Индуктивно связанная плазма (ИСП) представляет собой поток газа, обычно аргона, нагретого до очень высокой температуры (n^.10³ К) при прохождении зоны высокочастотного (ВЧ) электрического разряда индукционного типа.

ИСП создают в специальных устройствах, называемых горелками. Схема трехпотоковой горелки изображена на рис. 1. Горелка состоит из трех диэлектрических коаксиальных трубок. Внутренняя трубка - инжектор служит для введения в плазму пробы в виде аэрозоля или газа и изготовлена из коррозионно и термически устойчивого материала. Расход транспортирующего газа через нее составляет около 1 дм³/мин.

Внешняя и промежуточная трубки выполнены из кварца, причем зазор между ними очень мал. В пространство между этими трубками тангенциально вводится поток газа с расходом 7—15 дм³/мин, так что истечение газа через зазор между трубками происходит по винтовой траектории и с высокой линейной скоростью. Главная функция этого потока – поддержание и формирование плазмы, поэтому данный поток называют плазмообразующим. Другая функция этого потока - охлаждение стенок внешней трубки, в связи с чем данный поток иногда называют охлаждающим. Между промежуточной трубкой и инжектором также тангенциально вводится небольшой поток аргона (до 2 дм³/мин) с целью предотвратить разрушение трубок разрядом, уменьшить отложения аэрозольных частиц на инжекторе и облегчить их вхождение в плазму. Этот поток называют вспомогательным.

Индуктор, образованный несколькими витками медной охлаждаемой трубки, окружает выходную часть горелки. Индуктор соединен с высокочастотным (радиочастотным) генератором, работающим при частотах 27,12 или 40,68 МГц. Возникающий в индукторе электрический ток высокой частоты создает внутри полости горелки переменное электромагнитное поле. Газ внутри горелки ионизируют маломощным искровым разрядом. Возникшие электроны ускоряются в электрическом поле индуктора, приобретают большую энергию и в процессах неупругих столкновений ионизируют плазмообразующий газ. Процесс ионизации распространяется лавинообразно. Электромагнитное поле заставляет ионы и электроны совершать колебательные движения, в ходе которых они участвуют в упругих и неупругих столкновениях, таким образом нагревая и ионизируя газ. Затраты энергии на эти процессы в размере 600-1500 Вт восполняются за счет передачи мощности от ВЧ генератора через индуктор в плазму. В результате в горелке в зоне индуктора создается самоподдерживающийся индуктивно связанный разряд. Из-за скин-эффекта, состоящего в том, что высокочастотная энергия поглощается внешней зоной плазмы, и особенностей структуры газовых потоков в горелке разряд приобретает форму тора. Самая горячая часть тороидального плазмоида имеет температуру около 10000 К, в то время как его центральная часть, нагреваемая за счет переноса тепла от тора, относительно холодная. Такое строение разряда облегчает проникновение в центральную часть факела потока транспортирующего газа, несущего в себе частицы анализируемой пробы. Потоком плазмообразующего газа и за счет его термического расширения плазма выносится из горелки, образуя факел, причем тороидальная структура в поперечном сечении факела сохраняется. По мере своего продвижения в атмосфере плазменная струя остывает. Таким образом, атомизация пробы, возбуждение и ионизация ее атомов происходит в центральной зоне факела, куда с высокой эффективностью потоком транспортирующего газа вводится образец.

 Основным видом аналитических проб для ИСП являются жидкости и, главным образом, водные растворы, которые вводят в плазму в виде аэрозоля в потоке транспортирующего газа. Для повышения эффективности ввода в плазму жидких образцов используют различные системы осушки аэрозоля. Твердые образцы, с трудом поддающиеся растворению, можно перевести в аэрозольное состояние путем искровой эрозии (металлы) или лазерной абляции, для чего разработаны специальные приспособления – искровые и лазерные сэмплеры. В ряде случаев можно применить методы отгонки аналитов в транспортирующий газ, например, в виде летучих гидридов или с применением электротермического атомизатора.

В настоящее время в атомно-эмиссионной спектрометрии существуют два способа наблюдения спектра излучения частиц пробы – радиальный, когда излучения отбирается от плазменного факела сбоку, и аксиальный (осевой) – при наблюдении центральной зоны вдоль факела.

Важной особенностью ИСП с точки зрения атомно-эмиссионной спектрометрии является пространственная неоднородность плазменного факела. Центральная область, где высока концентрация атомов и ионов аналита, окружена более горячей, но менее концентрированной, периферийной зоной, что уменьшает эффект самопоглощения при радиальном наблюдении излучения. Это обеспечивает широкий динамический диапазон (диапазон концентраций, в котором наблюдается линейный характер аналитической зависимости), составляющий 4-6 порядков величины. Кроме того, из-за аксиальной неоднородности плазмы, проявляющейся в наличии максимума температуры на определенном расстоянии от индуктора, существуют зоны оптимального возбуждения линий атомов и ионов различных элементов, выбирая которые для наблюдения можно снизить пределы обнаружения конкретных аналитов и уменьшить степень влияния сопутствующих компонентов. Аксиальное наблюдение при условии принудительного исключения самой верхушки плазменного факела обеспечивает более низкие, чем при радиальном, пределы обнаружения и достаточную линейность аналитических зависимостей большинства как средне-, так и трудновозбудимых элементов. При этом средневозбудимые элементы определяют по линиям первых ионов, а трудновозбудимые – по линиям атомов.

Положительной особенностью ИСП является относительно низкий уровень фонового излучения и его флуктуаций, что в сочетании с высокой эффективностью возбуждения спектральных линий обеспечивает низкие пределы обнаружения, Для большого круга элементов (более 70) они составляют n^.(0,1 –100) мкг/дм³, нижняя граница определяемых концентраций обычно в 50-100 раз больше. В ИСП невозможно определение элементов с энергией ионизации большей, чем у аргона, и элементов, входящих в состав атмосферного воздуха. Пределы обнаружения щелочных элементов, практически нацело ионизованных в плазме, очень высоки. Следует отметить, что эффективность возбуждения спектральных линий конкретных элементов в ИСП существенно зависит от основных операционных условий, которые подлежат выбору при разработке методик анализа. Наиболее влияющими рабочими параметрами являются мощность ВЧ тока, подаваемая в плазму, и скорость потока газа, транспортирующего аэрозоль.

Другой особенностью аргоновой ИСП является высокая, сверхтермическая концентрация электронов, достигающая значений n^.(10¹⁴-10¹⁵) см^-3, что в 10-100 раз выше, чем в дуговой плазме. Это обеспечивает очень малое (при радиальном наблюдении) или практически полное отсутствие (при аксиальном) влияния матричных и, в том числе, легкоионизируемых элементов на интенсивность спектральных линий аналитов. При анализе растворов этот факт позволяет существенно упростить процедура градуировки спектрометра, применяя образцы сравнения, не содержащие матричного элемента. Однако влияния состава проб на результаты измерений, связанные с особенностями формирования потока аэрозоля аналитической пробы в ИСП, сохраняются. Так, в случае анализа растворов на интенсивность спектральных линий влияют компоненты, определяющие поверхностное натяжение, вязкость и плотность жидкости, от которых, в свою очередь, зависит распределение по размерам частиц аэрозоля, генерируемых распылителями, а значит эффективность работы распылительной системы в целом. При анализе твердых проб влияния состава образцов на процессы образования аэрозолей более разнообразны, поэтому градуировку аппаратуры проводят по образцам сравнения, идентичным анализируемым объектам.

Важным достоинством ИСП как источника возбуждения является высокая простанственно-временная стабильность условий возбуждения, обеспеченная совершенством систем как электрического, так и газового питания плазмы. Поэтому при анализе жидких проб достигается хорошая повторяемость результатов, так что стандартное отклонение при использовании в качестве аналитического сигнала абсолютной интенсивности спектральных линий не превышает 2-5%.