絢爛的煙花點(diǎn)亮了黑色的夜空，赤橙黃綠青藍(lán)紫的視覺(jué)盛宴沖擊著我們的感官。在中學(xué)的階段，我們?cè)?jīng)學(xué)過(guò)“焰色反應(yīng)”，不同的元素在酒精燈中燃燒會(huì)發(fā)出不同顏色的光，煙花中的色彩就與炎色反應(yīng)相關(guān)。
在第一期的格物中，我們介紹通過(guò)原子吸光光度計(jì)來(lái)進(jìn)行元素的定性與定量。同樣，利用原子的發(fā)光現(xiàn)象（炎色反應(yīng)）也可以進(jìn)行元素的定性與定量。當(dāng)然普通的酒精燈是不能夠高效的激發(fā)原子，更不能提供良好的原子濃度與發(fā)光強(qiáng)度的線性關(guān)系。
19世紀(jì)，本生燈(Bunsen burner)的發(fā)明加速了原子發(fā)光分光技術(shù)的發(fā)展。圖1中所示的炎色反應(yīng)分光裝置應(yīng)該是原子發(fā)光分光裝置的最初案例了吧?
圖1.Bunsen-Kirchhof 炎色反應(yīng)分光裝置
A:本生燈；B:樣品針；C：棱鏡；D：顯微鏡；E：精密回轉(zhuǎn)臺(tái)
借助該裝置發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)尚未明確的Cs和Rb元素。對(duì)于元素的定性而言只需要確認(rèn)發(fā)光的波長(zhǎng)，但是用于定量則需要提供良好的原子濃度與發(fā)光強(qiáng)度的線性關(guān)系，這就需要高效的激發(fā)原子方式了。
現(xiàn)有的能夠高效激發(fā)原子的方式有很多，比如利用Glow Discharge，laser Induced Breakdown，以及Inductively Coupled Plasma等都是可以高效激發(fā)原子的方式；相對(duì)應(yīng)的元素分析法分別為GD-OES(Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy)，LIBS（laser Induced Breakdown Spectroscopy）和 ICP-OES（Inductively coupled plasma -optical emission spectrometry）等。
本期，將介紹以InductivelyCoupled Plasma（ICP）激發(fā)原子發(fā)光的元素定性定量分析法，等離子化部的詳細(xì)介紹如視頻所示（轉(zhuǎn)自Youtube）。
其根據(jù)等離子化后檢測(cè)物質(zhì)（光or離子）的不同，可以分為ICP- OES（圖2）（ICP+分光器+光學(xué)檢出器；也可稱(chēng)為ICP-AES，由于俄歇電子能譜的縮寫(xiě)為AES，所以ICP-AES的叫法在逐漸的淡化）和ICP-MS（ICP+質(zhì)譜）（圖3）。相對(duì)于格物第一期中所講的原子吸光光度計(jì)對(duì)于單一已知元素的定量而言，ICP具有同時(shí)定性70種以上元素的便捷性。像元素周期表（圖4）中白色區(qū)域的元素都能夠準(zhǔn)確的測(cè)量。
圖2. ICP-OES的構(gòu)造圖
圖3. ICP-MS的構(gòu)造圖
圖4. ICP-OES可以定性定量的元素種類(lèi)（元素周期表中的白色部分）
另外，ICP-OES與ICP-MS的優(yōu)劣如表1所示。對(duì)于要對(duì)固體材料中的主要元素定量而言，ICP-OES足以滿足使用條件。雖然，ICP-MS用于ppt級(jí)別元素的定量，但是在樣品稀釋過(guò)程中的誤差也會(huì)造成測(cè)試不準(zhǔn)確。對(duì)于如何把固體樣品溶解在溶解在溶液中，那就是下一期的故事了。
表1. ICP-OES和ICP-MS的優(yōu)劣以及共通點(diǎn)
在ICP-OES中，由于在等離子化部的發(fā)光是所有被激發(fā)元素的混合光，對(duì)于混合光的分光和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光強(qiáng)度的獲得工程師們也沒(méi)少費(fèi)工夫。早期的ICP-OES，其檢出器和UV-Vis分光光度計(jì)相同，通過(guò)逐步的走查波長(zhǎng)和在相應(yīng)的波長(zhǎng)位置放置光電子倍增管（圖5a）的方式來(lái)獲得元素發(fā)光的信息。
近年，由于半導(dǎo)體檢出器（CCD） 的快速檢出能力，成為了ICP-OES的主流。半導(dǎo)體檢測(cè)器（CCD）（圖5b）可以實(shí)時(shí)地將分離的光束圖案檢測(cè)為二維圖像，并且可以同時(shí)讀取多個(gè)波長(zhǎng)的光譜。當(dāng)將光施加至半導(dǎo)體器件時(shí)，短波長(zhǎng)的光被p型層吸收，從而在其中產(chǎn)生空穴和電子，并且所產(chǎn)生的電子移動(dòng)至n型層。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光被n型層吸收，產(chǎn)生空穴和電子，這些空穴和電子遷移到p型層。p型層帶正電，n型層帶負(fù)電。通過(guò)讀取該電荷，可以檢測(cè)到光的強(qiáng)度。
圖5. 光電子倍增管（a），和半導(dǎo)體檢出器（CCD）（b）
本期結(jié)束。劃重點(diǎn)：
1.本期的重點(diǎn)不是ICP，而是高效激發(fā)原子的方式，ICP只是其中的一種形式，重點(diǎn)是很多裝置中共通的分光和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)度的測(cè)得。
2.聯(lián)系中學(xué)知識(shí)，元素的吸光發(fā)光是炎色反應(yīng)的拓展，元素定性定量是工程師們對(duì)于焰色反應(yīng)的應(yīng)用。
3.光電子倍增管，半導(dǎo)體檢出器（CCD）是光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。
4.基于元素的發(fā)光吸光來(lái)定量的分析手法，是元素有無(wú)和含量的指紋信息。
