第三章__AES_第二节_原子发射光谱仪器

1、第五章第五章 原子发射光谱原子发射光谱分析法分析法第二节第二节 原子发射光谱仪器原子发射光谱仪器atomic emission spectrometry,AES2022-2-11原 子 发 射 光 谱 分 析 法 （原 子 发 射 光 谱 分 析 法 （ a t o m i c e m i s s i o n a t o m i c e m i s s i o n spectroscopy spectroscopy ，AESAES）：）：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。2022-2-11在正常状态下，元素处于基态，

2、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）；特征辐射基态元素基态元素M激发态激发态M*热能、电能E2022-2-11 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。 试样 E 气态原子 E 激发态 低能态+ h 基态基态 检测检测 原子发射光谱仪通常由三部分构成： 光源、分光、检测；2022-2-11一、光源一、光源 光源的作用：把试样中的组分蒸发离解为气态原子 使气态原子激发，产生特征光谱 （气化而不能电离） 光谱分析用的光源应该适合于各种要求目的，根据分析试样有所选

3、择。 常用的光源有直流电弧、交流电弧、电火花、近年来常见的有电感耦合等离子体ICP光源2022-2-111. 1. 直流电弧直流电弧 直流电作为激发能源，电压150 380V，电流5 30A； 两支石墨电极，试样放置在一支电极(下电极)的凹槽内； 使分析间隙的两电极接触或用导体接触两电极，通电，电极尖端被烧热，点燃电弧，再使电极相距4 6mm；2022-2-11发射光谱的产生发射光谱的产生 电弧点燃后，热电子流高速通过分析间隔冲击阳极，产电弧点燃后，热电子流高速通过分析间隔冲击阳极，产生高热，试样蒸发并原子化，电子与原子碰撞电离出正离子生高热，试样蒸发并原子化，电子与原子碰撞电离出正离子冲向阴

4、极。电子、原子、离子间的相互碰撞，使原子跃迁到冲向阴极。电子、原子、离子间的相互碰撞，使原子跃迁到激发态，返回基态时发射出该原子的光谱。激发态，返回基态时发射出该原子的光谱。 弧焰温度弧焰温度：40007000 K 可使约70多种元素激发； 特点特点：绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析； 缺点缺点： 弧光不稳，再现性差；电极头（蒸发）温度高 ，不适合定量分析。2022-2-11 2. 2. 低压交流电弧低压交流电弧 工作电压：110220 V。 采用高频引燃装置点燃电弧，在每一交流半周时引燃一次，保持电弧不灭；2022-2-11工作原理工作原理（1）接通电源，由变压器B1升压至2.53kV，电

5、容器C1充电；达到一定值时，放电盘G1击穿；G1-C1-L1构成振荡回路，产生高频振荡；（2）振荡电压经B2的次级线圈升压到10kV，通过电容器C2将电极间隙G的空气击穿，产生高频振荡放电；（3）当G被击穿时，电源的低压部分沿着已造成的电离气体通道，通过G进行电弧放电；（4）在放电的短暂瞬间，电压降低直至电弧熄灭，在下半周高频再次点燃，重复进行；2022-2-11特点：特点： （1）电弧温度高，激发能力强）电弧温度高，激发能力强； （2）电极温度稍低，蒸发能力稍低；）电极温度稍低，蒸发能力稍低； （3）电弧稳定性好，使分析重现性好，适用于定量分析。）电弧稳定性好，使分析重现性好，适用于定量分析

6、。2022-2-11. .高压火花高压火花（1）交流电压经变压器T后，产生1025kV的高压，然后通过扼流圈D向电容器C充电，达到G的击穿电压时，通过电感L向G放电，产生振荡性的火花放电； （2）转动续断器M，2, 3为钨电极，每转动180度，对接一次，转动频率(50转/s)，接通100次/s，保证每半周电流最大值瞬间放电一次；2022-2-11高压火花的特点：高压火花的特点： （1）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发能力强，）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发能力强，某些难激发元素可被激发，且多为离子线某些难激发元素可被激发，且多为离子线； （2）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力稍低

7、，适）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力稍低，适于低熔点金属与合金的分析；于低熔点金属与合金的分析； （3）稳定性好，重现性好，适用定量分析；）稳定性好，重现性好，适用定量分析；缺点：缺点： （1）灵敏度较差，但可做较高含量）灵敏度较差，但可做较高含量的分析的分析； （2）噪音较大；）噪音较大；2022-2-114 4、电感耦合高频等离子体光源、电感耦合高频等离子体光源（inductive coupled high frequency plasma,ICP)主要部分： 1. 1. 高频发生器高频发生器 2. 2. 等离子体炬管等离子体炬管 三层同心石英玻璃管 3. 3. 试样雾化器试样雾化器

8、等离子体：电离了的但在宏观上呈电中性的物质2022-2-11炬管与雾化器炬管与雾化器 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；2022-2-11原理原理 当高频发生器接通电源接通电源后，高频电流I通过感应线圈产生交变磁场产生交变磁场(绿色)。 开始时，管内为Ar气，不导电，需要用高压电火花触发高压电火花触发，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，产生等离子体气流产生等离子体气流。在垂直于磁场方向将产生感应电流产生

9、感应电流（涡电流涡电流，粉色），其电阻很小，电流很大(数百安)，产生高温产生高温。又将气体加热、电离，在管口形成稳定的等离子体焰炬形成稳定的等离子体焰炬。2022-2-11 (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（45个数量级）； (3) Ar气体产生的背景干扰小； (4) 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；缺点缺点：对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费

10、用高。2022-2-11对比对比( (几种光源的比较）几种光源的比较）光源光源蒸发蒸发温度温度激发激发温度温度/K放电放电稳定性稳定性应用范围应用范围直流直流电弧电弧高高4000-7000稍差稍差定性分析，矿物、纯定性分析，矿物、纯物质、难挥发元素的物质、难挥发元素的定量分析定量分析交流交流电弧电弧中中4000-7000较好较好试样中低含量组试样中低含量组分的定量分析分的定量分析高压高压火花火花低低瞬间瞬间10000好好金属与合金、难激发金属与合金、难激发元素的定量分析元素的定量分析ICP很很高高6000-8000很好很好线性范围宽，溶线性范围宽，溶液定量分析液定量分析2022-2-11二、试

11、样的引入1、液体和气体原子化器试样转变成原子蒸汽的场所。 气动雾化进样：将试样变成气溶胶并传输到原子化器的方法。 分为三大类：同心型、直角型和特殊型 超声雾化进样：根据超声波的空化作用把溶液雾化成气溶胶后再进样的方法。 电热蒸汽进样：蒸发器将试样蒸发并由惰性气体携带进入雾化器。 氢化物发生法：通过化学反应转变成气体进入雾化器。2022-2-112、固体试样的引入试样直接插入进样电弧和火花熔融法电热蒸发进样激光熔融法2022-2-11三、检测器根据记录方式：根据记录方式： 看谱仪看谱仪看谱法：定性、半定量看谱法：定性、半定量 摄谱仪摄谱仪摄谱法：准确度、精密度高、摄谱法：准确度、精密度高、设备费

12、用不高，适应性强设备费用不高，适应性强 光电光谱仪光电光谱仪光电光谱法：准确度高、光电光谱法：准确度高、精密度高，但价格昂贵。精密度高，但价格昂贵。2022-2-111.看谱法又称为目视法:用眼睛来观测谱线强度的方法。仅适用于可见光波。主要用于定性和半定量分析2022-2-11（1）光谱投影仪）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）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)2022-2-11结构 感光板：由片层和感光层（乳剂）组成，感光板起着记录映象的作用。乳剂特性：谱线在

13、感光板上感光，其黑度与辐射强度、浓度、曝光时间、感光板的乳剂性质及显影条件等有关。在其他条件不变下，感光板上谱线的黑度S仅与照射在感光板上的辐射强度有关。 谱线的黑度S与照射在感光板上的曝光量H关系可以用乳剂特性曲线来表示光谱干板光谱干板2022-2-11乳剂特性曲线 AB 曝光不足部分 BC曝光正常部分 定量分析 CD曝光过度部分 Hi为相板的惰延量 Hi越大，灵敏度越小 斜率tga为乳剂的反衬度正常曝光部分 S=tga(lgH-lgHi)= (lgH-lgHi) = lgH- i(i= lgHi,对于特定的乳剂） lgEt-i lgIt-i2022-2-113. 3. 光电直读等离子体光谱仪光电直读等离子体光谱仪 其核心部分是光电转换器件：利用光电效应将不同波长的辐射转化成光电流的信号。 分为两类：光电倍增管 固态成像器件2022-2-11 采用CID(电荷注入式检测器）阵列检测器，可同时检测165800nm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(charge injection detector,CID), 2828mm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)；2022-2-11光电光谱