ICP-6810-A2电感耦合等离子体发射光谱仪“稳健性”性能指标测试

ICP-OES 的“稳健性”（robustness）是指仪器在复杂样品基质（如高盐、高有机样品）或操作条件波动（如功率、雾化气流速变化）下，仍能保持稳定的激发/电离条件、一致的谱线强度及可靠的检测结果的能力。稳健的仪器需有效抵抗外界干扰，确保分析数据的重复性和准确性。1991年，Mermet 首次引入了评价 ICP-OES 等离子体稳健性的指标。文章选定了镁元素（Mg）作为目标对象，其离子线（Mg II，280.270 nm）与原子线（Mg I，285.213 nm）的强度比直接关联电离平衡和激发平衡，不仅是衡量等离子体状态的敏感探针，更是成为 “稳健性” 的量化标志。

以下是该指标的底层逻辑：首先，稳健的等离子体需保持温度和电子密度稳定。根据玻尔兹曼方程（boltzmann equation），激发态原子/离子的数目与温度呈指数关系。由于Mg I 与Mg II 的激发能相近（Mg I 的激发能约为 4.35 eV，Mg II 的激发能约为 4.42 eV），但 Mg II 的产生需额外克服电离能，因此 Mg II / Mg I 比值会随温度升高而显著增大。其次，等离子体中的电离平衡须遵循萨哈方程（saha equation）。若电子密度升高，则电离平衡发生移动，会有更多 Mg⁰电离为 Mg⁺，从而使得 Mg II / Mg I 比值升高。

因此，当等离子体达到 LTE 时，Mg II / Mg I 比值会与温度、电离能的理论计算值一致。比如当该比值位于10~12的 “稳健区间” 时，等离子体温度约为 8000 ~ 8500 K，电子密度约为1.5*E21 ~ 3.0*E21 m-3。当该比值发生明显波动时，说明等离子体状态发生了显著变化（如温度下降、电子密度降低），需及时调整仪器参数（如增加射频功率、降低雾化气流速等）以恢复其稳健性。下面举一个例子，可以更好体现 Mg II / Mg I 比值在现实分析中的应用价值。下表是 ICP-OES 的仪器参数，其中射频功率（power）、雾化气（nebulizer gas）流速可调。溶剂选择了两种，分别是 1% 硝酸和 pH=8 的 10% 水溶性叔胺溶液（CFA-C）。

下图是轴向（AX）和径向（RD）两种观测方式下，不同溶剂介质中 Mg II / Mg I 比值随雾化气流速变化趋势。可以看到，在 0.5 ~ 1.0 L/min 的区间，比值会随雾化气流速增加而下降。但在径向观测时，在 0.5 ~ 0.7 L/min 的区间保持了比较好的等离子体稳健性

下图是轴向和径向两种观测方式下，不同溶剂介质中 Mg II / Mg I 比值随射频功率变化趋势。可以看到，在 1.1 ~ 1.5 kW 的区间，比值会随射频功率的增加而增大。

下表是轴向和径向两种观测方式下，针对不同溶剂介质与共存（concomitants）基质样品中等离子体条件（robust vs non-robust）带来的数据变化 。可以看到，径向（radial）、低流速（0.5 L/min）的稳健条件下不同基质（Ca、K、Na）中测量数据的可靠性表现最为出色。

总结一下，Mg II / Mg I 比值之所以能判断 ICP-OES 的稳健性，是因为它综合反映了等离子体的激发/电离状态，不易受基质干扰，且能实时监测仪器状态。当比值大于 10 时，说明等离子体处于稳健条件，能够有效应对复杂样品和操作参数的波动，保证分析结果的可靠性。