交叉空心电极点放电技术用于高效的气体样品引入与光谱激发

《Analytica Chimica Acta》：A Crossed Hollow Electrode Point Discharge for Highly Efficient Vapor Sample Introduction and Spectral Excitation

微型光学发射光谱仪中采用交叉空心电极点放电技术，通过空心电极结构实现气态样品高效引入与等离子体区域协同增强，显著提升激发效率和检测灵敏度，对砷、汞等7种元素的检测限低至0.1 μg L-1，相对标准偏差小于4%。

　　微型等离子体光源在微型化光学发射光谱仪（OES）中扮演着至关重要的角色，尤其在快速分析重金属方面。然而，由于体积和功率的限制，这种光源的整体激发能力和效率仍然存在不足，这在一定程度上阻碍了其在更广泛分析领域的应用。为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的策略，通过构建交叉空心电极点放电（CHPD）微型等离子体光源，从而提升微型OES设备的性能。

在实验中，研究团队采用了两对针状电极，其中一对电极设计为空心结构。这种设计不仅能够增强样品的引入效率，还能扩大等离子体区域，从而提升整体的激发能力。此外，空心电极还被用作样品引入通道，使得大部分样品能够被有效地限制在等离子体区域内，实现更充分的激发和更高的检测效率。通过与氢化物发生技术（HG）相结合，这种新型光源能够高效地引入样品蒸气，使得As、Ge、Hg、Pb、Sb、Se和Sn等元素在特定条件下实现了高效的光学发射检测。

实验结果显示，该方法在检测限方面取得了显著的提升，其中As的检测限为1.8 μg L?1，Ge为0.7 μg L?1，Hg为0.1 μg L?1，Pb为0.4 μg L?1，Sb为0.8 μg L?1，Se为6.2 μg L?1，Sn为0.1 μg L?1。相对标准偏差均小于4%（n=5），表明该方法具有良好的重复性和稳定性。与传统的单对电极点放电微型等离子体相比，该方法的分析灵敏度提高了3到5倍，进一步验证了其在高灵敏度检测中的潜力。

为了确保该方法的准确性和可行性，研究团队使用了标准参考物质进行测试，结果表明该微型设备在分析精度方面表现优异，具备实际应用的条件。此外，该方法还具有体积小、低功耗和操作简便等优势，为快速现场元素分析提供了新的思路和技术支持。

在仪器构建方面，研究团队设计了一种新型的微型HG-CHPD-OES设备，其核心部分包括交叉空心电极点放电单元、氢化物发生样品引入单元和手持CCD检测单元。交叉空心电极点放电单元被安装在一个方形的聚四氟乙烯（PTFE）基座上，该基座尺寸为20 mm × 20 mm × 15 mm。在基座上，设计了一个直径为5 mm、深度为6 mm的放电室，并覆盖了一块石英窗，以确保光学信号的有效传输。此外，放电室上设有两个孔，用于样品的引入和气体的排出。

在光谱特性方面，研究团队首先评估了该新型交叉空心电极点放电光源的可行性。实验结果显示，工作气体的原始背景发射主要包含OH、NH和N?等分子特征，这些特征来源于氩气中的杂质。当与氢化物发生技术结合使用时，生成的氢气能够抑制和平滑这些背景发射，特别是在200?265 nm、280?295 nm和305?325 nm波长范围内。这种背景抑制不仅提高了信号的信噪比，还使得光谱的解析能力得到增强，为元素的准确识别提供了更有利的条件。

在实验优化过程中，研究团队对放电参数进行了系统调整，以确保等离子体的稳定性和样品的高效激发。通过优化电极间距、放电电压和气体流量等参数，研究团队成功实现了对多种元素的高效检测。此外，实验还考虑了可能的干扰因素，如其他元素的发射线与目标元素的发射线重叠，通过选择合适的波长和调整仪器设置，有效避免了这些干扰，提高了检测的准确性。

在实际应用方面，该微型HG-CHPD-OES设备被用于多种元素的检测，包括As、Ge、Hg、Pb、Sb、Se和Sn。实验结果表明，该设备在检测这些元素时具有较高的灵敏度和稳定性，能够满足现场快速分析的需求。此外，该设备的便携性和低功耗特性使其在环境监测、食品安全、应急响应和常规监测等领域的应用前景广阔。

研究团队的创新点在于通过交叉空心电极点放电结构，不仅提高了样品的引入效率，还扩大了等离子体区域，从而提升了整体的激发能力和效率。这种结构设计使得样品能够在等离子体区域内得到充分的激发，避免了由于局部隔离导致的样品流失问题。同时，该方法的简便操作和低成本特性也为其在实际应用中的推广提供了便利。

在实验过程中，研究团队还对设备的性能进行了详细评估，包括光谱特性、激发效率、样品引入效率以及检测精度等方面。实验结果表明，该设备在各项指标上均表现优异，能够满足高灵敏度检测的需求。此外，该设备的便携性和低功耗特性使其在实际应用中更加灵活和高效，为现场快速分析提供了新的解决方案。

总的来说，这项研究为点放电微型等离子体光源的性能提升提供了有效的策略，特别是在提高激发能力和样品引入效率方面取得了显著进展。该方法不仅提升了微型OES设备的分析性能，还展示了其在快速现场元素分析中的应用潜力。通过与氢化物发生技术的结合，该设备能够高效地引入样品蒸气，实现对多种元素的高灵敏度检测，为环境监测、食品安全等领域的分析提供了新的技术支持。