-Sb陰極和石英窗的管子；可見光區(qū)用Ag-Bi-O-Cs陰極的管子，近紅外區(qū)則用Ag-O-Cs陰極的管子。由于光譜分析的工作波長范圍較寬，往往采用2～3個(gè)光管倍增管組合成光電檢測系統(tǒng)。如Varian的Liberty系列ICP-OES檢測系統(tǒng)采用雙光電倍增管，一個(gè)為用于紫外光區(qū)的日盲管，具有Cs-Te陰極，另一個(gè)具有多堿陰極的用于可見光區(qū)。Light ACE·LTD的Integra XL型等離子體光譜儀用R166UH光電倍增管測量紫外光，用R446寬波段光電倍增管測量可見光。Jarre11-Ash Atomscan光譜儀則采用三個(gè)倍管組合，可在178～800nm均有較好的響應(yīng)。圖1是三個(gè)光電倍增管組合后的響應(yīng)曲線。
圖1 組合光電管倍增管的響應(yīng)曲線
為了獲得較好的測量精密度，使用時(shí)光電倍增管電壓必須要高于一個(gè)定值，以獲得一定的光電流值。超過此值后，增加光電倍增管電壓無助于提高分析精密度。
2 信號(hào)處理單元
光電倍増管輸出的電壓信號(hào)需經(jīng)處理再輸入到計(jì)算機(jī)。信號(hào)處理的目的是増加測量準(zhǔn)確度及線性動(dòng)態(tài)范圍。有幾種處理方式。一種是將輸出的光電流用電容器積分，將積分電壓（v）信號(hào)經(jīng)VF轉(zhuǎn)換成頻率（F）數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理。另一種是將光電信號(hào)進(jìn)行分段積分。分段積分是將光電信號(hào)經(jīng)電容作電荷累積，在曝光積分期間，計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間間隔（如20ms）詢問積分器一次，通過控制器接口，依次將積分電容與運(yùn)算放大器接通，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)判斷此電壓是否大于或等于某一數(shù)值（如積分電壓的最大值的一半為5V），一若大于等于該值，則令相應(yīng)開關(guān)將電容器短路，使積分電容放電，并將相應(yīng)數(shù)字存在內(nèi)存單元，再開啟相應(yīng)短路開關(guān)，讓積分器繼續(xù)充電。若判斷此電壓值小于該值，則不做進(jìn)一步處理，讓電容繼續(xù)充電積分。上述充電積分充電過程反復(fù)進(jìn)行，直至曝光結(jié)朿，計(jì)算機(jī)將各次積分電壓累加。這種積分方式多用在多通道光譜儀器。由于分段積分最后累加，可以擴(kuò)大測量動(dòng)態(tài)范圍，并增加測量精密度。
圖2是ICPQ-100多通道ICP光譜儀的積分電路。它的工作原理如下：當(dāng)K1閉合K2斷開時(shí)，積分放大器不能工作。如斷開K1，K2閉合，同時(shí)斷開K5和K6開關(guān)，此時(shí)電容器C1，C2，C3開始充電。積分時(shí)間到達(dá)后立即斷開K2，閉合K1，積分電容上的電荷流向運(yùn)算放大器μPC252，經(jīng)放大后輸入A/D變換器轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。再將K6閉合，放掉積分電容上的電荷，進(jìn)行下一次積分運(yùn)行。
圖2 ICPQ-100多通道ICP-OES檢測系統(tǒng)的積分電路
3 ICP-OES檢測系統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移器件
電荷轉(zhuǎn)移器件（CTD，charge，transfer·devices）是新一代的光譜用光電轉(zhuǎn)換器件。它是一類以半導(dǎo)體硅片為基材的光敏元件制成的多元陣列集成電路式焦平面檢測器，已在原子發(fā)射光譜儀器中成功應(yīng)用的有電荷耦合器件（charge coupled device，即CCD）及電荷注入器件（charge-injection device，即CID）。目前已逐漸取代光電倍增管在原子發(fā)射光譜中的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以一次曝光同時(shí)攝取從紫外光區(qū)至遠(yuǎn)紅外光區(qū)的全部光譜。而光電倍增管則一次曝光只能攝取一條譜線。同時(shí)作為硅半導(dǎo)體器件，它比光電倍增管有更好的耐用性和小的體積等一系列特點(diǎn)。