分析化学原子发射光谱

分析化学原子发射光谱第一页，共三十二页，2022年，8月28日§1概述分析物在原子化器中将发生一系列的物理、化学过程原子化器不仅能将试样转变成自由原子，若其内部温度再升高的话，还能将试样转变为自由离子，或将部分试样激发到较高的电子能级。被激发的这些物质通过发射紫外和可见光的谱线迅速地驰豫回到基态。利用这些谱线出现的波长及其强度进行元素的定性和定量分析即为AES三个关键问题：

原子化方式分光系统检测系统第二页，共三十二页，2022年，8月28日困境：

火焰：灵敏度低，仅限于测定碱金属（K、Na）电弧、电火花：重现性不好，分析准确度差1950年代，AAS出现，古老的AES受冲击

1975，美国AppliedResearchLaboratories(ARL)公司推出第一台ICP–AES，AES获得新生

原子化方式火焰、电弧、电火花

1860年开始用于分析化学第三页，共三十二页，2022年，8月28日AES发展的技术瓶颈：高温稳定光源高分辨率的分光系统弱光检测技术第四页，共三十二页，2022年，8月28日原子发射光谱仪的发展

历程就是寻找高温稳定光源的历程

火花交流电弧电感耦合等离子体（ICP）微波诱导等离子体（MIP）火焰温度：2000－3000K，稳定性：很好温度：4000－7000K，稳定性：好温度：4000－7000K，稳定性：差温度：6000－8000K稳定性：很好直流电弧激光温度：10000K，稳定性：好温度：10000K稳定性：很好第五页，共三十二页，2022年，8月28日一些元素的原子发射谱线相当丰富，如过渡金属，稀士元素等，要将这些谱线分开，要求单色器的色散能力强单色器:

棱镜

光栅

中阶梯光栅

分光系统第六页，共三十二页，2022年，8月28日

检测系统

眼睛（看谱仪）：炉前分析

半定量

感光板（摄谱仪）：测微仪—黑度S∝c定量

光电倍增管：光信号

电信号

I∝c

电荷耦合检测器（CCDChargeCoupledDetector）

第七页，共三十二页，2022年，8月28日第八页，共三十二页，2022年，8月28日AES仪第一代第二代第三代光源火焰、电弧、电火花ICPICP分光系统棱镜、光栅棱镜、光栅中阶梯光栅检测系统眼睛、感光板光电倍增管CID、CCD

光电增管

出现年代184019701990第九页，共三十二页，2022年，8月28日电感耦合等离子体光谱仪的发展

（ICP-AES）

单道+多通道多通道全谱直读摄谱仪平面光栅+相板（1970）凹面光栅+光电倍增管平面光栅+光电倍增管中阶梯光栅+固体检测器单道扫描后全谱直读时代第十页，共三十二页，2022年，8月28日§5.2现代原子发射光谱仪Optima4000Series-4100DV-4200DV-4300DV第十一页，共三十二页，2022年，8月28日Optima4300DVOpticalDiagram第十二页，共三十二页，2022年，8月28日ICP光源InductivelyCoupledPlasma第十三页，共三十二页，2022年，8月28日等离子体（plasma):电离度>0.1%,正、负电荷相等的电离气体等离子体光源:外观上类似火焰的等离子体放电光源

形成稳定的ICP焰炬，应有三个条件：高频电磁场工作气体（Ar）能维持气体稳定放电的石英炬管第十四页，共三十二页，2022年，8月28日

石英炬管的结构:三个同心管①外层管由切向方向流入Ar冷却气，将等离子体焰炬与石英管隔开，以免烧熔石英炬管（～5L/min）②中层管引入辅助气流保护中心管③内层管引入载气打开一条通道，让载气带试样的气溶胶进入等离子体（0.3～1.5L/min）

试样的导入溶液样：采用气动雾化器，超声雾化器进样固体样：激光经聚焦后其焦点温度达1000K以上，可使任何物质蒸发第十五页，共三十二页，2022年，8月28日RadialEmissionMedEnergyRequired(NAZ)MnCompromiseHighEnergyRequiredShortWavelengthsAs,SeLowEnergyRequiredLongWavelengthsK,Cs,La,Li,Na,Sr第十六页，共三十二页，2022年，8月28日ICP-AES的特点

应用范围广第十七页，共三十二页，2022年，8月28日可测定的元素多达70多种第十八页，共三十二页，2022年，8月28日水平炬能进一步提高灵敏度3～5倍，有的元素达一个数量级灵敏度高ppb级第十九页，共三十二页，2022年，8月28日

线性范围宽

达6个数量级可测定中高、低含量及痕量元素

多元素的同时测定即使在高达500ppmAl、Ca、Mg等元素存在下，仍能得到非常满意的结果。且一次测定、一次完成、测定时间不足五分钟第二十页，共三十二页，2022年，8月28日第二十一页，共三十二页，2022年，8月28日应用计算机，采用快速自动谱线拟合技术（FACT、fastautomatedcurve-fittingtecknique）用高斯分布模型对被测物和干扰物的谱图进行最小二乘法线性回归，实现在线解谱，能准确、实时地扣除谱线干扰

干扰小第二十二页，共三十二页，2022年，8月28日缺点:

操作费用大

第二十三页，共三十二页，2022年，8月28日§5.3应用示例储氢材料中主体元素的同时测定

未来汽车将以燃料电池来驱动，故如何储氢便成为热门与关键技术。储氢材料一般含有La、Ce、Pr、Nd、Ni、Co、Mn、Al等主体元素，可直接称取0.25g试样，用王水溶解，定容至250ml，再用5%的王水稀释10倍后，直接雾化进样元素波长（nm）测定值（%）测量精度（RSD%）Ca423.83810.750.35Ce446.02115.320.42Pr410.0721.730.85Nd403.3585.240.42Ni341.47647.160.36说明ICP-AES法用于高、中含量的样品，结果相当不错第二十四页，共三十二页，2022年，8月28日InductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometrycananalyzealmostallelementsintheperiodictableatconcentrationof1ppm=1mg/L=1g/mL=10-6g/mL1ppb=1g/L=1ng/mL=10-9g/mL1ppt=1ng/L=1pg/mL=10-12g/mL1ppq=1pg/L=1fg/mL=10-15g/mLICP-MSOthersimilartechniques：AtomicAbsorptionSpectroscopy(AAS)InductivelyCoupledPlasmaOpticalEmissionSpectroscopy(ICP-OES)第二十五页，共三十二页，2022年，8月28日ElementsAnalyzedbyICP-MSD.L.range<1ppt1–100ppt0.1–1ppbLanthanideActinoidInductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry第二十六页，共三十二页，2022年，8月28日SchematicDiagramofICP-MS:ELAN9000DetectorShadowStopTurbomolecularpumpsRoughingpumpsArgasinMainQ-poleDC+AC(U+Vcost)E-LensPre-filterAConly(Vcost)+++++++第二十七页，共三十二页，2022年，8月28日Photocurrent(Amperes)

-910

-810

-710

-610

-510Wavelength(nm)190270310330230250290210350123456789121110ComparisonofSpectraPbisotopesPb1μg/L(ppb)Pb100mg/L(ppm)ICP-AESICP-MS第二十八页，共三十二页，2022年，8月28日ApplicationsofICP-MSEnvironmental

Drinkingwater,wastewater,soil,sediment,landfill,

airborneparticulate,seawater,riverwater,plantstissue,coalash

Semiconductor

Cleaningacidsandalkalinesolution,organicsolvent,Siwafer,

GaAswafer,photoresist, developer,stripper,gasses,glass

Clinicalandpharmaceutical

Urine,serum,blood,internalorganstissue,medicine,supplement,

anti-cancerdrug,ChinesemedicineFoodNuclear

Coolingwater,isotopeofUandB,radioactivecompoundsGeologicalResearch第二十九页，共三十二页，2022年，8月28日WhyisICP-MSusedinEnvironmentalApplication?LowercontrollimitsMorefrequentmonitoringAnalysisofadditionalelementsU,Tl,BeThespeedofs