第五章原子发射光谱.

第五章原子发射光谱分析（AtomicEmissionSpectroscopy，AES）5.1概述5.2基本原理5.3AES仪器5.4定性定量分析方法关键词：1）分析对象为大多数金属原子；2）物质原子的外层电子受激发射产生特征谱线（线光谱）；3）谱线波长——定性分析；谱线强度——定量分析。5.1概述1.定义：AES是据每种原子或离子在热或电激发下，发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法。2.历史：1859年德国学者Kirchhoff&Bensen——分光镜；随后30年——定性分析;1930年以后——定量分析3.AES特点1）多元素检测(multi-element);2）检出限低：10-0.1g/g(g/mL);ICP-AES可达ng/mL级3）选择性好：Nb与Ta；Zr与Ha，Rare-elements;5）准确度高：相对误差仅仅在5-10%，ICP可达1%以下;6）所需试样量少，测定范围广。局限性：1）只用于元素总量分析，2）常见的非金属元素，如氧，硫，氮无法检测；3）价格比较昂贵。ICP-AES对周期表中元素的检测能力（阴影面积表示使用的谱线数目；背景深浅表示检测限大小）5.2基本原理1.原子发射光谱的产生过程：1）能量（电或热、光）基态原子2）外层电子(outerelectron)（低能态E1高能态E2）3）外层电子（低能态E1高能态E2）4）发出特征频率()的光子:E=E2-E1=h=hc/2.几个概念激发电位(Excitedpotential)：由低能态--高能态所需要的能量，以eV表示。每条谱线对应一激发电位。原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示,如Na(I)共振线(Resonanceline)：由激发态到基态(Groundstate)跃迁所产生的谱线；主共振线：从第一激发态到跃迁到基态所发射的谱线。电离电位(Ionizationpotential)和离子线：原子受激后得到足够能量而失去电子—电离；所需的能量称为电离电位；离子的外层电子跃迁—离子线。以II，III，IV等表示。5.AES定性原理量子力学基本理论告诉我们：1）原子或离子可处于不连续的能量状态，该状态可以光谱项来描述；2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁至另一能量状态（激发态）；3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来；4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）；5）由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此对特定元素的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析—定性原理。6.AES定量原理（Quantification）1）Boltzmann分布与谱线强度(Intensity)AES分析进行定量测量的基础就是谱线的强度特性。那么，谱线强度与待测物浓度之间到底有什么样的关系呢？样品光源样品蒸发基态原子(N0)等离子体(原子+离子+电子)从整体上看，处于热力学平衡状态！ArcSparkICPFlame激发态原子(Ni)样品激发E0Ei当Plasm处于热力学平衡状态时，位于基态的原子数N0与位于激发态原子数Ni之间满足Boltzmann分布：其中，g为统计权重(2J+1)；k为Boltzmann常数(1.3810-23J/oC)：电子在i,j能级间跃迁产生的谱线强度I与跃迁几率A及处于激发态的原子数Ni成正比，即由于激发态原子数目较少，因此基态原子数N0可以近似代替原子总数N总，并以浓度c代替N总:简单地，Ic，此式为光谱定量分析的依据。ekTEgghvNAhvNAIiijiijiji/00kTEiiieggNN/00acNkNkIij总101更进一步，考虑到谱线的自吸效应系数b：I=acb（Schiebe-Lomarkin公式）取对数，上式变为：logI=blogc+loga此式为AES分析的最基本的关系式。以logI对logc作图，得校正曲线。当试样浓度高时，b1，工作曲线发生弯曲。2）影响谱线强度I因素:a)统计权重g(weight)；b)跃迁几率(probability)；c)激发电位或激发能E；d)谱线的自吸(self-absorption)及自蚀(self-reversal)；e)激发温度T；f)基态原子数N0或浓度c；前三项由待测物原子自身的性质决定，如核电荷数、外层电子、轨道状态等。影响谱线强度及其稳定性最重要的的因素是温度T！5.3AES仪器AES仪器由光源、单色系统、检测系统三部分组成。此节重点介绍光源、相板检测器及相关特性。主要有摄谱仪，光电直读仪和火焰分光光度计等；光源反射镜准直镜转台入射狭缝光栅物镜AES仪器略图光源电弧电感耦合等离子体，ICP现代光源经典光源火花直流电弧交流电弧火焰激光光源一、AES光源1.光源种类及特点高压火花：高频高压引燃并放电。~VCGBLR1DD220V220V10~25kV(B)C击穿分析隙G放电;回路L-C-G中高压高频振荡电流,G放电中断；下一回合充放电开始火花不灭。火花特点：1）放电稳定，分析重现性好；2）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低，多适于分析易熔金属、合金样品及高含量元素分析；3）激发温度高（瞬间可达10000K）适于难激发元素分析。电感耦合等离子体组成：ICP高频发生器+炬管+样品引入系统炬管包括：外管—冷却气，沿切线引入中管—辅助气，点燃ICP(点燃后切断)内管—载气，样品引入（使用Ar是因为性质稳定、不与试样作用、光谱简单）依具体设计，三管中所通入的Ar总流量为5-20L/min。石英管最大内径为2.5cm载气（Ar）辅助气冷却气绝缘屏蔽载气Ar+样品样品溶液废液ICP炬形成过程:1）Tesla线圈高频交变电流（27-41KHZ,2-4KW）交变感应磁场；2）火花氩气气体电离少量电荷相互碰撞“雪崩”现象大量载流子；3）数百安极高感应电流（涡电流，Eddycurrent）瞬间加热到10000K等离子体趋肤效应内管通入Ar形成环状结构样品通道样品蒸发、原子化、激发。ICP光源特点1）低检测限：蒸发和激发温度高；2）稳定，精度高：高频电流----趋肤效应(skineffect)---涡流表面电流密度大---环状结构---样品引入通道---火焰不受样品引入影响----高稳定性。3）基体效应小(matrixeffect):样品处于化学隋性环境（Ar）的高温分析区、化学干扰小；样品处于中心通道6）分析线性范围宽:ICP在分析区温度均匀；自吸及自蚀效应小。7）众多无素同时测定：激发温度高（70多种）；不足：对非金属测定的灵敏度低；仪器昂贵；维持费高。2.光源的选择依据a）试样的性质：如挥发性、电离电位等b）试样形状：如块状、粉末、溶液c）含量高低d）光源特性：蒸发特性、激发特性、放电稳定性（下表）光源蒸发温度K激发温度K稳定性热性质分析对象直流电弧800~4000(高)4000~7000较差LTE定性、难熔样品及元素定量、导体、矿物纯物质交流电弧中4000~7000较好LTE矿物、低含量金属定量分析火花低~10000好LTE难激发元素、高含量金属定量分析ICP~100006000~8000很好非LTE溶液、难激发元素、大多数元素火焰2000~30002000~3000很好LTE溶液、碱金属、碱土金属激光~10000~10000很好LTE固体、液体二、分光系统•主要有棱镜和光栅；三、检测系统、检测信号与浓度的关系我们已知谱线强度I与浓度成正比，即：logI=blogc+loga但用什么来表征I?1.光电检测：已知光信号产生的电流i与谱线强度I成正比，即在曝光时间t内，检测到谱线的累积强度（总能量）为测量电压（电容电压）为即，谱线强度直接与测量电压成正比。tkIkECKECQUijKQidtKdtIEttij001ijKIi2.相板（又称干板，Plate）待测物发出的光谱经分光得一系列谱线，这些不同波长的光在感光板上曝光，经显影、定影后于相板上得到平行排列的谱线（黑线），这些谱线“变黑”的程度以黑度S来表示：其中，I0，Ii分别为未曝光部分和已曝光部分的光强，T为透过率（%）谱线“黑度”与待测物浓度有关。即S=f(c)那么相板检测器上谱线的黑度与浓度的具体数学表达式到底如何呢？iIITS01lg相板定量基础：1）曝光量H与相板所接受的光强I或照度E及曝光时间t成正比:2）曝光量H与黑度S之间的关系复杂——但可通过“乳剂特性曲线”——得到二者之间的定量关系！S~logHS0logHiEDCBAbcSlogHS0—雾翳黑度；BC—正常曝光段；bc—展度；Hi—惰延量；表示感光板的灵敏度—直线部分斜率，反衬度IEtH从该曲线中直线部分得：iHHHSilog)log(log特别介绍光电直读光谱仪：包括多道固定狭缝式（光量计）和单道扫描式两种。多元素同时检测R5.4定性定量分析方法一、基本概念1.灵敏线：激发电位较低的谱线，常为原子线（电弧线），或离子线（火花线）。与实验条件有关。2.共振线：从激发态到基态的跃迁所产生的谱线。由最低能级的激发态到基态的跃迁称为第一共振线。一般也是最灵敏线。与元素的激发程度难易有关。3.最后线：或称持久线。当待测物含量逐渐减小时，谱线数目亦相应减少，当c接近0时所观察到的谱线，是理论上的灵敏线或第一共振线。4.分析线：在进行元素的定性或定量分析时，根据测定的含量范围的实验条件，对每一元素可选一条或几条最后线作为测量的分析线。5.自吸线：当辐射能通过发光层周围的蒸汽原子时，将为其自身原子所吸收，而使谱线强度中心强度减弱的现象。6.自蚀线：自吸最强的谱线的称为自蚀线。二、定性分析前已提及，由于各元素的原子结构不同，在光源激发下，试样中各元素都发射各自的特征光谱（谱线有多有少），通过识别元素的一条或数条特征谱线的波长，可以进行元素定性分析。光谱定性分析常采用摄谱法（相板为检测器）和光电直读光谱法。现以摄谱法为例。1.铁光谱比较法样品三次不同的曝光标准图谱Fe谱;如上图，将样品和Fe（直接以铁棒作电极）摄于同一谱板上。在映谱仪下放大20倍，并与标准Fe谱对照，查找待测元素的特征谱线，若试样中有谱线与标准图谱标明的某元素谱线出现的波长位置相同，则试样中含有该元素。注意：判断某元素是否存在，必须检查该元素2条以上不受干扰的最后线或灵敏线。思考：为什么要以Fe谱作标尺？答：Fe谱线丰富（有数千条）、“均匀”（强度及间距）、每条谱线波长已准确测得。2.标样光谱比较法判断样品中某元素是否存在，可将该元素的纯物质或其化合物与样品并列摄谱于同一谱板（此时不用铁谱），于映谱仪上检查该元素是否存在。3.分段曝光法实际工作中，多采用直流电弧作激发光源。但由于样品的复杂性（不同元素的激电位不同等），要想获得准确、完整的定性信息，需采用“分段曝光法”，具体做法：起弧小电流大电流中电流Hartman光栏（置于狭缝前）注意：一旦起弧，则不要停弧。在一电流值曝光一段时间后，迅速将电流快速增至下一电流值。三、定量分析前以述及，发射光谱定量分析关系式为：I=acb或者logI=blogc+loga由于试样组成和实验条件(蒸发、激发、试样组成、感光板特性、显影条件等)直接影响谱线强度，而这些影响很难完全避免，故以谱线绝对强度来定量往往带来很大误差。实际工作中常以三标准试样法和标准加入法。