ICP-OES基础理论PPT精选文档

1、ICP-OES基本理论基本理论 PerkinElmer 上海办事处2 一、一、ICP发射光谱概述及分析原理发射光谱概述及分析原理3 原子发射光谱的历史原子发射光谱的历史4 原子发射光谱分析法的优点原子发射光谱分析法的优点5 原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。谱线对待测元素进行分析的方法。原子发射光谱法包括了三个主要的过程原子发射光谱法包括了三个主要的过程，即：，即： 由光源提供能量使样品蒸发、形成气态原子、并进一步使气由光源提供能量使样品蒸发、形成气态原子、并进一步使气

2、态原子激发态原子激发而产生光辐射；而产生光辐射； 将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线，形成光谱；将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线，形成光谱； 用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。 由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不同，因此发射强度可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不同，因此发射强度不同，可实现元素的定量测定。不同，可实现元素的定量测定。6 1913年年Bohr提出了原子结构学说

3、，其要点如下：提出了原子结构学说，其要点如下： 电子绕核作圆周运行，可以有若干个分立的圆形轨道，在不同轨道上运行的电子绕核作圆周运行，可以有若干个分立的圆形轨道，在不同轨道上运行的电子处于不同的能量状态。在这些轨道上运行的电子不辐射能量，即处于定电子处于不同的能量状态。在这些轨道上运行的电子不辐射能量，即处于定态。在多个可能的定态中，能量最低的态叫基态，其它称为激发态态。在多个可能的定态中，能量最低的态叫基态，其它称为激发态 原子可以由某一定态跃迁至另一定态。在此过程中发射或吸收能量，两态之原子可以由某一定态跃迁至另一定态。在此过程中发射或吸收能量，两态之间的能量差等于发射或吸收一个光子所具有

4、的能量，即间的能量差等于发射或吸收一个光子所具有的能量，即: h =E2-E1 上式称为上式称为Bohr频率条件频率条件。式中，。式中，E2 E1。如。如E2为起始态能量，则发射辐射；为起始态能量，则发射辐射；如如E2为终止态能量，则吸收辐射。为终止态能量，则吸收辐射。h为为planck常数（常数（6.626210-34JS）。）。 原子可能存在的定态只能取一些不连续的状态，即电子只能沿着特定的轨道原子可能存在的定态只能取一些不连续的状态，即电子只能沿着特定的轨道绕核旋转。在这些轨道上，电子的轨道运动角动量绕核旋转。在这些轨道上，电子的轨道运动角动量P 必须等于必须等于h/2 的正整数的正整数

5、倍。即倍。即: P = nh/2 （n=1，2，3） 此式称为此式称为Bohr量子化规则量子化规则，n称为主量子数据。称为主量子数据。7 + 激发激发8 n电子返回低能级电子返回低能级n发出特定波长的光发出特定波长的光 D DE=k/l l k =12400 =12400光光+ 发射发射9 n多种能量传输n发射光取决于能级间能量差返回基态发出光+激发态DE = h = hc/l h = Plancks 常数, = 频率, c = 光速, l = 波长 原子光谱的产生原子光谱的产生10 激发发射能量 离子激发态 离子基态abcda,b激发c 电离d 离子激发efghe 离子发射f,g,h 原子发

6、射 激发态 l 4l 3l 2l 1 能级图能级图11 强度强度C浓度浓度0ICI 定量分析定量分析12 电感耦合等离子体发射光谱仪系统电感耦合等离子体发射光谱仪系统光谱仪系统光谱仪系统检测器检测器光学传递光学传递等离子炬管等离子炬管等离子炬等离子炬蠕动泵蠕动泵雾化室雾化室氩气氩气样品样品高频发生器高频发生器数据系统数据系统微处理器微处理器和电子控制系统和电子控制系统废液口废液口雾化器雾化器样品喷射管样品喷射管13 原子发射光谱仪的发展历程就是寻找高温稳定光源的历程 火花火花交流电弧交流电弧电感耦合等离子体（电感耦合等离子体（ICP）微波诱导等离子体（微波诱导等离子体（MIP）火焰火焰温度：温

7、度：20003000K，稳定性：很好，稳定性：很好温度：温度：40007000K，稳定性：好，稳定性：好温度：温度：40007000K，稳定性：差，稳定性：差温度：温度：60008000K稳定性：很好稳定性：很好直流电弧直流电弧激光激光温度：温度：10000K，稳定性：好，稳定性：好温度：温度：10000K稳定性：很好稳定性：很好14 电感耦合等离子体电感耦合等离子体 ICP 温度高达7000度 工作气体氩气 溶液进样 检出限低 稳定性好 线性范围宽 ICP- OES 多元素测定15 ICP辅助气辅助气冷却气冷却气等离子体等离子体RF线圈线圈雾化气雾化气+ 样品气溶胶样品气溶胶 环型电流环型电

8、流16 等离子体（等离子体（Plasma）一词首先由一词首先由Langmuir在在1929年提出，目前一年提出，目前一般指电离度超过般指电离度超过0.1%被电离了的气体，这种气体不仅含有中性原子被电离了的气体，这种气体不仅含有中性原子和分子，而且含有大量的电子和离子，且电子和正离子的浓度处于平和分子，而且含有大量的电子和离子，且电子和正离子的浓度处于平衡状态，从整体来看是处于中性的。从广义上讲像火焰和电弧的高温衡状态，从整体来看是处于中性的。从广义上讲像火焰和电弧的高温部分、火花放电、太阳和恒星表面的电离层等都是等离子体。部分、火花放电、太阳和恒星表面的电离层等都是等离子体。 等离子体可以按温

9、度分为高温等离子体和低温等离子体两大类。当温等离子体可以按温度分为高温等离子体和低温等离子体两大类。当温度高达度高达106-108K时，所有气体的原子和分子完全离解和电离，称为高时，所有气体的原子和分子完全离解和电离，称为高温等离子体；当温度低于温等离子体；当温度低于105K时，气体部分电离，称为低温等离子时，气体部分电离，称为低温等离子体。体。 17 ICP光源的特性光源的特性 趋肤效应趋肤效应：高频电流在导体上传输时，由于导体的寄生分布电感的作用，：高频电流在导体上传输时，由于导体的寄生分布电感的作用，使导线的电阻从中心向表面沿半径以指数的方式减少，因此高频电流的传使导线的电阻从中心向表面

10、沿半径以指数的方式减少，因此高频电流的传导主要通过电阻较小的表面一层，这种现象称为趋肤效应。等离子体是电导主要通过电阻较小的表面一层，这种现象称为趋肤效应。等离子体是电的良导体，它在高频磁场中所感应的环状涡流也主要分布在的良导体，它在高频磁场中所感应的环状涡流也主要分布在ICP的表层。的表层。从从ICP的端部用肉眼即可观察到在白色圈环中有一亮度较暗的内核，俗称的端部用肉眼即可观察到在白色圈环中有一亮度较暗的内核，俗称“炸面圈炸面圈”结构。这种结构提供一个电学的屏蔽筒，当试样注入结构。这种结构提供一个电学的屏蔽筒，当试样注入ICP的通的通道时不会影响它的电学参数，从而改善了道时不会影响它的电学参

11、数，从而改善了ICP的稳定性。的稳定性。 S=1/(f)1/2 ( S: 趋肤层深度趋肤层深度 f: 高频电源频率高频电源频率) 通道效应：通道效应：由于切线气流所形成的旋涡使轴心部分的气体压力较外周略低，由于切线气流所形成的旋涡使轴心部分的气体压力较外周略低，因此携带样品气溶胶的载气可以极容易地从圆锥形的因此携带样品气溶胶的载气可以极容易地从圆锥形的ICP底部钻出一条通底部钻出一条通道穿过整个道穿过整个ICP。通道的宽度约。通道的宽度约2mm，长约，长约5cm。样品的雾滴在这个约。样品的雾滴在这个约7000K的高温环境中很快蒸发、离解、原子化、电离并激发。即通道可使的高温环境中很快蒸发、离解

12、、原子化、电离并激发。即通道可使这四个过程同时完成。由于样品在通过通道的时间可达几个毫秒，因此被这四个过程同时完成。由于样品在通过通道的时间可达几个毫秒，因此被分析物质的原子可反复地受激发，故分析物质的原子可反复地受激发，故ICP光源的激发效率较高。光源的激发效率较高。18 点火过程点火过程19 当有高频电流通过线圈时，产生轴向磁场，这时若用高频点火装置当有高频电流通过线圈时，产生轴向磁场，这时若用高频点火装置产生火花，形成的载流子（离子与电子）在电磁场作用下，与原子产生火花，形成的载流子（离子与电子）在电磁场作用下，与原子碰撞并使之电离，形成更多的载流子，当载流子多到足以使气体有碰撞并使之电

13、离，形成更多的载流子，当载流子多到足以使气体有足够的导电率时，在垂直于磁场方向的截面上就会感生出流经闭合足够的导电率时，在垂直于磁场方向的截面上就会感生出流经闭合圆形路径的涡流，强大的电流产生高热又将气体加热，瞬间使气体圆形路径的涡流，强大的电流产生高热又将气体加热，瞬间使气体形成最高温度可达形成最高温度可达10000K的稳定的等离子炬。感应线圈将能量耦的稳定的等离子炬。感应线圈将能量耦合给等离子体，并维持等离子炬。当载气载带试样气溶胶通过等离合给等离子体，并维持等离子炬。当载气载带试样气溶胶通过等离子体时，被后者加热至子体时，被后者加热至6000-7000K，并被原子化和激发产生发射，并被原

14、子化和激发产生发射光谱。光谱。20 ICP各区域的温度各区域的温度21 ICP各区域的分布各区域的分布 ICPICP发射过程发射过程22 电感耦合等离子体光谱仪的发展（ICP-OES） 单道单道+多通道多通道多通道多通道全谱直读全谱直读摄谱仪摄谱仪平面光栅平面光栅+相板相板 （1970）全谱，但不能直读全谱，但不能直读凹面光栅凹面光栅+光电倍增管光电倍增管直读，但不能同时测量背景，不是全谱直读，但不能同时测量背景，不是全谱平面光栅平面光栅+光电倍增管光电倍增管直读，但不能同时测量背景，不是全谱直读，但不能同时测量背景，不是全谱中阶梯光栅中阶梯光栅+固体检测器固体检测器单道扫描单道扫描后全谱直读

15、时代后全谱直读时代全谱直读全谱直读开机即用开机即用23 单道单道24 多道25 全谱直读光谱仪简图全谱直读光谱仪简图26 光栅分光系统光栅分光系统 色散率色散率 分辨率分辨率 闪耀特性闪耀特性 中阶梯光栅中阶梯光栅27 色散率色散率28 分辨率分辨率29 闪耀特性闪耀特性30 中阶梯光栅中阶梯光栅31 检测器检测器32 光电倍增管光电倍增管用光电倍增管来接收和记用光电倍增管来接收和记录谱线的方法称为光电直录谱线的方法称为光电直读法。光电倍增管既是光读法。光电倍增管既是光电转换元件，又是电流放电转换元件，又是电流放大元件大元件 光电倍增管由光阴极、倍光电倍增管由光阴极、倍增及阳极构成。增及阳极构

16、成。光阴极材料依据分光系统光阴极材料依据分光系统波段范围来选择：如紫外波段范围来选择：如紫外光区选用光区选用Cs-SbCs-Sb阴极和石阴极和石英窗的管子；可见光区用英窗的管子；可见光区用Ag-Bi-O-CsAg-Bi-O-Cs阴极的管子；阴极的管子；近红外区则用近红外区则用Ag-O-CsAg-O-Cs阴阴极的管子极的管子33 CCD (charge coupled device) CCD (charge coupled device) 电荷耦合器件的基本单元是电荷耦合器件的基本单元是MOS电容器，即通称的金属电容器，即通称的金属-氧化物氧化物-半导体电容器。半导体电容器。在半导体硅在半导体硅

17、(P型硅或型硅或N型硅型硅)衬座上，热氧化形成一层衬座上，热氧化形成一层SiO2薄膜，再在上面喷涂一层薄膜，再在上面喷涂一层金属金属(或多晶硅或多晶硅)作为电极，称为栅极或控制极。当栅极加上电压时，在电极下就形成作为电极，称为栅极或控制极。当栅极加上电压时，在电极下就形成势阱，又称耗尽层。当光线照射势阱，又称耗尽层。当光线照射MOS电容时，在半导体电容时，在半导体Si片内产生光生电荷和光生片内产生光生电荷和光生电子，电荷被收集于栅极下面的势阱中，光生电荷与光强成比例，可以用作光电转电子，电荷被收集于栅极下面的势阱中，光生电荷与光强成比例，可以用作光电转换器件。换器件。 CCD防电荷溢出方法，一

18、种是在溢出电荷的势阱旁邻电极加偏压，使溢出的电防电荷溢出方法，一种是在溢出电荷的势阱旁邻电极加偏压，使溢出的电荷在那里被复合，即建立势垒吸引溢出电荷。另一种是设置荷在那里被复合，即建立势垒吸引溢出电荷。另一种是设置“排流渠排流渠”，把一组像，把一组像素用导电材料圈起来，当有电荷溢出时，通过导体将过剩电荷导出，以免溢入邻近素用导电材料圈起来，当有电荷溢出时，通过导体将过剩电荷导出，以免溢入邻近像素。像素。34 CID (charge injection device) CIDCID与与CCDCCD类似，也是由金属类似，也是由金属- -氧化氧化物物- -半导体构成的电荷转移器件。与半导体构成的电荷

19、转移器件。与CCDCCD不同，不同，CIDCID的衬底只用的衬底只用N N型硅，电型硅，电极势阱下收集的电荷是少数载流子空极势阱下收集的电荷是少数载流子空穴。在穴。在N N型硅的衬底上氧化成一层型硅的衬底上氧化成一层SiO2SiO2薄膜，薄膜上装有两个电极。当薄膜，薄膜上装有两个电极。当有光照射时，硅片中产生电子空穴对有光照射时，硅片中产生电子空穴对。当控制电极被施加负电压时，空穴。当控制电极被施加负电压时，空穴被收集在电极下的势阱中，电荷的量被收集在电极下的势阱中，电荷的量与光强成正比，电荷可以的两个电极与光强成正比，电荷可以的两个电极之间转移并读出。当许多单个的之间转移并读出。当许多单个的

20、CCDCCD构构成面阵时，就构成二维的电荷注入阵成面阵时，就构成二维的电荷注入阵列检测器。列检测器。由于由于CCDCCD与与CIDCID结构的不同，结构的不同，CCDCCD可以可以背投，而背投，而CIDCID不能，且表面要涂不能，且表面要涂荧光剂，将紫外光转化成荧光剂，将紫外光转化成可见光。可见光。35 二、二、ICP的主要分析性能和参数的主要分析性能和参数 1检出限 2稳定性 3准确度 4. ICP主要工作参数36 检出限检出限 DL = K x C xI0 / (I-I0) x RSD0% = K x BEC x RSD0% = 0.01 K BEC (RSD0% = 1%) K=337

21、C0ICBEC 背景等效浓度背景等效浓度BECC / BEC = (I-I0 )/ I0 BEC = C * I0 / (I-I0)I0I38 稳定性稳定性 短期 RSD 0.5 % 长期 RSD 1.5 %39 准确度准确度样品处理消除干扰消除基体效应40 ICP ICP主要工作参数主要工作参数雾化气流量积分时间狭缝宽度ICP工作参数与分析性能的关系见下表41 积分时间和检出限的关系积分时间和检出限的关系42 应用中的一些问题应用中的一些问题1.样品前处理2.分析方法中的干扰校正 物理干扰: 由于ICP光谱分析的试样为溶液状态，因此溶 液的粘度、比重及表面张力等均对雾化过程、 雾滴粒径、气溶

22、胶的传输以及溶剂的蒸发等都 有影响，而粘度又与溶液的组成，酸的浓度和 种类及温度等因素相关。 酸粘度以下列的次序递增： HClHNO3HClO4H3PO4H2SO4 43 影响样品提升和雾化 粘度 酸度 表面张力 溶液浓度44 光谱干扰：光谱干扰主要分为两类，一类是谱线重叠干扰，它是由于光谱 仪色散率和分辨率的不足，使某些共存元素的谱线重叠在 分析上的干扰。另一类是背景干扰，这类干扰与基体成分及 ICP光源本身所发射的强烈的杂散光的影响有关。对于谱线重 叠干扰，采用高分辨率的分光系统，决不是意味着可以完全 消除这类光谱干扰，只能认为当光谱干扰产生时，它们可以 减轻至最小强度。因此，最常用的方法是选择另外一条干扰少 的谱线作为分析线，或应用干扰因子校正法(IEC)或多谱拟合 (MSF)以予校正。化学干扰：ICP光谱分析中的化学干扰，比起火焰原子吸收光谱或火焰原 子发射光谱分析要轻微得多，因此化学干扰在ICP发射光谱分析 中可以忽略不计。 45 电离干扰：电离干扰：由于ICP中试样是在通道里进行蒸发、离解、电离和激发的，试样成 分的变化对于高频趋肤效应的电学参数的影响很小，因而易电离元素 的加