第五章原子發(fā)射

第五章原子發(fā)射光譜法Atomicemissionspectroscopy（AES）根據(jù)待測物質(zhì)的氣態(tài)原子或離子受激發(fā)后所發(fā)射的特征光譜的波長及其強度來測定物質(zhì)中元素組成和含量的分析方法?！?-1原子發(fā)射光譜分析概述一、定義在光學分析法中，該法發(fā)展和應用最早二、發(fā)射光譜分析的基本過程

在激發(fā)光源中將被測物質(zhì)蒸發(fā)，解離，激發(fā).由激發(fā)態(tài)返回低能級態(tài)，輻射出不同特征波長的光，將被測定物質(zhì)發(fā)射的復合光經(jīng)分光裝置色散成光譜。

3.據(jù)光譜的譜線位置進行光譜定性分析，據(jù)譜線強度進行光譜定量分析。

優(yōu)點：1.靈敏度高——對大多數(shù)金屬及部分非金屬元素含量低至g·g-1均可測定

2.選擇性好——不同的原子產(chǎn)生不同的特征譜線不需分離可同時測定多種元素

3.準確度高

4.試樣用量小，測定范圍廣缺點：非金屬元素不能檢測或靈敏度低

相對分析法，需要有標準樣品對照三特點

一、原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生§5-2原子發(fā)射法的基本原理在通常情況下，物質(zhì)的原子處于基態(tài)，當受到外界能量的作用時,基態(tài)原子被激發(fā)到激發(fā)態(tài),同時還能電離并進一步被激發(fā)。激發(fā)態(tài)的原子或離子不穩(wěn)定（壽命小于10-8s），按光譜選擇定則，以光輻射形式放出能量，躍遷到較低能級或基態(tài)，就產(chǎn)生原子發(fā)射光譜?；鶓B(tài)E*E激發(fā)態(tài)A基→A*→A+hA+→A+*→A++h特征輻射基態(tài)元素M激發(fā)態(tài)M*熱能、電能E原子發(fā)射光譜的波長取決于躍遷前后兩能級的能量差，即

ΔE=E*-E=hc/λ=h=hc

或λ=hc/ΔE不同的元素其原子結(jié)構(gòu)不同，原子的能級狀態(tài)不同，電子在不同能級間躍遷所放出的能量不同，原子發(fā)射譜線的波長不同同一種元素有許多條發(fā)射譜線，最簡單的H已發(fā)現(xiàn)譜線54條，F(xiàn)e元素譜線4~5千條，每種元素有特征譜線——定性分析的依據(jù)二、譜線強度

spectrumlineintensity原子由某一激發(fā)態(tài)i向低能級j躍遷，所發(fā)射的譜線強度與激發(fā)態(tài)原子數(shù)成正比。在熱力學平衡時，單位體積的基態(tài)原子數(shù)N0與激發(fā)態(tài)原子數(shù)Ni的之間的分布遵守玻耳茲曼分布定律：gi、g0為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重；統(tǒng)計權(quán)重是指粒子在某一能級可能具有的幾種不同狀態(tài)數(shù)（2J+1）；當無外加磁場時，各狀態(tài)能量相同、能級簡并。g=2J+1,J為內(nèi)量子數(shù)。

Ei：為激發(fā)能；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為激發(fā)溫度；發(fā)射譜線強度：Iij=Ni

Aijhijh為Plank常數(shù)；Aij兩個能級間的躍遷幾率；ij發(fā)射譜線的頻率。將Ni代入上式，得：ijIij譜線強度影響譜線強度的因素：（1）激發(fā)能越小，譜線強度越強；（2）溫度升高，譜線強度增大，但易電離。譜線強度與基態(tài)原子密度N0成正比I∝N0

在一定條件下,N0與試樣中元素含量成正比N0∝C，∴譜線強度也與被測定元素含量成正比。I∝C

I∝C——光譜定量分析的基礎(chǔ)

原子發(fā)射光譜分析儀器的類型有多種，如：火焰發(fā)射光譜、微波等離子體光譜儀、感耦等離子體光譜儀、光電光譜儀、攝譜儀等；

原子發(fā)射光譜儀通常由三部分構(gòu)成：光源、分光、檢測；§5-3光譜分析儀器儀器基本構(gòu)造光源分光系統(tǒng)檢測系統(tǒng)作用試樣蒸發(fā)、原子化、激發(fā)發(fā)射的特征光分開把發(fā)射光譜記錄或檢測下來①攝譜儀電弧.火花棱鏡.光柵感光板②直讀光譜儀電弧.火花棱鏡.光柵光電倍增管③火焰分光光度計火焰濾光片棱鏡.光柵光電管或光電倍增管常用的原子發(fā)射光譜儀有：攝譜儀；光電直讀儀；火焰分光光度計光源電弧電感耦合等離子體，ICP現(xiàn)代光源經(jīng)典光源火花直流電弧交流電弧火焰激光光源一、AES光源作用:為試樣的蒸發(fā)、解離、原子化、激發(fā)提供能量對光源的要求靈敏度高，穩(wěn)定性好，再現(xiàn)性好，使用范圍寬：光源影響檢出限、精密度和準確度。1.光源種類2.光源的選擇依據(jù)

a）試樣的性質(zhì)：如揮發(fā)性、電離電位等b）試樣形狀：如塊狀、粉末、溶液c）含量高低d）光源特性：蒸發(fā)特性、激發(fā)特性、放電穩(wěn)定性（下表）光

源

蒸發(fā)溫度K

激發(fā)溫度K

穩(wěn)定性

熱性質(zhì)

分析對象

直流電弧

800~4000(高)

4000~7000

較差

LTE

定性、難熔樣品及元素定量、導體、礦物純物質(zhì)

交流電弧

中

4000~7000

較好

LTE

礦物、低含量金屬定量分析

火花

低

~10000

好

LTE

難激發(fā)元素、高含量金屬定量分析

ICP

~10000

6000~8000

很好

非LTE

溶液、難激發(fā)元素、大多數(shù)元素

火焰

2000~3000

2000~3000

很好

LTE

溶液、堿金屬、堿土金屬

激光

~10000

~10000

很好

LTE

固體、液體

二、光譜儀(攝譜儀)

spectrophotometer

將原子發(fā)射出的輻射分光后觀察其光譜的儀器。按接受光譜方式分：看譜法、攝譜法、光電法；按儀器分光系統(tǒng)分：棱鏡攝譜儀、光柵攝譜儀；

光柵攝譜儀比棱鏡攝譜儀有更大的分辨率。攝譜儀在鋼鐵工業(yè)應用廣泛。性能指標：色散率、分辨率、集光能力。1.攝譜儀光路圖2.攝譜儀的觀察裝置（1）光譜投影儀（映譜儀），光譜定性分析時將光譜圖放大，放大20倍。（2）測微光度計（黑度計）；定量分析時，測定接受到的光譜線強度；光線越強，感光板上譜線越黑。S=lg(1/T)=lg(I0/I)三.檢測系統(tǒng)將原子的發(fā)射光譜記錄或檢測下來常用的檢測方法有：目視法，攝譜法和光電法三種（一）目視法用眼睛來觀察譜線強度的方法稱為看譜法，這種方法僅適用于可見光波段，常用的儀器叫看譜鏡。專用于鋼鐵及有色金屬的半定量分析（二）攝譜法把經(jīng)過分光系統(tǒng)分光后得到的光照在感光板上，感光板感光、顯影、定影、得到許多距離不等、黑度不同的光譜線在映譜儀上觀察譜線的位置及大致強度，進行光譜定性、半定量分析在測微光度計上測量譜線強（黑）度進行光譜定量分析攝譜步驟A．安裝感光板在攝譜儀的焦面上。B．激發(fā)試樣，產(chǎn)生光譜而感光。C．顯影，定影，制成譜板。D．測量黑度，計算分析結(jié)果。（1）感光板與譜線黑度感光板受光變黑程度常用黑度S表示——主要取決于曝光量H，曝光量等于感光時間t與光的強度I的乘積H=It受光強度越大，曝光時間越長，則黑度越大攝譜法的優(yōu)點①可同時記錄整個波長范圍的譜線②分辨能力強③可用增加曝光時間的方法來增加譜線的黑度攝譜法的缺點操作繁瑣,檢測速度慢（三）光電檢測系統(tǒng)——利用光電倍增管作光電轉(zhuǎn)換元件，把代表譜線強度的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，把電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示出來?！怆姳对龉苁悄壳肮庾V儀器中應用最多優(yōu)點：準確度較高（相對標準偏差為1%）；檢測速度快，線性響應范圍寬缺點：定性較困難，測定受限制價格昂貴§5-4光譜定性分析一．光譜定性分析原子發(fā)射光譜法是理想的、快速的定性方法，可測70多種元素（一）光譜定性分析的原理各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，在激發(fā)光源的作用下，得到的特征光譜不同。有些元素的光譜比較簡單，有些元素的光譜比較復雜。在元素光譜定性分析時，并不要求對元素的每條譜線都進行鑒別，一般只要在試樣光譜找出待測元素的2-3條元素的靈敏線，就可以確定試樣中存在該元素。

定性依據(jù)：元素不同→電子結(jié)構(gòu)不同→光譜不同→特征光譜靈敏線靈敏線——有一定強度，能標記某元素存在的特征譜線（最易激發(fā)或激發(fā)能較低的譜線—主共振線）主共振線的激發(fā)能越低，產(chǎn)生的譜線波長越長，靈敏線大都在長波區(qū)—可見、近紅外區(qū)，如：堿金屬主共振線的激發(fā)能越高，產(chǎn)生的譜線波長越短，靈敏線大都在遠紫外區(qū)，如：非金屬及惰性金屬主共振線的激發(fā)能中等，產(chǎn)生的譜線在中波區(qū)—近紫外、可見區(qū)大部分金屬及部分非金屬。最后線當元素濃度稀釋到一定程度時，堅持到最后的譜線譜線強度與試樣中元素的含量有關(guān)，當元素的含量減少時，其譜線數(shù)目亦相應減少，隨著元素含量減少而最后消失的譜線稱為該元素的最后線。最后線往往就是元素的靈敏線，即元素的主共振線。但是，當試樣中元素含量較高時，由于產(chǎn)生譜線自吸現(xiàn)象，元素的最后線往往不是最靈敏線

最容易辨認的元素的多重線組稱為該元素的特征線組，如鐵元素的四重線組（301.62cm、301.76cm、301.90cm、302.06cm）。

對每一元素，可選擇一條或幾條（2~3條）靈敏線或最后線來進行定性分析、定量分析，這種譜線稱為分析線元素的分析線應該具備以下基本條件:（1）它是元素的靈敏線，具有足夠的強度和靈敏度;(2)是元素的特征線組；(3)是無自吸的共振線；(4)不應與其它干擾譜線重疊。

分析線:（二）光譜定性分析的方法原子發(fā)射光譜定性分析一般采用攝譜法。按照分析目的和要求不同，可分為制定元素分析和全部組分元素分析兩種。目前確認譜線最常用的方法有標準光譜圖比較法和標準試樣光譜比較法。（二）光譜定性分析的方法1．標準試樣光譜比較法

如果只定性分析少數(shù)幾種指定元素，同時這幾種元素的純物質(zhì)又比較容易得到時，采用該方法識譜比較方便。。樣品（指定元素）純物質(zhì)（指定元素）在相同條件下只適合于少數(shù)指定元素的定性分析,即判斷樣品中是否含有某種或某幾種指定元素時,可用此種方法在映譜儀上對譜線進行比較，如果試樣光譜中有譜線與純物質(zhì)光譜波長在相同位置，則說明試樣中存在這些元素

標準光譜比較法：

最常用的方法，以鐵譜作為標準(波長標尺)；為什么選鐵譜？2.標準光譜圖比較法—鐵光譜比較法為什么選鐵譜？

（1）譜線豐富：在210～660nm范圍內(nèi)有數(shù)千條譜線；（2）譜線間距離分配均勻：容易對比，適用面廣；（3）定位準確：已準確測量了鐵譜每一條譜線的波長。標準譜圖：將其他元素的分析線標記在鐵譜上，鐵譜起到標尺的作用。譜線檢查：將試樣與純鐵在完全相同條件下攝譜，將兩譜片在映譜器(放大器)上對齊、放大20倍，看樣品光譜上的譜線與哪個元素的譜線重合，則可認為可能存在該元素。此法可同時進行多種元素的定性分析。

對于光譜定性分析，除了要給出試樣中存在哪些元素外，還應據(jù)譜線的強弱來判斷那些元素是主要成分，那些元素為微量成分。同一周期的元素．隨著原子序數(shù)的增大，外層價電子數(shù)逐漸增加，其光譜也逐漸變得復雜，而譜線強度逐漸減弱對于主族元素來說，大部分具有s、p外層的電子排列，所以它們的譜線數(shù)目較少且譜線強度較大，同族元素的光譜性能也比較相近。對于副族元素，情況較為復雜。Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg的原子其內(nèi)層d電子數(shù)都已飽和，外層為s電子排列，故其譜線較少，激發(fā)電位一般也比較低。而其他副族元素，由于它們具有眾外層電子排列，它們的譜線就相當復雜了。發(fā)射光譜與元素在周期表位置的關(guān)系就整個元素周期表來看，左下角的元素，金屬性強，共振電位及電離電位都低，其相應的共振線波長長．處在近紅外區(qū)；而左上角的元素，非金屬性強，共振電位及電離電位則高．相應的共振線波長最短，處在遠紫外區(qū)。三.定性分析實驗操作技術(shù)(1)試樣處理

a.金屬或合金可以試樣本身作為電極，當試樣量很少時，將試樣粉碎后放在電極的試樣槽內(nèi)；b.固體試樣研磨成均勻的粉末后放在電極的試樣槽內(nèi)；c.糊狀試樣先蒸干，殘渣研磨成均勻的粉末后放在電極的試樣槽內(nèi)。液體試樣可采用ICP-AES直接進行分析。(2)實驗條件選擇

a.光譜儀

在定性分析中通常選擇靈敏度高的直流電弧；狹縫寬度5～7m；分析稀土元素時，由于其譜線復雜，要選擇色散率較高的大型攝譜儀。

b.電極電極材料：采用光譜純的碳或石墨，特殊情況采用銅電極；電極尺寸：直徑約6mm，長3～4mm；試樣槽尺寸：直徑約3～4mm，

深3～6mm；試樣量：10～20mg；

放電時，碳+氮產(chǎn)生氰(CN)，氰分子在358.4～421.6nm產(chǎn)生帶狀光譜，干擾其他元素出現(xiàn)在該區(qū)域的光譜線，需要該區(qū)域時，可采用銅電極，但靈敏度低。

（3）攝譜過程攝譜順序：碳電極(空白)、鐵譜、試樣；分段暴光法：先在小電流(5A)激發(fā)光源攝取易揮發(fā)元素光譜調(diào)節(jié)光闌，改變暴光位置后，加大電流(10A)，再次暴光攝取難揮發(fā)元素光譜；采用哈特曼光闌，可多次暴光而不影響譜線相對位置，便于對比。（三）光譜定性分析工作條件的選擇1．光譜儀

一般選用色散率較大的中型攝譜儀。對光譜線復雜、譜線干擾嚴重，如稀土元素等，可采用色散率大的大型攝譜儀。2．激發(fā)光源

根據(jù)試樣和分析目的進行選擇定性分析——直流電弧電極頭溫度高，有利于試樣蒸發(fā)，絕對靈敏度高。電流強度，一般在5~20A。3．感光板及曝光時間的選擇定性分析——一般采用靈敏度高的紫外Ⅱ型感光板。曝光時間適當4.狹縫為了減少譜線的重疊干擾和提高分辨率，攝譜時狹縫宜小一些，5~7m為宜二、光譜半定量分析在實際工作中常常需對試樣中組成元素的含量作粗略估計。在鋼材、合金的分類，礦石品級的評定以及在光譜定性分析中，除需要給出試樣中存在那些元素外，還需要給出元素的大致含量。這時可用半定量分析法快速、簡便的解決問題。半定量分析法的準確度較差。光譜半定量分析的依據(jù)是：譜線的強度和譜線的出現(xiàn)情況與元素含量有關(guān)常用的半定量分析法是譜線呈現(xiàn)法、譜線強度比較法、均稱線對法。

(一)譜線呈現(xiàn)法又稱為顯現(xiàn)法譜線的數(shù)目隨著元素含量的增加，靈敏線、次靈敏線和其它較弱的譜線也會依次出現(xiàn)，預先配制一系列濃度不同的標樣，在一定條件下攝譜。據(jù)不同濃度下出現(xiàn)譜線及強度情況繪成關(guān)系表——譜線與含量關(guān)系表——譜線呈現(xiàn)表。以后根據(jù)某一譜線是否出現(xiàn)來估計試樣中該元素的大致含量。若試樣光譜中鉛的分析線僅283.31nm、261.42nm、280.20nm三條譜線清晰可見，根據(jù)譜線呈現(xiàn)表可判斷試樣中Pb的質(zhì)量分數(shù)為0.003%。優(yōu)點：不需要每次配制標樣，方法簡便快速。表6-1為鉛的譜線呈現(xiàn)表。譜線波長及其特征0.001283.31nm清晰，261.42nm和280.20nm譜線很弱0.003283.31nm和261.42nm譜線增強，280.20nm譜線清晰0.01上述各線均增強，266.32nm和287.33nm譜線很弱0.03上述各線均增強，266.32nm和287.33nm譜線清晰0.1上述各線均增強，不出現(xiàn)新譜線0.3上述各線均增強，239.38nm和257.73nm譜線很弱1.0上述各線均增強，240.20nm、241.17nm、244.38nm和244.62nm譜線很弱（二）譜線強度比較法在映譜儀上用目視法直接比較試樣和標樣光譜中元素分析線的黑度，從而估計試樣中待測元素的含量。若與某標樣黑度相等，表明待測元素與此標樣的含量近似該法的準確度取決于被測試樣與標樣基體組成的相似程度。試樣標準系列或標樣在相同條件下

§5-5光譜定量分析(1)發(fā)射光譜定量分析的基本關(guān)系式

在條件一定時，譜線強度I與待測元素含量c關(guān)系為：

I=ac

a為常數(shù)(與蒸發(fā)、激發(fā)過程等有關(guān))，考慮到發(fā)射光譜中存在著自吸現(xiàn)象，需要引入自吸常數(shù)b，則：

發(fā)射光譜分析的基本關(guān)系式，稱為塞伯-羅馬金公式（經(jīng)驗式）。自吸常數(shù)b隨濃度c增加而減小，當濃度很小，自吸消失時，b=1。(2)內(nèi)標法基本關(guān)系式

影響譜線強度因素較多，直接測定譜線絕對強度計算難以獲得準確結(jié)果，實際工作多采用內(nèi)標法（相對強度法）。在被測元素的光譜中選擇一條作為分析線(強度I)，再選擇內(nèi)標物的一條譜線(強度I0)，組成分析線對。則：

相對強度R：

A為其他三項合并后的常數(shù)項，內(nèi)標法定量的基本關(guān)系式。內(nèi)標元素與分析線對的選擇：a.內(nèi)標元素可以選擇基體元素，或另外加入，含量固定；b.內(nèi)標元素與待測元素具有相近的蒸發(fā)特性；c.分析線對應匹配，同為原子線或離子線，且激發(fā)電位相近(譜線靠近)，“勻稱線對”；

d.強度相差不大，無相鄰譜線干擾，無自吸或自吸小。(3)定量分析方法

a.內(nèi)標標準曲線法由lgR=blgc+lgA以lgR對應lgc作圖，繪制標準曲線，在相同條件下，測定試樣中待測元素的lgR，在標準曲線上求得未知試樣lgc；b.攝譜法中的標準曲線法

S=lgR=

blgc+lgA在完全相同的條件下，將標準樣品與試樣在同一感光板上攝譜，由標準試樣分析線對的黑度差(S)對lgc作標準曲線(三個點以上，每個點取三次平均值)，再由試樣分析線對的黑度差,在標準曲線上求得未知試樣lgc。該法即三標準試樣法。c.標準加入法

無合適內(nèi)標物時，采用該法。取若干份體積相同的試液（cX），依次按比例加入不同量的待測物的標準溶液（cO）