第二章-----原子发射光谱分析.pptx
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1、 三个基本过程:三个基本过程:(1 1)能源提供能量;(2 2)能量与被测物之间的相互作用;(3 3)产生信号。基本特点:(1 1)所有光分析法均包含三个基本过程;(2 2)选择性测量,不涉及混合物分离(不同于色谱分析);(3 3)涉及大量光学元器件。光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位;第1页/共71页二、电磁辐射的基本性质第2页/共71页三、光分析分类光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振
2、波谱法第3页/共71页光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光第4页/共71页四、各种光分析法简介1.1.原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源,使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2.2.原子吸收光谱分析法原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待测元素的共振线,并将溶液中离子转变成气态原子后,测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。第5页/共71页3.3.3.3
3、.原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后,外层电子从基态或低能态跃迁到高能态,在10-8s后跃回基态或低能态时,发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射,在与光源成90度的方向上,测定荧光强度进行定量分析的方法。4.4.分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射激发后,在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光,通过测量荧光强度进行定量分析的方法。第6页/共71页6.X6.X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射,其内层电子发生能级跃迁,发射出特征X射线(X射线荧光),测定其强度可进行定量分析。7.7.化学发光分析法化学发光分析法
4、利用化学反应提供能量,使待测分子被激发,返回基态时发出一定波长的光,依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。5.5.分子磷光分析法分子磷光分析法 处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第 一激发态的三线态,再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。第7页/共71页 利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图,可进行化合物结构分析,根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。9.9.红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。10.10.核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析
5、法 在外磁场的作用下,核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级,吸收射频辐射后产生能级跃迁,根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。8.8.紫外吸收光谱分析法紫外吸收光谱分析法第8页/共71页五、光分析方法的进展 1.1.采用新光源,提高灵敏度采用新光源,提高灵敏度 级联光源:电感耦合等离子体-辉光放电;激光蒸发-微波等离子体 2.2.联用技术联用技术 电感耦合高频等离子体(ICP)质谱 激光质谱:灵敏度达10-20 g 3.3.新材料新材料 光导纤维传导,损耗少;抗干扰能力强;第9页/共71页 4.4.4.4.交叉交叉交叉交叉 电致发光分析;光导纤维电化学传感器 5.5.检测器的发展
6、检测器的发展 电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图,将取代光电倍增管;光二极激光器代替空心阴极灯,使原子吸收可进行多元素同时测定;第10页/共71页三种光分析法测量过程示意图 第11页/共71页第二节 原子光谱与分子光谱 一、一、原子光谱(线状光谱)原子光谱(线状光谱)1.1.光谱项符号光谱项符号原子核外电子描述:其能级可由四个量子数决定:主量子数 n;角量子数 l;磁量子数 m;自旋量子数 s;但由于原子电子间的相互作用,其运动状态用主量子数n;总角量子数L;总自旋量子数S;内量子数J 描述;第12页/共71页原子的能级通常用光谱项符号表示:n 2
7、(S)+1 LJ n:主量子数;2(S)+1:谱线多重性符号;L:总角量子数;J:内量子数 第13页/共71页2.能级图 元素的光谱线系常用能级图来表示。最上面的是光谱项符号;最下面的横线表示基态;上面的表示激发态;可以产生的跃迁用线连接;线系:由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线;第14页/共71页3.共振线 元素由基态到第一激发态的跃迁最易发生,需要的能量最低,产生的谱线也最强,该谱线称为共振线,也称为该元素的特征谱线;第15页/共71页 二、二、分子光谱(带状光谱)分子光谱(带状光谱)原子光谱图原子光谱图分子光谱图分子光谱图第16页/共71页分子中的能量分子中的能量E=Ee+
8、Ev+Er+En+Et+Ei分子中原子的核能:En分子的平移能:Et电子运动能:Ee原子间相对振动能:Ev分子转动能:Er基团间的内旋能:Ei在一般化学反应中,En不变;Et、Ei较小;E=Ee+Ev+Er 分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率:=Ee/h+Ev/h+Er/h 第17页/共71页第三节 光谱法仪器与光学器件一、光分析法仪器的基本流程 光谱仪器通常包括五个基本单元:光源;单色器;样品;检测器;显示与数据处理;第18页/共71页二、光分析法仪器的基本单元1.1.光源光源 依据方法不同,采用不同的光源:火焰、灯、激光、电火花、电弧等;依据光源性质不同,分为:连续光源:在较大范围提供连续波
9、长的光源,氢灯、氘灯、钨丝灯等;线光源:提供特定波长的光源,金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等;第19页/共71页2.2.单色器单色器 单色器:获得高光谱纯度辐射束的装置,而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变;主要部件:(1)进口狭缝;(2)准直装置(透镜或反射镜):使辐射束成为平行光线;(3)色散装置(棱镜、光栅):使不同波长的辐射以不同的角度进行传播;第20页/共71页 (4)聚焦透镜或凹面反射镜,使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。第21页/共71页3 3 棱镜 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率,波长长的光,折射率小;波长短的光,折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排
10、列成为单色光;经聚焦后在焦面上的不同位置上成像,获得按波长展开的光谱;棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料;棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征;第22页/共71页棱镜的特性与参数(1 1)色散率 角色散率:用d/d表示,偏向角对波长的变化率;棱镜的顶角越大或折射率越大,角色散率越大,分开两条相邻谱线的能力越强,但顶角越大,反射损失也增大,通常为60度角;线色散率:用dl/d表示,两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率;倒线色散率:用d/dl 表示,第23页/共71页(2 2 2 2)分辨率)分辨率 相邻两条谱线分开程度的度量:两条相邻谱线的平均波长;:两条谱线的波长差;b:棱镜
11、的底边长度;n:棱镜介质材料的折射率。分辨率与波长有关,长波的分辨率要比短波的分辨率小,棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。第24页/共71页4.4.光栅光栅透射光栅,反射光栅;光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果,前者决定光谱出现的位置,后者决定谱线强度分布;第25页/共71页光栅的特性光栅的特性 ABCDE表示平面光栅的一段;光线L在AJF处同相,到达AKI平面,光线L2M2要比光线L1M1多通过JCK这段距离。FEI=2JCK,其后各缝隙的光程差将以等差级数增加,3JCK、4JCK等。当光线M1、M2、M3到达焦点时,如果他们沿平面波阵面AKI同相位,他们就会产生一个明亮的光
12、源相,只有JCK是光线波长的整数倍时才能满足条件。第26页/共71页光栅的特性:光栅的特性:将反射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。图所示反射光栅是由与光栅表面成角的小斜面构成(小阶梯光栅,闪耀光栅),角叫做闪耀角。选择适宜的闪耀角,可以使90%的有效能量集中在单独一级的衍射上。第27页/共71页光栅的线色散率光栅的线色散率 f 为会聚透镜的焦距。等强度的两条谱线(I,II)中,一条(II)的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时,两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%,在这种情况下,两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离(可分离的最小波长间隔);第28页/
13、共71页光栅的分辨率光栅的分辨率R R 光栅的分辨率R 等于光谱级次(n)与光栅刻痕条数(N)的乘积:光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。宽度50mm,N=1200条/mm,一级光谱的分辨率:R=1501200=6104第29页/共71页5.5.检测器检测器(1)光检测器 主要有以下几种:硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器;(2)热检测器 主要有:真空热电偶检测器:红外光谱仪中常用的一种;热释电检测器:5.5.信号、与数据处理系统信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印,工作站软件系统;第30页/共71页第四节 原
14、子发射光谱分析基本原理一、概述一、概述原原子子发发射射光光谱谱分分析析法法(emission emission spectroscopy spectroscopy,AESAES):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。第31页/共71页二、原子发射光谱分析法的特点二、原子发射光谱分析法的特点:(1)(1)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 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)(3)选择性高 各元素具有不同的特征光谱;(4)(4)检出限较低 100.1gg-1
15、(一般光源);ngg-1(ICP)(5)(5)准确度较高 5%10%(一般光源);1%(ICP);(6)(6)ICP-AESICP-AES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:非金属元素不能检测或灵敏度低。第32页/共71页三、谱线强度原原子子由由某某一一激激发发态态 i 向向低低能能级级 j 跃跃迁迁,所所发发射射的的谱谱线线强强度度与激发态原子数成正比。与激发态原子数成正比。在在热热力力学学平平衡衡时时,单单位位体体积积的的基基态态原原子子数数N0与与激激发发态态原原子数子数Ni的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律:的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律:gi、g0为激发态
16、与基态的统计权重;Ei:为激发能;k为玻耳兹曼常数;T为激发温度;发射谱线强度:发射谱线强度:Iij=Ni Aijh ijh为Plank常数;Aij两个能级间的跃迁几率;ij发射谱线的频率。将Ni代入上式,得:第33页/共71页谱线强度谱线强度影响谱线强度的因素:(1)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。第34页/共71页四、谱线的自吸与自蚀等等离离子子体体: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。自自吸吸: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
17、象。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,如同出现两条线,这种现象称为自蚀自蚀。谱线表,r:自吸;R:自蚀;第35页/共71页第五节 原子发射光谱分析装置与仪器一、仪器类型与流程 原子发射光谱分析仪器的类型有多种,如:火焰发射光谱、微波等离子体光谱仪、感耦等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等;原子发射光谱仪通常由三部分构成:光源、分光、检测;第36页/共71页二、火焰光度计 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。常用于碱金属、钙等谱线简单的几种元素的测定,在硅酸盐、血浆等样
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- 第二 原子 发射光谱分析
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