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2020 2 18 一 概述generalization 原子发射光谱分析法 atomicemissionspectroscopy AES 元素在受到热或电激发时 由基态跃迁到激发态 返回到基态时 发射出特征光谱 依据特征光谱进行定性 定量的分析方法 1859年 基尔霍夫 KirchhoffGR 本生 BunsenRW 研制第一台用于光谱分析的分光镜 实现了光谱检验 1930年以后 建立了光谱定量分析方法 在原子吸收光谱分析法建立后 其在分析化学中的作用下降 新光源 ICP 新仪器的出现 作用加强 2020 2 18 原子发射光谱分析法的特点 1 可多元素同时检测各元素同时发射各自的特征光谱 2 分析速度快试样不需处理 同时对几十种元素进行定量分析 光电直读仪 3 选择性高各元素具有不同的特征光谱 4 检出限较低10 0 1 g g 1 一般光源 ng g 1 ICP 5 准确度较高5 10 一般光源 1 ICP 6 ICP AES性能优越线性范围4 6数量级 可测高 中 低不同含量试样 缺点 非金属元素不能检测或灵敏度低 2020 2 18 二 原子发射光谱的产生formationofatomicemissionspectra 在正常状态下 元素处于基态 元素在受到热 火焰 或电 电火花 激发时 由基态跃迁到激发态 返回到基态时 发射出特征光谱 线状光谱 特征辐射 基态元素M 激发态M 热能 电能 E 2020 2 18 原子的共振线与离子的电离线 原子由第一激发态到基态的跃迁 第一共振线 最易发生 能量最小 原子获得足够的能量 电离能 产生电离 失去一个电子 一次电离 离子由第一激发态到基态的跃迁 离子发射的谱线 电离线 其与电离能大小无关 离子的特征共振线 原子谱线表 I表示原子发射的谱线 II表示一次电离离子发射的谱线 III表示二次电离离子发射的谱线 Mg I285 21nm II280 27nm 2020 2 18 Na能级图 由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线 2020 2 18 三 谱线强度spectrumlineintensity 原子由某一激发态i向低能级j跃迁 所发射的谱线强度与激发态原子数成正比 在热力学平衡时 单位体积的基态原子数N0与激发态原子数Ni的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律 gi g0为激发态与基态的统计权重 Ei 为激发能 k为玻耳兹曼常数 T为激发温度 发射谱线强度 Iij NiAijh ijh为Plank常数 Aij两个能级间的跃迁几率 ij发射谱线的频率 将Ni代入上式 得 2020 2 18 谱线强度 影响谱线强度的因素 1 激发能越小 谱线强度越强 2 温度升高 谱线强度增大 但易电离 2020 2 18 四 谱线的自吸与自蚀self absorptionandselfreversalofspectrumline 等离子体 以气态形式存在的包含分子 离子 电子等粒子的整体电中性集合体 等离子体内温度和原子浓度的分布不均匀 中间的温度 激发态原子浓度高 边缘反之 自吸 中心发射的辐射被边缘的同种基态原子吸收 使辐射强度降低的现象 元素浓度低时 不出现自吸 随浓度增加 自吸越严重 当达到一定值时 谱线中心完全吸收 如同出现两条线 这种现象称为自蚀 谱线表 r 自吸 R 自蚀 2020 2 18 一 仪器类型与流程typesandprocessofAES 原子发射光谱分析仪器的类型有多种 如 火焰发射光谱 微波等离子体光谱仪 感耦等离子体光谱仪 光电光谱仪 摄谱仪等 原子发射光谱仪通常由三部分构成 光源 分光 检测 2020 2 18 二 火焰光度计flamespectrometer 利用火焰作为激发光源 仪器装置简单 稳定性高 该仪器通常采用滤光片 光电池检测器等元件 价格低廉 又称火焰光度计 常用于碱金属 钙等谱线简单的几种元素的测定 在硅酸盐 血浆等样品的分析中应用较多 对钠 钾测定困难 仪器的选择性差 2020 2 18 三 光谱仪 摄谱仪 spectrophotometer 将原子发射出的辐射分光后观察其光谱的仪器 按接受光谱方式分 看谱法 摄谱法 光电法 按仪器分光系统分 棱镜摄谱仪 光栅摄谱仪 光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有更大的分辨率 摄谱仪在钢铁工业应用广泛 性能指标 色散率 分辨率 集光能力 2020 2 18 1 摄谱仪光路图 2020 2 18 2 摄谱仪的观察装置 1 光谱投影仪 映谱仪 光谱定性分析时将光谱图放大 放大20倍 2 测微光度计 黑度计 定量分析时 测定接受到的光谱线强度 光线越强 感光板上谱线越黑 S lg 1 T lg I0 I 2020 2 18 四 电弧和电火花发射光谱仪arcandelectricsparkemissionspectrometer 光源的作用 为试样的气化原子化和激发提供能源 直流电弧2 低压交流电弧 高压火花 2020 2 18 一 概述generalization二 ICP AES结构流程structureofICP AES三 ICP AES原理principleandfeatureofICP AES四 ICP AES的特点featureofICP AES五 等离子体发射光谱仪plasmaemissionspectrometry 第三节等离子体发射光谱仪 atomicemissionspectrometry AES plasmaemissionspectrometry 2020 2 18 一 概述generalization 原子发射光谱在50年代发展缓慢 1960年 工程热物理学家Reed 设计了环形放电感耦等离子体炬 指出可用于原子发射光谱分析中的激发光源 1960年 工程热物理学家Reed设计了环形放电感耦等离子体炬 指出可用于原子发射光谱分析中的激发光源 光谱学家法塞尔和格伦菲尔德用于发射光谱分析 建立了电感耦合等离子体光谱仪 ICP AES 70年代获ICP AES应用广泛 2020 2 18 等离子体简介 大家都知道物质的三种状态 固态 液态和气态 其实物质还有第四种状态 那就是等离子态 以我们平时最常见到的水为例 冰升温至0 会变成水 如将温度继续升至100 水就会沸腾 并逐步变成水蒸气 随着温度的上升 物质的存在状态一般会呈现出固态 液态 气态三种物态的转化过程 我们把这三种基本形态称为物质的三态 那么如果气态物质温度升至几千摄氏度时 又会有什么新变化呢 由于分子热运动加剧 相互间的碰撞使气体分子电离 物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物 物理学家把这种电离化的气体叫做等离子体 物质的这种存在状态称为物质的第四态 因为电离过程中正离子和电子总是成对出现 所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等 总体来看为准电中性 通俗地说 等离子体就是被电离的气体 它与气体的最大区别就是其成分为带正负电荷的粒子 电子 离子 而不是其结合体 它有很高的电导率 与电磁场的耦合作用也极强 带电粒子既可与电场耦合 又可与磁场耦合 2020 2 18 等离子显示器是继液晶显示器之后的最新显示技术之一 能够适应未来数字化传播的要求 等离子彩电又称 壁挂式电视 不受磁场影响 具有机身纤薄 重量轻 屏幕大 色彩鲜艳 画面清晰 亮度高 失真度小 节省空间等优点高温等离子体主要用于能源领域的可控核聚变 托卡马克是一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器 它的名字来源于环形 真空室 磁 线圈的首字母 2020 2 18 等离子体光源的形成类型 等离子体喷焰作为发射光谱的光源主要有以下三种形式 1 直流等离子体喷焰 directcurrutplasmajet DCP 弧焰温度高8000 10000K 稳定性好 精密度接近ICP 装置简单 运行成本低 2 电感耦合等离子体 inductivelycoupledplasma ICP ICP的性能优越 已成为最主要的应用方式 3 微波感生等离子体 microwaveinducedplasma MIP 温度5000 6000K 激发能量高 可激发许多很难激发的非金属元素 C N F Br Cl C H O等 可用于有机物成分分析 测定金属元素的灵敏度不如DCP和ICP 2020 2 18 二 ICP AES的结构流程structureofICP AESandprocess 采用ICP作为光源是ICP AES与其他光谱仪的主要不同之处 主要部分 1 高频发生器自激式高频发生器 用于中 低档仪器 晶体控制高频发生器 输出功率和频率稳定性高 可利用同轴电缆远距离传送 2 等离子体炬管三层同心石英玻璃管3 试样雾化器4 光谱系统 2020 2 18 ICP AES 2020 2 18 三 ICP AES的原理principleandfeatureofICP AES ICP是由高频发生器和等离子体炬管组成 1 晶体控制高频发生器石英晶体作为振源 经电压和功率放大 产生具有一定频率和功率的高频信号 用来产生和维持等离子体放电 石英晶体固有振荡频率 6 78MHz 二次倍频后为27 120MHz 电压和功率放大后 功率为1 2kW 2020 2 18 2 炬管与雾化器 三层同心石英玻璃炬管置于高频感应线圈中 等离子体工作气体从管内通过 试样在雾化器中雾化后 由中心管进入火焰 外层Ar从切线方向进入 保护石英管不被烧熔 中层Ar用来点燃等离子体 2020 2 18 3 原理 当高频发生器接通电源后 高频电流I通过感应线圈产生交变磁场 开始时 管内为Ar气 不导电 需要用高压电火花触发 使气体电离后 在高频交流电场的作用下 带电粒子高速运动 碰撞 形成 雪崩 式放电 产生等离子体气流 在垂直于磁场方向将产生感应电流 涡电流 粉色 其电阻很小 电流很大 数百安 产生高温 又将气体加热 电离 在管口形成稳定的等离子体焰炬 2020 2 18 四 ICP AES特点featureofICP AES 1 温度高 惰性气氛 原子化条件好 有利于难熔化合物的分解和元素激发 有很高的灵敏度和稳定性 2 趋肤效应 涡电流在外表面处密度大 使表面温度高 轴心温度低 中心通道进样对等离子的稳定性影响小 也有效消除自吸现象 线性范围宽 4 5个数量级 3 ICP中电子密度大 碱金属电离造成的影响小 4 Ar气体产生的背景干扰小 5 无电极放电 无电极污染 ICP焰炬外型像火焰 但不是化学燃烧火焰 气体放电 缺点 对非金属测定的灵敏度低 仪器昂贵 操作费用高 2020 2 18 五 等离子体发射光谱仪plasmaemissionspectrometry 1 光电直读等离子体发射光谱仪光电直读是利用光电法直接获得光谱线的强度 两种类型 多道固定狭缝式和单道扫描式 一个出射狭缝和一个光电倍增管 可接受一条谱线 构成一个测量通道 单道扫描式是转动光栅进行扫描 在不同时间检测不同谱线 多道固定狭缝式则是安装多个 多达70个 同时测定多个元素的谱线 2020 2 18 特点 1 多达70个通道可选择设置 同时进行多元素分析 这是其他金属分析方法所不具备的 2 分析速度快 准确度高 3 线性范围宽 4 5个数量级 高 中 低浓度都可分析 缺点 出射狭缝固定 各通道检测的元素谱线一定 改进型 n 1型ICP光谱仪在多道仪器的基础上 设置一个扫描单色器 增加一个可变通道 2020 2 18 2 全谱直读等离子体光谱仪 采用CID阵列检测器 可同时检测165 800nm波长范围内出现的全部谱线 中阶梯光栅分光系统 仪器结构紧凑 体积大大缩小 兼具多道型和扫描型特点 CID 电荷注入式检测器 chargeinjectiondetector CID 28 28mm半导体芯片上 26万个感光点点阵 每个相当于一个光电倍增管 2020 2 18 对比 2020 2 18 仪器特点 1 测定每个元素可同时选用多条谱线 2 可在一分钟内完成70个元素的定量测定 3 可在一分钟内完成对未知样品中多达70多元素的定性 4 1mL的样品可检测所有可分析元素 5 扣除基体光谱干扰 6 全自动操作 7 分析精度 CV0 5 2020 2 18 一 光谱定性分析qualitativespectrometricanalysis二 光谱定量分析quantitativespectrometricanalysis三 特点与应用featureandapplications 第四节定性 定量分析方法 atomicemissionspectrometry AES qualitativeandquantitativeanalysismethods 2020 2 18 一 光谱定性分析qualitativespectrometricanalysis 定性依据 元素不同 电子结构不同 光谱不同 特征光谱1 元素的分析线 最后线 灵敏线分析线 复杂元素的谱线可能多至数千条 只选择其中几条特征谱线检验 称其为分析线 最后线 浓度逐渐减小 谱线强度减小 最后消失的谱线 灵敏线 最易激发的能级所产生的谱线 每种元素都有一条或几条谱线最强的线 即灵敏线 最后线也是最灵敏线 共振线 由第一激发态回到基态所产生的谱线 通常也是最灵敏线 最后线 2020 2 18 2 定性方法 标准光谱比较法 最常用的方法 以铁谱作为标准 波长标尺 2020 2 18 标准光谱比较定性法 为什么选铁谱 1 谱线多 在210 660nm范围内有数千条谱线 2 谱线间距离分配均匀 容易对比 适用面广 3 定位准确 已准确测量了铁谱每一条谱线的波长 标准谱图 将其他元素的分析线标记在铁谱上 铁谱起到标尺的作用 谱线检查 将试样与纯铁在完全相同条件下摄谱 将两谱片在映谱器 放大器 上对齐 放大20倍 检查待测元素的分析线是否存在 并与标准谱图对比确定 可同时进行多元素测定 2020 2 18 2020 2 18 二 光谱定量分析quantitativespectrometricanalysis 1 光谱半定量分析与目视比色法相似 测量试样中元素的大致浓度范围 应用 用于钢材 合金等的分类 矿石品位分级等大批量试样的快速测定 谱线强度比较法 测定一系列不同含量的待测元素标准光谱系列 在完全相同条件下 同时摄谱 测定试样中待测元素光谱 选择灵敏线 比较标准谱图与试样谱图中灵敏线的黑度 确定含量范围 2020 2 18 2 光谱定量分析