第三章__AES_第二節(jié)_原子發(fā)射光譜儀器

1、第五章第五章 原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜分析法分析法第二節(jié)第二節(jié) 原子發(fā)射光譜儀器原子發(fā)射光譜儀器atomic emission spectrometry,AES2022-2-11原 子 發(fā) 射 光 譜 分 析 法 （原 子 發(fā) 射 光 譜 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）：）：元素在受到熱或電激發(fā)時，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回到基態(tài)時，發(fā)射出特征光譜，依據(jù)特征光譜進(jìn)行定性、定量的分析方法。2022-2-11在正常狀態(tài)下，元素處于基態(tài)，

2、元素在受到熱（火焰）或電（電火花）激發(fā)時，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回到基態(tài)時，發(fā)射出特征光譜（線狀光譜）；特征輻射基態(tài)元素基態(tài)元素M激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)M*熱能、電能E2022-2-11 元素在受到熱或電激發(fā)時，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回到基態(tài)時，發(fā)射出特征光譜，依據(jù)特征光譜進(jìn)行定性、定量的分析方法。 試樣 E 氣態(tài)原子 E 激發(fā)態(tài) 低能態(tài)+ h 基態(tài)基態(tài) 檢測檢測 原子發(fā)射光譜儀通常由三部分構(gòu)成： 光源、分光、檢測；2022-2-11一、光源一、光源 光源的作用：把試樣中的組分蒸發(fā)離解為氣態(tài)原子 使氣態(tài)原子激發(fā)，產(chǎn)生特征光譜 （氣化而不能電離） 光譜分析用的光源應(yīng)該適合于各種要求目的，根據(jù)分析試樣有所選

3、擇。 常用的光源有直流電弧、交流電弧、電火花、近年來常見的有電感耦合等離子體ICP光源2022-2-111. 1. 直流電弧直流電弧 直流電作為激發(fā)能源，電壓150 380V，電流5 30A； 兩支石墨電極，試樣放置在一支電極(下電極)的凹槽內(nèi)； 使分析間隙的兩電極接觸或用導(dǎo)體接觸兩電極，通電，電極尖端被燒熱，點燃電弧，再使電極相距4 6mm；2022-2-11發(fā)射光譜的產(chǎn)生發(fā)射光譜的產(chǎn)生 電弧點燃后，熱電子流高速通過分析間隔沖擊陽極，產(chǎn)電弧點燃后，熱電子流高速通過分析間隔沖擊陽極，產(chǎn)生高熱，試樣蒸發(fā)并原子化，電子與原子碰撞電離出正離子生高熱，試樣蒸發(fā)并原子化，電子與原子碰撞電離出正離子沖向陰

4、極。電子、原子、離子間的相互碰撞，使原子躍遷到?jīng)_向陰極。電子、原子、離子間的相互碰撞，使原子躍遷到激發(fā)態(tài)，返回基態(tài)時發(fā)射出該原子的光譜。激發(fā)態(tài)，返回基態(tài)時發(fā)射出該原子的光譜。 弧焰溫度弧焰溫度：40007000 K 可使約70多種元素激發(fā)； 特點特點：絕對靈敏度高，背景小，適合定性分析； 缺點缺點： 弧光不穩(wěn)，再現(xiàn)性差；電極頭（蒸發(fā)）溫度高 ，不適合定量分析。2022-2-11 2. 2. 低壓交流電弧低壓交流電弧 工作電壓：110220 V。 采用高頻引燃裝置點燃電弧，在每一交流半周時引燃一次，保持電弧不滅；2022-2-11工作原理工作原理（1）接通電源，由變壓器B1升壓至2.53kV，電

5、容器C1充電；達(dá)到一定值時，放電盤G1擊穿；G1-C1-L1構(gòu)成振蕩回路，產(chǎn)生高頻振蕩；（2）振蕩電壓經(jīng)B2的次級線圈升壓到10kV，通過電容器C2將電極間隙G的空氣擊穿，產(chǎn)生高頻振蕩放電；（3）當(dāng)G被擊穿時，電源的低壓部分沿著已造成的電離氣體通道，通過G進(jìn)行電弧放電；（4）在放電的短暫瞬間，電壓降低直至電弧熄滅，在下半周高頻再次點燃，重復(fù)進(jìn)行；2022-2-11特點：特點： （1）電弧溫度高，激發(fā)能力強(qiáng)）電弧溫度高，激發(fā)能力強(qiáng)； （2）電極溫度稍低，蒸發(fā)能力稍低；）電極溫度稍低，蒸發(fā)能力稍低； （3）電弧穩(wěn)定性好，使分析重現(xiàn)性好，適用于定量分析。）電弧穩(wěn)定性好，使分析重現(xiàn)性好，適用于定量分析

6、。2022-2-11. .高壓火花高壓火花（1）交流電壓經(jīng)變壓器T后，產(chǎn)生1025kV的高壓，然后通過扼流圈D向電容器C充電，達(dá)到G的擊穿電壓時，通過電感L向G放電，產(chǎn)生振蕩性的火花放電； （2）轉(zhuǎn)動續(xù)斷器M，2, 3為鎢電極，每轉(zhuǎn)動180度，對接一次，轉(zhuǎn)動頻率(50轉(zhuǎn)/s)，接通100次/s，保證每半周電流最大值瞬間放電一次；2022-2-11高壓火花的特點：高壓火花的特點： （1）放電瞬間能量很大，產(chǎn)生的溫度高，激發(fā)能力強(qiáng)，）放電瞬間能量很大，產(chǎn)生的溫度高，激發(fā)能力強(qiáng)，某些難激發(fā)元素可被激發(fā)，且多為離子線某些難激發(fā)元素可被激發(fā)，且多為離子線； （2）放電間隔長，使得電極溫度低，蒸發(fā)能力稍低

7、，適）放電間隔長，使得電極溫度低，蒸發(fā)能力稍低，適于低熔點金屬與合金的分析；于低熔點金屬與合金的分析； （3）穩(wěn)定性好，重現(xiàn)性好，適用定量分析；）穩(wěn)定性好，重現(xiàn)性好，適用定量分析；缺點：缺點： （1）靈敏度較差，但可做較高含量）靈敏度較差，但可做較高含量的分析的分析； （2）噪音較大；）噪音較大；2022-2-114 4、電感耦合高頻等離子體光源、電感耦合高頻等離子體光源（inductive coupled high frequency plasma,ICP)主要部分： 1. 1. 高頻發(fā)生器高頻發(fā)生器 2. 2. 等離子體炬管等離子體炬管 三層同心石英玻璃管 3. 3. 試樣霧化器試樣霧化器

8、等離子體：電離了的但在宏觀上呈電中性的物質(zhì)2022-2-11炬管與霧化器炬管與霧化器 三層同心石英玻璃炬管置于高頻感應(yīng)線圈中，等離子體工作氣體從管內(nèi)通過，試樣在霧化器中霧化后，由中心管進(jìn)入火焰； 外層Ar從切線方向進(jìn)入，保護(hù)石英管不被燒熔，中層Ar用來點燃等離子體；2022-2-11原理原理 當(dāng)高頻發(fā)生器接通電源接通電源后，高頻電流I通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場產(chǎn)生交變磁場(綠色)。 開始時，管內(nèi)為Ar氣，不導(dǎo)電，需要用高壓電火花觸發(fā)高壓電火花觸發(fā)，使氣體電離后，在高頻交流電場的作用下，帶電粒子高速運(yùn)動，碰撞，形成“雪崩”式放電，產(chǎn)生等離子體氣流產(chǎn)生等離子體氣流。在垂直于磁場方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電流產(chǎn)生

9、感應(yīng)電流（渦電流渦電流，粉色），其電阻很小，電流很大(數(shù)百安)，產(chǎn)生高溫產(chǎn)生高溫。又將氣體加熱、電離，在管口形成穩(wěn)定的等離子體焰炬形成穩(wěn)定的等離子體焰炬。2022-2-11 (1)溫度高，惰性氣氛，原子化條件好，有利于難熔化合物的分解和元素激發(fā)，有很高的靈敏度和穩(wěn)定性； (2)“趨膚效應(yīng)”，渦電流在外表面處密度大，使表面溫度高，軸心溫度低，中心通道進(jìn)樣對等離子的穩(wěn)定性影響小。也有效消除自吸現(xiàn)象，線性范圍寬（45個數(shù)量級）； (3) Ar氣體產(chǎn)生的背景干擾小； (4) 無電極放電，無電極污染； ICP焰炬外型像火焰，但不是化學(xué)燃燒火焰，氣體放電；缺點缺點：對非金屬測定的靈敏度低，儀器昂貴，操作費(fèi)

10、用高。2022-2-11對比對比( (幾種光源的比較）幾種光源的比較）光源光源蒸發(fā)蒸發(fā)溫度溫度激發(fā)激發(fā)溫度溫度/K放電放電穩(wěn)定性穩(wěn)定性應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍直流直流電弧電弧高高4000-7000稍差稍差定性分析，礦物、純定性分析，礦物、純物質(zhì)、難揮發(fā)元素的物質(zhì)、難揮發(fā)元素的定量分析定量分析交流交流電弧電弧中中4000-7000較好較好試樣中低含量組試樣中低含量組分的定量分析分的定量分析高壓高壓火花火花低低瞬間瞬間10000好好金屬與合金、難激發(fā)金屬與合金、難激發(fā)元素的定量分析元素的定量分析ICP很很高高6000-8000很好很好線性范圍寬，溶線性范圍寬，溶液定量分析液定量分析2022-2-11二、試

11、樣的引入1、液體和氣體原子化器試樣轉(zhuǎn)變成原子蒸汽的場所。 氣動霧化進(jìn)樣：將試樣變成氣溶膠并傳輸?shù)皆踊鞯姆椒ā?分為三大類：同心型、直角型和特殊型 超聲霧化進(jìn)樣：根據(jù)超聲波的空化作用把溶液霧化成氣溶膠后再進(jìn)樣的方法。 電熱蒸汽進(jìn)樣：蒸發(fā)器將試樣蒸發(fā)并由惰性氣體攜帶進(jìn)入霧化器。 氫化物發(fā)生法：通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成氣體進(jìn)入霧化器。2022-2-112、固體試樣的引入試樣直接插入進(jìn)樣電弧和火花熔融法電熱蒸發(fā)進(jìn)樣激光熔融法2022-2-11三、檢測器根據(jù)記錄方式：根據(jù)記錄方式： 看譜儀看譜儀看譜法：定性、半定量看譜法：定性、半定量 攝譜儀攝譜儀攝譜法：準(zhǔn)確度、精密度高、攝譜法：準(zhǔn)確度、精密度高、設(shè)備費(fèi)

12、用不高，適應(yīng)性強(qiáng)設(shè)備費(fèi)用不高，適應(yīng)性強(qiáng) 光電光譜儀光電光譜儀光電光譜法：準(zhǔn)確度高、光電光譜法：準(zhǔn)確度高、精密度高，但價格昂貴。精密度高，但價格昂貴。2022-2-111.看譜法又稱為目視法:用眼睛來觀測譜線強(qiáng)度的方法。僅適用于可見光波。主要用于定性和半定量分析2022-2-11（1）光譜投影儀）光譜投影儀（映譜儀），光譜定性分析時將光譜圖放大，放大20倍。（2）測微光度計）測微光度計（黑度計）；定量分析時，測定接受到的光譜線強(qiáng)度；光線越強(qiáng)，感光板上譜線越黑。S=lg(1/T)=lg(I0/I)2022-2-11結(jié)構(gòu) 感光板：由片層和感光層（乳劑）組成，感光板起著記錄映象的作用。乳劑特性：譜線在

13、感光板上感光，其黑度與輻射強(qiáng)度、濃度、曝光時間、感光板的乳劑性質(zhì)及顯影條件等有關(guān)。在其他條件不變下，感光板上譜線的黑度S僅與照射在感光板上的輻射強(qiáng)度有關(guān)。 譜線的黑度S與照射在感光板上的曝光量H關(guān)系可以用乳劑特性曲線來表示光譜干板光譜干板2022-2-11乳劑特性曲線 AB 曝光不足部分 BC曝光正常部分 定量分析 CD曝光過度部分 Hi為相板的惰延量 Hi越大，靈敏度越小 斜率tga為乳劑的反襯度正常曝光部分 S=tga(lgH-lgHi)= (lgH-lgHi) = lgH- i(i= lgHi,對于特定的乳劑） lgEt-i lgIt-i2022-2-113. 3. 光電直讀等離子體光譜儀光電直讀等離子體光譜儀 其核心部分是光電轉(zhuǎn)換器件：利用光電效應(yīng)將不同波長的輻射轉(zhuǎn)化成光電流的信號。 分為兩類：光電倍增管 固態(tài)成像器件2022-2-11 采用CID(電荷注入式檢測器）陣列檢測器，可同時檢測165800nm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)的全部譜線；中階梯光柵分光系統(tǒng)，儀器結(jié)構(gòu)緊湊，體積大大縮?。患婢叨嗟佬秃蛼呙栊吞攸c；CID：電荷注入式檢測器(charge injection detector,CID), 2828mm半導(dǎo)體芯片上，26萬個感光點點陣( 每個相當(dāng)于一個光電倍增管)；2022-2-11光電光譜