第五章原子发射光谱课件.ppt

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1、第五章原子发射光谱第1页，此课件共25页哦 5.1 概述概述定义：定义：AES是据每种原子或离子在热或电激发下，发射是据每种原子或离子在热或电激发下，发射 出出特征特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的 方法。方法。2.历史：历史：1859年德国学者年德国学者Kirchhoff&Bensen分光镜；分光镜；随后随后30年年定性分析定性分析;1930年以后年以后定量分析定量分析第2页，此课件共25页哦3.AES特点特点1）多元素检测）多元素检测(multi-element);2）检出限低：）检出限低：10-0.1 g/g(g/mL);ICP-AES可达可达n

2、g/mL级级3）选择性好：）选择性好：Nb与与Ta；Zr与与Ha，Rare-elements;5）准确度高：相对误差仅仅在）准确度高：相对误差仅仅在5-10%，ICP可达可达1%以下以下;6）所需试样量少，测定范围广。所需试样量少，测定范围广。局限性：局限性：1）只用于元素总量分析，）只用于元素总量分析，2）常见的非金属元素，如氧，硫，氮无法检测；）常见的非金属元素，如氧，硫，氮无法检测；3）价格比较昂贵。）价格比较昂贵。第3页，此课件共25页哦ICP-AES对周期表中元素的检测能力对周期表中元素的检测能力（阴影面积表示使用的谱线数目；背景深浅表示检测限大小）（阴影面积表示使用的谱线数目；背景

3、深浅表示检测限大小）第4页，此课件共25页哦5.2 基本原理基本原理1.原子发射光谱的产生过程：原子发射光谱的产生过程：1）能量（电或热、光）能量（电或热、光）基态原子基态原子 2）外层电子）外层电子(outer electron)（低能态（低能态E1 高能态高能态E2）3）外层电子（低能态）外层电子（低能态E1 高能态高能态E2）4）发出）发出特征频率特征频率()的光子的光子:E=E2-E1=h =hc/第5页，此课件共25页哦2.几个概念几个概念S 激发电位激发电位(Excited potential)：由低能态：由低能态-高能态所需要的高能态所需要的 能量，以能量，以eV表示。每条谱线对

4、应一激发电位。表示。每条谱线对应一激发电位。S 原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示表示,如如Na(I)S 共振线共振线(Resonance line)：由激发态到基态：由激发态到基态(Ground state)跃迁所产生的谱线；跃迁所产生的谱线；主共振线：从第一激发态到跃迁到基态所发射的谱线。主共振线：从第一激发态到跃迁到基态所发射的谱线。电离电位电离电位(Ionization potential)和离子线：原子受激后得和离子线：原子受激后得 到足够能量而失去电子到足够能量而失去电子电离；所需的能量称为电离电电离；所需的能量称为电离电 位

5、；离子的外层电子跃迁位；离子的外层电子跃迁离子线。以离子线。以II，III，IV等表等表 示。示。第6页，此课件共25页哦5.AES 定性原理定性原理量子力学基本理论告诉我们：量子力学基本理论告诉我们：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；）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）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）跃迁至另一能量状态（激发态）；子就从一种能量状态（基态）跃迁至另一能量状态（激发态）；3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约

6、）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，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；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）；）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）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不同波长的特定元素的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱特征光谱，通过识别，通过识别 待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析待测元素的特征谱线存在与否进

7、行定性分析定性原理定性原理。第7页，此课件共25页哦6.AES定量原理定量原理（Quantification）1）Boltzmann分布与谱线强度分布与谱线强度(Intensity)AES分析进行定量测量的基础就是谱线的强度特性。那么，谱线分析进行定量测量的基础就是谱线的强度特性。那么，谱线强度与待测物浓度之间到底有什么样的关系呢？强度与待测物浓度之间到底有什么样的关系呢？样品样品光源光源样品蒸发样品蒸发基态原子基态原子(N(N0 0)等离子体等离子体(原子原子+离子离子+电子电子)从整体上看，处于热从整体上看，处于热力学平衡状态力学平衡状态 ！ArcArcSparkSparkICPICPFl

8、ameFlame激发态原子激发态原子(N(Ni i)样品激发样品激发E E0 0E Ei i 第8页，此课件共25页哦 当当 Plasm 处于热力学平衡状态时，位于基态的原子数处于热力学平衡状态时，位于基态的原子数 N0 与位于激与位于激发态原子数发态原子数 Ni 之间满足之间满足 Boltzmann 分布：分布：其中，其中，g 为统计权重为统计权重(2J+1)；k为为Boltzmann常数常数(1.38 10-23J/oC)：电子在电子在 i,j 能级间跃迁产生的谱线强度能级间跃迁产生的谱线强度 I 与跃迁几率与跃迁几率 A 及处于激发态的及处于激发态的原子数原子数 Ni 成正比，即成正比，

9、即 由于激发态原子数目较少，因此基态原子数由于激发态原子数目较少，因此基态原子数 N0 可以近似代替原子总可以近似代替原子总数数 N总总，并以浓度，并以浓度 c 代替代替N总总:简单地，简单地，I c，此式为光谱定量分析的依据。，此式为光谱定量分析的依据。ekTEgghvNAhvNAIiijiijiji/00kTEiiieggNN/00acNkNkIij总101第9页，此课件共25页哦更进一步，考虑到谱线的自吸效应系数更进一步，考虑到谱线的自吸效应系数 b：I=acb（Schiebe-Lomarkin公式）公式）取对数，上式变为：取对数，上式变为：logI=blogc+loga此式为此式为 A

10、ES 分析的最基本的关系式。分析的最基本的关系式。以以 logI 对对 logc 作图，得校正曲线。当试样浓度高时，作图，得校正曲线。当试样浓度高时，b1，工作，工作曲线发生弯曲。曲线发生弯曲。第10页，此课件共25页哦2）影响谱线强度）影响谱线强度 I 因素因素:统计权重统计权重 g(weight)；跃迁几率跃迁几率(probability)；激发电位或激发能激发电位或激发能 E；谱线的自吸谱线的自吸(self-absorption)及自蚀及自蚀(self-reversal)；e)激发温度激发温度 T；f)基态原子数基态原子数 N0 或浓度或浓度 c；前三项由待测物原子自身的性质决定，如核电

11、荷数、外层电前三项由待测物原子自身的性质决定，如核电荷数、外层电子、轨道状态等。子、轨道状态等。a)影响谱线强度及其稳定性最重要的的因素是温度影响谱线强度及其稳定性最重要的的因素是温度T！第11页，此课件共25页哦5.3 AES仪器仪器 AES仪器由光源、单色系统、检测系统三仪器由光源、单色系统、检测系统三部分组成。此节重点介绍光源、相板检测器及相关特性。主部分组成。此节重点介绍光源、相板检测器及相关特性。主要有摄谱仪，光电直读仪和火焰分光光度计等；要有摄谱仪，光电直读仪和火焰分光光度计等；光源光源反射镜反射镜准直镜准直镜三透镜照明系统三透镜照明系统转台转台入射狭缝入射狭缝光栅光栅物镜物镜焦面

12、焦面AES仪器略图仪器略图第12页，此课件共25页哦光源光源电弧电弧电感耦合等离子体，电感耦合等离子体，ICP现代光源现代光源经典光源经典光源火花火花直流电弧直流电弧交流电弧交流电弧火焰火焰激光光源激光光源一一、AES光源光源1.光源种类及特点光源种类及特点第13页，此课件共25页哦高压火花：高频高压引燃并放电。高压火花：高频高压引燃并放电。VCGBLR1DD220V 220V1025kV(B)C击穿击穿 分析隙分析隙 G 放电放电;回路回路 L-C-G 中高压高频振荡电流中高压高频振荡电流,G 放电中断；放电中断；下一回合充放电开始下一回合充放电开始 火花不灭。火花不灭。火花特点：火花特点：

13、1）放电稳定，分析重现性好；）放电稳定，分析重现性好；2）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低，多适于分析易熔金）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低，多适于分析易熔金 属、合金样品及高含量元素分析；属、合金样品及高含量元素分析；3）激发温度高）激发温度高（瞬间可达（瞬间可达10000K）适于难激发元素分析。适于难激发元素分析。第14页，此课件共25页哦电感耦合等离子体电感耦合等离子体组成：组成：ICP 高频发生器高频发生器+炬管炬管 +样品引入系统样品引入系统炬管包括：炬管包括：外管外管冷却气，沿切线引入冷却气，沿切线引入中管中管辅助气，点燃辅助气，点燃 ICP(点燃点燃 后

14、切断后切断)内管内管载气，样品引入（使用载气，样品引入（使用 Ar 是因为性质稳定、不是因为性质稳定、不 与试样作用、光谱简单）与试样作用、光谱简单）依具体设计，三管中所通入的依具体设计，三管中所通入的Ar 总流总流量为量为 5-20 L/min。石英管最大内径。石英管最大内径为为2.5 cm 载气（载气（Ar）辅助气辅助气冷却气冷却气绝缘屏蔽绝缘屏蔽载气载气Ar+样品样品样品溶液样品溶液废液废液第15页，此课件共25页哦ICP炬形成过程炬形成过程:1）Tesla 线圈线圈 高频交变电流高频交变电流（27-41KHZ,2-4KW）交变感应磁场；交变感应磁场；2）火花）火花 氩气氩气 气体电离气

15、体电离 少量电荷少量电荷 相互碰相互碰 撞撞 “雪崩雪崩”现象现象 大量载流子；大量载流子；3）数百安极高感应电流）数百安极高感应电流（涡电流，（涡电流，Eddy current）瞬瞬 间加热间加热 到到10000K 等离子体等离子体 趋肤效应趋肤效应 内管通入内管通入Ar 形成形成环状结构环状结构样品通道样品通道 样品蒸发、原样品蒸发、原 子化、激发。子化、激发。第16页，此课件共25页哦ICP光源特点光源特点1）低检测限：蒸发和激发温度高；）低检测限：蒸发和激发温度高；2）稳定，精度高：高频电流）稳定，精度高：高频电流-趋肤效应趋肤效应(skin effect)-涡流表面电流密度涡流表面电

16、流密度 大大-环状结构环状结构-样品引入通道样品引入通道-火焰不受样品引入影响火焰不受样品引入影响-高稳定性。高稳定性。3）基体效应小）基体效应小(matrix effect):样品处于化学隋性环境样品处于化学隋性环境（Ar）的高温分析区的高温分析区、化学干扰小；样品处于中心通道、化学干扰小；样品处于中心通道6）分析线性范围宽）分析线性范围宽:ICP在分析区温度均匀；自吸及自蚀效应小。在分析区温度均匀；自吸及自蚀效应小。7）众多无素同时测定：激发温度高）众多无素同时测定：激发温度高（70多种）多种）；不足：对非金属测定的灵敏度低；不足：对非金属测定的灵敏度低；仪器昂贵；维持费高。仪器昂贵；维持

17、费高。第17页，此课件共25页哦2.光源的选择依据光源的选择依据 a）试样的性质：如挥发性、电离电位等）试样的性质：如挥发性、电离电位等 b）试样形状：如块状、粉末、溶液）试样形状：如块状、粉末、溶液 c）含量高低）含量高低 d）光源特性：蒸发特性、激发特性、放电稳定性（下表）光源特性：蒸发特性、激发特性、放电稳定性（下表）光光 源源 蒸发温度蒸发温度K 激发温度激发温度K 稳定稳定性性 热性质热性质 分析分析对象对象 直流电弧直流电弧 8004000(高高)40007000 较差较差 LTE 定性、难熔样品及元素定量、定性、难熔样品及元素定量、导体、矿物纯物质导体、矿物纯物质 交流电弧交流电

18、弧 中中 40007000 较好较好 LTE 矿物、低含量金属定量分析矿物、低含量金属定量分析 火火花花 低低 10000 好好 LTE 难激发元素、高含量金属定量难激发元素、高含量金属定量分析分析 ICP 10000 60008000 很好很好 非非LTE 溶液、难激发元素、大多数元溶液、难激发元素、大多数元素素 火火焰焰 20003000 20003000 很好很好 LTE 溶液、碱金属、碱土金属溶液、碱金属、碱土金属 激激光光 10000 10000 很好很好 LTE 固体、液体固体、液体 第18页，此课件共25页哦二、分光系统 主要有棱镜和光栅；第19页，此课件共25页哦三、检测系统、

19、检测信号与浓度的关系三、检测系统、检测信号与浓度的关系 我们已知谱线强度我们已知谱线强度 I与浓度成正比，即：与浓度成正比，即：logI=blogc+loga但用什么来表征但用什么来表征 I?光电检测光电检测：已知光信号产生的电流已知光信号产生的电流 i 与谱线强度与谱线强度I成正比，即成正比，即 在曝光时间在曝光时间t内，检测到谱线的累积强度（总能量）为内，检测到谱线的累积强度（总能量）为测量电压（电容电压）为测量电压（电容电压）为1.即，谱线强度直接与测量电压成正比。即，谱线强度直接与测量电压成正比。tkIkECKECQUijKQidtKdtIEttij001ijKIi 第20页，此课件共

20、25页哦2.相板（又称干板，相板（又称干板，Plate）待测物发出的光谱经分光得一系列谱线，这些不同波长的光在感待测物发出的光谱经分光得一系列谱线，这些不同波长的光在感光板上曝光，经显影、定影后于相板上得到平行排列的谱线（黑线）光板上曝光，经显影、定影后于相板上得到平行排列的谱线（黑线），这些谱线，这些谱线“变黑变黑”的程度以黑度的程度以黑度 S 来表示：来表示：其中，其中，I0，Ii分别为未曝光部分和已曝光部分的光强，分别为未曝光部分和已曝光部分的光强，T为透过率（为透过率（%）谱线谱线“黑度黑度”与待测物浓度有关。即与待测物浓度有关。即 S=f(c)那么相板检测器上谱线的黑度与浓度的具体数

21、学表达式到底如那么相板检测器上谱线的黑度与浓度的具体数学表达式到底如何呢？何呢？iIITS01lg第21页，此课件共25页哦相板定量基础：相板定量基础：1）曝光量）曝光量 H 与相板所接受的光强与相板所接受的光强I 或照度或照度 E 及曝光时间及曝光时间 t 成正比成正比:2）曝光量）曝光量 H 与黑度与黑度 S 之间的关系复杂之间的关系复杂但可通过但可通过“乳剂特性乳剂特性 曲线曲线”得到二者之间的定量关系！得到二者之间的定量关系！S logHS0logHiEDCBAbcS logHS0 雾翳黑度雾翳黑度；BC 正常曝光段；正常曝光段；bc 展度；展度；Hi 惰延量；表示感光板的灵敏惰延量；

22、表示感光板的灵敏度度 直线部分斜率，反衬度直线部分斜率，反衬度 IEtH从该曲线中从该曲线中直线部分直线部分得：得：iHHHSilog)log(log第22页，此课件共25页哦特别介绍特别介绍光电直读光谱仪：包括多道固定狭缝式（光量计）和单道光电直读光谱仪：包括多道固定狭缝式（光量计）和单道扫描式两种。扫描式两种。多元素同时检测多元素同时检测入射狭缝入射狭缝出射狭缝出射狭缝凹面光栅凹面光栅R第23页，此课件共25页哦5.4 定性定量分析方法定性定量分析方法一、基本概念一、基本概念1.灵敏线：激发电位较低的谱线，常为原子线（电弧线），或离子线（火花灵敏线：激发电位较低的谱线，常为原子线（电弧线）

23、，或离子线（火花线）。与实验条件有关。线）。与实验条件有关。2.共振线：从激发态到基态的跃迁所产生的谱线。由最低能级的激发态到基态的跃迁称为共振线：从激发态到基态的跃迁所产生的谱线。由最低能级的激发态到基态的跃迁称为第一共振线。一般也是最灵敏线。与元素的激发程度难易有关。第一共振线。一般也是最灵敏线。与元素的激发程度难易有关。3.最后线：或称持久线。当待测物含量逐渐减小时，谱线数目亦相应减少，最后线：或称持久线。当待测物含量逐渐减小时，谱线数目亦相应减少，当当c接近接近0时所观察到的谱线，是理论上的灵敏线或第一共振线。时所观察到的谱线，是理论上的灵敏线或第一共振线。4.分析线：在进行元素的定性

24、或定量分析时，根据测定的含量范围的实验条件，分析线：在进行元素的定性或定量分析时，根据测定的含量范围的实验条件，对每一元素可选一条或几条最后线作为测量的分析线。对每一元素可选一条或几条最后线作为测量的分析线。5.自吸线：当辐射能通过发光层周围的蒸汽原子时，将为其自身原子所吸收，而使谱线强自吸线：当辐射能通过发光层周围的蒸汽原子时，将为其自身原子所吸收，而使谱线强度中心强度减弱的现象。度中心强度减弱的现象。6.自蚀线：自吸最强的谱线的称为自蚀线。自蚀线：自吸最强的谱线的称为自蚀线。第24页，此课件共25页哦二、定性分析二、定性分析 前已提及，由于各元素的原子结构不同，在光源激发下，试样中各前已提及，由于各元素的原子结构不同，在光源激发下，试样中各元素都发射各自的特征光谱（谱线有多有少），通过识别元素的一条或元素都发射各自的特征光谱（谱线有多有少），通过识别元素的一条或数条特征谱线的波长，可以进行元素定性分析。数条特征谱线的波长，可以进行元素定性分析。光谱定性分析常采用摄谱法（相板为检测器）和光电直读光谱法。光谱定性分析常采用摄谱法（相板为检测器）和光电直读光谱法。现以摄谱法为例。现以摄谱法为例。1.铁光谱比较法铁光谱比较法样品三次不同的曝光样品三次不同的曝光标准图谱标准图谱Fe谱谱;第25页，此课件共25页哦