ICP-AES基本原理PPT课件.ppt

ICP发射光谱分析 目录 1 原子发射法简介2 ICP发射光谱分析原理3 ICP发射光谱仪的构成4 ICP发射光谱分析方法5 样品的前处理 1 原子发射法简介 1 1概述1 定义 AES是据每种原子或离子在热或电激发 处于激发态的待测元素原子回到基态时发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法 2 历史 3 原子发射光谱分析的特点 1 多元素同时检测能力 可同时测定一个样品中的多种元素 每一个样品一经激发后 不同元素都发射特征光谱 这样就可同时测定多种元素 2 分析速度快 若利用光电直读光谱仪 可在几分钟内同时对几十种元素进行定量分析 分析试样不经化学处理 固体 液体样品都可直接测定 3 选择性好 每种元素因原子结构不同 发射各自不同的特征光谱 在分析化学上 这种性质上的差异 对于一些化学性质极相似的元素具有特别重要的意义 例如 铌和钽 锆和铪 几十个稀土元素用其他方法分析都很困难 而发射光谱分析可以毫无困难地将它们区分开来 并分别加以测定 4 检出限低 一般光源可达10 0 1 g g 1 或 g cm 3 绝对值可达1 0 01 g 电感耦合高频等离子体 ICP 检出限可达ng g 1级 5 准确度较高 一般光源相对误差约为5 10 ICP相对误差可达1 以下 6 试样消耗少 7 ICP光源校准曲线线性范围宽可达4 6个数量级 这样可测定元素各种不同含量 高 中 微含量 一个试样同时进行多元素分析 又可测定各种不同含量 目前ICP AES已广泛地应用于各个领域之中 8 常见的非金属元素如氧 硫 氮 卤素等谱线在远紫外区 目前一般的光谱仪尚无法检测 还有一些非金属元素 如P Se Te等 由于其激发电位高 灵敏度较低 1 2原子发射几个基本概念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 当c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 4 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 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 1 3原子能级图及能级的跃迁 能级图 激发发光 原子光谱的产生 入 波长 C 光速 h 普朗克常数 E0 基态能级能量 Em 激发态能量汞的第一激发态为4 9ev 一些元素的离子化势能 eV Lit Zaidel 原子发射光谱法包括了三个主要的过程 即 1 由光源提供能量使样品蒸发 形成气态原子 并进一步使气态原子激发而产生光辐射 2 将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线 形成光谱 3 用检测器检测光谱中谱线的波长和强度 不同的原子具有不同的能级 在一般的情况下 原子处于能量最低的状态 即基态 当电子或其他粒子与原子相互碰撞 如果其动能稍大于原子的激发能 就可使该气态原子获得一定的能量 从原子的基态过渡至某一较高能级 这一过程叫做激发 激发 电子返回低能级发出特定波长的光DE k lk 12400 发射 多种能量传输发射光取决于能级间能量差 返回基态发出光 激发态 DE hn hc l h Planck s常数 n 频率 c 光速 l 波长 原子光谱的产生 1 4 AES定性定量原理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 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 定性原理 浓度 I 强度 0 C I C 定量分析原理 在光谱定量分析中 谱线强度与被测元素浓度成正比 而自吸严重影响谱线强度 所以 在定量分析时必须注意自吸现象 在一定的实验条件下 单位体积内的基态原子数目No和元素浓度C的关系为No aCbq式中 b为自吸系数 当浓度很低时 原子蒸气的厚度很小 b 1 即没有自吸 a与q是与试样蒸发过程有关的参数 不发生化学反应时 q 1 a又称为有效蒸发系数 这样经简化后就成为 I ACb式中 A为与测定条件有关的系数 式为原子发射光谱定量分析的基本公式 1 5原子发射光谱仪的基本构成AES仪器主要由光源 热源 进样系统 单色系统 检测系统 计算机数据处理系统五部分组成 由于在后面的ICP中要涉及各个部分 因此 这里就不作详细介绍了 为了方便起见 我们可先看看AES所用到的光源 并比较其各自的特征 1 5 1AES光源种类 1 5 2AES光源的比较 2 ICP发射光谱分析原理 2 1什么是ICPICP InductiveCoupledPlasma 即为电感耦合高频等离子体光源 等离子体 Plasma 一般指电离度超过0 1 被电离了的气体 这种气体不仅含有中性原子和分子 而且含有大量的电子和离子 且电子和正离子的浓度处于平衡状态 从整体来看是出于中性的 利用电感耦合高频等离子体 ICP 作为原子发射光谱的激发光源始于上世纪60年代 其特点 高温下电离的气体 Ionizedgas 离子状态 阳离子和电子数几乎相等 等离子体的温度较高 最高温度10000K 2 2ICP形成的原理ICP装置由 高频发生器和感应线圈 炬管和供气系统 进样系统 三部分组成 高频发生器的作用是产生高频磁场以供给等离子体能量 应用最广泛的有自激发生器和利用石英晶体压电效应产生高频振荡的他激式高频发生器 其频率和功率输出稳定性高 频率多为27 50MHz 最大输出功率通常是1 4kW 2 2 1高频电感耦合等离子体震荡电路 2 2 2ICP进样系统及等离子炬管 将样品溶液雾化连续导入ICP中 ICP火焰 高频线圈 等离子炬管 样品溶液 雾室 雾化器 冷却气 Ar 等离子 辅助 气 Ar ICP焰明显地分为三个区域 1 焰心区呈白色 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 内焰区位于焰心区上方 一般在感应圈以上10 20mm左右 略带淡蓝色 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 尾焰区在内焰区上方 无色透明 温度较低 在6000K以下 只能激发低能级的谱线 2 2 3ICP光源的气流 冷却气 起冷却作用 保护石英炬管免被高温融化辅助气 点燃 等离子体雾化气 形成样品气溶胶 将样品气溶胶引入ICP 对雾化器 雾化室 中心管起清洗作用 2 2 4等离子炬管 等离子炬管分为输入载气Ar的内层管 输入辅助气Ar的中层管和输入等离子气Ar的外层管 外层管 外层管通Ar气作为冷却气 沿切线方向引入 并螺旋上升 其作用 第一 将等离子体吹离外层石英管的内壁 可保护石英管不被烧毁 第二 是利用离心作用 在炬管中心产生低气压通道 以利于进样 第三 这部分Ar气流同时也参与放电过程中层管 中层管通人辅助气体Ar气 用于点燃等离子体 内层管 内层石英管内径为1 2mm左右 以Ar为载气 把经过雾化器的试样溶液以气溶胶形式引入等离子体中 炬管的组成 三层石英同心管组成 如上图 冷却 等离子 氩气以外管内壁相切的方向进入ICP炬管内 有效地解决了石英管壁的冷却问题 防止其被高温的ICP烧熔 炬管置于高频线圈的正中 线圈的下端距中管的上端2 4mm 水冷的线圈连接到高频发生器的输出端 高频电能通过线圈耦合到炬管内电离的氩气中 当线圈上有高频电流通过时 则在线圈的轴线方向上产生一个强烈振荡的环形磁场如图所示 开始时 炬管中的原子氩并不导电 因而也不会形成放电 当点火器的高频火花放电在炬管内使小量氩气电离时 一旦在炬管内出现了导电的粒子 由于磁场的作用 其运动方向随磁场的频率而振荡 并形成与炬管同轴的环形电流 2 3ICP光源的装置及其形成 原子 离子 电子在强烈的振荡运动中互相碰撞产生更多的电子与离子 终于形成明亮的白色Ar ICP放电 其外形尤如一滴刚形成的水滴 在高度电离的ICP内部所形成的环形涡流可看作只有一匝的变压器次级线圈 而水冷的工作线圈则相当于变压器的初级线圈 它们之间的耦合 使磁场的强度和方向随时间而变化 受磁场加速的电子和离子不断改变其运动方向 导致焦耳发热效应并附带产生电离作用 这种气体在极短时间内在石英的炬管内形成一个新型的稳定的 电火焰 光源 样品经雾化器被气动力吹散击碎成粒径为1 10um之间的细粒截氩气由中心管注入ICP中 雾滴在进入ICP之前 经雾化室除去大雾滴使到达ICP的气溶胶微滴快速地去溶 蒸发和原子化 2 4ICP AES可测定的元素及范围 ICP AES不便测定的元素 卤族元素中溴 碘可测 氟 氯不能测定 惰性气体可激发 灵敏度不高 无应用价值 碳元素可测定 但空气二氧化碳本底太高 氧 氮 氢可激发 但必须隔离空气和水 大量铀 钍 钚放射性元素可测 但要求防护条件 应用范围 常量分析0 X 20 微量分析0 00X 0 X 痕量分析 0 0000X 0 000X 一般需要分离和富集 不宜用于测定30 以上的 准确度难于达到要求 2 5ICP发射光谱分析的基本原理 ICP发射光谱分析过程主要分为三步 即激发 分光和检测 利用等离子体激发光源 ICP 使试样蒸发汽化 离解或分解为原子状态 原子可能进一步电离成离子态 原子及离子在光源中激发发光 利用光谱仪器将光源发射的光分解为按波长排列的光谱 利用光电器件检测光谱 按测定得到的光谱波长对试样进行定性分析 按发射光强度进行定量分析 I Nmh K NmN0e Em kT 1 在一定的实验条件下 I aC 2 a为常数 C为目的元素的浓度考虑某些情况下有一定程度的谱线自吸 对 2 加以修正I aCb 3 b为自吸系数 一般情况下b 1 在ICP光源中多数情况下b 1 谱线强度与浓度的关系 ICP AES的特长 溶液进样 标准溶液易制备高灵敏度 亚ppb 高精度 CV 1 化学干扰少线性范围宽 个数量级 可同时进行多元素的定性定量分析 可以分析的样品1 金属 钢铁 有色金属 2 化学 药品 石油 树脂 陶瓷3 生物 医药 食品4 环境 自来水 环境水 土壤 大气粉尘 5 可以分析其他各种各样样品中的金属备注 固体样品必须进行前处理 液化 3 ICP发射光谱仪的构成 ICP AES结构示意图 ICP AES光谱仪结构 溶液 雾化发光元素光 电信号结果 3 1R F高频发生器 27 12MHz 40 68MHz高频发生器输出功率稳定性好 点火容易 发热量小 火焰稳定 有效转换功率高 能对不同样品及不同浓度变化时抗干扰能力强 高频电感耦合等离子体震荡电路 3 1 1ICP进样系统及等离子炬管 将样品溶液雾化连续导入ICP中 ICP火焰 高频线圈 等离子炬管 样品溶液 雾室 雾化器 冷却气 Ar 等离子 辅助 气 Ar Fassel炬管 气动雾化器 同心型 3 1 2气动雾化器 气动雾化器的结构简单 通常分为同轴型雾化器和直角型雾化器 同轴型雾化器结构简单 易于制作 应用较为普遍 直角型雾化器不易被悬浮物质堵塞 但雾化效率较低 喷嘴容易堵塞 进样速度受载气压力的影响 改用蠕动泵驱动雾化器 可避免载气压力对样品提升量的影响 旋流雾室 双筒雾室 雾室 双筒雾室 旋流雾室 3 1 3等离子炬观测位置 轴向和横向观测任选 用轴向观测提高灵敏度 横向观测分析高浓度的样品 轴向和横向观测 3 2ICP AES分光器 选择分辨出目的元素的特征谱线 3 3检测器 光电倍增管 光电倍增管工作原理图 阴极 二次电子倍增原理 3 3 1检测器 固态成像器件 CID CCD CID和CCD检测器 CID检测器最初发明用于天文学以解决在较长时间爆光时 亮的星体所引起的 溢出 问题 观察遥远星体的发射光通过天文望远镜采集光信号用光谱仪进行分光 测定不同谱线的强度确定所观察星体的金属组成 CCD检测器最初用于电子记录成像 掺杂的硅晶体吸收光子 一定面积的芯片 像素 产生电子 CCD的工作原理 电子的传输通过不同的芯片进行 每个像素的读出放大和传输得到相应的电压值 3 4计算机功能 程序控制 仪器各部件的起动 关闭时实控制 时间监控 远程诊断 信息转移数据处理谱线数据库专家系统 3 5ICP常见的几种类型 3 5 1固定多通道型光谱仪 多元素同时测定 分析速度快分析精度高 稳定性好操作简单 消耗少 必须根据用户需求预先排定PMT和出射狭缝 灵活性差 3 5 2多道直读光谱仪 3 5 3单道扫描型光谱仪 谱线选择灵活定量 定性和半定量分析仪器价格低分析速度慢 精度稍差 单道扫描光谱仪 3 5 4全谱直读型光谱仪 全谱直读式的等离子光谱仪 它采用中阶梯光学系统结合固体检测器 CID CCD 既具有单道的灵活性 又有多道的快速与稳定 全谱直读光谱仪 4 ICP发射光谱分析方法 定性分析定量分析半定量分析 需进行使样品溶液化的前处理 ICP发射光谱分析方法 定性分析 定性分析要确认试样中存在某个元素 需要在试样光谱中找出三条或三条以上该元素的灵敏线 并且谱线之间的强度关系是合理的 只要某元素的最灵敏线不存在 就可以肯定试样中无该元素 定量分析 工作曲线法标准样品的组成与实际样品一致在工作曲线的直线范围内测定使用无干扰的分析线 定量分析 标准加入法测定范围的工作曲线的直线性溶液中干扰物质浓度必须恒定应有1 3个添加样品使用无干扰的分析线进行背景校正 定量分析 内标法在试样和标准样品中加入同样浓度的某一元素 内标元素 利用分析元素和内标元素的谱线强度比与待测元素浓度绘制工作曲线 并进行样品分析 半定量分析 半定量分析有些样品不要求给出十分准确的分析数据 允许有较大偏差 但需要尽快给出分析数据 这类样品可采用半定量分析法 ICP光源的半定量分析尚无通用方法 因仪器类型和软件功能而异 应用不广泛 灵敏度 检出限 背景等效浓度 灵敏度 S dX dc单位浓度变化所引起的响应量的变化 它相当于工作曲线的斜率检出限 ICP光谱分析中 能可靠地检出样品中某元素的最小量或最低浓度 背景等效浓度 BEC 与背景信号相当的浓度 ICP发射光谱分析中的干扰 物理干扰化学干扰电离干扰光谱干扰 干扰的校正 基体匹配可消除物理 电离干扰 注意不纯物的混入 内标校正可消除物理干扰 注意内标元素的选择 电离电位 背景校正 扣除光谱背景 谱线干扰的校正 选择无干扰的谱线干扰系数法校正谱线干扰稀释样品 5 样品的前处理 待测元素完全进入溶液溶解过程待测元素不损失不引入或尽可能少引入影响测定的成分试样溶剂具有较高的纯度 易于获得操作简便快速 节省经费等 溶解样品的基本要求 80 稀释法用纯水 稀酸 有机溶剂直接稀释样品 只适用于均匀样品例 排放水 电镀液 润滑油等干式灰化分解法在马弗炉中加热样品 使之灰化 可同时处理多个样品 注意低沸点元素Hg As Se Te Sb的挥发例 食品 塑料 有机物粉末等 样品的前处理 溶液化 81 湿式分解法常规酸消化样品 酸 300 于烧杯或三角烧瓶中 在电热板或电炉上加热 常规酸消化的优点是设备简单 适合处理大批量样品 缺点是操作难度大 试剂消耗量大 每个试样的酸消耗量不等 试剂空白高且不完全一致 消解周期长 劳动条件较差 样品的前处理 溶液化 高压密封罐消解高压密封罐由聚四氟乙烯密封罐和不锈钢套筒构成 试样和酸放在