原子發(fā)射光譜實驗

儀器分析原子發(fā)射光譜實驗【目的】掌握原子發(fā)射光譜法的基本原理；了解原子發(fā)射光譜儀的操作，了解數(shù)據(jù)采集及處理軟件的使用；掌握溶液殘渣法分析液體樣品和用固體粉末法分析固體樣品；掌握電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的工作原理，了解頭發(fā)樣品的消解處理過程，學(xué)習(xí)電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測頭發(fā)中的幾種微量元素?！驹怼吭影l(fā)射光譜法是依據(jù)各種元素的原子或離子在熱激發(fā)或電激發(fā)下，發(fā)射特征光譜線，依據(jù)特征光譜線的波長和強度確定物質(zhì)的元素種類及其含量而進行元素的定性與定量分析的方法。原子發(fā)射光譜法的儀器主要分為兩大部分：光源與光譜儀。光譜儀中包括分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。光源的作用是提供足夠的能量使試樣蒸發(fā)、原子化、激發(fā)，產(chǎn)生發(fā)射光譜。光源的特性在很大程度上影響分析方法的靈敏度、準(zhǔn)確度及精密度。理想的光源應(yīng)滿足高靈敏度、高穩(wěn)定性、背景小、線性范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用安全等要求。目前可用的激發(fā)光源有火焰、電弧、火花、等離子體、輝光、激光光源等。直流電弧光源是通過兩個電極（上電極和下電極）間產(chǎn)生的電弧，將下電極上的樣品蒸發(fā)、原子化、激發(fā)。直流電弧設(shè)備簡單，電極溫度較高，蒸發(fā)能力強，靈敏度高，但電弧溫度較低，激發(fā)能力差，因此適用于易激發(fā)、熔點較高的元素的定性分析。由于其產(chǎn)生的譜線容易發(fā)生自吸和自蝕，故不適于高含量元素的分析。而且直流電弧的穩(wěn)定性較差，不適于定量分析。交流電弧電流具有脈沖性，其電流密度比直流電弧大，弧溫較高，激發(fā)能力較強，甚至可產(chǎn)生一些離子線。但交流電弧放電的間歇性使電極溫度比直流電弧略低，因而蒸發(fā)能力較差，適用于金屬和合金中低含量元素的分析。由于交流電弧的電極上無高溫斑點，溫度分布較均勻，蒸發(fā)和激發(fā)的穩(wěn)定性比直流電弧好，分析的精密度較高，有利于定量分析。電感耦合高頻等離子體（ICP）是二十世紀(jì)60年代提出，70年代獲得迅速發(fā)展的一種新型的激發(fā)光源。等離子體在總體上是一種呈中性的氣體，由離子、電子、中性原子和分子所組成，其正負電荷密度幾乎相等。通常，它是由高頻發(fā)生器、等離子炬管和霧化器等三部分組成。等離子體在總體上是一種呈中性的氣體，由離子、電子、中性原子和分子所組成，其正負電荷密度幾乎相等。通常，它是由高頻發(fā)生器、等離子炬管和霧化器等三部分組成。高頻發(fā)生器的作用是產(chǎn)生高頻磁場，供給等離子體能量。它的頻率一般為30—40MHz，最大輸出功率2—4kW。等離子矩管由三層同心石英玻璃管組成，三層石英管均通以氬氣，外層以切線方向通入冷卻用氬氣，用于穩(wěn)定等離子體矩且冷卻管壁以防燒毀，第二層矩管內(nèi)通入工作氬氣，用以點燃等離子體，內(nèi)層以氬氣作為載氣，將試樣氣溶膠引入等離子體中。將高頻發(fā)生器與石英管外層的高頻線圈接通后，在石英管內(nèi)產(chǎn)生一個軸向高頻磁場。如果利用電火花引燃第二層矩管中的氣體，則會產(chǎn)生氣體電離，當(dāng)電離產(chǎn)生的電子和離子足夠多時，會產(chǎn)生一股垂直于管軸方向的環(huán)形渦電流，使氣體溫度高達10000K,在管口形成火炬狀的等離子矩焰，試樣氣溶膠在此獲得足夠能量，產(chǎn)生特征光譜。使用ICP光源時，通常需要制成溶液后進樣?？梢酝ㄟ^氣動霧化、超聲霧化和電熱蒸發(fā)的方式將試樣引入ICP光源。ICP光源具有很高的溫度，因而激發(fā)和電離能力強，能激發(fā)很難激發(fā)的元素，可產(chǎn)生離子線，靈敏度高、檢出限低，適于微量及痕量分析。由于高頻電流的趨膚效應(yīng)（指高頻電流在導(dǎo)體表面的集聚現(xiàn)象），使等離子體矩形成一個環(huán)狀的中心通道，因而氣溶膠能順利地進入到等離子體內(nèi)，保證等離子體具有較高的穩(wěn)定性，使分析的精密度和準(zhǔn)確度都很高。ICP光源的背景發(fā)射和自吸效應(yīng)小，可用于高含量元素的分析，定量分析的線性范圍在4~6個數(shù)量級。此外，ICP光源不用電極，避免了由電極污染帶來的干擾；但設(shè)備較復(fù)雜，氬氣消耗量大，維持費用較高。【儀器1】本實驗需操作兩臺儀器，一臺是由WP1型一米平面光柵攝譜儀和AvaSpec-2048xl4型光纖光譜儀改造而成的發(fā)射光譜儀。硬件部分保留了原攝譜儀的電弧發(fā)生器、電極架、導(dǎo)軌、透鏡系統(tǒng)，引入了光纖光譜儀的600gm芯抗紫外光纖、光學(xué)平臺、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中光學(xué)平臺采用對稱式Czerny-Turner光路設(shè)計，狹縫10gm，焦距75mm,UE光柵2400線/mm,探測器采用像素為2048x14的薄型背照式CCD面陣傳感器，積分時間2.24ms?10min。采集軟件AvaSoft-Full7.3版具備實時采集光譜、自動設(shè)置積分時間、周期性自動存儲、縮放讀譜、定位波長等基本功能。轉(zhuǎn)換軟件AvaLitePKU開發(fā)了峰狀譜和線狀譜對比、峰位標(biāo)記、尋峰定性、光譜疊加半定量、圖片及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。本儀器用于銅的原子發(fā)射譜線分析、溶液殘渣法分析水樣中可能含有的各種元素和固體粉末法確定混合樣品中有無指定元素?！緝?nèi)容1】本部分的主要步驟分為：樣品的準(zhǔn)備、攝譜、數(shù)據(jù)處理。一、 樣品制備1．銅電極：1根平頭銅電極，1根圓頭銅電極，在電動砂輪機的右側(cè)砂輪上打磨至電極截面平整、光亮、無銅銹。2．液體樣品：準(zhǔn)備3根平頭碳電極，豎直放于電極盤上，各滴加1滴1%的聚苯乙烯-苯溶液（不要加太多，否則薄膜不均勻），自然晾干。在第2根和第3根碳電極上分別滴加礦泉水和未名湖水，用紅外燈烤干，鋪上1層水樣殘渣。依此方法分別在兩根電極上再鋪上2層水樣殘渣。第1根電極作為空白樣品。3．固體樣品：準(zhǔn)備1支杯形碳電極，倒置于“混合樣品”培養(yǎng)皿中的樣品上，填滿、壓緊后，放于電極盤上。4．上電極：準(zhǔn)備4支錐形碳電極，作為上電極。均放于電極盤上備用。二、 攝譜1．按下表中所列樣品的順序，依次將上下電極裝到上下電極夾中。調(diào)節(jié)電極架上的各個旋鈕，使上下電極的像對稱成在第二透鏡前遮光板的下、上邊緣處。對于樣品銅，上電極用圓頭銅電極，下電極用平頭銅電極。對于其他樣品，上電極均用錐形碳電極。2?在E盤中新建一個文件夾，以“年月日+組號”命名。在此文件夾中再新建如表中所列的A1至B4八個小文件夾。打開“采集軟件”，按下表中的要求設(shè)定Integrationtime（積分時間）和Average（平均次數(shù)）。每更換一種樣品，就點擊File—StartNewExperiment，建立新實驗，分別保存在對應(yīng)的文件夾中。操作提示樣品下電極電弧積分時間/ms平均次數(shù)延遲時間/S保存次數(shù)文件夾同學(xué)A銅平頭銅直流10513A1液樣空白平頭碳直流505010A2礦泉水A3未名湖水A4擦電極夾同學(xué)B混合樣品杯形碳直流10513B13．按表中樣品對電弧類型的要求，將電弧發(fā)生器的工作狀態(tài)扳向“直流”，電弧開關(guān)扳向“手控”電流級數(shù)扳向“2”。將擋光板放在電極前。點擊Start，點擊黑色塊保存暗背景，點擊白色塊保存參比，點擊Stop。點擊Setup—Options—AutoSaveSpectraPeriodicallyoronDIG-IN（周期性自動存儲），彈出SaveParameters窗口。在SaveAsFastAsPossible（noscreenupdates）前邊打勾，Timedelaybeforefirstscan（初次掃描延遲時間）和Numberofscanstosave（掃描保存次數(shù)）均按表格中的要求設(shè)定好，先不要關(guān)閉此對話框。打開電弧發(fā)生器的電源開關(guān)。同學(xué)A按下“啟動”按鈕啟弧的同時，同學(xué)B點擊SaveParameters窗口的OK按鈕。兩人應(yīng)盡可能保持同步。6．?dāng)?shù)據(jù)保存完畢后，按下電弧發(fā)生器的“停止”按鈕滅弧。關(guān)閉電弧發(fā)生器的電源開關(guān)（此步務(wù)必確認完成，以避免更換電極發(fā)生危險），一次攝譜完成。更換電極，重復(fù)步驟1?6,繼續(xù)攝譜。8．?dāng)z譜完畢，關(guān)閉電弧發(fā)生器電源。三、數(shù)據(jù)處理1．打開“轉(zhuǎn)換軟件”，在“文件”菜單下：/打開文件：點擊“打開”,在數(shù)據(jù)保存的目錄下，文件類型選擇*.roh,即可打開單個或多個文件。屏幕上方為峰狀譜圖，屏幕下方出現(xiàn)對應(yīng)的線狀譜圖。/顯示文件：點擊“列表”,出現(xiàn)List對話框，可用“文件”下的各種選項刪除文件、或用“編輯”下的各種選項選擇文件。/導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)：點擊“導(dǎo)出選項”出現(xiàn)“導(dǎo)出設(shè)置”對話框，選擇“導(dǎo)出為文本格式，”在“輸入文件名”前打勾，點擊OK。點擊“導(dǎo)出”，選擇保存目錄后，輸入文件名并保存，即可得到txt格式的原始數(shù)據(jù)。2．在“顯示”菜單下：/在峰狀譜圖上標(biāo)記峰位：在“顯示位置”前打勾，在任何一個峰位處，單擊右鍵即可顯示峰位和峰高，在另一個峰位處單擊右鍵，又會做出新的標(biāo)記。把“顯示位置”前的勾去掉，單擊屏幕，標(biāo)記即可消失。/標(biāo)注特征峰：點擊“增加標(biāo)注”,出現(xiàn)“標(biāo)記”對話框，點擊“讀入”在“E:\【標(biāo)準(zhǔn)庫】目錄下，選擇需要標(biāo)記的單個或多個元素，點擊“畫圖”“確認”，即可在光譜上標(biāo)記出元素的特征峰位。點擊“清除標(biāo)記”，即可將所有標(biāo)記刪除。/放大縮小譜圖：在屏幕上，摁住鼠標(biāo)左鍵向右下劃方框，選中需要放大的峰，即可對所選譜線進行放大。摁住鼠標(biāo)左鍵向左上劃方框，即可恢復(fù)原狀。/保存峰狀譜圖：點擊右上角的BMP或JPG按鈕，即可保存不同格式的峰狀譜圖。在“攝譜學(xué)”菜單下：/在線狀譜圖上標(biāo)記峰位：點擊“畫圖”,彈出“攝譜圖”窗口，摁住Shift鍵并點擊鼠標(biāo)左鍵，即可在線狀譜圖上標(biāo)記峰位，點擊標(biāo)記右側(cè)的方塊可清除標(biāo)記。/保存線狀譜圖：點擊保存，可將線狀譜圖保存為jpg格式，包括標(biāo)記。/打印譜圖：點擊打印，可將峰狀譜圖和線狀譜圖打印在一起，包括標(biāo)記。定性分析：在“攝譜學(xué)”菜單下，點擊“尋峰”，彈出尋峰對話框，根據(jù)譜線強度設(shè)定閾值，點擊“尋找”，窗口左側(cè)會列出所有峰的位置及峰高。點擊“打開”，在“E:\【標(biāo)準(zhǔn)庫】目錄下，選擇可能存在的單個或多個元素，點擊“匹配”，窗口中列出譜線與標(biāo)準(zhǔn)譜線之間的誤差。若譜線重疊較多，可將誤差限改小，以將差別大的譜線舍去。點擊“畫圖”，可將窗口中打勾的元素及峰位都標(biāo)記在譜圖上。在“顯示”菜單下，點擊“清除標(biāo)記”，即可將所有標(biāo)記刪除。/礦泉水和未名湖水中可能含有As、Ca、Cu、Mg、Pb、Si等各種元素，混合樣品中可能含有Al、As、Ge、Pb、Sb、Se、Sn等各種元素，用此方法分析其中存在哪些元素?！緝x器2】電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）作為無機分析的主要手段，可測定元素周期表中的70多種元素。其波長范圍為165-1100nm,全波長覆蓋；分析速度為每分鐘72個元素，全譜一次曝光完成；在200nm處的分辨率W0.007nm；精密度RSD%<0.5%（n=10）；檢測器為300多萬像素的CMOS固體檢測器，全譜拍照定量功能。該儀器用于頭發(fā)樣品中Ca，F(xiàn)e，Zn，Cu，Pb的含量測定?！緝?nèi)容2】本部分的主要步驟分為：配制一系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，頭發(fā)樣品的準(zhǔn)備和測定。一．配制溶液：ICP混標(biāo)溶液配制：CaZnFeCuPb混標(biāo)濃度（mg/L）50.010.010.01.01.0系列混標(biāo)溶液濃度（mg/L）(1)00000(2)0.500.100.100.0100.010(3)1.00.200.200.0200.020(4)1.50.300.300.0300.030(5)2.50.500.500.0500.050(6)5.01.01.00.100.10學(xué)生系列混標(biāo)體積10mL比色管每個比色管加0.50mL濃硝酸ICP消解前加標(biāo)：頭發(fā)加標(biāo)樣品K0.2g頭發(fā)中）0.10mg0.020mg0.010mg0.0010mg0.0010mg頭發(fā)加標(biāo)樣品2（0.2g頭發(fā)中）0.20mg0.040mg0.020mg0.0020mg0.0020mg二．頭發(fā)樣品的準(zhǔn)備：采集發(fā)樣，用中性洗發(fā)液浸洗，攪拌數(shù)次，用清水沖洗至無泡沫為止，再用去離子水清洗2?3次。把發(fā)樣放入烘箱中，50°C烘烤干燥過夜后取出。用不銹鋼剪刀將發(fā)樣剪成（1?2）mm,備用。稱取0.200g左右發(fā)樣置于微波消解罐中，加入硝酸7.0mL，將消解罐置于微波消解爐中。采用一定的程序消解。消解后的樣品轉(zhuǎn)移定容至100mL容量瓶中。提供的樣品有：兩份頭發(fā)樣品，兩份加標(biāo)的頭發(fā)樣品，一份空白樣品。三．測定1、 開機：打開實驗室空調(diào)，設(shè)定溫度22C。打開穩(wěn)壓電源、冷卻水電源、排風(fēng)系統(tǒng)按鈕、氬氣閥門（二次壓力應(yīng)為0.6MPa）。打開計算機和儀器主機。2、 啟動軟件：儀器開機1min后，雙擊桌面SalsaCHN圖標(biāo)，進入軟件，待界面右下角出現(xiàn)三個綠色方框，表示自檢完成。3、 參數(shù)設(shè)定：點擊左側(cè)“儀器控制”進入?yún)?shù)設(shè)定界面，等待光室溫度升至35C。若“定期維護”顯示紅色，可以點“全部復(fù)位”消除。確認“儀器控制”界面的參數(shù)：垂直觀測方式,RF功率1.1KW,冷卻氣15LPM，輔助氣0.1LPM，載氣30PSI，蠕動泵泵速25rpm。4、 點火：點擊“儀器控制”界面的“自動點火”檢測器溫度自動下降至-30C，穩(wěn)定0.5小時以上，可以進行測試。5、 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：點擊菜單欄“方法”-“打開”-“頭發(fā)微量元素測定”。將進樣管依次放入系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，點擊上方第一個“標(biāo)樣”圖標(biāo)，從0至5依次測定標(biāo)樣。測試完成后，擦拭進樣管外壁，將其放入去離子水，沖洗管路。點擊任一元素，點擊右側(cè)界面上方“標(biāo)準(zhǔn)曲線”，右側(cè)的“曲線狀態(tài)”，點擊“全部接受”。6、 測定樣品：將進樣管放入待測樣品溶液，點擊上方第三個“樣品”圖標(biāo)，命名，測定未知樣品。每測完一個樣品，擦拭進樣管外壁，將其放入去離子水中，沖洗管路，再進行下一個樣品的測試。7、 清洗管路：樣