王 建 王振坤 刘利剑 莫宇清 陈 春 崔 昕 靳 鹏

王 建 ¹ 王振坤 ^{2 *} 刘利剑 ³ 莫宇清 ² 陈 春 ² 崔 昕 ² 靳 鹏 ²

摘 要 本文系统梳理了电感耦合等离子体发射光谱技术的理论基础、通用结构、技术特点及其研究进展，并对电感耦合等离子体发射光谱技术在环境监测、地质勘探、矿石分析、食品检测、固废属性鉴别等领域的应用效果进行探讨。与传统化学分析法相比，电感耦合等离子体发射光谱技术具有高通量、速度快、精度高等优势，是分析检测领域的重要检测手段，为众多行业领域的生产检测与质量管控提供了技术支撑。

关键词 电感耦合等离子体发射光谱；元素分析；高通量

Research on the Current Status of Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-OES) Technology and Its Applications

WANG Jian¹ WANG Zhen-Kun^2* LIU Li-Jian³ MO Yu-Qing²

CHEN Chun² CUI Xin² Jin Peng²

Abstract This review systematically summarizes the theoretical foundations, general instrumentation, technical features, and recent research progress of Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). It also discusses the application performance of ICP-OES in fields such as environmental monitoring, geological exploration, ore analysis, food testing, solid waste characterization, and beyond. Compared to traditional wet chemical analysis methods, ICP-OES offers significant advantages including high throughput, rapid analysis, and high precision. As a key technique in modern analytical chemistry, it provides robust technical support for production testing, quality control, and regulatory compliance across numerous industries.

Keywords Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES); elemental analysis; high-throughput

第一作者：王建（1971—），男，汉族，天津人，本科，主要从事矿产品、金属材料检验工作，E-mail: wangjian@tj.ccic.com

通信作者：王振坤（1978—），男，汉族，河北唐山人，硕士，高级工程师，主要从事实验室管理、港口环境污染防治以及矿产品、金属材料检测工作，E-mail: 345667870@qq.com

1. 中国检验认证集团天津有限公司 天津 300000

2. 天津海关 天津 300450

3. 天津市第二耀华中学 天津 300000

1. China CertifiCation＆Inspection Group,Tianjin CO., LTD, Tianjin 300000

2. Tianjin Customs, Tianjin 300450

3. Tianjin No. 2 Yaohua High School, Tianjin 300000

元素分析是环境监测、食品安全、工业质量控制等领域的核心技术环节，其检测精密度、准确度与效率直接决定了风险管控、质量把关及科研探索的成效。近年来，随着全球工业化进程加快、环保政策日趋严格及高端制造业转型升级，对无机元素分析需求增长。目前，无机元素光谱分析领域常用技术主要包括原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectrometry，AAS）、X射线荧光光谱法（X-ray Fluorescence，XRF）、电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，ICP-OES）等，各类技术凭借自身特点在不同场景中发挥着作用。原子吸收光谱法作为经典的元素分析技术，操作简便、仪器成本较低，对单元素分析具有较高的选择性和精度，在中小型实验室单元素常规检测中应用广泛，但该技术一次检测仅能分析一种元素，需频繁更换空心阴极灯，分析效率低，且对高温难熔元素原子化困难，难以满足多元素同步检测的需求^[1-2]。X射线荧光光谱法具备无损检测优势，样品无需复杂前处理，检测速度快，可实现固体、液体、粉末样品的快速筛查，适用于批量样品的初步检测，但该技术对轻元素灵敏度较低，深度分析仅局限于表层微米级，定量精度受基体效应影响较大，难以满足痕量元素精准检测的要求^[3]。

20世纪70年代末，ICP-OES在我国开始使用，逐步成为无机元素分析领域的主流技术^[4]，一是多元素同时分析能力强，可在一次分析中同步检测几十种元素，大幅提升分析效率；二是灵敏度高，能够满足痕量元素检测需求；三是宽动态范围，可达6～7个数量级，可同时检测样品中高浓度与低浓度元素；四是分析速度快，单个样品分析时间仅需几分钟，且精度与准确度高，通过标准曲线和内标校正可获得可靠的检测结果。此外，ICP-OES还具备良好的基质耐受性，可适配环境、食品、地质、冶金等领域的复杂基质样品检测，有效解决了传统技术难以适配复杂样品分析的难题^[5]。但是ICP-OES技术的发展在小型化、便携化、智能化方面还有待提升，目前对测试人员的经验依赖程度较高^[6]。

1 电感耦合等离子体发射光谱技术原理

当高频电磁场作用于工作气体（如氩气）时，气体分子被电离形成等离子体，这种等离子体具有极高的温度和能量，为样品激发提供了理想的条件。样品溶液通过进样系统进入等离子体发生器，在电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）的高温高能环境中被蒸发、汽化、离解或分解为原子状态，进而被激发。激发后的原子发出特定波长的光，这些光经过光学系统聚焦后进入光谱检测器。光谱检测器将光信号转化为电信号，再经过数据处理，最终得到样品中元素的含量信息^[7]。ICP-OES的工作原理基于电感耦合等离子体技术，如图1所示^[7]。

2 设备通用结构和组件及其作用

进样系统负责将样品溶液引入等离子体发生器，包括蠕动泵、雾化器等部件，确保样品均匀、稳定地进入等离子体。

等离子体发生器通过高频电磁场电离使工作气体形成等离子体。等离子体的高温高能环境为样品激发提供条件。

光谱检测器负责捕捉激发后原子发出的特定波长的光，并将其转化为电信号进行数据处理。常见的检测器类型包括光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）和电荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD）。

3 电感耦合等离子体发射光谱技术发展现状

3.1 进样系统

常见的进样方式有气动雾化进样、超声雾化进样、微波消解等。气动雾化进样操作简单，但雾化效率相对较低；超声雾化进样可产生更小粒径的雾滴，提高进样效率和灵敏度^[8]；微波消解则能在封闭系统中快速、高效地消解样品，减少挥发性元素的损失，适用于复杂样品的前处理^[9]。近年来电热蒸发（Electrothermal Vaporization，ETV）技术被引入ICP-OES中，直接通过固体样品分析减少了样品前处理的复杂性，提高了检测灵敏度^[10]。李冰等^[11]在研究中使用高精度的蠕动泵、注射泵或气体流量控制器等设备，实现了对进样量的精确调节和稳定输送，有效提高了分析的准确性和重复性。王贤华等^[12]采用特殊的进样装置和稀释策略，使用耐高盐雾化器和在线稀释系统，防止盐分在炬管口积累，影响等离子体的稳定性和分析性能，为高盐样品的分析提供了有效解决方案。

3.2 等离子体光源

早期的ICP-OES主要采用侧视等离子体设计，后来逐渐发展出底视等离子体（Bottom View Pplasma）技术，底视设计通过使用空心光管收集等离子体中心的发射光谱，显著提高了检测灵敏度和线性范围^[13]。陈志波等^[14]指出高频发生器是产生等离子体的核心部件，具有频率稳定、功率可调、效率高等优点，能够为等离子体提供持续、稳定的高频能量，使样品在等离子体中充分激发和离解，保证了分析的灵敏度和准确性。炬管是形成等离子体的核心部件，其材质、结构和尺寸对等离子体的性能有重要影响，刘英等^[15]对炬管设计进行了优化，采用高纯度的石英或氧化铝等材料制作炬管，提高了其耐高温、耐腐蚀性能。王贤华等^[12]通过精确控制工作气体的流量、压力和高频发生器的功率等参数，实现了对等离子体温度、电子密度和离子体密度等参数的稳定控制，确保分析过程中等离子体的一致性和稳定性，从而提高了分析结果的准确性和精密度。

3.3 分光系统

高分辨率分光技术是ICP-OES的关键技术之一^[16]，采用先进的光学系统和检测器，如中阶梯光栅光谱仪、全息刻线光栅光谱仪等，具有较高的光谱分辨率和波长准确性，能够将样品发射的复合光精确分解成不同波长的单色光，实现对元素特征谱线的准确识别和测量，满足复杂样品分析的需求。张锦等^[17]研究表明，配备多个检测通道和高性能的光电检测器，同时对多个元素的特征谱线进行检测和测量，能够大大提高分析速度和效率，缩短分析时间，提升工作效率。李冰等^[18]指出，在ICP-OES分析中，背景噪声和干扰信号会影响分析结果的准确性。采用先进的背景校正技术，如同步背景校正、内标法、背景拟合等，可以有效扣除背景信号，提高分析的灵敏度和准确性，保证分析结果的可靠性。

3.4 检测器

CCD和PMT等高灵敏度检测器的引入，使ICP-OES能够同时检测多种元素，并显著降低了检测限^[19]。近年来时间飞行质谱与ICP-OES的联用技术进一步提高了分析速度和分辨率^[20]。

3.5 数据处理软件

赵君威等^[21]综述了利用先进的数据处理系统能够快速、准确地处理大量的光谱数据，实现光谱的识别、强度计算、背景校正等功能，为定性和定量分析提供可靠的数据支持。曾仲大等 ^[22] 在论述中提到，智慧型复杂科学仪器数据处理软件系统可用于色谱、质谱和光谱数据处理与信息提取挖掘， 智慧的数据处理策略通过创造性的算法流思想, 可实现一键数据处理和多模型处理， 在智能数据批载入和同时建模、验证与预测等方面取得突破；更强大的数据处理功能，系统集成多变量数据预处理、特征选择、探索性分析、分类和回归建模方法；更简捷的操作，更好的用户体验，系统深度挖掘复杂数据处理的内在逻辑， 使用户更便捷地获得需要的数据、图形与模型结果，以及彼此间的交互。

4 主要应用领域和案例分析

4.1 环境监测

ICP-OES可用于检测土壤、水体中的重金属元素含量 ^[23-24]，为环境保护提供有力支持。随着工业化和城市化进程的加速，重金属污染已经成为全球关注的重要环境问题。重金属由于其持久性、生物可累积性和潜在的毒性，对生态环境和人类健康构成严重威胁。尤其在土壤和大气中，重金属的存在和分布直接关系到生态系统的稳定性和人类的生活质量^[25-26]。

4.2 地质勘探

地质元素地球化学特征研究是地质科学中的一个重要领域，主要关注地壳中各种元素的分布、迁移和富集规律，以及这些规律与地质过程之间的关系。吴盾等^[27]利用ICP测定了371个煤样品的稀土元素含量，对于稀土元素的发现具有指向性意义。杨亚丽等^[28]利用ICP-OES和电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）等多种设备对太原西山矿区杜儿坪井田夹矸的地球化学特征及其地质成因进行了研究，发现其矿物主要成分，并伴有微量元素镉、硒、钼、铅的富集。近年来在元素分析方面，ICP-OES在地质领域的应用越来越广泛，其对于多元素测定的准确性和稳定性得到了进一步的提高，在该领域取得了一系列重要的研究成果和技术进展。

4.3 矿产品检测

随着全球化进程的加速，不同国家和地区的矿石贸易日益频繁，对进口矿石的质量、成分及其对环境和健康的影响进行准确评估成为了当务之急。ICP-OES作为先进的仪器分析技术，被广泛应用于测定矿石中的有害和有益元素。例如，潘宏伟等^[29]研究发现，澳大利亚、巴西、委内瑞拉的铁矿石中有毒有害元素含量较低，部分印度铁矿石中砷含量较高，伊朗铁矿石中钒、钴、镍含量较高，应采取控制措施。张伟等^[30]优化了进口铜精矿的样品处理技术，利用盐酸和硝酸溶解样品，通过优化溶样条件和光谱条件建立了测定铜精矿中有害元素的精确方法。李鲜红^[31]建立了火试金富集ICP-OES法同时测定进口镍精矿中的金、铂、钯含量的分析方法。萧达辉等^[32]用ICP-OES测定煤炭样品中砷、磷和硫含量，采用标准加入法建立标准曲线，利用标准物质进行校正，检测结果和GB/T 3058—2019《砷钼蓝分光光度法》、GB/T 216—2003《磷钼蓝分光光度法》和GB/T 25214—2010《红外光谱法》的分析结果基本一致，准确可靠。梁悦锋等^[33]用ICP-OES对试液中锂进行测定，建立了超级微波消解—电感耦合等离子体原子发射光谱法测定锂矿中氧化锂的方法，与现行标准方法相比可节省80%氢氟酸用量，适用于进出口锂矿的快速检验通关。郑程等^[34]为解决锡矿石分析成本高、流程长、过程复杂等问题，建立了ICP-OES同时测定锡矿中锡、硅、锌、铜、铁、铅、砷、铋、锑、钠等10种元素的方法，方法精密度好、准确度高，能够满足难溶锡矿中多种元素的同时测定。王颖^[35]建立了铁矿石中铬、镍和钒的含量全自动石墨消解—ICP-OES法，准确度和精密度高。

4.4 金属材料分析领域

随着现代工业和科学技术的迅速发展，对金属材料中元素的精确分析需求日益增加，ICP-OES凭借其高效、准确和灵敏的特点，已经成为金属分析领域的重要手段，应用涵盖了各种金属和合金的分析，从贵金属到普通金属，再到高硅耐热钢等特殊材料，特别是在痕量和超痕量元素的分析上展现出卓越的性能。薛宁^[36]阐述了ICP-OES在轻金属冶金分析中的适用性和可靠性，并对检测干扰因素及消除方法进行了详细解析。2021年“冶金材料成分定量检测与分布表征的ICP分析仪器开发与推广应用”项目针对冶金原辅料、金属材料和制品中微量、痕量至超痕量成分及状态进行分析，建立了测定复杂基体样品中微量至超痕量多元素ICP-OES、ICP-MS定量分析方法，以先进的仪器分析取代传统容量、滴定、比色等繁琐冗长、二次污染严重的方法，显著提升了测试效率和水平，提升了国产分析仪器设计制造和应用水平^[37]。

4.5 食品检测

食品安全一直是公众关注的焦点，微量元素是食品安全检测和营养分析的重要内容。杨元等^[38]建立了ICP-OES测定食品中的总磷含量的方法，胡小玲等^[39]建立了ICP-OES测定食品中硼砂含量的方法，林金水^[40]建立了ICP-OES测定食品中铝含量的方法，陈伟珍等^[41]采用硝酸—过氧化氢体系，用微波消解法处理样品，建立了ICP-OES测定食品中锌、铁、锰、铜、镉、铬、砷等7种重金属元素的方法。刘松等^[42]建立了一种同时测定茶叶中重金属砷、铅、镉、铬的微波消解—ICP-OES法，检测结果和标准物质认定值相符。陈晞等^[43]建立了微波消解—ICP-OES法测定食品膨松剂中滑石粉的检测方法，该方法样品前处理简单高效，方法精密度、准确度高。李秀林等^[44]建立了ICP-OES测定胡蜂酒中20种无机元素的方法，磷、钾、钠元素占测定总元素的96.14%，有害元素含量符合国家药典标准要求，形成无机元素对照指纹图谱，为胡蜂酒的鉴别提供了一定的参考依据。陈丽梅等^[45]建立了微波灰化—ICP-OES测定婴幼儿乳粉中钙、磷元素含量的方法，能够满足日常检测要求，且具有用时短、用酸量少、消解效果好的特点。

4.6 固废属性鉴别

随着工业化和城市化进程的加速，固体废物的排放量日益增加，如何有效、准确、快速地测定固体废物中的金属元素含量已成为环境监测和污染控制的关键问题。固体废物中金属元素的测定对于评估其对环境的潜在风险、制定资源回收策略以及实现固体废物的减量化、资源化和无害化处理具有至关重要的意义。段路路等^[46]验证了ICP-OES对固体废物中六价铬的测定方法；冯丽萍等^[47]建立了ICP-OES同时测定固体废物浸出液中铜、锌、铍、镍、总铬、铅、镉7种金属元素含量的方法；杨开放等^[48]应用ICP-OES对国内各种矿业固体废物、化工固体废物、垃圾固体废物中金属元素检测进行了研究，为我国固体废物监测方法和管理体系建立提供了参考依据。储德韧等^[49]采用微波消解—ICP-OES法测定固体废弃物中重金属铬、镉、汞和铅的含量，建立了测定重金属含量的不确定度测量模型，为如何准确测定并评估测定结果的不确定性提供了方法。黎俏等^[50]建立了ICP-OES同时测定废铝基催化剂中镍、钴、钒、钼的含量的方法。样品利用氢氧化钠焙烧，后用硫酸溶解浸出，最后用ICP-OES测定，方法检出限、精密度、准确度均符合要求，废铝基催化剂中镍、钴、钒、钼的定量分析方法的建立有助于评估其综合回收利用价值。张燕群等^[51]建立了微波消解—ICP-OES同时测定固体废物中碲、钯、铂、锡含量的方法，方法检测效率高，精密度、准确度良好，可满足检测和鉴别需求，样品中碲、钯、铂、锡的定量分析有助于固体废物和危险废物的识别。

4.7 化工品检测

莫蔓等^[52]将减顶油样品和航空煤油样品混合，建立了ICP-OES低温雾化测定样品中总硅的定量方法，解决了现有方法只能检测游离硅而无法检测挥发性有机硅造成的总硅测定结果不准确的问题。戴东情等^[53]建立了ICP-OES测定汽车尾气净化催化剂中的铂、钯、铑的方法，先采用火试金法富集汽车尾气净化催化剂中的铂、钯、铑，使用硝酸、盐酸混合酸溶解后上机检测，检测结果和标准物质认定值一致。

5 结语

尽管ICP-OES技术已经相当成熟，但仍面临一些挑战和机遇。随着分析需求的多样化和现场检测的普及，微型化和便携化成为ICP-OES技术发展的重要方向。开发低成本、低能耗的便携式ICP仪器，将极大地扩展其应用场景，如野外地质调查和应急环境监测等场景。ICP-OES与其他分析技术的联用也将是未来发展的趋势，例如ICP与质谱（Mass Spectrometry，MS）的联用技术已经在元素分析和同位素分析中展现了强大的潜力，ICP与色谱技术的联用也将为元素形态分析提供更全面的解决方案。另外，随着人工智能（Artificial Intelligence，AI）和机器学习（Machine Learning，ML）技术的引入，ICP-OES数据处理将更加智能化和自动化，从而使数据分析精度和效率大幅提升。

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图1 电感耦合等离子体发射光谱仪工作原理

Fig.1 Schematic diagram of the working principle of an

inductively coupled plasma optical emission spectrometer