電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)構造包括進樣係統、等離子體源(ICP)、接口、透鏡、四級杆分析器、檢測器和內置於質譜中的真空係統,外連接冷卻循環水及空氣過濾網。整個儀器由計算機通過軟件進行控製,如圖1所示。下麵對ICP-MS的各部分在日常使用過程中注意事項及維護保養進行逐一分析。
圖1 ICP-MS結構示意圖
進樣係統的維護和保養極其重要,可以說電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)在使用過程中85%的問題都來源於進樣係統。進樣係統維護部件包括蠕動泵及泵管、同心霧化器、旋流霧室。
蠕動泵可以保證樣品以一定流速進入霧化器,並同步將廢液排出。蠕動泵長時間轉動會導致其固定螺絲發生鬆動,每隔半年應該對其固定螺絲進行維護,使其鬆緊適度。泵管在使用時要注意與泵槽平行夾緊,注意進液和排液方向是否正確,鬆緊程度適當;使用一段時間後如果泵管外形變扁、底部磨損變黑應及時更換。定期更換與泵管相連的毛細進樣管,尤其是進入高基體樣品後及時更換,防止對潔淨樣品的測試汙染。
霧化器是通過風力運動將液體破碎成微小液滴,形成氣溶膠進入霧室。同心霧化器在使用過程中要隨時觀察其霧化效率,霧化效率低會導致響應值偏低,儀器調諧不通過等問題,正常效率的霧化器霧化效果是可以通過肉眼進行判斷的,即霧室維持在灰蒙狀態。另外,在做高基體樣品過程中隨時觀察軟件上的儀器(Instrument)-診斷(Diagnostics)-氣體流量控製(Gas Flow Control)-霧化器背壓(Nebulizer Back Pressure),數值在40~50附近波動是正常狀態,如果數值突然增大,表明霧化器堵塞。根據筆者經驗,解決霧化器堵塞有效辦法就是反吹,具體操作如下:將霧化器前端從與霧室連接端處卸下,後端從與毛細進樣管連接處卸下,點擊軟件主菜單操作(Option)-係統確認(System Validation)-霧化器與矩管氣流(Nebulizer and Torch Gas),待氣流平穩後,用幹淨手指以一定頻率點擊霧化器前端,將堵塞物反吹出去。如堵塞較嚴重,可以將霧化器卸下後放在硝酸(5%)溶液中浸泡48h後進行反吹,直至堵塞物去除。同心霧化器切忌進行超聲操作,否則會破壞霧化器內部構造,造成效率低下。交叉氣動霧化器可以采用超聲波清洗。
霧室的作用是對霧化器噴入的霧滴進行選擇,去除電離效率低的大霧滴,選擇小顆粒(10μm)的霧滴進入等離子體。經過霧室的篩選,僅有1%~2%的樣品進入到等離子體。由於每次分析都會有樣品殘留在霧室中,因此在分析結束後應用硝酸(2%)和去離子水反複衝洗霧室,使用一段時間後(視樣品多少而定),若霧室附著肉眼可見的沉積物,將霧室卸下浸泡在硝酸(5%)48 h後進行超聲清洗,再用去離子水清洗,烘幹後即可使用。圖2為進樣係統主要部件工作示意圖。
圖2 進樣係統主要部件工作原理示意圖
等離子體源包括射頻線圈、炬管、中心管、點火針,主要原理是純氬氣在射頻線圈作用下的高頻電磁場中電離,經點火針釋放電火花後形成電中性的等離子體。等離子體源結構如圖3所示。
在日常使用過程中,每次點火前要用複位器校準射頻線圈和炬管的位置,若複位器不能順暢的插入射頻線圈和炬管中間,說明射頻線圈已變形,需要對線圈進行複位。射頻線圈上若出現肉眼可見的氧化物堆積,需要對線圈進行更換。
石英炬管在經過大量樣品分析後會有固體沉積,可以將炬管拆下放到硝酸(1%)溶液中進行超聲,再用去離子水進行清洗,烘幹完畢再次安裝時應注意位置,將複位器插入炬管與射頻線圈中間,插入量約為複位器的1/3,然後輕輕關閉儀器箱,再次輕輕打開儀器箱,若複位器尾端與炬管尾端相切,則說明炬管位置與采樣錐的間距符合規定,否則應重新安裝炬管,直至相切。安裝完畢後需在調諧模式下(Smart Tune)優化炬管位置。若在使用中發現炬管的O圈出現破損、變形,應及時更換。
中心管的潔淨程度會影響儀器各元素的背景等效濃度,可以定期將中心管放入硝酸(2%)中浸泡3~5 h,再用去離子水清洗,烘幹後使用。注意中心管的O圈出現破損要及時更換,確保中心管完全密封。
可以用砂紙定期打磨點火針,尤其是針尖部位。去除點火針表麵的氧化物,提高放電效率。
圖3 等離子體源結構示意圖
電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)采用三錐接口,分別是采樣錐1.1 mm,截取錐0.9 mm,超級截取錐1.0 mm。三錐的接口設計可以一定程度地提高分析的穩定性,減少離子光學係統的維護次數。如圖4所示。在日常分析過程中,一方麵盡量減少將高酸度或高鹽度樣品引入等離子體,另一方麵小心選擇酸的類型和酸度,如盡量避免分析10%及以上的硫酸溶液基體,可以延長鎳錐的使用壽命。
錐的幹淨與否決定元素背景等效濃度及靈敏度。采樣錐表麵容易積鹽,截取錐和超級截取錐容易積碳,都需要定期清洗維護,清洗周期取決於運行時間和分析樣品的鹽含量。根據經驗,可以用棉簽蘸硝酸(2%)反複擦洗錐內外表麵,除去表麵沉積物,然後加入去離子水,超聲15 min,烘幹即可。不建議將錐放入稀硝酸溶液直接超聲,那樣容易導致錐孔變大,縮短錐的使用壽命。若使用時發現錐孔破損、變形,孔四周不再銳利清晰,需要對錐進行更換。
圖4 三錐接口示意圖
離子透鏡汙染的標誌:一是透鏡電壓的增高,二是低質量數元素穩定性較差,高質量數元素穩定性不變。離子透鏡係統較為精密,清洗不好容易引起二次汙染,建議請專業人員進行維護,並且在維護過程中對使用的工具進行反複清洗,需佩戴無粉手套進行操作。如圖5所示為電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)的離子透鏡係統,采用四級杆離子偏轉器(QID)設計,一定程度上減少光子和電中性物質對離子透鏡的汙染。
圖5 離子透鏡示意圖
四級杆分析器是由四個平行的導電棒組成的質量過濾器,如圖6所示,隻有滿足質荷比要求的目標離子才能在任意時刻通過質譜儀,不符合要求的較大離子或較小離子均會被四級杆過濾掉。四級杆分析器不需要日常維護。
圖6 四級杆分析器原理示意圖
電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)采用雙階倍增檢測器,可以同時獲得模擬和脈衝信號,線性動態範圍較寬。圖7為檢測器工作原理示意圖。可以看出檢測器主要作用是放大檢測到的目標離子信號,因此,檢測器使用一段時間之後會有“疲勞效應”,導致靈敏度下降;另外,電子倍增器壽命取決於總的積累放電次數,進入高濃度樣品會加速檢測器內表塗層消耗,縮短檢測器壽命。在分析環境樣品時,尤其是工業廢水和工業用地土壤,建議采用基體稀釋的辦法,避免長時間檢測高濃度信號。
真空係統包括兩個渦輪分子泵和一個機械泵,渦輪分子泵集成在主機上,在高真空度狀態下啟動,不需要維護。日常分析過程中,要注意觀察機械泵泵油的顏色,由淺黃色變至深黃色時,就需要更換泵油。
圖7 檢測器原理示意圖
電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)冷卻循環水的參數為:pH6.5~8.5,溫度15~30℃(最佳18℃),壓力241~414 kPa(最佳379 kPa),定期觀察冷卻液顏色,變成淡綠色則必須更換冷卻液。
定期檢查儀器所有的空氣過濾網,包括儀器後麵空氣過濾網和透鏡上小型過濾網,必要時及時更換。盡可能使房間內保持在正壓狀態,保持室內清潔。溫度一般保持在(22±1.5)℃,濕度40%~70%。
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