Fackel und Plasma

Das Trägergas (Argon) gelangt durch das Injektionsrohr in die Fackel (Torch), in der das Plasma erzeugt wird. Sowohl die Fackel als auch das Injektionsrohr müssen sehr hohe Temperaturen aushalten und werden deshalb meist aus Quarzglas, im Falle des Injektionsrohrs, auch aus Al₂O₃-Keramik hergestellt. Neben dem Trägergas wird in die Fackel das eigentliche Plasmagas (ebenfalls Argon) und zudem randlich ein weiterer, die Fackel kühlender Argon-Strom geblasen. Beim Starten des ICP wird durch einen Zündfunken ein kleiner Teil des Plasmagases ionisiert, d.h. in positiv geladene Argon-Ionen und Elektronen zerlegt. Dadurch kann aus dem oszillierendem Magnetfeld der Spule ein Strom in das Gas induziert werden, der dieses aufheizt und zur Ionisation weiterer Argon-Atome führt. Wenn ein Gas in diesem Zustand, d.h. in Form von Ionen und freien Elektronen, vorliegt, wird es als Plasma bezeichnet.

Nach dem Zünden stellt sich ein stabiler Zustand ein, in dem das vorbeiströmende Plasmagas im Bereich der Spule ionisiert und aufgeheizt wird und dort eine ortsstabile Plasmawolke erzeugt. Dabei bewegen sich die Argon-Ionen auf kreisförmigen Bahnen innerhalb des ringförmigen Magnetfeldes der Spule.

Typischerweise hat die an der Induktionsspule zur Erzeugung des oszillierenden Magnetfeldes anliegende Wechselspanung eine Frequenz von etwa 40 MHz und gibt eine Leistung von 900-1200 W ab. Die aus Kupfer bestehende Spule ist hohl und wird innen mit Wasser oder Argon gekühlt. Das Plasma selbst wird durch die induzierte Energie auf 5000-10000 °C erhitzt. In dieses Plasma wird der Argonstrom des Trägergases im Zentrum der Fackel mit relativ geringer Geschwindigkeit eingeblasen. Durch die hohen Temperaturen im Plasma verdampft die zerstäubte Probe und wird größtenteils ionisiert. Die meisten Elemente liegen im Plasma zu etwa 50-90 % in Form von einfach positiv geladenen Ionen vor. Jedoch gibt es auch einige Elemente, die nur zu einem sehr geringen Anteil als 1⁺-Ionen auftreten wie z.B. F und Cl (ca. 0.1 bzw. 1%).

Neben den einfach geladenen Ionen entstehen im Plasma aber auch geringe Anteil an zweifach positiv geladenen Ionen und einfache Moleküle, die ebenfalls ionisiert sind. Die Menge der für die MS-Analytik nicht erwünschten Moleküle und mehrfach geladenen Ionen sowie die Menge der erwünschten einfach positiven Ionen ist in hohem Maße abhängig von den Parametern des Plasmas. Wenn z.B. die ins Plasma induzierte Leistung des Generators erhöht wird, steigt die Temperatur und es werden weniger Moleküle aber mehr 1+-und auch 2+-Ionen gebildet. Eine Erhöhung des Trägergasflußes bewirkt zwar einen verstärkten Eintrag von Probenmaterial ins Plasma, jedoch sinkt gleichzeitig die Temperatur und die Menge der gebildeten Moleküle nimmt zu.