一、原子发射光谱的产生
原子发射光谱分析法(atomic emission spectroscopy ,AES) :元素在受到热或电激发时,由基态跃迁到激发态,返回到基态时,发射出特征光谱,依据特征光谱进行定性、定量的分析方法。
原子发射光谱分析法的特点
(1)可多元素同时检测各元素同时发射各自的特征光谱;
(2)分析速度快试样不需处理,同时对几十种元素进行定量分析;
(3)选择性高各元素具有不同的特征光谱;
(4)检出限较低10~0.1μg.g-1(- 般光源); ng.g-1(ICP)
(5)准确度较高5%~10% (一般光源) ;<1 % (ICP) ;
(6) ICP-AES性能优越线性范围4~6数量级,可测高、中、低不同含量试样。
缺点:非金属元素不能检测或灵敏度低。
一、原子发射光谱的产生:
在正常状态下,元素处于基态,元素在受到热(火焰)或电(电火花)激发时,由基态跃迁到激发态,返回到基态时,发射出特征光谱(线状光谱) 。
必须明确如下几个问题:
1.原子中外层电子(称为价电子或光电子)的能量分布是量子化的,所以△E的值不是连续的,原子光谱是线光谱;
2.同一原子中,电子能级很多,有各种不同的能级跃迁,即可以发射出许多不同的辐射线。但跃迁要遵循“光谱选律”,不是任何能级之间都 能发生跃迁;
3.不同元素的原子具有不同的能级构成,△E不一样,各种元素都有其特征的光谱线,从识别各元素的特征光谱线可以鉴定样品中元素的存在,这就是光谱定性分析;
4.元素特征谱线的强度与样品中该元素的含量有确定的关系,所以可通过测定谱线的强度确定元素在样品中的含量,这就是光谱定量分析。
二、原子的共振线与离子的电离线:
原子中外层电子从基态被激发到激发态后,由该激发态跃迁回基线所发射出来的辐射线,称为共振线。
由最低激发态(第一激发态)跃迁回基态所发射的辐射线,称为第一共振线,通常把第一共振线称为主共振线。第一共振线,最易发生,能量最小,一般是该元素最强的谱线。
由原子外层电子被激发到高能态后跃迁回基态或较低能态,所发射的谱线称为原子线,在谱线表图中用罗马字“Ⅰ”表示。
原子在激发源中得到足够能量时,会发生电离。原子电离失去一个电子称为一次电离,一次电离的离子再失去一个电子称为二次电离, 依此类推。
离子也可能被激发,其外层电子跃迁也发射光谱,这种谱线称为离子线。其与电离能大小无关,离子的特征共振线。
原子谱线表:
I 表示原子发射的谱线;
II 表示一次电离离子发射的谱线;
III 表示二次电离离子发射的谱线
……
Mg:I 285.21 nm ;II 280.27 nm
原子或离子的外层电子数相同时,具有相似的光谱。
如Na I Mg II Al III的光谱相似。
由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线
Na 能级图
二、谱线强度、谱线自吸与自蚀
一、 谱线强度
原子由某一激发态 i 向低能级 j 跃迁,所发射的谱线强度 与激发态原子数成正比。
ni 为单位体积内处于高能级i 的原子数;
h为Plank常数;
Aij两个能级间的跃迁概率;
Vij发射谱线的频率.
在热力学平衡时,单位体积的基态原子数n0与激发态原 子数ni的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律:
gi 、g0为激发态与基态的统计权重;
Ei :为激发能;
k为玻耳兹曼常数;
T为激发温度.
将式2代入上式1,得:
影响谱线强度的因素:
(1)谱线的性质:激发能Ei ;跃迁概率Aij;统计权重gi
(2)激发温度T
(3)基态原子数n0
影响谱线强度的因素:
(1)激发能
谱线强度与激发能成负指数关系,激发能越小,谱线强 度越强。激发能最低的共振线往往是最强的。
(2)激发温度
激发温度升高,谱线强度增大,但 易导致电离,又使原子发射线强度 减弱。
(3)跃迁概率
跃迁概率是指单位时间内每个原子由一个能级状态跃迁到 另一状态的次数。
谱线强度与跃迁概率成正比。
(4)统计权重
量子力学中把能级可能有的微观状态数称为该能级的简并 度,也称统计权重。
谱线强度与统计权重成正比。
(5)基态原子数
谱线强度与基态原子数成正比。
在一定条件下,基态原子数正比于被测元素的浓度,所以 谱线强度与被测元素的浓度也成正比,这是光谱定量分析 的依据。
二、谱线的自吸
等离子体:以气态形式存在的包含分子、离子、电子等粒子的整体电中性集合体。
等离子体内温度和原子浓度的分布不均匀,中间的温度、 激发态原子浓度高,边缘反之。
自吸:中心发射的辐射被边缘的同种基态原子吸收,使 辐射强度降低的现象。
元素浓度低时,不出现自吸。
三、谱线的自蚀
随浓度增加,自吸越严重,当达到一定值时,谱线中心 完全吸收,如同出现两条线,这种现象称为自蚀。
三、光源
原子发射光谱仪的类型有多种,如:火焰 发射光谱、微波等离子体光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等。
原子发射光谱仪通常由光源、分光系统和检测系统构成。
作用:光源为试样蒸发、原子化、激发提供能源。
光源的特性在很大程度上影响着光谱分析的精密度、 准确度和检出限。
要求:激发能力强,灵敏度高,稳定性好,结构简单,操作 方便,使用安全。
常用激发光源:直流电弧、交流电弧、电火花和电感耦合等 离子体光源。
一、火焰光度计
利用火焰作为激发光源,仪器装置简单,稳定性高。该仪器通常采用滤光片、光电池检测器等元件,价格低廉,又称火焰光度计。常用于碱金属、钙等谱线简单的几种元素的测定,在硅 酸盐、血浆等样品的分析中应用较多。对钠、钾测定困难,仪器的选择性差。
二、直流电弧
利用直流电作为激发能源。
常用电压为150 ~380V,电流为5~ 30A。
弧焰温度:4000~7000K,可使约70多种元素激发。
特点:设备简单,持续放电,电极头温度高,蒸发能力强, 绝对灵敏度高,背景小,适合定性分析。
缺点:弧光不稳,再现性差;不适合定量分析。
工作原理:取两支石墨电极,试样放置在一支电极(下电极)的凹槽内;使分 析间隙的两电极接触或用导体接触两电极,通电,电极尖端被烧热,点燃电弧,再使电极相距4 ~ 6mm;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。
三、低压交流电弧
工作电压:110~220 V。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;
特点:
(1)电弧温度高,可达4000-8000K,激发能力强;
(2)电极温度稍低,蒸发能力稍低;
(3)电弧稳定性好,使分析重现性好,适用于定量分析。
工作原理
(1)接通电源,由变压器B1 升压至2.5~3kV,电容器C1充电;达到一定值时,放电盘G1击穿;G1-C1-L1构成振荡回路,产生高频 振荡。
(2)振荡电压经B2的次级线圈升压到10kV,通过电容器C2将电极间隙 G的空气击穿,产生高频振荡放电。
(3)当G被击穿时,电源的低压部分沿着已造成的电离气体通道,通 过G进行电弧放电。
(4)在放电的短暂瞬间,电压降低直至电弧熄灭,在下半周高频再次点燃, 重复进行。
四、高压火花
特点:
(1)放电瞬间能量很大,产生的 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。
工作原理
(1)交流电压经变压器T后,产生10~25kV的高压,然后通 过扼流圈D向电容器C充电,达到G的击穿电压时,通过电感L向G 放电,产生振荡性的火花放电。
(2)转动续断器M,2, 3为钨电极, 每转动180度,对接一次,转动频率(50 转/s),接通100次/s,保证每半周电流最 大值瞬间放电一次。
五、电感耦合等离子体
等离子体喷焰作为发射光谱的光源主要有以下三种形式:
(1)直流等离子体喷焰(DCP) 弧焰温度高 8000-10000K,稳定性好, 精密度接近ICP,装置简单,运行成本低。
(2)电感耦合等离子体(ICP) ICP的性能优越,已成为最主要的应用 方式。
(3) 微波感生等离子体(MIP) 温度5000-6000K,激发能量高,可激 发许多很难激发的非金属元素:C、N、F、Br、Cl、C、H、O 等,可用于 有机物成分分析,测定金属元素的灵敏度不如DCP和ICP。
ICP火焰温度分布
焰心区呈白色,不透明,是高 频电流形成的涡流区,等离子体主要通过这一区域与高频感应线圈耦合而获得能量。该区温度高达10000K。
内焰区位于焰心区上方,一般 在感应圈以上10-20mm左右, 略带淡蓝色,呈半透明状态。温度约为6000-8000K,是分析物原子化、激发、电离 与辐射的主要区域。
尾焰区在内焰区上方,无色透 明,温度较低,在6000K以 下,只能激发低能级的谱线。
ICP的特点
(1) 温度高,惰性气氛,原子化条件好,有利于难熔化合物的分解和元素 激发,有很高的灵敏度和稳定性;(2)“趋肤效应”,由于涡电流在外表面处密度大,使表面温度高,轴心温 度低,中心通道进样对等离子的稳定性影响小。也有效消除自吸现象,线性 范围宽(4~5个数量级)。
(3) ICP中电子密度大,碱金属电离造成的影响小。
(4) Ar气体产生的背景干扰小。
(5) 无电极放电,无电极污染,ICP焰炬外型像火焰,但不是化学燃烧火焰 ,气体放电。
缺点: 对非金属测定的灵敏度低, 仪器昂贵,操作费用高。
对比
四、光谱仪
光谱仪可将光源发射的不同波长的光色散成为光谱或单色光,并进行记录。主要由照明系统、准光系统、色散系统和记录测量系统组成。
光谱仪的种类有多种,按接受光谱方式分:看谱法、摄谱法、光电法。目前主要有摄谱仪、光电直读光谱仪和全谱直读光谱仪。
一、摄谱仪
按仪器分光系统分:棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪。
光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有更大的分辨率。
摄谱仪曾经在钢铁工业应用广泛。
性能指标:色散率、分辨率、集光能力。
摄谱仪光路图
由光源发射的光经三透镜照明系统后到狭缝上,再经平面反射镜折向凹面 反射镜下方的准直镜上,经反射以平行光束照射到光栅上,经光栅色散后,按 波长顺序分开。不同波长的光由凹面反射镜上方的物镜聚焦于感光板上,得到按波长顺序展开的光谱。旋转光栅转台,可同时改变光栅的入射角和衍射角, 便可获得所需的波长范围和改变光谱级数。
感光板:主要由玻璃基片、感光层(乳剂)及防晕层构成。其中感光层主要为卤化银、明胶和增感剂等组成。
摄谱:元素发出的光谱使感光板感光,然后在暗室显影、定影,感光 层中金属银析出,形成黑色的光谱线。
黑度:以常用对数表示底片的入射光通量与透射光通量的比值。
黑度:
摄谱仪的观察装置
(1)光谱投影仪(映谱仪),光谱定性分析时将光谱图放大,放大20倍。
(2)测微光度计(黑度计);定量分析时,测定接受到的光谱线强度;光线越强,感光板上谱线越黑。
二、光电直读光谱仪
光电直读是利用光电测量法直接获得光谱线的强度。
两种类型:多道固定狭缝式和单道扫描式。
一个出射狭缝和一个光电倍增管,可接受一条谱线,构成一个 测量通道。
单道扫描式是转动光栅进行扫描,在不同时间检测不同谱线;
多道固定狭缝式则是安装多个(多达70个),同时测定多个元素的谱线。
凹面光栅与罗兰圆
多道型光电直读光度仪多采用凹面光栅;凹面光栅既具有色散作用也起聚焦作用(凹面反射镜将色散后的光 聚焦)。
罗兰圆:Rowland(罗兰)发现在曲率半 径为R 的凹面反射光栅上存在着一个 直径为R的圆,不同波长的光都成像在 圆上,即在圆上形成一个光谱带。
特点 :
(1) 多达70个通道可选择设置,同时进行多元素分析,这是其他金属分析方法所不具备的。
(2) 分析速度快,准确度高。
(3) 线性范围宽, 4~5个数量级,高、中、低浓度都可分析。
缺点:出射狭缝固定,各通道检测的元素谱线一定;
改进型: n+1型ICP光谱仪
在多道仪器的基础上,设置一个扫描单色器,增加一个可变通道。
三、全谱直读光谱仪
采用电荷注入式(CID)阵列检测器, 可同时检测165~800nm波长范围内出现的全部谱线。
CID:电荷注入式检测器 (charge injection detector, CID), 28×28mm半导 体芯片上,26万个感光点点阵( 每个相当 于一个光电倍增管)。
中阶梯光栅分光系统,仪器结构紧凑, 体积大大缩小。
兼具多道型和扫描型特点;
可获取样品的全谱“指纹”信息;
非破坏性读取方式。
特点:
(1) 测定每个元素可同时选用多条谱线;
(2) 可在一分钟内完成70个元素的定量测定;
(3) 可在一分钟内完成对未知样品中多达70多元素的定性;
(4) 1mL的样品可检测所有可分析元素;
(5) 扣除基体光谱干扰;
(6) 全自动操作;
(7) 分析精度高:相对标准偏差CV 0.5%。
五、ICP-AES
采用ICP作为光源是ICP-AES与其他光谱仪的主要不同之处
一、结构流程
主要部分:
(1) 高频发生器
自激式高频发生器,用于中、低档仪器。
晶体控制高频发生器,输出功率和频率稳 定性高,可利用同轴电缆远距离传送。
(2) 等离子体炬管
三层同心石英玻璃管 。
(3) 试样雾化器
(4) 光谱系统
二、 ICP-AES的原理
(1) 晶体控制高频发生器
石英晶体作为振源,经电压和功率放大,产生具有一定频率和功率的高频信号,用来产生和维持等离子体放电。石英晶体固有振荡频率:6.78 M H z ,二次倍频后为 27.120MHz,电压和功率放大后, 功率为1-2kW。
(2) 炬管与雾化器
三层同心石英玻璃炬管置于高频感应线圈中,等离子体工作气体从管内通过,试样在雾化器中雾化后,由中心管进入火焰;外层Ar从切线方向进入,保护石英管不被烧熔,中层Ar用来点燃等离子体;
(3) 原理
当高频发生器接通电源后,高频电流I 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,使气体电离后,在高频交流电场的作用下,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 )。
六、光谱定性分析
1.元素的分析线、最后线、灵敏线
分析线:复杂元素的谱线可能多至数千条,只选择其中几条特征谱线 检验,称其为分析线。
最后线:浓度逐渐减小,谱线强度减小,最后消失的谱线。
灵敏线:最易激发的能级所产生的谱线,每种元素都有一条或几条谱线 最强的线,即灵敏线。最后线也是最灵敏线。
共振线:由第一激发态回到基态所产生的谱线;通常也是最灵敏线、 最后线。
2. 定性方法
(1)标准试样光谱比较法:将要检出元素的纯物质和纯化合物与试样并列摄谱于同一感光板上,在映谱仪上检查试样光谱与纯物质光谱。若两者谱线出现在同一波长位置上,即可说明某一元素的某条谱线存在。
例如,欲检查某TiO2试样中是否含有Pb,只需将TiO2试样和已知含Pb的TiO2标准试样并列摄于同一感光板上,比较并检查试样光谱中是否含有Pb的谱线存在,便可确定试样中是否含有Pb。
(2)元素标准光谱图比较法(铁光谱比较法):最常用的方法,以铁谱作为标准(波长标尺)。
标准谱图:将其他元素的分析线标记在铁谱上,铁谱起到标尺的作用。
谱线检查:将试样与纯铁在完全相同条件下摄谱,将两谱片在映谱器(放大器)上对齐、放大20倍,检查待测元素的分析线是否存在,并与标准谱图对比确定。可同时进行多元素测定。
为什么选铁谱?
(1)谱线多:在210~660nm范围内有数千条谱线。
(2)谱线间距离分配均匀:容易对比,适用面广。
(3)定位准确:已准确测量了铁谱每一条谱线的波长。
3. 定性分析实验操作技术
(1) 试样处理
a. 金属或合金可以试样本身作为电极,当试样量很少时,将试样粉碎后放在电极的试样槽内。
c. 糊状试样先蒸干,残渣研磨成均匀的粉末后放在电极的试样槽内。液体试样可采用ICP-AES直接进行分析。
(2) 实验条件选择
a. 光谱仪
在定性分析中通常选择灵敏度高的直流电弧;狭缝宽度5~ 7μm;分析稀土元素时,由于其谱线复杂,要选择色散率较高的大型摄谱仪。
b. 电极
电极材料:采用光谱纯的碳或石墨,常常将其 加工成各种形状。石墨具有导电性能良好,沸点高(可达4000K),有利于试样蒸发,谱线简单,容易制纯及容易加工成型等优点。特殊情况采用铜电极。
电极尺寸:直径约6mm,长3~4 mm。
试样槽尺寸:直径约3~4 mm,深3~6 mm。
试样量:10 ~20mg。
放电时,碳与空气中的氮结合产生氰 (CN),氰分子在358.4~ 421.6 nm产生分子吸收(带状光谱),干扰其他元素出现在该区域的光谱线,需要该区域时,可采用铜电极,但灵敏度低。
(3)摄谱过程
摄谱顺序:碳电极(空白)、铁谱、试样。
在进行光谱全分析时,对于复杂式样,可采用分段曝光法,先在小电流(5A)激发,摄取易挥发元素光谱调节光阑,改变曝光位置后,加大电流(10A),再次曝光摄取难挥发元素光谱;为了能将试样和铁谱能并列摄于同一感光板上,摄谱时要使用哈特曼光阑。采用哈特曼光阑,可多次曝光而不影响谱线相对位置,便于对比。
七、光谱定量分析
1.光谱半定量分析
与目视比色法相似;测量试样中元素的大致浓度范围;
应用:用于钢材、合金等的分类、矿石品位分级等大批量试样的快速测定。
谱线强度比较法:测定一系列不同含量的待测元素标准 光谱系列,在完全相同条件下(同时摄谱),测定试样中待测 元素光谱,选择灵敏线,比较标准谱图与试样谱图中灵敏线 的黑度,确定含量范围。
2. 光谱定量分析
(1) 发射光谱定量分析的基本关系式
在条件一定时,谱线强度I 与待测元素含量c关系为:
a为常数(与蒸发、激发过程等有关),考虑到发射光谱中 存在着自吸现象,需要引入自吸常数 b ,则:
发射光谱分析的基本关系式,称为 塞伯-罗马金公式(经验式)
自吸常数 b 随浓度c增加而 减小,当浓度很小,自吸 消失时,b=1。
(2) 内标法基本关系式
影响谱线强度因素较多,直接测定谱线绝对强度计算难以获得准确结果,实际工作多采用内标法(相对强度法)。
在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度I),再选择内标物的一条谱线(强度
),组成分析线对。则:
相对强度R:
A为其他三项合并后的常数项, 内标法定量的基本关系式。
内标元素与分析线对的选择:
a. 内标元素可以选择基体元素,或另外加入,含量固定。
b. 内标元素与待测元素具有相近的蒸发特性。
c. 分析线对应匹配,同为原子线或离子线,且激发电位相近( 谱线靠近),“匀称线对”。
d. 强度相差不大,无相邻谱线干扰,无自吸或自吸小。
(3) 定量分析方法
a. 内标标准曲线法
由 lgR = blgc +lgA
以lgR 对应lgc 作图,绘制标准曲线,在相同条件下,测定试样中待测元素的lgR,在标准曲线上求得未知试样lgc。
b. 摄谱法中的标准曲线法
在完全相同的条件下,将标准样品与试样在同一感光板 上摄谱,由标准试样分析线对的信号差(ΔS )对lgc作标准曲线(三个点以上,每个点取三次平均值),再由试样分析线对的黑度差,在标准曲线上求得未知试样lgc 。该法即三标准试样法。
c.标准加入法
无合适内标物时,采用该法。
取若干份体积相同的试液(Cx),依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液(Co),浓度依次为:
在相同条件下测定:RX,R1,R2,R3,R4……。
以R对浓度c做图得一直线,图中Cx点即待测溶液浓度。
八、应用
原子发射光谱分析在鉴定金属元素方面(定性分析)具有较大的优越性,不需分离、多元素同时测定、灵敏、快捷,可鉴定周期表中 约70多种元素,长期在钢铁工业(炉前快速分析)、地矿等方面发挥重要作用;在定量分析方面,原子吸收分析有着优越性。
举例:人头发中常见的10种微量元素的测定
可供选用的方法:
1、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)
2、原子吸收分光光谱法(AAS)
3、电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)
4、中子活化法
选用仪器:ICP-AES
组成:
1、高频发生器
2、等离子炬管
3、雾化器
ICP-AES能分析的元素
测定波长的选择
选择相互无干扰或干扰最小、灵敏度最高的波长为测定波长, 其中Li 、Zn、Cr、Fe、Mn、Ni、V、Co、Mo 、Cu 元素的检测波长分别为: 670.784、213.857、267.716、259.939、257. 610、 231.604、292.464、238.892、202.031、327.393 nm。
标准曲线的获取
参照人头发中10 种微量元素的预测值及文献报道, 用逐级稀释法制成系列标准溶液, 溶液介质为2%硝酸。以发射强度( Y) 对浓度(X) 进行回归, 得各元素的标准曲线。
样品制备
· 将人的头发用不锈钢剪刀剪成3~5 mm长, 用中性洗涤剂浸洗30 min, 反复用三重蒸馏水冲洗至无泡沫, 放入烘箱中干燥过夜( 控温80 ℃左右) , 置干燥器中保存。
· 取健康人头发约1 g , 精密称定, 置于50 ml 广口锥形瓶中, 加入
( 3 :1:1) 15 ml,摇匀, 浸泡过夜。
· 次日, 将锥形瓶置于电热板上110℃恒温2 h 后升温至250℃继续加热至近干。
· 冷却后加入5 ml三重蒸馏水,继续加热至近干, 重复3 次。取下, 放冷, 定量转移至10 ml量瓶中,用1%硝酸稀释至刻度, 摇匀, 待测。
· 同法做空白对照液,操作均在通风柜中进行。
样品测定
测定所配制的待测样品在不同波长的发射强度, 对照10种元素各自的分析线,分析线的强度在标准曲线中所对应的浓度即为待测样品的浓度。