[理学]第八章原子发射光谱分析.ppt

第八章原子发射光谱分析法 原子光谱法 Atomicspectroscopymethods 是基于激发 热能 电能或光能 下的气态原子的外层电子的能级间跃迁过程中吸收或发射的特征谱线而建立的光学分析法 研究与光谱线有关的特征物理量 波长和强度波长 定性强度 定量 原子光谱类型原子发射光谱 发射 吸收热能 激发以后回到基态时 原子荧光光谱 发射 吸收光辐射 激发以后回到基态时 原子吸收光谱 吸收 吸收光辐射 基态到激发态时 分析对象 元素分析 Elementalanalysis 气态原子或离子的核外层电子当获取足够的能量后 就会从基态跃迁到各种激发态 处于各种激发态不稳定的电子 寿命 10 8s 迅速回到低能态时 就要释放出能量 若以光辐射的形式释放能量 既得到原子发射光谱 8 1原子发射光谱法基本原理 一 原子发射光谱的产生 电能 热能 光能等激发气态原子 离子的核外层电子跃迁至高能态 气态激发态原子 离子的核外层电子 迅速回到低能态时以光辐射的形式释放能量 原子发射光谱 主量子数 n 描述核外电子是在那个电子壳层上运动 n 1 2 3 4 5 6 7 符号 K L M N O P Q 一 原子核外电子的壳层结构 1 单价电子原子 角量子数 l 描述核外电子云的形状 l 0 1 2 3 4 符号 s p d f g 磁量子数 m 描述核外电子云沿磁场方向的分量 m 0 1 2 3 l 自旋量子数 ms 描述核外电子云自旋方向 ms 1 2 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3s 1n 3l 0m 0ms 1 2 主量子数 n n 1 2 3 4 5 6 7 2 多价电子的原子 总自旋量子数 S S 0 1 2 1 3 2 2 5 2 3 ms 光谱的多重性 M M 2S 1 内量子数 J 光谱支项J L S L S L S J S L S L S L 1 光谱项 原子发射光谱是由原子或离子的核外电子在高低级间跃迁而产生的 原子或离子的能级通常用光谱项符号来表示 二 原子的能级与能级图 n2S 1LJornMLJ n 为主量子数 L 为总角量子数 S 为总自旋量子数 M 2S 1 称为谱线的多重性J 为内量子数 又称光谱支项 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Na 5889 96 32S1 2 32P3 25895 93 32S1 2 32P1 2 1 主量子数n变化 n为整数 包括0 2 总角量子数L的变化 L 1 3 内量子数J变化 J 0 1 但当J 0时 J 0的跃迁是禁戒的 4 总自旋量子数S的变化 S 0 即单重项只跃迁到单重项 三重项只跃迁到三重项 2 原子发射光谱的光谱选律 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3 能级图 把原子中所可能存在的光谱项 能级及能级跃迁用平面图解的形式表示出来 称为能级图 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 2 共振线 第一共振线由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线称为共振线 由第一激发态直接跃迁至基态的谱线称为第一共振线 1 激发电位 低能态电子被激发到高能态时所需要的能量 二 原子发射光谱法一些常用的术语 4 电离电位和离子线 原子受激后得到足够能量而失去电子 电离 所需的能量称为电离电位 离子的外层电子跃迁时所发射的谱线称离子线 以II III IV等表示 例如Na 5895 923A0表示原子线 Mg 2802 700A0表示一次电离离子线 3 最灵敏线 最后线 分析线第一共振线一般也是元素的最灵敏线 当该元素在被测物质里降低到一定含量时 出现的最后一条谱线 这是最后线 也是最灵敏线 用来测量该元素的谱线称分析线 三 原子发射谱线强度与试样中元素浓度的关系 Ni N0gi g0e Ei kT 1 在高温下 处于热力学平衡状态时 单位体积的基态原子数N0与激发态原子数Ni之间遵守波尔兹曼Boltzmann分布定律 gi g0 激发态和基态的统计权重Ei 激发电位k Boltzmann常数T 温度K 1 谱线强度及其影响因素 e g2500K和2510K时Na原子3p激发态和基态原子数的比值 2500K时 Ni N0 1 72x10 42510K时 Ni N0 1 79x10 4温度升高10K 相应激发态Na原子数目数增加了4 谱线强度与下列因素有关 1 激发温度 温度升高 谱线强度增大 但温度升高 体系中被电离的原子数目也增多 中性原子数相应减少 使原子线强度减弱 谱线各有其合适的温度 在此温度时 谱线强度最大 2 激发电位 谱线强度与激发电位是负指数关系 激发电位越大 谱线强度越小 3 跃迁几率 谱线强度与跃迁几率成正比 4 基态原子 谱线强度与基态原子数成正比 基态原子数由元素浓度决定 因此谱线强度与元素浓度 5 统计权重 谱线强度与激发态和基态的统计权重之比成正比 三 谱线的自吸与自蚀self absorptionandselfreversalofspectrumline A 自吸原子在高温时被激发 发射某一波长的谱线 而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的辐射 这种现象称为自吸现象 I I0e adI0为弧焰中心发射的谱线强度 a为吸收系数 与基态原子浓度有关 d为弧层厚度 弧层越厚 弧焰中被测元素的原子浓度越大 自吸现象越严重 B 自蚀原子浓度较大时 自吸更加严重 其辐射强度明显减弱 谱线轮廓中心下陷 甚至中心频率处地辐射几乎能被完全吸收 这现象称为自蚀 在谱线上 常用r表示自吸 R表示自蚀 一 原子发射光谱法的分析过程 激发源 光源 单色器 检测器 数据处理与显示 8 2原子发射光谱仪 2020 3 26 发射光谱仪结构示意图 二 光源 激发源 1 光源的作用 光源具有使试样蒸发 解离 原子化 激发 跃迁产生光辐射的作用 2 光源的影响 决定光谱分析的检出限 灵敏度和准确度 3 光源的类型 提供足够的能量使试样蒸发 原子化 激发 产生光谱 18 1 直流电弧 接触引燃 二次电子发射放电 直流电作为激发能源 电压150 380V 电流5 30A 两支石墨电极 试样放置在一支电极 下电极 的凹槽内 阴极释放的电子不断撞击阳极 产生高温阳极斑 4000K 产生的电弧温度 4000 7000K电弧点燃后 热电子流高速通过分析间隔冲击阳极 产生高热 试样蒸发并原子化 电子与原子碰撞电离出正离子冲向阴极 电子 原子 离子间的相互碰撞 使原子跃迁到激发态 返回基态时发射出该原子的光谱 20 直流电弧特点 a 样品蒸发能力强 阳极斑 进入电弧的待测物多 绝对灵敏度高 尤其适于定性分析 同时也适于部分矿物 岩石等难熔样品及稀土难熔元素定量 b 电弧不稳 分析重现性差 c 弧层厚 自吸严重 d 安全性差 21 2 交流电弧 高频高压引燃 低压放电 将普通的220V交流电直接连接在两个电极间是不可能形成弧焰的 这是因为电极间没有导电的电子和离子 可以采用高频高压引火装置 此时 借助高频高压电流 不断地 击穿 电极间的气体 造成电离 维持导电 在这种情况下 低频低压交流电就能不断地流过 维持电弧的燃烧 这种高频高压引火 低频低压燃弧的装置就是普通的交流电弧 交流电弧是介于直流电弧和电火花之间的一种光源 与直流相比 交流电弧的电极头温度稍低一些 但由于有控制放电装置 故电弧较稳定 但灵敏度较差 这种电源常用于金属 合金中低含量元素的定量分析 2 交流电弧 高频高压引燃 低压放电 有高压电弧和低压电弧两类 低压电弧应用较多 低压交流电弧工作电压 110 220V 采用高频引燃装置点燃电弧 在每一交流半周时引燃一次 保持电弧不灭 B1 B2 变压器C1 C2 电容R1 R2 可变电阻L1 L2 电感G1 放电盘G2 分析间隙 23 低压交流电弧特点 1 电极温度比直流电弧略低 样品蒸发能力比直流电弧差 因而对难熔盐分析的灵敏度略差于直流电弧 2 电弧温度比直流电弧略高 激发能力较强 3 电弧稳定 重现性好 适于大多数元素的定量分析 24 3 电火花 高频高压引燃并放电 高压交流电通过间隙放电 产生电火花 由于高压火花放电时间极短 故在这一瞬间内通过分析间隙的电流密度很大 高10000 50000A cm2 因此弧焰瞬间温度很高 可10000K以上 故激发能量大 可激发电离电位高的元素 由于电火花是以间隙方式进行工作的 平均电流密度并不高 所以电极头温度较低 且弧焰半径较小 这种光源主要用于易熔金属合金试样的分析及高含量元素的定量分析 3 高压火花 高频高压引燃并放电 220V10 25kV B C充电电压达到G击穿电压分析隙G放电 回路L C G中高压高频振荡电流 G放电中断 下一回合充放电开始火花不灭 26 火花特点 1 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 检出限低 自吸现象小 多适于分析易熔金属 合金样品及高含量元素分析 3 激发温度高 瞬间可达10000K 适于难激发元素分析 4 灵敏度差 背景大 不安全 不宜作痕量分析 高压火花的特点 1 放电温度高 激发能力强 某些难激发元素可被激发 且多为离子线 2 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 3 稳定性好 重现性好 适用定量分析 缺点 1 灵敏度较差 但可做较高含量的分析 2 噪音较大 4 电感耦合等离子体光源等离子体是一种电离度大于0 1 的电离气体 由电子 离子 原子和分子所组成 其中电子数目和离子数目基本相等 整体呈现中性 通常产生等离子体的气体为氩气 最常用的等离子体光源是直流等离子焰 DCP 电感耦合高频等离子炬 ICP 容耦微波等离子炬 CMP 和微波诱导等离子体 MIP 等 电感耦合等离子体组成 ICP高频发生器 等离子炬管 样品引入系统 雾化 炬管包括 外管 冷却气 沿切线引入中管 辅助气 点燃ICP 点燃后切断 内管 载气 样品引入 使用Ar是因为性质稳定 不与试样作用 光谱简单 依具体设计 三管中所通入的Ar总流量为5 20L min 石英管最大内径为2 5cm 炬管 外管 等离子体气流 冷却气 沿切线引入中管 辅助气 点燃ICP 点燃后切断 内管 载气 样品引入 使用Ar是因为性质稳定 不与试样作用 光谱简单 高频发生器接通电源后 高频电流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 气体电离后 在高频交流电场作用下 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 10 000k 电感耦合等离子体的产生 焰心区预热区试样气溶胶预热 蒸发 内焰区试样原子化 激发 发射很强的原子线和离子线 尾焰区发射激发电位较低谱线 ICP的分析性能1 高频电流具有 趋肤效应 ICP中高频感应电流绝大部分流经导体外围 越接近导体表面 电流密度就越大 2 涡流主要集中在等离子体的表面层内 形成环状结构 造成一个环形加热区 3 环形的中心是一个进样中心通道 气溶胶能顺利进入到等离子体内 使得等离子体焰炬有很高的稳定性 4 试样气溶胶在高温焰心区经历较长时间加热 在测光区平均停留时间长使样品充分原子化 并有效地消除了化学的干扰 5 周围是加热区 用热传导与辐射方式间接加热 使组份的改变对ICP影响较小 加之溶液进样少 因此 基体效应小 试样不会扩散到ICP焰炬周围而形成自吸的冷蒸气层 ICP具有如下特点 1 检出限低 2 稳定性好 精密度 准确度高 3 自吸效应 基体效应小 4 选择合适的观测高度光谱背景小 ICP局限性 对非金属测定灵敏度低 仪器价格昂贵 维持费用较高 4 光源的选择依据a 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c 含量高低d 光源特性 蒸发特性 激发特性 放电稳