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原子发射光谱仪的使用简介
来源:EWG1990仪器学习网 | 作者:ewg1990 | 发布时间: 2021-01-19 | 59 次浏览 | 分享到:
通常组成物质的原子处于最稳定的基态(ground state),其能量最低。当原子受到外界能量(如电能热能或光能)作用时,原子的外层电子就从基态跃迁到更高的能级状态即激发态(excited state)。处于激发态的原子很不稳定,约经10-8s后,原子跃迁回基态或其他较低的能级,以光辐射的形式释放出多余的能量,产生光谱。原子发射光谱是由于原子的外层电子在不同能级之间的跃迁而产生的。利用物质的原子发射光谱来测定物质的化学组成的方法,称为光谱分析法或发射光谱分析法。

原子发射光谱法(atomic emission spectrometry,AES)是根据试样中被测元素的原子(或离子),在光源中被激发而发射的特征光谱(characteristic spectrum)来进行元素的定性和定量的分析方法。


一、仪器工作原理

通常组成物质的原子处于最稳定的基态(ground state),其能量最低。当原子受到外界能量(如电能热能或光能)作用时,原子的外层电子就从基态跃迁到更高的能级状态即激发态(excited state)。处于激发态的原子很不稳定,约经10-8s后,原子跃迁回基态或其他较低的能级,以光辐射的形式释放出多余的能量,产生光谱。原子发射光谱是由于原子的外层电子在不同能级之间的跃迁而产生的。利用物质的原子发射光谱来测定物质的化学组成的方法,称为光谱分析法或发射光谱分析法。


发射光谱的能量可用下式表示,即



由上式可知,每一条发射光谱的谱线的波长,与跃迁前后的两个能级之差成反比。由于原子内的电子轨道是不连续的(量子化的),故得到的光谱是线光谱(《linespectrum《)因为组成物质的各种元素的原子结构不同,所产生的光谱也就不同,也就是说,每一种元素的原子都有它自己的特征光谱线。原子发射光谱法的研究对象就是被分析物质所发出的线光谱。通过检测这些特征谱线是否出现,以鉴别某种元素是否存在,这是光谱定性分析的基本原理。


同样,在一定条件下,这些特征光谱线的强弱与试样中欲测元素的含量符合罗马金赛伯经验公式,即

I=Acb


发射系数A与试样的蒸发、激发和发射的整个过程有关,与光源类型、工作条件、试样组分、元素化合物形态以及谱线的自吸收现象也有关系,由激发电位及元素在光源中的浓度等因素决定。元素含量很低时谱线自吸收很小,这时b=1;元素含量较高时,谱线自吸收现象较严重,此时b<1。因此,实际使用过程中,往往采用公式的对数形式,这样,只要是常数,就可得到线性的工作曲线。由此可见,在一定条件下,谱线强度只与试样中原子浓度有关,通过测量元素特征光谱线的强度,可以鉴定元素的含量,这正是原子发射光谱定量分析的基础。


二、仪器的基本组成部分

发射光谱分析过程分为三步,即激发、分光和检测。第一步是利用外加能量的作用(激发光源)使试样蒸发出来,然后离解成原子,或进一步电离成离子,最后使原子或离子得到激发,产生特征辐射;第二步是利用光谱仪把将发射的各种波长的辐射按波长顺序展开为光谱;第三步是利用检测系统对分光后得到的不同波长的辐射进行检测,由所得光谱线的波长,对物质进行定性分析,由所得光谱线的强度,对物质进行定量分析。


物质光谱的获得过程和分析过程,可以分别进行,也可以同时进行,前者属于摄谱分析法,后者属于目视及光电直读分析法。


发射光谱仪通常包括激光光源、分光系统(光谱仪)及检测系统三个主要部分,摄谱分析仪器还应包括观察光谱、测定波长和强度的仪器,光电直读仪器则还有数据处理及系统控制系统。


1.激发光源

原子发射光谱分析的光源向试样提供一定的能量,促使样品蒸发、原子化(和电离),进而激发样品中各元素的原子(和离子)产生发射光谱。因而光源可看成发射光谱分析的基础,光源本身的特性在很大程度上影响光谱分析的灵敏度和准确度。对于原子发射光谱分析而言,一般对光源性能的要求为:蒸发、原子化和激发能力强、稳定性好、分析样品组成影响小分析线性范围宽、适应各种类型样品测定。常用的光源由20世纪40年代的直流电弧、交流电弧、高压电火花占统治地位,发展到70~80年代电感耦合等离子体光源(inductively coupled plasma,ICP)成为主流。此外,一些实用光源,如直流等离子体喷焰( direct current plasmajet,DCP)、电容耦合微波等离子体(capacitively coupled microwave plasmamicrowave induced plasma,MIP)及激光微探针和各种串联光源如gd-miP、iCP-MIP、激光蒸发-MIP等)也大有发展潜力。


各种类型的光源具有各自的特性(激发温度、蒸发温度、热性质、强度、稳定性等)和应用范围,适用于不同分析对象和不同的分析要求。各种常用发射光谱激发光源的性能及其应用范围可归纳与表。


表:常用光源性能比较

光源种类 蒸发温度 激发温度/k 蒸发能力 激发能力 稳定性 灵敏度 应用范围
火焰 2000~3000

碱金属,碱土金属
直流电弧 4000~7000 矿物、难挥发元素
交流电弧 中等 4000~7000 较好 定量分析、合金低含量元素
电火花 较低 10000 难激发元素、中高含量元素
等离子体炬 很高 4000~7000 很好 大多数元素的定量分析
激光 很高 10000 很高 微区、不导电试样


2.光谱仪

大光谱仪是用来观察光源光谱的仪器,它将光源发射的电磁波分解为一定次序排列的光谱。光谱仪的分类方法多,按色散元件的不同,摄谱仪可分为棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪和干涉光谱仪三类。


3.光谱记录及检测系统

光谱记录及检测系统的作用是接受、记录并测定光谱。常用的记录和检测方法有看谱法、摄谱法和光电直读法。看谱法以眼睛为检测器,以看谱镜或看谱计为分光系统。看谱镜只能用于定性分析,看谱计可进行半定量和定量分析。摄谱法将从光学系统输出的不同波长的辐射能在感光板上转为黑的影像,再通过测微光度计测定谱线黑度,进行定量分析。而光电直读法以光电倍增管代替感光板作为检测器,利用光电测量的方法直接测定谱线波长和强度。近年来,光电二极管阵列(PDA)、电感耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)以及固态光学多道检测系统(CTDS)等检测器也开始应用于原子发射光谱仪中。


三、常用仪器型号和主要性能

常用仪器型号和特点如表所示。

表:常用原子发射光谱仪型号和特点

生产厂家 仪器型号 技术参数 仪器特点

美国利曼 

leeman labs

Prodigy 全谱直读等离子体发射光频谱仪(ICP)

中阶梯光栅,大面积、程序化固态检测器阵列 L-PAD;

波长范围165~800nm;分辨率≤0.005mm(200nm);焦距800mm,色散率0.06nm/mm(200nm);

RF发生器:40.68MHz,水冷

大面积、程序化固态检测器阵列L-PAD,较原CID检测器大4倍;

高色散率、高分辨率、高准确度;

检测器像素≥100万,全谱直读检测,一次曝光完成;

非破坏性智能数据读取处理,超级检出能力;

超稳定光学结构

美国瓦里安 Variam 700-ES 系列ICP-OES 电感耦合等离子原子发射光谱仪

波长范围175~785nm,波长连续覆盖,完全无断点;

RF发生器频率为40.68MHz;

信号稳定性≤1%RSD(4h);

焦距0.4m,中阶梯光栅刻线924线/mm;

完成EPA22个元素系列测定时间小于5min

高效稳定的射频发生系统;高分辨率的中阶梯光栅交叉色散光学系统;

专利的冷锥接口技术,完全消除低温尾焰;

超过百万感光点CCD检测器,灵敏度高且防电子溢流;

功能强大的多任务软件结合全中文在线多媒体帮助

德国斯派克 Spectro
SPECTRO CI-ROS VISION 全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪

光谱范围120~800nm;全息光栅,2924线/mm;动态范围大于等于8个数量级;

每分钟测73个元素,每小时可测60多个样品

一维色散+22个CCD检测器设计,检测器无需超低温冷却,无需氩气吹扫保护;

全波长覆盖,120~800nm的波长范围,可以分析10-6级卤素;专利密闭充氩循环光路系统,检测190nm以下谱线,无需气体吹扫;

3s实现全谱扫描;

所有气体流量采用质量流量计计算机控制,炬管位置由三维步进电机计算机控制,自动化程度高

SPECTRO LAB 直线光谱仪

帕邢-龙格结构的光学装置,光栅焦距750mm;

波长范围120~800nm;一级光谱分辨率6pm;允许最多分析通道72个(采用三个分光室组合方式);

光栅刻线3600条/mm,2400条/mm,1800条/mm可选

多光学系统设计,每台仪器设置3个光学系统;专利的充氮气(UV--PLUSTM)紫外光学系统,用于分析小于230nm波长;全数学式电流控制激发光源 (CCS);

快速分析,标准检测时间18s;TRS时间解析光谱技术,降低检出限和提高分析精度;

SSE单火花测量技术,分析金属的夹杂物;

 SPECTRO Spark Analyzer 件便于分析操作,每一步操作都简单直观

美国PE Optima2100DV型电感耦合等离子体发射光谱仪

稳定性<1%RSD/h;

精密度≤0.5%RSD;

大多数元素检出限可达(0.1~1)×10-9

波长范围165~782nm;

波长分辨率<0.006nm(200nm);

光栅刻线79条/mm

独创的光路设计,大大提高了紫外区的灵敏度;

全新设计的40.68MHz自激式固态RF发生器;

先进的高量子化效率、低噪声固态检测器;

灵活的双向观测系统,观测高度在线可调;

多用户、多任务的操作软件,独特的谱线解析功能

日本岛津 Shimadzu PDA-5500/7000真空光谱发射仪

帕邢-龙格结构的光学装置,凹面光栅曲率半径0.6m;

光栅刻线2400条/mm;

波长范围121~589nm;

设定分析通道64个

HPSG-500型多功能火花光源,可用软件设定转换、激发频率;

脉冲正态分布(PDA)测光法,可定量测定酸溶液和非酸溶液;

采用TRS时间解析光谱技术,降低检出限和提高分析精度;

PDA-5500为单基本仪器;PAD-7000为多基本仪器;在电极架上有改进

ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪

光栅刻线79条mm;

光栅初次38~135级;

波长范围167~800nm;

分辨率<0.008nm(200nm)处

采用晶体管固态高频发生器,雾化效率高,载气可以用工业氩(99.5%),节约成本;

真空型中阶梯光栅分光器;

大面积、高分辨率CCD检测器;

ICPEsolution软件支持,实现分析波长自动选择、共存元素信息自动生成、定性分析、定量分析、保存全波长区域数据


北京科创海光 WLY100-2型电感耦合等离子体发射光谱仪

光栅刻线79条/mm;

光栅级次38~135级;

波长范围167~800nm;

分辨率<0.008nm(200nm处)

自激式光源,频率为40MHz,功率为1.0~1.6KW;

竖式单色器设计;

单个通道,顺序扫描;

光栅2400条/mm或3600条/mm可选,焦距1m;

分析速度快,每分钟可分析6种以上以上元素,可实现多元素同时分析

北京科创海光 SPS8000型电感耦合等离子体发射光谱仪

精密度≤2%RSD;

动态范围为5个数量级;

光学分辨率0.001nm(194nm);

波长范围175~800nm;

波长重复性≤0002nm;

波长示值误差±0.001nm

双单色器最大寻峰时间5s;

单个通道,顺序扫描;

检测器为双光电倍增管;

入/出峰固定;

前级单色器焦距20cm,全息凹面衍射光栅;

阶梯光栅单色器焦距30cm,中阶梯平面衍射光栅;

观察高度0~30mm(测微头精确调整);

40.68MHz他激式RF发生器

北京纳克 Lab Spark 750 火花直读金属元素光谱仪

帕邢-龙格结构的光学装置,光栅焦距750mm;

高发光全息光栅,刻线2400条/mm;

谱线范围120~800nm;分辨率优于0.01nm;

最多可检测通道30个

激发能量、频率连续可调全数字固态光源;

闪耀技术制作的高发光全息光栅,光传输率为60%,光强损失率为40%,性能优于普通全息光栅;

直接放大和高速数据采集、单次火花放电数值解析的专利技术(SDA)有效提高分析精度,可变延时积分技术,大大降低背景干扰

北京瑞丽

WLD-2D 电感耦合等离子体多道光谱

帕邢-龙格结构的光学装置,光栅焦距750mm;

波长范围180~540nm;光栅刻线2400条/mm;分析精密度RSD<0.2%;检出限一般可达10-810-10g/mL

全新的固态光源,具有正反向功率保护、驻波比保护和温度保护等特点,性能更加稳定可靠;全新蠕动泵进样系统,精确控制进样速度;

新型光电倍增管安装结构设计,可以设置更多的通道,最多可达40个;

新型出射狭缝设计,结构合理,调试方便快捷,光学系统漂移小;

新型采集控制系统设计,自动化程度高,抗干扰能力强

北京瑞丽
WLD-4C 光电直读光谱仪

凹面光栅曲率半径750mm,光栅刻线2400条/mm;

波段范围175~450nm;

色散率0.55nm/mm

分析精密度RSD≤0.2%

仪器结构设计合理,更加小型化,集体化。

采用高集成化采集和控制系统,自动化程度高;

采用高重复性、高稳定性的激发光源,激发频率在150~600Hz之间变化,根据用户所分析材质选用,已达到最佳的分析效果;

采用Windows系统下的中文操作软件,方便简捷;

采用局部恒温,既保证了仪器的正常运行,又降低了对环境要求

WLD-2C 型 ICP多道光电直读光谱仪

分光系统光栅刻线2400条/mm;

波段范围为190~500nm;

测量系统测量精密度为0.2%;

动态范围106   

分析精密度RSD≤1.5%

优良的激发光源,40MHz 自激稳定式带功率反馈控制电路的高频发生器;

灵敏度高,检出限好,元素检出限在ng/mL级;

浓度范围宽,可到4~5个数量级;

多元素同时分析,速度快,样品消耗量少;

具有动态扣除背景的功能;

集成设计的数据采集控制板,置于微机内部,抗干扰能力强