常用元素分析方法

常用元素分析方法201908520421022吕果PART01原子吸收光谱目录CONTENTSPART03X射线荧光光谱PART05X射线能谱分析PART02原子发射光谱PART04电子探针分析3原子吸收光谱原理及特点：原子吸收光谱（AtomicAbsorptionSpectroscopy，AAS)，又称原子分光光度法，是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收，由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待测元素进行定性定量分析的一种仪器分析的方法。原子吸收光谱法(AAS)是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A，在线性范围内与被测元素的含量成正比：A=KC式中K为常数；C为试样浓度；K包含了所有的常数。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础4原子吸收光谱由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。由此可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。AAS现已成为无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。5原子吸收光谱优越性：原子吸收光谱法该法具有检出限低（火焰法可达μg/cm–3级）准确度高（火焰法相对误差小于1%），选择性好（即干扰少）分析速度快，应用范围广（火焰法可分析30多种/70多种元素，石墨炉法可分析70多种元素，氢化物发生法可分析11种元素）等优点。1、选择性强这是因为原子吸收带宽很窄的缘故。因此，测定比较快速简便，并有条件实现自动化操作。在发射光谱分析中，当共存元素的辐射线或分子辐射线不能和待测元素的辐射线相分离时，会引起表观强度的变化。2、灵敏度高原子吸收光谱分析法是最灵敏的方法之一3、分析范围广发射光谱分析和元素的激发能有关，故对发射谱线处在短波区域的元素难以进行测定4、抗干扰能力强第三组分的存在，等离子体温度的变动，对原子发射谱线强度影响比较严重5、精密度高火焰原子吸收法的精密度较好6原子吸收光谱应用：原子吸收光谱法已成为实验室的常规方法，能分析70多种元素，广泛应用于石油化工、环境卫生、冶金矿山、材料、地质、食品、医药等各个领域中。如图是我们实验室光催化降解染料所测的光谱图，主要是对污染物的降解，运用原子吸收光谱仪来测其吸光度的降解。7原子发射光谱原子发射光谱法，是指利用被激发原子发出的辐射线形成的光谱与标准光谱比较，识别物质中含有何种物质的分析方法。用电弧、火花等为激发源，使气态原子或离子受激发后发射出紫外和可见区域的辐射。某种元素原子只能产生某些波长的谱线，根据光谱图中是否出现某些特征谱线，可判断是否存在某种元素。根据特征谱线的强度，可测定某种元素的含量。一次检验可把被检物质中的元素全部在图谱上显现出来，再与标准图谱比较。可测量元素种类有七十多种。灵敏度髙，选择性好，分析速度快。在司法鉴定中，主要用于泥土、油漆、粉尘类物质及其他物质中微量金属元素成份的定性分析。定量分析较复杂且不准确。8原子发射光谱原子发射光谱分析法的特点：⑴可多元素同时检测各元素同时发射各自的特征光谱；⑵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（光电直读仪）；⑶选择性高各元素具有不同的特征光谱；⑷检出限较低10～0.1mg×g-1（一般光源）；ng×g-1(ICP）⑸准确度较高5%～10%（一般光源）；1%(ICP)；⑹ICP-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；9原子发射光谱10X射线荧光光谱X射线荧光的物理原理当材料暴露在短波长X光检查，或伽马射线，其组成原子可能发生电离，如果原子是暴露于辐射与能源大于它的电离势，足以驱逐内层轨道的电子，然而这使原子的电子结构不稳定，在外轨道的电子会“回补”进入低轨道，以填补遗留下来的洞。在“回补”的过程会释出多余的能源，光子能量是相等两个轨道的能量差异的。因此，物质放射出的辐射，这是原子的能量特性。11X射线荧光光谱X射线荧光光谱法在化学分析中的应用主要使用X射线束激发荧光辐射，第一次是在1928年由格洛克尔和施雷伯提出的。到了现在，该方法作为非破坏性分析技术，并作为过程控制的工具，广泛应用于采掘和加工工业。原则上，最轻的元素，可分析出铍（z=4），但由于仪器的局限性和轻元素的低X射线产量，往往难以量化，所以针对能量分散式的X射线荧光光谱仪，可以分析从轻元素的钠（z=11）到铀，而波长分散式则为从轻元素的硼到铀。X射线荧光光谱仪测试某样品胶囊谱图12电子探针分析电子探针的基本原理：用聚焦电子束轰击试样表面的待测微区，使该区原子的内层电子跃迁，释放出特征X射线。用波谱仪或能谱仪对这些特征X射线进行展谱分析,得到反映特征X射线波长(或能量)与强度关系的X射线谱。根据特征X射线的波长(或能量)进行元素的定性分析。根据特征X射线的强度进行元素的定量分析。电子探针仪的结构与工作原理图为电子探针仪的结构示意图，电子探针的镜筒及样品室和扫描电镜无本质上的差别。电子探针的信号检测系统是X-射线谱仪，用来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪(WDS)或波谱仪用来测定X-射线特征能量的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪。13电子探针分析电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。电子探针主要由电子光学系统（镜筒），X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。14电子探针分析应用：电子探针的最早应用领域是金属学。对合金中各组成相、夹杂物等可作定性和定量分析，直观而方便，还能较准确地测定元素的扩散和偏析情况。此外，它还可用于研究金属材料的氧化和腐蚀问题，测定薄膜、渗层或镀层的厚度和成分等，是机械构件失效分析、生产工艺的选择、特殊用材的剖析等的重要手段。电子探针在表面材料分析中的应用电子探针显微分析15X射线能谱分析X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示:hn=Ek+Eb+Er其中:hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。其中Er很小，可以忽略。对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek。式又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ（10.4）Eb=hn-Ek-Φ16X射线能谱分析特点：(1)可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。(2)从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔远，相互干扰少，元素定性的标识性强。(3)是一种无损分析。(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2nm。17X射线能谱分析应用：(1)元素定性分析各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除H和He以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。(2)元素定量分折X射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达1％～2％。(3)固体表面分析固体表面是指最外层的1～10个原子层，其厚度大概是(0.1~1)nnm。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。X射线光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。(4)化合物结构签定X射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。18X射线能谱分析复合纳米材料的X射线衍射谱图谢谢欣赏