原子发射光谱实验

仪器分析原子发射光谱实验【目的】1掌握原子发射光谱法的基本原理；2了解原子发射光谱仪的操作，了解数据采集及处理软件的使用；3掌握溶液残渣法分析液体样品和用固体粉末法分析固体样品；4掌握电感耦合等离子体发射光谱仪的工作原理，了解头发样品的消解处理过程，学习电感耦合等离子体发射光谱法测头发中的几种微量元素。【原理】原子发射光谱法是依据各种元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征光谱线，依据特征光谱线的波长和强度确定物质的元素种类及其含量而进行元素的定性与定量分析的方法。原子发射光谱法的仪器主要分为两大部分：光源与光谱仪。光谱仪中包括分光系统和检测系统。光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生发射光谱。光源的特性在很大程度上影响分析方法的灵敏度、准确度及精密度。理想的光源应满足高灵敏度、高稳定性、背景小、线性范围宽、结构简单、操作方便、使用安全等要求。目前可用的激发光源有火焰、电弧、火花、等离子体、辉光、激光光源等。直流电弧光源是通过两个电极（上电极和下电极）间产生的电弧，将下电极上的样品蒸发、原子化、激发。直流电弧设备简单，电极温度较高，蒸发能力强，灵敏度高，但电弧温度较低，激发能力差，因此适用于易激发、熔点较高的元素的定性分析。由于其产生的谱线容易发生自吸和自蚀，故不适于高含量元素的分析。而且直流电弧的稳定性较差，不适于定量分析。交流电弧电流具有脉冲性，其电流密度比直流电弧大，弧温较高，激发能力较强，甚至可产生一些离子线。但交流电弧放电的间歇性使电极温度比直流电弧略低，因而蒸发能力较差，适用于金属和合金中低含量元素的分析。由于交流电弧的电极上无高温斑点，温度分布较均匀，蒸发和激发的稳定性比直流电弧好，分析的精密度较高，有利于定量分析。电感耦合高频等离子体（ICP）是二十世纪60年代提出，70年代获得迅速发展的一种新型的激发光源。等离子体在总体上是一种呈中性的气体，由离子、电子、中性原子和分子所组成，其正负电荷密度几乎相等。通常，它是由高频发生器、等离子炬管和雾化器等三部分组成。等离子体在总体上是一种呈中性的气体，由离子、电子、中性原子和分子所组成，其正负电荷密度几乎相等。通常，它是由高频发生器、等离子炬管和雾化器等三部分组成。高频发生器的作用是产生高频磁场，供给等离子体能量。它的频率一般为30-40MHz，最大输出功率2-4kW。等离子矩管由三层同心石英玻璃管组成，三层石英管均通以氩气，外层以切线方向通入冷却用氩气，用于稳定等离子体矩且冷却管壁以防烧毁，第二层矩管内通入工作氩气，用以点燃等离子体，内层以氩气作为载气，将试样气溶胶引入等离子体中。将高频发生器与石英管外层的高频线圈接通后，在石英管内产生一个轴向高频磁场。如果利用电火花引燃第二层矩管中的气体，则会产生气体电离，当电离产生的电子和离子足够多时，会产生一股垂直于管轴方向的环形涡电流，使气体温度高达10000K，在管口形成火炬状的等离子矩焰，试样气溶胶在此获得足够能量，产生特征光谱。使用ICP光源时，通常需要制成溶液后进样。可以通过气动雾化、超声雾化和电热蒸发的方式将试样引入ICP光源。ICP光源具有很高的温度，因而激发和电离能力强，能激发很难激发的元素，可产生离子线，灵敏度高、检出限低，适于微量及痕量分析。由于高频电流的趋肤效应（指高频电流在导体表面的集聚现象），使等离子体矩形成一个环状的中心通道，因而气溶胶能顺利地进入到等离子体内，保证等离子体具有较高的稳定性，使分析的精密度和准确度都很高。ICP光源的背景发射和自吸效应小，可用于高含量元素的分析，定量分析的线性范围在4~6个数量级。此外，ICP光源不用电极，避免了由电极污染带来的干扰；但设备较复杂，氩气消耗量大，维持费用较高。【仪器1】本实验需操作两台仪器，一台是由WP1型一米平面光栅摄谱仪和AvaSpec-2048X14型光纤光谱仪改造而成的发射光谱仪。硬件部分保留了原摄谱仪的电弧发生器、电极架、导轨、透镜系统，引入了光纤光谱仪的600pm芯抗紫外光纤、光学平台、数据处理系统。其中光学平台采用对称式Czerny-Turner光路设计，狭缝10pm，焦距75mm，UE光栅2400线/mm，探测器采用像素为2048X14的薄型背照式CCD面阵传感器，积分时间2.24ms〜10min。采集软件AvaSoft-Full7.3版具备实时采集光谱、自动设置积分时间、周期性自动存储、缩放读谱、定位波长等基本功能。转换软件AvaLitePKU开发了峰状谱和线状谱对比、峰位标记、寻峰定性、光谱叠加半定量、图片及数据导出等功能。本仪器用于铜的原子发射谱线分析、溶液残渣法分析水样中可能含有的各种元素和固体粉末法确定混合样品中有无指定元素。【内容1】本部分的主要步骤分为：样品的准备、摄谱、数据处理。一、样品制备铜电极：1根平头铜电极，1根圆头铜电极，在电动砂轮机的右侧砂轮上打磨至电极截面平整、光亮、无铜锈。液体样品：准备3根平头碳电极，竖直放于电极盘上，各滴加1滴1%的聚苯乙烯-苯溶液（不要加太多，否则薄膜不均匀），自然晾干。在第2根和第3根碳电极上分别滴加矿泉水和未名湖水，用红外灯烤干，铺上1层水样残渣。依此方法分别在两根电极上再铺上2层水样残渣。第1根电极作为空白样品。固体样品：准备1支杯形碳电极，倒置于“混合样品”培养皿中的样品上，填满、压紧后，放于电极盘上。上电极：准备4支锥形碳电极，作为上电极。均放于电极盘上备用。二、摄谱按下表中所列样品的顺序，依次将上下电极装到上下电极夹中。调节电极架上的各个旋钮，使上下电极的像对称成在第二透镜前遮光板的下、上边缘处。对于样品铜，上电极用圆头铜电极，下电极用平头铜电极。对于其他样品，上电极均用锥形碳电极。在E盘中新建一个文件夹，以“年月日+组号”命名。在此文件夹中再新建如表中所列的A1至B4八个小文件夹。打开“采集软件”，按下表中的要求设定Integrationtime（积分时间）和Average（平均次数）。每更换一种样品，就点击File—StartNewExperiment，建立新实验，分别保存在对应的文件夹中。操作提示样品下电极电弓瓜积分时间/ms平均次数延迟时间/s保存次数文件夹同学A铜平头铜直流10513A1液样空白平头碳直流505010A2矿泉水A3未名湖水A4擦电极夹同学B混合样品杯形碳直流10513B1按表中样品对电孤类型的要求，将电孤发生器的工作状态扳向“直流”，电孤开关扳向“手控”，电流级数扳向“2”。将挡光板放在电极前。点击Start，点击黑色块保存暗背景，点击白色块保存参比，点击Stop。点击Setup—Options—AutoSaveSpectraPeriodicallyoronDIG-IN（周期性自动存储），弹出SaveParameters窗口。在SaveAsFastAsPossible（noscreenupdates）前边打勾，Timedelaybeforefirstscan（初次扫描延迟时间）和Numberofscanstosave（扫描保存次数）均按表格中的要求设定好，先不要关闭此对话框。打开电孤发生器的电源开关。同学A按下“启动”按钮启孤的同时，同学B点击SaveParameters窗口的OK按钮。两人应尽可能保持同步。数据保存完毕后，按下电孤发生器的“停止”按钮灭弓瓜。关闭电孤发生器的电源开关（此步务必确认完成，以避免更换电极发生危险），一次摄谱完成。更换电极，重复步骤1〜6,继续摄谱。摄谱完毕，关闭电弓瓜发生器电源。三、数据处理打开“转换软件”，在“文件”菜单下：?打开文件：点击“打开”，在数据保存的目录下，文件类型选择*.roh，即可打开单个或多个文件。屏幕上方为峰状谱图，屏幕下方出现对应的线状谱图。?显示文件：点击“列表”，出现List对话框，可用“文件”下的各种选项删除文件、或用“编辑”下的各种选项选择文件。?导出原始数据：点击“导出选项”，出现“导出设置”对话框，选择“导出为文本格式”，在“输入文件名”前打勾，点击OK。点击“导出”，选择保存目录后，输入文件名并保存，即可得到txt格式的原始数据。在“显示”菜单下：?在峰状谱图上标记峰位：在“显示位置”前打勾，在任何一个峰位处，单击右键即可显示峰位和峰高，在另一个峰位处单击右键，又会做出新的标记。把“显示位置”前的勾去掉，单击屏幕，标记即可消失。?标注特征峰：点击“增加标注”，出现“标记”对话框，点击“读入”，在“E:\【标准库】”目录下，选择需要标记的单个或多个元素，点击“画图”、“确认”，即可在光谱上标记出元素的特征峰位。点击“清除标记”，即可将所有标记删除。?放大缩小谱图：在屏幕上，摁住鼠标左键向右下划方框，选中需要放大的峰，即可对所选谱线进行放大。摁住鼠标左键向左上划方框，即可恢复原状。?保存峰状谱图：点击右上角的BMP或JPG按钮，即可保存不同格式的峰状谱图。在“摄谱学”菜单下：?在线状谱图上标记峰位：点击“画图”，弹出“摄谱图”窗口，摁住Shift键并点击鼠标左键，即可在线状谱图上标记峰位，点击标记右侧的方块可清除标记。?保存线状谱图：点击保存，可将线状谱图保存为jpg格式，包括标记。?打印谱图：点击打印，可将峰状谱图和线状谱图打印在一起，包括标记。定性分析：在“摄谱学”菜单下，点击“寻峰”，弹出寻峰对话框，根据谱线强度设定阈值，点击“寻找”，窗口左侧会列出所有峰的位置及峰高。点击“打开”，在“E:\【标准库】”目录下，选择可能存在的单个或多个元素，点击“匹配”，窗口中列出谱线与标准谱线之间的误差。若谱线重叠较多，可将误差限改小，以将差别大的谱线舍去。点击“画图”，可将窗口中打勾的元素及峰位都标记在谱图上。在“显示”菜单下，点击“清除标记”，即可将所有标记删除。?矿泉水和未名湖水中可能含有As、Ca、Cu、Mg、Pb、Si等各种元素，混合样品中可能含有Al、As、Ge、Pb、Sb、Se、Sn等各种元素，用此方法分析其中存在哪些元素。【仪器2】电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)作为无机分析的