材料微观分析技术讲义第五章原子发射光谱

1、2022-3-4上周授课内容回顾上周授课内容回顾第四章第四章 材料光谱分析导论材料光谱分析导论 1. 1. 材料光分析方法基础材料光分析方法基础 2. 2. 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱3. 3. 光谱法仪器与光学器件光谱法仪器与光学器件2022-3-4光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原原子子发发射射原原子子吸吸收收原原子子荧荧光光X射射线线荧荧光光原原子子吸吸收收紫紫外外可可见见红红外外可可见见核核磁磁共共振振紫紫外外可可见见红红外外可可见见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光光原原子子发发

2、射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光散射光谱法散射光谱法拉拉曼曼光光谱谱拉拉曼曼光光谱谱2022-3-42022-3-42022-3-42022-3-4第一节第一节 原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析基本原理basic principle of Atomic emission spectrometry第二节第二节 原子原子发射光谱分析装置与仪器发射光谱分析装置与仪器device and instrument of AES第三节第三节 等离子体发射光谱仪等离子体发射光谱仪plasma emission spectrometry第四节第四节

3、定性、定量分析方法定性、定量分析方法qualitative and quantitative analysis method 第五章第五章 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法atomic emission spectrometry, AES2022-3-4一、概述一、概述generalization二、原子发射光谱的产生二、原子发射光谱的产生formation of atomic emission spectra 三、谱线强度三、谱线强度spectrum line intensity四、谱线自吸与自蚀四、谱线自吸与自蚀self-absorption andselp reversal of s

4、pectrum line 第一节第一节 原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析基本原理basic principle of AES2022-3-4一、概述一、概述 generalization原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法：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，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。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，基尔霍夫年，基尔霍夫(Kirchhoff G R)、本生本生(Bunsen R W) 研制了世界上第一台用于光谱分析研制了世界上第一

5、台用于光谱分析的棱镜分光镜，实现了原子光谱检验。的棱镜分光镜，实现了原子光谱检验。1930年以后，建立了原子光谱定量分析方法。年以后，建立了原子光谱定量分析方法。原子光谱原子光谱 原子结构原子结构 原子结构理论原子结构理论 新元素新元素2022-3-4原子发射光谱分析法的特点原子发射光谱分析法的特点: : (1) (1)可多元素同时检测可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱； (2)(2)分析速度快分析速度快 试样不需处理，同时对几十种元素进行定量分析(全谱直读仪)； (3)(3)选择性高选择性高 各元素具有不同的特征光谱； (4)(4)检出限较低检出限较低 100.1gg-1(一般光

6、源)；ngg-1(ICP） (5)(5)准确度较高准确度较高 5%10% (一般光源）； 1% (ICP) ； (6)(6)ICP-AESICP-AES性能优越性能优越 线性范围46数量级，可测高、中、低不同含量试样； 缺点缺点：非金属元素不能检测或灵敏度低非金属元素不能检测或灵敏度低。2022-3-4二、原子发射光谱的产生二、原子发射光谱的产生 formation of atomic emission spectra 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

7、态时，发射出特征光谱（线状光谱）；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E2022-3-4原子的共振线与离子的电离线原子的共振线与离子的电离线第一共振线：原子由第一激发态到基态的跃迁，最易发生，能量最小。第一共振线：原子由第一激发态到基态的跃迁，最易发生，能量最小。 原子获得足够的能量原子获得足够的能量( (电离能电离能) )产生电离产生电离, ,失去一个电子，一次电离。失去一个电子，一次电离。电离线：离子由第一激发态到基态的跃迁，其与电离能大小无关，又称为离子的特征共振线。电离线：离子由第一激发态到基态的跃迁，其与电离能大小

8、无关，又称为离子的特征共振线。 原子谱线表：原子谱线表：I 表示原子发射的谱线；表示原子发射的谱线； II 表示一次电离离子发射的谱线；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。表示二次电离离子发射的谱线。 Mg：I 285.21 nm ；II 280.27 nm。2022-3-4Na 元素的能级图元素的能级图 2022-3-4 K 元素的元素的能级图能级图 2022-3-4 Mg 元素的能级图元素的能级图2022-3-4三、谱线强度三、谱线强度 spectrum line intensity原子由某一激发态原子由某一激发态 i 向低能级向低能级 j 跃迁，所发射的谱线强

9、度与激发态原子数成正比。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与激发态原子数与激发态原子数Ni的之间的分布遵守玻耳兹曼的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律：分布定律：kTEieNggN 00iigi 、g0：激发态与基态的统计权重（能级简并度：激发态与基态的统计权重（能级简并度2J1） Ei ：为激发能；：为激发能；k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数；T为激发温度；为激发温度；发射谱线强度发射谱线强度： Iij = Ni Aijh ijh为为Plank常数；常数；Aij两个能级间的跃迁几率；两个能级间的跃迁几率； ij发

10、射谱线的频率。将发射谱线的频率。将Ni代入上式，得：代入上式，得：2022-3-4谱线强度谱线强度影响谱线强度的因素影响谱线强度的因素：（1）激发能：第一共振线）激发能：第一共振线（2）原子激发温度：温度升高，谱线强度增大，但易）原子激发温度：温度升高，谱线强度增大，但易电离；电离；（3）跃迁几率）跃迁几率（4）统计权重）统计权重（5）受激发原子的密度）受激发原子的密度kTEijieNhAggI0ij0iij2022-3-4四、谱线的自吸与自蚀四、谱线的自吸与自蚀 self-absorption and self reversal of spectrum line 等离子体：以气态形式存在的包

11、含分子、离子、电子等粒子的整体电中性集合体。等离子等离子体：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。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。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，如同出现两严重，当达到一定值时，谱线中心完全吸收，如同出现两条线

12、，这种现象称为自蚀。条线，这种现象称为自蚀。谱线表示，谱线表示，r：自吸；自吸；R：自蚀；自蚀；2022-3-4一、火焰光度计一、火焰光度计flame spectrometerspectrometer二、原子发射光谱仪器构成二、原子发射光谱仪器构成process of AES三、光谱仪的种类三、光谱仪的种类types of spectrophotometer spectrophotometer四、电弧和电火花发射光源四、电弧和电火花发射光源 arc and electric spark emission第二节 原子发射光谱分析装置与仪器device and instrument of AES2

13、022-3-4一、 火焰光度计 flame spectrometer 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。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、钾测样品的分析中应用较多。对钠、钾测定困难，仪器的选择性差。定困难，仪器的选择性差。2022-3-4二、 原子发射光谱仪器构成 process of A

14、ES 原子发射光谱仪通常由三部分构成：原子发射光谱仪通常由三部分构成： 光源、光谱仪、检测器光源、光谱仪、检测器2022-3-4三、 光谱仪的种类 types of spectrophotometer2022-3-4四、电弧和电火花发射光源 arc and electric spark emission 光源的作用：为试样的气化原子化和激发提供能源光源的作用：为试样的气化原子化和激发提供能源 1. 1. 直流电弧直流电弧 直流电作为激发能源，电压直流电作为激发能源，电压150 380V，电流电流5 30A；两支石墨电极，试样放置在一支电极两支石墨电极，试样放置在一支电极(下电极下电极)的凹槽内

15、；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，再使电极相距燃电弧，再使电极相距4 6mm。2022-3-4 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，产生高热，试样蒸发并原子化，电子与电弧点燃后，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，返回原子碰撞电离出正离子冲向阴极。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

16、。基态时发射出该原子的光谱。 弧焰温度：弧焰温度：40007000 K 可使约可使约70多种元素激发；多种元素激发； 特点：绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析；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；弧光不稳，再现性差； 不适合定量分析。不适合定量分析。2022-3-4 2. 2. 低压交流电弧低压交流电弧 工作电压：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。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。2022-3-4低压交流电弧的特点：低压交流电弧的特点： （1）电弧温度高，激发

17、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。2022-3-4 . . 高压火花高压火花（1）交流电压经变压器）交流电压经变压器T后，产生后，产生1025kV的高压，然后通过扼流圈的高压，然后通过扼流圈D向电容器向电容器C充电，达充电，达到到G的击穿电压时，通过电感的击穿电压时，通过电感L向向G放电，产生振荡性的火花放电放电，产生振荡性的火花放电； （2）转动续断器）转动续断器M，2, 3为钨电极，每转动为钨电极，每转动180度度，对接一次，

18、转动频率，对接一次，转动频率(50转转/s)，接通接通100次次/s，保证保证每半周电流最大值瞬间放电一次。每半周电流最大值瞬间放电一次。2022-3-4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，某些难激发元素可被激发，且多为离）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，且多为离子线子线； （2）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；）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； （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： （

19、1）灵敏度较差，但可做较高含量的分析）灵敏度较差，但可做较高含量的分析； （2）噪音较大）噪音较大。2022-3-4一、一、 概述概述generalization二、二、ICP-AES结构结构structure of ICP-AES三、三、ICP 产生的产生的原理原理principle of ICP四、四、ICP 光源的特点光源的特点feature of ICP五、等离子体发射光谱仪五、等离子体发射光谱仪plasma emission spectrometry第三节 等离子体发射光谱仪plasma emission spectrometry2022-3-4一、概述 generalization

20、 原子发射光谱在原子发射光谱在50年代发展缓慢。年代发展缓慢。 1960年，工程热物理学家年，工程热物理学家 Reed ，设计了环形放电的电感耦合等离子体炬，指出可用于原子设计了环形放电的电感耦合等离子体炬，指出可用于原子发射光谱分析中的激发光源。此后，光谱学家法塞尔和格伦菲尔德将其用于发射光谱分析，建立发射光谱分析中的激发光源。此后，光谱学家法塞尔和格伦菲尔德将其用于发射光谱分析，建立了了电感耦合等离子体光谱仪电感耦合等离子体光谱仪(ICP-AES)。 70年代以后年代以后ICP-AES应用广泛。应用广泛。 2022-3-4等离子体光源的形成类型等离子体光源的形成类型 等离子体喷焰作为发射光

21、谱的光源主要有以下三种形式：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)电感耦合等离子体电感耦合等离子体(inductively coupled plasma， ICP) ICP的性能优越，已成为最主要的应用方式的性能优越，已成为最主要的应用方式 ；(2)直流等离子体喷焰直流等离子体喷焰(direct currut plasmajet，DCP) 弧焰温度高弧焰温度高 8000-10000K，稳定性好，精密度高稳定性好，精密度高，装置简单，运行成本低；装置简单，运行成本低；(3) 微波感生等离子体微波感生等离子体(microwave induced plasma, MIP) 温度温度

22、5000-6000K，激发能量高，可激发许多很难激发的非金属元素：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和和ICP。2022-3-4 二、 ICP-AES的结构 structure of ICP-AES and process主要部分：主要部分： 1. 1. 高频发生器高频发生器 自激式高频发生器，用于中、低档仪器；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

23、远距离传送。性高，可利用同轴电缆远距离传送。 2. 2. 等离子体炬管等离子体炬管 三层同心石英玻璃管三层同心石英玻璃管 3. 3. 试样雾化器试样雾化器 4. 4. 光谱系统光谱系统2022-3-4 三、 ICP产生的原理 principle of ICP1. 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。2022-3-4 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

24、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。2022-3-4 3. 原理 当高频发生器接通电源后，高频电流通过感应线圈产生交产生交变磁场变磁场(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。含试样气体被加热、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

25、-3-4四、 ICP光源的特点 feature of ICP (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；度和稳定性； (2)“趋肤效应趋肤效应”，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，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（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）；个数量级）； (3) ICP中电子密度大，碱金属电离造成的影响小；

26、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；气体产生的背景干扰小； (5) 无电极放电，无电极污染。无电极放电，无电极污染。缺点：对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高。缺点：对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高。2022-3-4与普通光源的对比2022-3-4五、 等离子体发射光谱仪 plasma emission spectrometry 1. 1. 多道型光电直读等离子体发射光谱仪多道型光电直读等离子体发射光谱仪 2022-3-42. 2. 全谱直读等离子体光谱仪全谱直读等离子体光谱仪2022-3-4光路图2022-3-42022-3-4全谱直

27、读等离子体光谱仪特点全谱直读等离子体光谱仪特点: :(1) 测定每个元素可同时选用多条谱线；测定每个元素可同时选用多条谱线；(2) 可在一分钟内完成可在一分钟内完成70个元素的定量测定；个元素的定量测定；(3) 可在一分钟内完成对未知样品中元素组成的定性分析；可在一分钟内完成对未知样品中元素组成的定性分析；(4) 1mL的样品可检测所有可分析元素；的样品可检测所有可分析元素；(5) 易扣除基体光谱干扰；易扣除基体光谱干扰；(6) 全自动操作；全自动操作；(7) 分析精度：分析精度：CV 0.5%。2022-3-4一、光谱一、光谱定性分析定性分析qualitative spectrometric

28、 analysis二、光谱定量分析二、光谱定量分析quantitative spectrometric analysis三、特点与应用三、特点与应用feature and applications第四节 定性、定量分析方法qualitative and quantitative analysis methods2022-3-4 一、 光谱定性分析 qualitative spectrometric analysis定性依据：元素不同定性依据：元素不同电子结构不同电子结构不同光谱不同光谱不同特征光谱特征光谱1. 1. 元素的分析线、最后线、灵敏线元素的分析线、最后线、灵敏线分析线：分析线：复杂元

29、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：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：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。2022-3-4 2. 2. 定性方法定性方法标准光谱比较法：标准光谱比较法： 最常用的方法，以铁谱作为标准 (波长标尺)。2022-3-4 标准光谱比较定性法标准光谱比较定性法 为什么选铁谱？为什么选铁谱？（1 1）谱线多：在）谱线多：在210210660660nmnm范围内有数千条谱线

30、；范围内有数千条谱线；（2 2）谱线间距离分配均匀：容易对比，适用面广；）谱线间距离分配均匀：容易对比，适用面广；（3 3）定位准确：已准确测量了铁谱每一条谱线的波长。）定位准确：已准确测量了铁谱每一条谱线的波长。 标准谱图标准谱图：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。2022-3-42022-3-4二、 光谱定量分析 quantitative spectrometric analysis 在条件一定时，谱

31、线强度I 与待测元素含量c关系为： I = a c a为常数(与蒸发、激发过程等有关)，考虑到发射光谱中存在着自吸现象，需要引入自吸常数 b ，则：acbIcaIblglglg 发射光谱分析的基本关系式，称为塞伯-罗马金公式。自吸常数 b 随浓度c增加而减小，当浓度很小，自吸消失时，b=1。2022-3-4 影响谱线强度因素较多，直接测定谱线绝对强度计算难以获得准确结果，实际工作多采用内标法（相对强度法）。 在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度I)，再选择内标物的一条谱线(强度I0)，组成分析线对。则： 0000bbcaIcaI 相对强度R： AcbRcAcacaIIRbbblglglg

32、0000 A为其他三项合并后的常数项，内标法定量的基本关系式。 a.a.内标法内标法2022-3-4内标元素与分析线对的选择：内标元素与分析线对的选择：a. 内标元素可以选择基体元素，或另外加入，含量固定；内标元素可以选择基体元素，或另外加入，含量固定；b. 内标元素与待测元素具有相近的蒸发特性；内标元素与待测元素具有相近的蒸发特性；c. 分析线对应匹配，同为原子线或离子线，且激发能相近分析线对应匹配，同为原子线或离子线，且激发能相近(谱线靠近谱线靠近)，“匀称线对匀称线对”； d. d. 强度相差不大，无相邻谱线干扰，无自吸或自吸小。强度相差不大，无相邻谱线干扰，无自吸或自吸小。2022-3-4 b.b.标准加入法标准加入法 无合适内标物时，也可以采用该标准加入法（比较法）。取若干份体积相同的试液（cX），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（cO），浓度依次为： cX ， cX +cO ， cX +2cO ， cX +3cO ， cX +4 cO 在相同条件下测定：RX，R1，R2，R3，R4。 以R对浓度c做图得一直线，图中cX点即待测溶液浓度。 R=Acbb=1时，R=A(cx+ci )R=0时， cx = ci 2022-3-4三、特点与应用 feature and applications1. 1. 特点特点 (1) (1)可