电感耦合等离子体发射光谱实验报告.doc

电感耦合等离子体发射光谱法 1.基本原理 1.1概述 原子发射光谱分析（atomic emission spectrometry，AES）是一种已有一个世纪以上悠久历史的分析方法，原子发射光谱分析的进展，在很大程度上依赖于激发光源的改进。 到了60年代中期，Fassel和Greenfield分别报道了各自取得的重要研究成果，创立了电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）原子发射光谱（ICP-AES）新技术，这在光谱化学分析上是一次重大的突破，从此，原子发射光谱分析技术又进入一个崭新的发展时期。 1.2方法原理 原子发射光谱是价电子受到激发跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。 1.2.1定性原理 原子发射光谱法的量子力学基本原理如下： （1）原子或离子可处于不连续的能量状态，该状态可以光谱项来描述； （2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁到另一能量状态（激发态），设高能级的能量为E2，低能级的能量为E1，发射光谱的波长为λ（或频率ν），则电子能级跃迁释放出的能量△E与发射光谱的波长关系为 △E= E2- E1=hν=hc/λ （3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来； （4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）； （5）由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此，对特定元素的原子或离子可产生一系列不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析。 1.2.2半定量原理 半定量是对样品中一些元素的浓度进行大致估算。 一种半定量的方法是对许多元素进行一次曲线校正，并将标准曲线储存起来。然后在需要进行半定量时，直接采用原来的曲线对样品进行测试。结果会因仪器的飘移而产生误差或因样品基体的不同而产生误差，但对于半定量来说，可以接受。 1.2.3ICP定量分析原理 ICP定量分析的依据是Lomakin-Scherbe公式： I=aCb 式中 I：谱线强度C：待测元素的浓度a：常数b: 分析线的自吸收系数，一般情况下b≤1，b与光源特性、待测元素含量、元素性质及谱线性质等因素有关，在ICP光源中，多数情况下 b≈11.2.4发射光谱光源 发射光谱通常用化学火焰、电火花、电弧、激光和各种等离子体光源激发而获得。等离子体光源有ICP（inductively coupled plasma）、DCP（direct-current plasma）、MWP (microwave plasma)。 原子发射光谱分析的波段范围与原子能级有关，一般在200—850nm，近几年由于分光测光系统的改进，仪器的波长范围已扩展到120—1050nm。常见的光源如表1。 表1 几种常见光源光 源 蒸发温度 激发温度/K 放电稳定性 应用范围 直流电弧 高 4000～7000 稍差 定性分析，矿物、纯物质、难挥发元素的定量分析 交流电弧 中 4000～7000 较好 试样中低含量组分的定量分析 火花 低 瞬间10000 好 金属与合金、难激发元素的定量分析 ICP 很高 6000～8000 最好 溶液中元素的定量分析 1.2.5ICP形成原理 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(绿色)。 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。如图1。 图1 ICP形成原理 ICP焰明显地分为三个区域： （1）焰心区，不透明，是高频电流形成的涡流区，等离子体主要通过这一区域与高频感应线圈耦合而获得能量，该区温度高达10000K； （2）内焰区位于焰心区右方，一般在感应圈右边10-20mm左右，呈半透明状态，温度约为6000-8000K，是分析物原子化、激发、电离与辐射的主要区域； （3）尾焰区在内焰区右方，无色透明，温度较低，在6000K以下，只能激发低能级的谱线。 ICP具有以下特点： （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。能有效消除自吸现象，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