第八章原子发射光谱法优秀PPT.ppt
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1、第八章原子发射光谱法第一页,本课件共有65页第一节 基本原理一、概述 原子发射光谱分析(Atomic Emission Spectrosmetry,AES),是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。1859年,基尔霍夫和本生研制了第一台用于光谱分析的分光镜,实现了光谱检验;1930年以后,建立了光谱定量分析方法 第二页,本课件共有65页原子发射光谱分析的特点原子发射光谱分析的特点优点:(1)可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱;(2)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(光电直读仪);(3)选择性高 各元素具有不同的特征光谱;
2、(4)检出限较低 100.1gg-1(一般光源);ngg-1(ICP)(5)准确度较高 5%10%(一般光源);1%(ICP);(6)ICP性能优越 线性范围46数量级,可测高、中、低不同含量试样;第三页,本课件共有65页局限性局限性(1)(1)不适宜非金属元素分析。不适宜非金属元素分析。理论上周期表中所有元素都可用发射光谱法测定。但是对于理论上周期表中所有元素都可用发射光谱法测定。但是对于一些非金属元素一般很难得到分析它们所必须的条件,这些一些非金属元素一般很难得到分析它们所必须的条件,这些元素检出限很差或者无法分析。目前可用发射光谱法分析的元素检出限很差或者无法分析。目前可用发射光谱法分析
3、的元素仍然主要局限在金属和少数非金属元素。元素仍然主要局限在金属和少数非金属元素。(2)(2)发射光谱法只能用于元素分析,而不能确定这些元素在样发射光谱法只能用于元素分析,而不能确定这些元素在样品中存在的化合物状态。品中存在的化合物状态。(3)(3)仪器价格贵。现在一般仪器的价格在仪器价格贵。现在一般仪器的价格在60607070万元。万元。第四页,本课件共有65页二、原子发射光谱分析基本原理二、原子发射光谱分析基本原理 原子的外层电子由高能级向低能级跃迁,多余能量以电磁辐射的形式发射出去,这样就得到了发射光谱。原子发射光谱是线状光谱。谱线波长与能量的关系为:基态元素基态元素M激发态激发态M*热
4、能、电能热能、电能E1 原子发射光谱的产生第五页,本课件共有65页激发态基态量子化能级:产生不连续的线状光谱第六页,本课件共有65页辐射跃迁与无辐射跃迁辐射跃迁:以光辐射的形式释放出多余的能量。无辐射跃迁:与其它同种或异种原子碰撞,转变为其它原子的激发能、动能或化学能。第七页,本课件共有65页2、原子发射线有关术语原子线与离子线:原子外层电子跃迁产生的谱线为原子线,记为Ca();离子外层电子受激发后产生的谱线,记为Ca()共振线与主共振线:h共振吸收共振线:由各激发态跃迁回基态时所发射的谱线 主共振线:由第一激发态跃迁回基态时所发射的谱线,最易发生,能量最小。第八页,本课件共有65页灵敏线、最
5、后线与分析线灵敏线、最后线与分析线灵敏线:元素的最特征谱线,一般主共振线为灵敏线最后线:当元素含量减小到最低时,仍然坚持到最后出现的谱线。含量低时,最后线为灵敏线,含量高时不一定。分析线:用来进行定性定量分析的谱线第九页,本课件共有65页 2265是是Cd元素的最后线元素的最后线。第十页,本课件共有65页3 3 谱线强度谱线强度试样浓度低时,试样浓度低时,I=aCa是与试样蒸发、激发过程和组成等有关的常数是与试样蒸发、激发过程和组成等有关的常数试样浓度高时,试样浓度高时,I=aCbb为自吸收系数,与谱线的自吸收有关为自吸收系数,与谱线的自吸收有关影响谱线强度的因素影响谱线强度的因素:(1)激发
6、能越小,谱线强度越强;)激发能越小,谱线强度越强;(2)温度升高,谱线强度增大,但易电离)温度升高,谱线强度增大,但易电离第十一页,本课件共有65页第十二页,本课件共有65页AES 定性及定量原理定性原理: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定量原理:通过谱线的强度来测定元素的含量进行定量分析。第十三页,本课件共有65页4 谱线的自吸与自蚀谱线的自吸与自蚀 等离子体有一定的体积,温度分布是不均匀的。中心部位温度高;边缘部位温度低。中心区域激发态原子多;边缘区域基态原子、低能态
7、原子比较多。这样,元素原子从中心发射一定波长的电磁辐射时,必须通过有一定厚度的原子蒸气,在边缘区域,同元素的基态原子或低能态原子将会对此辐射产生吸收,此过程称为元素的自吸过程。第十四页,本课件共有65页第十五页,本课件共有65页第二节第二节 原子发射光谱仪原子发射光谱仪 原子发射光谱仪器的基本结构由三部分组成,即激发光源、单色器和检测器。按接受光谱方式分:看谱法、摄谱法、光电法;按仪器分光系统分:棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪;世界上速度最快的全谱直读式ICP-AES第十六页,本课件共有65页第十七页,本课件共有65页摄谱仪光路图摄谱仪光路图第十八页,本课件共有65页第十九页,本课件共有65页1 光源
8、光源激发光源是原子发射光谱仪中一个极为重要的组激发光源是原子发射光谱仪中一个极为重要的组成部分成部分它的作用是给分析试样提供蒸发、原子化或激它的作用是给分析试样提供蒸发、原子化或激发的能量。发的能量。在光谱分析时,试样的蒸发、原子化和激发在光谱分析时,试样的蒸发、原子化和激发之间没有明显的界限,这些过程几乎是同时之间没有明显的界限,这些过程几乎是同时进行的,而这一系列过程均直接影响谱线的进行的,而这一系列过程均直接影响谱线的发射以及光谱线的强度。发射以及光谱线的强度。第二十页,本课件共有65页原子发射光谱仪的光源类型原子发射光谱仪的光源类型目前常用的光源有以下两种:一类是经典光目前常用的光源有
9、以下两种:一类是经典光源(直流电弧、交流电弧及高压火花),另源(直流电弧、交流电弧及高压火花),另一类是等离子体及辉光放电光源,其中以一类是等离子体及辉光放电光源,其中以电电感耦合等离子体光源(感耦合等离子体光源(ICP)居多,在不同的居多,在不同的领域中得到广泛的应用。领域中得到广泛的应用。第二十一页,本课件共有65页光源种类光源种类 (1 1)直流电弧直流电弧 直流电弧发生器的基本电路如图所示。利用直流直流电弧发生器的基本电路如图所示。利用直流电作为激发能源,常用电压为电作为激发能源,常用电压为150150380V380V,电流为,电流为5 530A30A。绝对灵敏度高,背景小,适于进行。
10、绝对灵敏度高,背景小,适于进行定性分析及定性分析及低含量杂质的测定,电极头温度高,不宜进行定量分低含量杂质的测定,电极头温度高,不宜进行定量分析及低熔点元素的分析。析及低熔点元素的分析。直流电弧发生器第二十二页,本课件共有65页(2)交流电弧交流电弧1)接通电源,由变压器)接通电源,由变压器B1升压至升压至2.53kV,电容器,电容器C1充电;充电;达到一定值时,放电盘达到一定值时,放电盘G1击穿;击穿;G1-C1-L1构成振荡回路,构成振荡回路,产生高频振荡;产生高频振荡;2)振荡电压经)振荡电压经B2的次级线圈升压到的次级线圈升压到10kV,通过电容器,通过电容器C2将将电极间隙电极间隙G
11、的空气击穿,产生高频振荡放电;的空气击穿,产生高频振荡放电;3)当)当G被击穿时,电源的低压部分沿着已造成的电离气体被击穿时,电源的低压部分沿着已造成的电离气体通道,通过通道,通过G进行电弧放电;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)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,重复进行半周高频再次点燃,重复进行;第二十三页,本课件共有65页交流电弧特点交流电弧特点1 1)电弧温度高,激发能力强)电弧温度高,激发能力强;2 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 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
12、,使分析重现性好,适用于定量分析。第二十四页,本课件共有65页(3)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;第二十五页,本课件共有65页高压火花的特点(1 1)放电瞬间能量很大,产生的温度高,激发能)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,且多为离子线力强,某些难激发元素可被激发,且多为离子线;(2 2)放电间隔长,使
13、得电极温度低,蒸发能力)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;稍低,适于低熔点金属与合金的分析;(3 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 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 2)噪音较大;)噪音较大;第二十六页,本课件共有65页(4 4)电感耦合等离子体光源电感耦合等离子体光源(ICP)第二十七页,本课件共有65页一般指电离度超过0.1%被电离了的气体,是一种由自由电子、离子、中性原子与分子所组成的,在总体上呈电中性的气体。从广义上讲像火焰和电弧的高温部分、火花放电
14、、太阳和恒星表面的电离层等都是等离子体。等离子体第二十八页,本课件共有65页等离子矩管分为三层:最外层通氩气为冷却气;中层为辅助气点燃等离子体;中心层为载气。第二十九页,本课件共有65页ICP 工作原理当高频发生器接通电源后,高频电流当高频发生器接通电源后,高频电流I通过感应线圈产通过感应线圈产生交变磁场生交变磁场(绿色绿色)。开始时,管内为开始时,管内为Ar气,不导电,需要用高压电火花触发,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,形成运动,碰撞,形成“雪崩雪崩”式放电,产生等离子体气流。
15、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,电流很大电阻很小,电流很大(数百安数百安),产生高温。又将气体加热、,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。电离,在管口形成稳定的等离子体焰炬。第三十页,本课件共有65页第三十一页,本课件共有65页ICP光源特点光源特点工作温度高,灵敏度高。有利于难溶化合物的分解和元素的激发。趋肤效应。即高频电流密度在导体截面呈不均匀分布,电流不是集中在导体内部,而是集中在导体表层的现象,因此无自吸现象。无极放电,无污染。检测限低(10-910-11),
16、从宏量至痕量元素均可分析。第三十二页,本课件共有65页第三十三页,本课件共有65页发射光谱分析中常用光源发射光谱分析中常用光源第三十四页,本课件共有65页练习:选择合适的激发光源练习:选择合适的激发光源某经济作物植物体进行元素的定性全分析某经济作物植物体进行元素的定性全分析炼钢厂炉前炼钢厂炉前12种元素定量分析种元素定量分析钢中锰的定量分析钢中锰的定量分析铁矿石定量全分析铁矿石定量全分析头发各元素定量分析头发各元素定量分析水源调查水源调查6种元素种元素(Cr、Mn、Cu、Fe、Zn、Pb)定量分定量分析析(直流电弧)(直流电弧)(高压火花)(高压火花)(交流电弧)(交流电弧)(交流电弧)(交流
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