感应耦合型等离子体分析仪的制作方法

本发明涉及一种感应耦合型等离子体(ICP)分析仪，该分析仪使用ICP光源，以便诱导液体样本的等离子体辐射或离子化，比如，所述ICP分析仪可以是ICP辐射光谱仪或ICP质谱仪。

背景技术：

ICP辐射光谱仪通过确定经由对光的色散而获得的原子谱的波长和强度，来执行对样本中包含的元素的定量或定性分析，其中所述光是当样本原子在被引入到等离子体中并从而被激发之后跃迁到较低能级时，从该样本原子发出的光。

如图5所示，ICP辐射光谱仪包括：等离子体焰炬(torch)310，用于形成等离子体，具有缠绕所述焰炬的感应线圈311；样本引入单元340，用于将样本引入等离子体焰炬310；气体流动控制单元350，用于向等离子体焰炬310提供等离子体气体和冷却气体并向样本引入单元340提供载体气体，并用于控制他们的流速；电源单元320，用于向感应线圈311提供射频电力；控制单元330，用于控制这些单元中的每个单元；分光镜371，用于对来自产生于等离子体焰炬310中的等离子体的光进行色散；检测器372，用于检测色散后的光并用于产生代表检测到的光的强度的检测数据；以及数据处理单元360，用于处理检测数据(例如，参见专利文献1)。

为了使用ICP辐射光谱仪300来对样本进行分析，首先当以预定流动速率从气体流动控制单元350向等离子体焰炬310提供等离子体气体和冷却气体时，从电源单元320向感应线圈311提供预定量的射频电力，以便通过火花放电来引燃射频感应等离子体。从气体流动控制单元350向样本引入单元340提供载体气体流。被注入到该载体气体中并被该载体气体雾化的样本被引入等离子体。因此，发生来自样本分子的激发辐射。

已将专利文献2中所述的自激振荡射频电源提出作为电源单元。在使用这种自激振荡射频电源的ICP辐射分析仪中，LC振荡电路由设置在电源中的电容器和围绕等离子体焰炬的感应线圈构成。由该电路产生的振荡使得向等离子体焰炬稳定供给射频电力。

根据待分析的样本的类型和用途，来选择等离子体焰炬的类型。例如，针对高盐样本的等离子体焰炬的激发截面比标准等离子体焰炬的激发截面的尺寸更大，以便防止粘附沉淀后的盐。针对有机溶液的等离子体焰炬具有较小内部容积，以便允许等离子体焰炬中的样本汽化。因此，不同类型的等离子体焰炬具有不同形状或内部容积。射频电源的大小和不同类型气体的流速的最优值根据这种差别而改变。因此，操作员应给ICP分析仪配备最合适的等离子体焰炬，以便分析该样本。操作员还在控制单元中设置安装在该ICP分析仪中的等离子体焰炬的类型。根据所述设置，控制单元调整电源的大小和气体的流速。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP2007-205899 A

专利文献2：WO2012/039035 A

技术实现要素：

技术问题

如上所述，由操作员来手动设置安装在ICP分析仪中的等离子体焰炬的类型。如果操作员错误地设置了该信息，则将向实际安装的等离子体焰炬提供错误的射频电力大小以及用于不同类型等离子体焰炬的气体。因此，等离子体焰炬的温度可能过度升高，从而导致由于其温度而烧蚀焰炬或损坏周围部件。

为了防止这种烧蚀和其他问题，期望提供一种直接检测等离子体焰炬的类型的装置。然而，通过电子器件(例如，传感器和开关)来检测等离子体焰炬的类型是难以实现的，这是由于经过感应线圈的射频电流在等离子体焰炬附近的空间中导致电子噪声。

本发明要解决的问题在于提供一种包括自激振荡射频电源的ICP分析仪，所述ICP分析仪能够检查所安装的等离子体焰炬的类型。

解决方案

用于解决上述问题的本发明的第一方面是一种包括自激振荡电源单元的ICP分析仪，该自激振荡电源单元用于向缠绕在等离子体焰炬周围的感应线圈提供用于产生等离子体的射频电力，所述分析仪还包括：

a)频率测量部，用于测量电源单元的输出频率；

b)存储部，保存针对每种类型的等离子体焰炬的参考输出频率；以及

c)焰炬检查器，用于确定由频率测量部在点燃等离子体之后测量到的输出频率是否与保存在存储部中的参考输出频率中的任一参考输出频率一致，并用于对确定结果进行通知。

在根据本发明的ICP分析仪中，针对可以使用的每种类型的等离子体焰炬，事先测量当提供针对所述等离子体焰炬的最优射频电力时得到的输出频率。在存储部中，将测量到的值存储为参考输出频率。

在对样本的分析中，操作员将等离子体焰炬安装在ICP分析仪的指定位置(designated section)中，并在控制单元中设置所安装的等离子体焰炬的类型。如果在控制单元中错误地设置了与实际安装的等离子体焰炬类型不同的等离子体焰炬类型，或如果安装了错误类型的等离子体焰炬而控制单元中的等离子体焰炬类型的设置是正确的，则由频率测量部测量到的频率将不同于和所设类型的等离子体焰炬相对应的参考频率，且不同于和任一其他类型的等离子体焰炬相对应的参考频率。焰炬检查器检测这种情况并对这种情况进行通知。这种通知可以采用多种形式，诸如，显示设备(例如，监视器)上的消息，灯上的视觉信号，通过扬声器的听觉警报，或向远程位置发送的一条数据。

本发明还可以应用于操作员没有事先在控制单元中设置等离子体焰炬的类型的ICP分析仪。在这种情况下，控制单元控制射频电源单元，使得向等离子体焰炬提供的电力的大小连续地从较低等级改变为较高等级，其中所述等级与可以使用的多个类型的等离子体焰炬相对应。当正提供一个等级的射频电力时，焰炬检查器将测量到的频率与保存在存储部中的参考输出频率进行比较。如果测量到的值与参考输出频率不一致，则焰炬确定部向控制单元通知该结果。当接收到该通知时，控制单元将射频电力增加至下一较高等级。在重复这种处理期间，当提供与实际安装的等离子体焰炬相对应的射频电力时，测量到的频率与参考频率之一一致。控制单元将所提供的射频电力保持在该等级处，并开始所述分析。

用于解决上述问题的本发明的第二方面是一种包括自激振荡电源单元的ICP分析仪，该自激振荡电源单元用于向缠绕在等离子体焰炬周围的感应线圈提供用于产生等离子体的射频电力，所述分析仪还包括：

a)频率测量部，用于测量电源单元的输出频率；

b)存储部，保存针对每种类型的等离子体焰炬的参考输出频率差，所述参考输出频率差是在点燃等离子体之前和之后分别测量的两个输出频率之差；以及

c)焰炬检查器，用于确定由频率测量部分别在点燃等离子体之前和之后测量到的输出频率之差是否与保存在存储部中的参考输出频率差中的任一参考输出频率差一致，并用于对确定结果进行通知。

在点燃等离子体之后达到的输出频率主要取决于等离子体焰炬的类型、射频电源中电容器的电容、感应线圈的形式以及各种其他因素。如果感应线圈由于接触其他元件或由于老化而形变，则输出频率可以根据形变量而改变。如果发生了这种形变，则在被保存在存储部中的参考输出频率不从在感应线圈的形变之前获得的值发生改变的情况下，不再有可能正确检查等离子体焰炬的类型。另一方面，输出频率由于感应线圈的形变而导致的改变类似地发生在点燃等离子体焰炬之前和之后。因此，即使在感应线圈发生形变的情况下，分别在点燃等离子体焰炬之前和之后测量到的两个输出频率之差改变也很少。此外，输出频率的差根据等离子体焰炬的类型而改变。因此，通过针对每种类型的等离子体焰炬确定在点燃等离子体之前和之后测量到的输出频率之差并在存储部中将其保存作为参考输出频率差，有可能通过考虑这种信息来正确地检查等离子体焰炬的类型，而无论感应线圈是否形变。

先前所述的ICP分析仪中的任一分析仪还应优选地包括用于检测等离子体焰炬中的等离子体的点燃的焰炬点燃检测器。

如在本发明的第一或第二方面中一样，由于在从接通电源的一段时间之后点燃等离子体，有可能在没有焰炬点燃检测器的情况下确定何时点燃等离子体。在这种情况下，为了测量当确实点燃等离子体时的输出频率，频率测量部通常被配置为测量从等离子体点燃的实际时刻开始的预定时段之后的输出频率。这样导致在检查等离子体焰炬的类型的过程中产生相应延迟。通过提供焰炬点燃检测器，有可能在点燃等离子体之后立即检查等离子体焰炬的类型。

可以使用各种类型的传感器(例如，光传感器或热传感器)或测量计(例如，功率计)来配置焰炬点燃检测器。在使用光传感器、热传感器或其他类型传感器的情况下，可以通过将所述传感器放置在距感应线圈的一段距离处并经由这些传感器来检测在点燃等离子体时产生的光或热，来检测等离子体的点燃。在使用功率计的情况下，可以通过将功率计放置在电源单元内并检测由于点燃等离子体而引起的功率增加，来检测等离子体的点燃。

根据本发明的ICP分析仪可以附加地包括：电源停止器，用于当对确定测量到的输出频率与对应于由操作员事先在控制单元中设置的等离子体焰炬的类型的参考输出频率不同进行通知时，断开向缠绕在所述等离子体焰炬周围的感应线圈提供来自电源单元的射频电力。

如果焰炬检查器确定测量到的输出频率与对应于由操作员事先设置的等离子体焰炬的类型的参考输出频率不同，且如果对这种确定进行了通知，则电源停止器命令电源单元断开其操作。

本发明的有益效果

根据本发明的ICP分析仪确定在点燃等离子体之后测量到的输出频率是否与针对每种类型的等离子体焰炬事先确定的参考输出频率一致，并对确定结果进行通知。基于这种通知，操作员可以方便地确定事先设置在控制单元中的等离子体焰炬的类型是否与实际安装在等离子体焰炬的类型一致。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的ICP辐射光谱仪的示意配置图。

图2是示出了在第一实施例中检查等离子体焰炬的类型的过程的流程图。

图3是根据本发明第二实施例的ICP辐射光谱仪的示意配置图。

图4是示出了在第二实施例中自动设置参数值的过程的流程图。

图5是传统ICP辐射光谱仪的示意配置图。

具体实施方式

下文中参考附图描述了本发明的实施例。

第一实施例

图1是根据本发明第一实施例的ICP辐射光谱仪100的示意配置图。这种ICP辐射光谱仪100包括：等离子体焰炬110，将用于形成等离子体的气体流引入其中；样本引入单元140，用于将样本引入等离子体焰炬110中；气体流动控制单元150，用于向等离子体焰炬110提供等离子体气体和冷却气体以及向样本引入单元140提供载体气体；电源单元120，用于向缠绕在等离子体焰炬110周围的感应线圈111提供射频电力；控制单元130，用于控制这些单元中的每个单元；光谱仪171，用于对来自产生于等离子体焰炬110中的等离子体的光进行色散；检测器172，用于检测经色散的光并用于产生表示检测到的光的强度的检测数据；数据处理单元160，用于处理检测数据；以及存储单元190，用于保存针对每种类型的等离子体焰炬的参数。

电源单元120是自激振荡射频电源，具有由电源单元120中的电容器和感应线圈111形成的LC振荡电路。电源单元120根据来自控制单元130的命令使射频电流穿过感应线圈111。通过电源单元120中的频率测量部121(例如，针对射频电流的频率计数器)来测量这种射频电流的输出频率。

控制单元130包括用于执行各种计算的中央处理单元(CPU)、存储单元、大容量存储设备(例如，硬盘驱动器)和其他设备。控制单元130调节从气体流动控制单元150提供的各种类型的气体(等离子体气体、冷却气体和载体气体)的流动速率和引入时间，并操作电源单元120以便控制电源的大小。控制单元130中的参数设置器131、焰炬检查器132和电源停止器133实现为执行预定程序的CPU(尽管可以通过使用电子电路来将焰炬检查器132创建作为硬件组件)。用于允许操作员执行各种设置的输入单元137和用于显示设置、所获得样本数据与各种其他信息项目的显示单元138被连接到控制单元130。

存储单元190包括存储器单元和大容量存储器(例如，硬盘)。控制单元130将数据保存在其中，并从中读取数据。存储单元190保存各种参数值191，其中所述参数值包括：要安装在ICP辐射光谱仪100中的等离子体焰炬的类型；专门针对每种类型的焰炬的各种类型气体的流动速率和引入时间；以及向感应线圈111提供的电力的大小。附加地，还存储针对每种类型的等离子体焰炬的参考输出频率192(即，当根据等离子体焰炬的类型正确地设置参数值191时应观察到的输出频率)。

光谱仪171对从等离子体发出的光进行色散，并将经色散的光引入检测器172。当检测到所引入的光时，检测器172产生与光的强度相对应的检测数据，并将该数据发送给数据处理单元160。在数据处理单元160中，以各种方式来处理检测数据。将处理结果发送给控制单元130，并将其示出在显示单元138上。

参考图1和2来描述根据本实施例的ICP辐射光谱仪100的操作。图2是示出了检查安装在ICP辐射光谱仪100中的等离子体焰炬的类型的过程的流程图。在本实施例中，操作员调整ICP辐射光谱仪100以便配合针对待分析样本的最适合类型的等离子体焰炬，并从与控制单元130相连的输入单元137事先设置该等离子体焰炬的类型。在完成这些任务之后，操作员执行预定操作以便开始等离子体点燃过程。然后，等离子体设置器131访问存储单元190，检索与由操作员事先设置在控制单元130中的等离子体焰炬的类型相对应的参数值191，并将这些值发送给气体流动控制单元150、样本引入单元140和电源单元120，以便配置这些单元(步骤S11)。随后，控制单元130发送用于开始提供气体和电力的命令。当接收到这种命令时，气体流动控制单元150开始向等离子体焰炬110提供各种类型的气体，同时电源单元120开始向感应线圈111提供射频电力(步骤S12)。

在接通电源之后，电源单元120通过频率测量部121持续测量输出频率并将测量到的结果发送给控制单元130作为测量到的输出频率。控制单元130测量从接通电源经过的时间，并在经过点燃等离子体所需的时段之前待命(步骤S13中的“否”)。当经过所述时间段(步骤S13中的“是”)时，控制单元130确定已点燃等离子体，并在它的内部存储器中保存测量到的输出频率(步骤S14)。

接下来，控制单元130中的焰炬检查器132将测量到的输出频率与和由操作员事先设置的等离子体焰炬的类型相对应的参考输出频率192进行比较。如果测量到的输出频率与参考输出频率192一致(步骤S15中的“是”)，则焰炬检查器132得到结论：安装在ICP辐射光谱仪100中的等离子体焰炬110事实上是与设置在控制单元130中的参数值相对应的类型的等离子体焰炬；并通过显示单元138向操作员通知该结果。随后，控制单元130命令样本引入单元140注入样本，从而开始对样本的分析(步骤S16)。

如果测量到的输出频率与参考输出频率192不一致(步骤S15中的“否”)，则焰炬检查器132得到结论：所安装的等离子体焰炬110与操作员事先设置在控制单元130中的等离子体焰炬的类型不一致。控制单元130中的电源停止器133命令电源单元120、气体流动控制单元150和样本引入单元140断开对射频电力和各种类型的气体的供给，从而断开对电力和气体的供给。类似地，焰炬检查器132在显示单元138上显示提醒消息，以便通知操作员以下事实：等离子体焰炬的设置是不正确的(步骤S18)。

第二实施例

随后，描述了根据本发明第二实施例的ICP辐射光谱仪。图3是根据本发明第二实施例的ICP辐射光谱仪200的示意配置图。除了第一实施例的配置之外，本实施例中的设备还包括焰炬点燃检测器280，以便检测来自等离子体焰炬210的光；以及自动焰炬设置器234，设置在控制单元230中。存储单元290保存参考输出频率差292，而不是参考输出频率。没有设置电源停止器。其余配置与图1所示配置相同。因此，用与上述组件的附图标记具有相同的最后两位数字的附图标记来表示与上述组件相同或相应的组件，并适当地省略对这些组件的描述。

下文中，参考图3和4来描述ICP辐射光谱仪200的操作。图4是示出了自动设置分析中使用的参数值的过程的流程图。操作员事先调整ICP辐射光谱仪200以便配合针对待分析样本的最适合类型的焰炬。首先，操作员执行预定操作以便开始等离子体点燃过程。参数设置器231从保存在存储单元290中的参数值291读取包括最低电源值的参数集，并向电源单元220、样本引入单元240和气体流动控制单元250发送这些值，以便配置这些单元(步骤S21)。接下来，控制单元230发出用于开始提供气体和电力的命令。当接收到这种命令时，气体流动控制单元250开始向等离子体焰炬210提供各种类型的气体，同时电源单元220开始向感应线圈211提供射频电力(步骤S22)。

在开始提供电力之后，频率测量部221测量从电源单元220向感应线圈211提供的射频电流的输出频率。不断地将测量到的输出频率发送给控制单元230。控制单元230依次接收测量到的输出频率，并在其存储器中保存在点燃等离子体之前获得的一个测量到的输出频率(步骤S23)。

焰炬点燃检测器280包括用于检测来自等离子体的光的光学传感器，诸如，电荷耦合器件(CCD)。检测器向控制单元230发送对光的存在或缺少加以指示的信号。

控制单元230监控由焰炬点燃检测器280产生的检测信号，并确定是否点燃了等离子体。在点燃等离子体之前，控制单元230持续等待来自焰炬点燃检测器280的通知(步骤S24中的“否”)。当点燃等离子体时，从等离子体发出的光引起来自焰炬点燃检测器280的输出增加。当该输出超过预设阈值时，控制单元230确定已点燃了等离子体(步骤24中的“是”)。

在确定点燃等离子体之后，控制单元230将其存储器中保存在点燃等离子体之后获得的一个测量到的输出频率(步骤S25)。

接下来，控制单元230中的焰炬检查器232计算测量到的输出频率差，即，在点燃等离子体之前测量到的输出频率(步骤S23中获得的测量结果)以及在点燃等离子体之后测量到的输出频率(步骤S25中获得的测量结果)之差。随后，焰炬检查器232将测量到的输出频率差与保存在存储单元290中的参考输出频率差292进行比较，确定测量到的输出频率差是否与这些参考输出频率差中的任一参考输出频率差一致，并在显示单元238上显示该结果以便向操作员通知该结果。

在事先确定过程中，如果确定测量到的输出频率差与参考输出频率差292中的任一参考输出频率差均不一致(步骤S26中的“否”)，则控制单元230命令电源单元220、气体流动控制单元250和样本引入单元240断开对射频电力和各种类型气体的供给，从而断开对电力和气体的供给(步骤S28)。

随后，自动焰炬设置器234从存储单元290读取参数值291的另一集合，并在气体流动控制单元250、样本引入单元240和电源单元220中设置这些值(步骤S29)。在该步骤中读取的参数值291的集合是包括次最低电源值到当前所设电源值的集合。在后续处理中，当改变参数值291的集合时，应按照电源值的升序来执行参数集的读取。

在改变参数值291之后，再执行一次步骤S22、S23和S24的处理。在点燃等离子体之后(步骤S24中的“是”)，如果确定在步骤S25计算的测量到的输出频率差与参考输出频率差292之一一致(步骤S26中的“是”)，则控制单元230命令样本引入单元240注入样本，从而开始对样本的分析(步骤S27)。

因此，根据本实施例，可以通过确定测量到的输出频率差是否与参考输出频率差292中的任一参考输出频率差一致，来检查被安装在ICP辐射光谱仪200中的等离子体焰炬的类型。控制单元230可以自动改变参数值，并通过使用针对所安装的等离子体焰炬的类型的适合参数设置来执行分析。

可以在本发明的精神内适当地改变或修改根据本发明的ICP辐射光谱仪的上述实施例。例如，有可能使用光谱仪和检测器来确定是否点燃了等离子体，而不是如第二实施例所示将光学传感器用作焰炬点燃检测器。根据该配置，不必提供附加的光学传感器。

在第一实施例中，可以附加地提供焰炬点燃检测器。因此，在第二实施例中，可以省略焰炬点燃检测器，并可以基于经过的时间来确定是否点燃了等离子体。

在第一实施例中，用于基于在点燃等离子体之后测量到的输出频率来检查等离子体焰炬的类型的配置可以附加地设置有自动焰炬设置器，以便自动地执行针对焰炬的设置。在第二实施例中，用于基于在点燃等离子体之前和之后测量到的输出频率差来检查等离子体焰炬的类型的配置可以附加地设置有电源停止器，以便当确定所安装的等离子体焰炬的类型与操作员事先设置的等离子体焰炬的类型不一致时，由该电源单元自动断开电源。

参考符号列表

100、200 ICP辐射光谱仪

110、210 等离子体焰炬

111、211 感应线圈

120、220 电源单元

121、221 频率测量部

130、230 控制单元

131、231 参数设置器

132、232 焰炬检查器

133 电源停止器

234 自动焰炬设置器

137、237 输入单元

138、238 显示单元

140、240 样本引入单元

150、250 气体流动控制单元

160、260 数据处理单元

171、271 光谱仪

172、272 检测器

280 焰炬点燃检测器

190、290 存储单元

191、291 参数值

192 参考输出频率

292 参考输出频率差