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自從 PerkinElmer-SCIEX 公司于 1983 年商品化電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）以來，它就成為了發展快的痕量元素檢測技術，覆蓋了多個應用領域。隨著中心抽頭接地線圈的設計突破，我們克服了 ICP 源與質譜儀成功聯結的障礙，從而將等離子體電勢降至低，消除了等離子體與接地 MS 接口之間的二次放電問題。等離子體射頻發生器進一步發展后出現了*的不同步設計，在無活動部件的情況下，這種設計可以通過細微的頻率變化實現等離子體阻抗變化的即時匹配。另外，通過電平衡與地面電勢有關的等離子體使等離子體電勢保持在低水平。

電感耦合等離子體是在三個同軸石英管組成的外管，即我們所說的炬管內形成的部分電離熱氣體區域。圖 1 為正在運行的 ICP 炬管組成示意圖。氬氣以不同的流速流過三個石英管，從而起到生成等離子體，冷卻和保護高溫等離子體下的石英炬管表面的功能，后將氣溶膠樣品引入等離子體的中心通道。

炬管頂端被與射頻（RF）發生器相連的感應線圈（也叫加感線圈）包圍。感應線圈一般是由盤繞的銅管組成，由流經線圈的冷卻劑進行氣體冷卻或液體冷卻。線圈在高電壓下放電，使得流經感應線圈圍繞區域的下游氣體中產生電子和氬離子。電磁場與離子和電子的互動使其加速。但因為和陽離子相比，電子的質量輕得多，所以電子獲得了更高的速度，從而在等離子體的碰撞過程中起到主導作用。電子與氬原子發生碰撞，產生足夠的能量傳遞，更多氬原子的電離伴隨著更多電子的釋放，這些電子接下來又將參與碰撞過程。當電子從原子釋放的速率等于電子與粒子重新結合的速率時，點火后等離子體短暫維持。后續過程涉及光子形式的能量釋放，通過氬線光譜的疊加，光子產生等離子體連續發射。

射頻磁場的大部分能量耦合于類似于“環狀線圈”形狀的等離子體外區，其溫度可高達 10,000 K，但中心管區域的溫度一般只有大約 5000 至 7000 K，這取決于等離子體的工作條件。圖 2 顯示的是氬 ICP 內的模擬溫度場，演示了等離子體內的熱不均勻性。因此不能假定 ICP 處于熱力學平衡，因為包括電離、重組和激發在內的碰撞過程的性質從本質上而言各不相同。但可以放心地假定部分局部熱力學平衡，在電離溫度（Tion）、氣體動態學溫度（Tgas）、電子溫度（Te）、激發溫度（Texc）和轉動溫度（Trot ）的基礎上描繪 ICP 的特征。

圖 1 還詳細給出了每個液滴膠在等離子體中生成離子云的過程。氣溶膠樣品的液滴在等離子體中的停留時間內經歷了一系列的去溶劑化、汽化、原子化和離子化過程。我們在思考由這些過程主導的等離子體區域時非常清晰明了，但實際上氣溶膠樣品不是由單分散液滴組成的，而是包含各種尺寸的液滴分布。因此我們認為這些區域在一定程度上重疊。除了上述過程以外，蒸汽樣品的擴散和等離子體中產生的離子云可能明顯影響信號的強度。通常在等離子體這個點的周圍的信號是強的，此時汽化和離子化過程幾近完成，但擴散仍是這一過程的主導因素。除了液滴尺寸以外，等離子體中的這些過程的持續時長很大程度上取決于操作條件，例如等離子體取樣深度、等離子體功率、霧化器氣體流速和內管直徑。

ICP-MS 的理想射頻發生器的重要屬性

任何射頻發生器的主要功能都是向加感線圈發出一個帶有邊界和穩定的交流電，從而點燃和維持可靠的等離子體。為了使射頻功率與等離子體的傳輸效率大化，源阻抗（即發生器）和負荷（即等離子體源）必須匹配，形成一個單獨的電路。這叫做共鳴或阻抗匹配條件。電路的阻抗（Z）取決于操作頻率，并有一個實數（電抗）部分和虛數（無功）部分定義相位關系，用笛卡爾術語表示為： Z = R + jX 式中，j是虛數項(√ -1)，R和X分別是電阻（Ω）和電抗（Ω），定義阻抗的實數部分和虛數部分。

等離子體的阻抗是一個動態變量，會隨著變化著的等離子體操作條件快速變化，例如射頻功率、氣體流速、氣體類型、樣品/蒸汽荷載、樣品類型、操作頻率和采樣深度。發生器電路系統可以快速檢測出負載阻抗的變化并對其作出反應，這個功能十分重要，可以將反射功率降至低并能維持穩健的等離子體條件。這一特征將通過操作頻率的細微變化基于瞬時阻抗匹配的設計方法與依靠相對較慢和易發生故障的活動部件的設計方法區分開來，例如在阻抗匹配網絡中的伺服驅動電容器。

射頻發生器的另一個重要之處就是發生器驅動加感線圈的方式。如果輸出射頻驅動器是單端型，加感線圈的一端總與地面相連，則我們稱這種發生器為不平衡的射頻驅動源。這種電路系統產生的等離子體表現出相對較高的等離子體電勢，這可能導致等離子體和質譜儀的接地采樣錐之間發生二次放電。降低等離子體電勢的機械方法包括使用交錯的加感線圈（本質上是接地極性相反的兩股纏繞的加感線圈），或使用靜電屏蔽矩作為加感線圈和等離子體之間的接地屏蔽。如果發生器使用兩個相同但 180°反相的射頻輸出驅動加感線圈，則我們稱這種發生器為平衡的射頻源。這 個 方 法 首 先 由 PerkinElmer-SCIEX 公 司 研 發， 并 以 “PlasmaLok”為商標名獲得zhuanli。兩個相反波形輸出之間的相位關系在加感線圈的電氣中心生成了虛擬接地。無論等離子體的操作條件如何（例如，內管流速、等離子體功率、基質組成），采用這種設計方法的等離子體電勢被降至低，因此在定義等離子體種類時并非占據重要地位。因此可以單獨優化等離子體操作條件和離子光學。其他屬性，例如功率傳輸效率、尺寸、簡易性、冷卻方案、強度、消耗品、維護性和高低射頻功率極限的快速切換依然對射頻發生器的設計起著重要的作用。