仪器分析 第三章 原子发射光谱法

第三章原子发射光谱分析法AtomicemissionspectrometryAES原子发射光谱分析法是通过记录和测量元素的激发态原子所发出的特征谱线的波长和强度对其进行定性、半定量和定量分析的方法。概述特征辐射基态元素M激发态M*热激发E原子发射光谱只能用来确定物质的元素组成与含量，不能给出分子的有关信息。3基本原理：量子数与原子结构原子发射光谱的产生（一）量子数与原子的壳层结构电子运动状态的描述主量子数n角量子数l磁量子数ml自旋磁量子数ms基态Na原子的核外电子排布：(1s)2(2s)2(2p)6(3s)1原子能量状态与光谱项原子能级用光谱项来表征例：钠原子基态32S1/2n2S+1LJn：主量子数，L：总角量子数（中心项）S：总自旋量子数，J：总内量子数。光谱项符号：总内量子数：是由于轨道运动与自旋运动的相互作用即轨道磁矩与自旋磁矩的相互影响而得出的，它是原子中各个价电子组合得到的总角量子数L与总自旋量子数S的矢量和，即J=L+S。J的求法为J=（L+S），（L+S-1），（L+S-2），……，|L-S|。若L≥S，则J值从J=L+S到L-S，可有（2S+1）个值。若LS，则J值从J=S+L到S-L可有（2L+1）个值。例：钠原子基态和第一激发态。(1)钠原子基态(1s)2(2s)2(2p)6(3s)1原子实：包括原子核和其它全充满支壳层（闭合壳层）中的电子。光学电子：填充在未充满支壳层中的电子。原子实光学电子钠原子基态：(3s)1n=3L=l=0S=1/2(2S+1)=2J=1/2光谱项符号：32S1/2(2)钠原子的第一激发态：(3p)1n=3光谱支项：32P1/2和32P3/2由于轨道运动和自旋运动的相互作用,这两个光谱支项代表两个能量有微小差异的能级状态。L=l=1S=1/2(2S+1)=2J=3/2，1/2光谱项：32P谱线多重性符号：2S+1钠原子由第一激发态向基态跃迁发射两条谱线第一激发态光谱支项：32P1/2和32P3/2基态光谱项：32S1/2原子能级图一条谱线用两个光谱项符号来表示Na588.996nm(32S1/2－32P3/2)Na589.593nm(32S1/2－32P1/2)由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线原子的共振线与离子的电离线原子由第一激发态到基态的跃迁：第一共振线，最易发生，能量最小；原子获得足够的能量(电离能)产生电离,失去一个电子，一次电离。离子由第一激发态到基态的跃迁(离子发射的谱线)：电离线，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：I285.21nm；II280.27nm；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。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：kTEieNggN00iigi、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；发射谱线强度：Iij=NiAijhijh为Plank常数；Aij两个能级间的跃迁几率；ij发射谱线的频率。将Ni代入上式，得：谱线强度影响谱线强度的因素：（1）激发能越小，谱线强度越强；（2）温度升高，谱线强度增大，但易电离。iijij00iEkTijgIAhNeg　　　　（3-8）（3-1）谱线的自吸与自蚀等离子体：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。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。谱线表，r：自吸；R：自蚀；在一定的实验条件下，单位体积内的基态原子数目No和元素浓度C的关系:No=aτCbq(3-2)式中，b为自吸系数，当浓度很低时，原子蒸气的厚度很小；b=1，即没有自吸。a与q是与试样蒸发过程有关的参数；不发生化学反应时，q=1，a又称为有效蒸发系数将式（3-2）代入式（3-1），得赛伯-罗马金公式：I=ACb式中，A为与测定条件有关的系数。为原子发射光谱定量分析的基本公式。ijiijijINAhI=ACbii00iEkTgNNegiijij00iEkTijgIAhNeg　　0bqNc赛伯-罗马金公式原子发射光谱仪原子发射光谱分析仪器的类型有多种，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17原子发射光谱分析的三个主要过程样品蒸发、原子化，原子激发并产生光辐射。分光，形成按波长顺序排列的光谱。检测光谱中谱线的波长和强度原子发射光谱仪方框图光源分光系统检测器原子发射光谱分析的主要过程示意图一光源光源的作用：提供能量使样品蒸发,形成气态原子,并进一步使气态原子激发而产生光辐射。蒸发：使试样中各种元素从试样中蒸发出来，在分析间隙形成原子蒸气云（原子化）。激发：使蒸气云中的气态原子（或离子）获得能量而被激发，当激发态的原子（或离子）跃迁至基态（或较低激发态）时，辐射光谱。1.直流电弧直流电作为激发能源，电压150～380V，电流5～30A；两支石墨电极，试样放置在下电极(阳极)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使阴极发射电子。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。弧焰温度：4000～7000K可使约70多种元素激发；特点：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。2.低压交流电弧工作电压：110～220V。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，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。3高压火花高压火花的特点：（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；4电感耦合等离子体(ICP)光源等离子体光源－外观上类似火焰的放电光源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，一旦管内气体开始电离（如用点火器），电子和离子则受到高频磁场所加速，产生碰撞电离，电子和离子急剧增加，此时在气体中感应产生感应电流（涡电流，粉色），这个高频感应电流，产生大量的热能，又促进气体电离，维持气体的高温，从而形成等离子炬。感应线圈将能量耦合给等离子体，并维持等离子炬。当载气携带试样气溶胶通过等离子体时，被后者加热至6000～7000K并被原子化和激发产生发射光谱。交变磁场感应线圈感应电流ICP-AES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”，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）；交流电通过导体时，电流密度在导体截面上的分布是不均匀的，越接近导体表面，电流密度越大，此种现象称为趋肤效应。(3)基体效应小(4)Ar气体产生的背景干扰低(5)ICP中电子密度大，碱金属电离造成的影响小(6)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。光源蒸发温度激发温度放电稳定性应用范围直流电弧高4000-7000稍差定性、矿物、纯物质难挥发元素定量交流电弧中4000-7000较好低含量组分定量分析高压火花低瞬间10000好金属与合金、难挥发元素的定量分析ICP很高6000-8000很好溶液定量分析几种光源性能的比较二分光系统（1）棱镜分光系统（2）光栅分光系统光栅分光系统采用光栅作为分光器件，光栅分光系统的光学特性用色散率、分辨率和闪耀特性3个指标来表征。三检测系统检测常用摄谱法（照像法）和光电检测法摄谱法：用感光板记录谱线光电检测法：用光电倍增管或电荷耦合器作为接受和记录谱线的主要器件。摄谱法及其观察装置采用照相法记录光谱的原子发射光谱仪称为摄谱仪。感光板由照相乳剂均匀地涂布在玻璃板上而成。感光板上的照相乳剂感光后变黑的黑度，用测微光度计测量以确定谱线的强度。感光物质(AgBr)明胶(增感剂)感光层感光板黑度黑度S：感光板曝光后变黑的程度称为变黑密度，简称黑度。0lgiSi乳剂特性曲线强度为i的光，在感光乳剂上产生一定的照度I，照射时间t后，在感光乳剂上积累一定的曝光量H=It。黑度S与曝光量H的关系曲线，称为感光板的乳剂特性曲线iHHHSilg)lg(lg正常曝光部分定性依据元素不同→电子结构不同→光谱不同→特征光谱定性定量分析方法元素的分析线、最后线分析线：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，最后消失的谱线例：含Cd10%时，14条谱线0.1%100.01%70.001%1（226.5nm）此为最后线灵敏线和共振线灵敏线：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、最后线最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)（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。标准谱图：将其他元素的分析线标记在铁谱上，铁谱起到标尺作用标准光谱比较法（铁光谱比较法）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。样品谱线铁光谱光谱半定量分析：黑度比较法将试样与已知不同含量的标准样品在一定条件下摄谱于同一光谱感光极上，然后在映谱仪上用目视法直接比较被测试样与标样光谱中分析线黑度，若黑度相等，样品中欲测元素的含量近似等于该标准样品中该元素的含量。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。半定量分析：谱线呈现法例：铅含量与出现谱线关系Pb%谱线特征0.0012833.069Å清晰可见,2614.178和2802.00弱0.0032833.069清晰可见,2614.178增强,2802.00变清晰0.01上述谱线增强,2663.17和2873.32出现0.03上述谱线都增强0.10上述谱线更增强,没有出现新谱线0.302393.8,2577.26出现。光谱定量分析内标法光谱定量分析原理lgI＝blgc+lgA试样组成、元素化合物形态，放电条件等影响A,绝对强度测定的误差大。为补偿和抵消这种因实验条件波动而引起的误差，采用内标法进行定量分析。I＝Acbb：自吸系数xbxxxCAI内标法原理内标内标内标内标bCAIxbbxxxxbIACRCIAC内标内标内标内标＝＝AlglglglgxxIRbCAI内标＝在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度Ix)，再选择内标物的一条谱线(强度I内标)，组成分析线对。则相对强度R：内标法定量的基本关系式内标元素和内标线的选择原则1)内标元素与被测元素化合物具有相似的蒸发性质，离解能、激发电位(及电离能)相近。2)内标元素的含量必须适量和固定