電感耦合等離子發(fā)射光譜技術及其應用

1、XXXXXX發(fā)射光譜技術發(fā)射光譜技術 通常情況下，原子處于基態(tài)，在激發(fā)光作用下，原子獲得足夠的能量，外層電子由基態(tài)躍遷到較高的能級狀態(tài)即激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，其壽命小于10-8s，外層電子就從高能級向較低能級或基態(tài)躍遷。多余能量以電磁輻射的形式發(fā)射出去，從而產生發(fā)射光譜。根據(jù)原子的特征發(fā)射光譜來研究物質的結構和測定物質的化根據(jù)原子的特征發(fā)射光譜來研究物質的結構和測定物質的化學成分的方法稱為學成分的方法稱為“原子發(fā)射光譜分析原子發(fā)射光譜分析”。發(fā)射光譜通常用化學火焰、電火花、電弧、激光和各種等離發(fā)射光譜通常用化學火焰、電火花、電弧、激光和各種等離子體光源激發(fā)而獲得。子體光源激發(fā)而獲

2、得。目前最廣泛應用的原子發(fā)射光譜光源是等離子體。包括：目前最廣泛應用的原子發(fā)射光譜光源是等離子體。包括：電感耦合等離子體（電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma,ICP）直流等離子體（直流等離子體（Direct-current Plasma,DCP）微波等離子體（微波等離子體（Microwave Plasma,MWP）原子發(fā)射光譜分析步驟原子發(fā)射光譜分析步驟分析過程主要分三步：激發(fā)、分光、檢測分析過程主要分三步：激發(fā)、分光、檢測1、激發(fā)：通過電流加熱氣體或其它加熱方式獲得高溫從、激發(fā)：通過電流加熱氣體或其它加熱方式獲得高溫從而使使試樣其分解為電子，離子，基態(tài)中性

3、原子和分子，而使使試樣其分解為電子，離子，基態(tài)中性原子和分子，它們的濃度與溫度有關，并且其中電子和陽離子的濃度處它們的濃度與溫度有關，并且其中電子和陽離子的濃度處于平衡狀態(tài)，這些原子或離子在光源中激光發(fā)光。于平衡狀態(tài)，這些原子或離子在光源中激光發(fā)光。2、分光：利用光譜儀器把光源發(fā)射的光分解為按波長排、分光：利用光譜儀器把光源發(fā)射的光分解為按波長排列的光譜列的光譜3、檢測：利用光電器件檢測光譜，按所測得的光譜波長、檢測：利用光電器件檢測光譜，按所測得的光譜波長對試樣進行定性分析，或按發(fā)射光強度進行定量分析。對試樣進行定性分析，或按發(fā)射光強度進行定量分析。ICP儀器結構圖示電離耦合等離子的形成電離

4、耦合等離子的形成電離耦合等離子的形成電離耦合等離子的形成這種炬管由三個同心石英管組成，每層管路中流經的氣這種炬管由三個同心石英管組成，每層管路中流經的氣體也有所不同。體也有所不同。炬管的一端深入工作線圈中，工作線圈可以誘導產生用炬管的一端深入工作線圈中，工作線圈可以誘導產生用于樣品離子化的等離子體。為防止等離子體的高溫將炬管于樣品離子化的等離子體。為防止等離子體的高溫將炬管融化融化(等離子體的溫度可以達到等離子體的溫度可以達到10,000K)，系統(tǒng)向炬管的，系統(tǒng)向炬管的最外層石英管中引入冷卻氣最外層石英管中引入冷卻氣(又稱等離子體氣又稱等離子體氣)，其流量達，其流量達15L/min。等離子體氣

5、的主要作用是將等離子體推離炬管。等離子體氣的主要作用是將等離子體推離炬管內壁，避免炬管融化，同時也為等離子體的形成提供了支內壁，避免炬管融化，同時也為等離子體的形成提供了支持氣。持氣。電離耦合等離子的形成電離耦合等離子的形成在炬管第二層石英管中引入的是輔助氣，其流量大在炬管第二層石英管中引入的是輔助氣，其流量大約為約為1L/min，其作用是將等離子體推離中心樣品引入，其作用是將等離子體推離中心樣品引入管的末端，同時維持等離子體管的末端，同時維持等離子體“火焰火焰”。載氣從炬管的最中心管路進入炬管，同時將霧化室載氣從炬管的最中心管路進入炬管，同時將霧化室內形成的氣溶膠帶入炬管。載氣流路內形成的氣

6、溶膠帶入炬管。載氣流路(包括霧化器中引包括霧化器中引入的載氣和混合氣入的載氣和混合氣)的流量要足夠大，保證可以在等離的流量要足夠大，保證可以在等離子體中心吹出一個子體中心吹出一個“孔孔”，以將樣品引入到等離子體中，以將樣品引入到等離子體中，實現(xiàn)樣品的離子化；但載氣流量又不能太大，以免降實現(xiàn)樣品的離子化；但載氣流量又不能太大，以免降低氣溶膠解離和離子化效率，并避免降低等離子體溫低氣溶膠解離和離子化效率，并避免降低等離子體溫度。一般說來，使用標準度。一般說來，使用標準2.5mm的炬管時，推薦的載的炬管時，推薦的載氣流速為氣流速為1.2L/min。分光系統(tǒng)分光系統(tǒng) 原子發(fā)射光譜的分光系統(tǒng)目前采用棱鏡

7、和光柵分光系原子發(fā)射光譜的分光系統(tǒng)目前采用棱鏡和光柵分光系統(tǒng)兩種。全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀采用中階梯光柵。統(tǒng)兩種。全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀采用中階梯光柵。 (1)棱鏡分光系統(tǒng)的光譜測量范圍主要受棱鏡材料的透光棱鏡分光系統(tǒng)的光譜測量范圍主要受棱鏡材料的透光率和色散率影響，通常用于町見光，當采用特殊材料后也率和色散率影響，通常用于町見光，當采用特殊材料后也可用于紫外區(qū)和紅外區(qū)，但受材料一致性、穩(wěn)定性，加工可用于紫外區(qū)和紅外區(qū)，但受材料一致性、穩(wěn)定性，加工性能影響很少采用。該系統(tǒng)不產生光譜疊級現(xiàn)象，即自由性能影響很少采用。該系統(tǒng)不產生光譜疊級現(xiàn)象，即自由光譜范與光譜測量范圍一致。光譜范與光譜測量

8、范圍一致。(2)光柵分光系統(tǒng)的測量范圍可從光柵分光系統(tǒng)的測量范圍可從X射線直到微波，包含射線直到微波，包含整個光譜區(qū)，而且當采用閃耀光柵時，還可以加強所關注整個光譜區(qū)，而且當采用閃耀光柵時，還可以加強所關注光譜區(qū)的能量，因此被廣泛采用。光譜區(qū)的能量，因此被廣泛采用。從不同分光系統(tǒng)的測量和自由光譜范圍來看，光柵分光從不同分光系統(tǒng)的測量和自由光譜范圍來看，光柵分光系統(tǒng)具有較強的適應性，棱鏡則在無疊級方面有優(yōu)勢。系統(tǒng)具有較強的適應性，棱鏡則在無疊級方面有優(yōu)勢。分光系統(tǒng)（全普直讀）分光系統(tǒng)（全普直讀）分光系統(tǒng)（全普直讀）分光系統(tǒng)（全普直讀）全譜就是能夠在光譜覆蓋范圍內采集所有光譜信息，上全譜就是能夠在

9、光譜覆蓋范圍內采集所有光譜信息，上圖為一個全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀。圖為一個全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀。光源發(fā)出的光通過兩個曲面反光鏡聚焦于入射狹縫，入光源發(fā)出的光通過兩個曲面反光鏡聚焦于入射狹縫，入射光經拋物面準直鏡反射成平行光，照射到中階梯光柵上射光經拋物面準直鏡反射成平行光，照射到中階梯光柵上使光在使光在X X向上色散向上色散, ,再經另一個光柵再經另一個光柵(Schmidt(Schmidt光柵光柵) )在在Y Y向上向上進行二次色散，使光譜分析線全部色散在一個平面上，并進行二次色散，使光譜分析線全部色散在一個平面上，并經反射鏡反射進入經反射鏡反射進入CCDCCD檢測器檢測。由于該檢測

10、器檢測。由于該CCDCCD是一個紫外是一個紫外型檢測器，對可見區(qū)的光譜不敏感，因此，在型檢測器，對可見區(qū)的光譜不敏感，因此，在SchmidtSchmidt光光柵的中央開一個孔洞，部分光線穿過孔洞后經棱鏡進行柵的中央開一個孔洞，部分光線穿過孔洞后經棱鏡進行Y Y向二次色散向二次色散, ,然后經反射鏡反射進入另一個然后經反射鏡反射進入另一個CCDCCD檢測器對可檢測器對可見區(qū)的光譜見區(qū)的光譜(400-780nm)(400-780nm)進行檢。進行檢。檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)原子發(fā)射光譜的檢測目前采用照相法和光電檢測法原子發(fā)射光譜的檢測目前采用照相法和光電檢測法兩種。前者用感光板而后者以光電倍增管或電荷耦合

11、兩種。前者用感光板而后者以光電倍增管或電荷耦合器件（器件（CCDCCD）作為接收與記錄光譜的主要器件。）作為接收與記錄光譜的主要器件。 在原子發(fā)射光譜中采用在原子發(fā)射光譜中采用CCDCCD的主要優(yōu)點是這類檢測的主要優(yōu)點是這類檢測器的同時多譜線檢測能力，和借助計算機系統(tǒng)快速處器的同時多譜線檢測能力，和借助計算機系統(tǒng)快速處理光譜信息的能力，它可極大地提高發(fā)射光譜分析的理光譜信息的能力，它可極大地提高發(fā)射光譜分析的速度。如采用這一檢測器設計的全譜直讀等離子體發(fā)速度。如采用這一檢測器設計的全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀可在一分鐘內完成樣品中多達射光譜儀可在一分鐘內完成樣品中多達 70 70 多種元素多種元

12、素的測定；此外，它的動態(tài)響應范圍和靈敏度均有可能的測定；此外，它的動態(tài)響應范圍和靈敏度均有可能達到甚至超過光電倍增管，加之其性能穩(wěn)定、體積小、達到甚至超過光電倍增管，加之其性能穩(wěn)定、體積小、比光電倍增管更結實耐用，因此在發(fā)射光譜中有廣泛比光電倍增管更結實耐用，因此在發(fā)射光譜中有廣泛的應用前景。的應用前景。ICPICP分析技術的優(yōu)點分析技術的優(yōu)點具有多元素同時檢測能力?？赏瑫r測定一個樣品中的具有多元素同時檢測能力?？赏瑫r測定一個樣品中的多種元素。多種元素。分析速度快?？稍趲追昼妰韧瑫r對幾十種元素進行定分析速度快?？稍趲追昼妰韧瑫r對幾十種元素進行定量分析。量分析。 檢出限低。電感耦合高頻等離子體原

13、子發(fā)射光譜檢出限低。電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AESICP-AES）檢出限可達）檢出限可達ng/mLng/mL級。級。準確度較高。一般光源相對誤差約為準確度較高。一般光源相對誤差約為5 51010，ICP-ICP-AESAES相對誤差可達相對誤差可達l l以下。以下。標準曲線具有較寬的線形動態(tài)范圍。標準曲線具有較寬的線形動態(tài)范圍。具有良好的精密度和重復性。具有良好的精密度和重復性。較容易建立分析方法。較容易建立分析方法?；w效應較低?；w效應較低。ICPICP分析技術的缺點分析技術的缺點高含量分析的準確度較差。高含量分析的準確度較差。常見非金屬元素如氧、硫、氮、鹵素等譜線在遠紫

14、外區(qū)，常見非金屬元素如氧、硫、氮、鹵素等譜線在遠紫外區(qū)，一般的光譜儀尚無法檢測；一些非金屬元素，如一般的光譜儀尚無法檢測；一些非金屬元素，如P P、SeSe、TeTe等，由于其激發(fā)電位高，靈敏度較低。等，由于其激發(fā)電位高，靈敏度較低。只能用來確定物質的元素組成與含量，不能給出物質分只能用來確定物質的元素組成與含量，不能給出物質分子有關信息。子有關信息。不能作形態(tài)分析。不能作形態(tài)分析。工作氣體氬氣消耗量較大；用分子氣體（氮氣等）取代工作氣體氬氣消耗量較大；用分子氣體（氮氣等）取代氬氣的實驗尚未推廣到實際應用。氬氣的實驗尚未推廣到實際應用。通用氣動霧化器的霧化效率很低，檢出限對某些元素仍通用氣動霧化器的霧化效率很低，檢出限對某些元素仍顯不足。顯不足。ICPICP分析的應用分析的應用根據(jù)分析方法和分析條件的類似性，將樣品分成以下九根據(jù)分析方法和分析條件的類似性，將樣品分成以下九類：鋼鐵及其合金；有色金屬及其合金；水質樣品；環(huán)境類：鋼鐵及其合金；有色金屬及其合金；水質樣品；環(huán)境樣品；地礦樣品；化學化工產品；動植物及生化樣