仪器分析-第六章 原子发射光谱-zcq-3

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(二)低压交流电弧光源
工作原理: 工作电压:220 V、50Hz交流电。 为了维持交流电弧放电,采用高频引燃电路(Ⅰ)、低压电 弧电路(Ⅱ),通过高频变压器 L1 和 L2 耦合构成。
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(1)接通电源,由变压器 B1升压至2.5~3kV,电容器 C1充 电;达到一定值时,放电盘 G1击穿;G1-C1-L1 构成振荡回路,
(1)光栅的理论分辨率是多少(一级光谱)
(2)一级光谱中波长为3100.30 Å和3100.66Å的双线是 否能分开?
解:
R K N 1 6 0 0 5 0 3 1 0 4
R n N
1( 3100.303100.66)
2
0.103
30000
Å
3 1 0 0 . 6 6 3 1 0 0 . 3 0 0 . 3 6 Å 此双线能被分开
第三节
原子发 射光谱仪器
instrument of AES
一、仪器类型与流程
types and process of AES
二、激发光源
laser source
三、光谱仪
spectrophotometer
一、仪器类型与流程
原子发射光谱仪的类型:电弧光谱仪、电火花发射光谱仪、 电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等; 原子发射光谱仪构成:
(3) ICP中电子密度大,碱金属电离造成的影响小;
(4) Ar气体产生的背景干扰小; (5) 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。
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对比
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三、光谱仪(摄谱仪)
作用:将激发试样所获得的不同波长的光,色散为按波长顺 序排列的单色光。 按仪器分光系统分:棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪、光栅光谱仪; 按接受光谱方式分:看谱法、摄谱法、光电法;
产生高频振荡;
(2)振荡电压经 B2的次级线圈升压到10kV,通过电容器C2
将电极间隙 G的空气击穿,产生高频振荡放电;
(3)当G 被击穿时,电
源的低压部分沿着已造 成的电离气体通道,通
过G进行电弧放电;
(4)在放电的短暂瞬 间,电压降低至电弧熄 灭,在下半周高频再次 点燃,重复进行;
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对于不同材料的棱镜(A. B不同),其折射率各不相同
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棱镜的特性与参数
(1)色散率
角色散率:用dθ/dλ表示,偏向角θ对波长的变化率;
d d
2sin
2
dn
1n2 sin2 d
2
棱镜的顶角越大或折射率越大,角色散率越大,分开两
条相邻谱线的能力越强,但顶角越大,反射损失也增大,通
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(3)闪跃光栅
光栅刻痕成一定的形状,使在每刻痕的小反射面与光 栅平面成一定角度,使衍射光强主最大从原来不分光的零 级主最大重合方向转移至由刻痕形状决定的反射光方向, 结果使反射光方向光谱变强,这种现象称为闪耀。辐射能 最大的波长称为闪耀波长。
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光栅的分辨率R
光栅的分辨率R 等于光谱级次(n)与光栅刻痕条数(N)
的乘积:
R n N
光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。
宽度50mm,N=1200条/mm, 一级光谱的分辨率: R=1×50×1200=6×104
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例题:某光栅光谱仪,光栅刻数为600条/mm,光栅面积 5×5 cm2,试问:
常为60度角;
线色散率:用dl /dλ表示,两条相邻谱线在焦面上被分开
的距离对波长的变化率;
倒线色散率:用dλ/dl 表示,
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(2)分辨率
相邻两条谱线分开程度的度量:
R b dn d
: 两条相邻谱线的平均波长;△λ:两条谱线的波长差; b:棱镜的底边长度;n:棱镜介质材料的折射率。
(3)稳定性好,重现性好,自 吸小,适用定量分析;
缺点:背景大,不适合微量分析
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(四)电感耦合等离子体光源*
原子发射光谱在50年代发展缓慢; 1960年,工程热物理学家 Reed ,设计了电感耦合等离子体 炬,指出可作为原子发射光谱分析中的激发光源;
光谱学家法塞尔和格伦菲尔 德用于发射光谱分析,建立了 电感耦合等离子体光谱仪 (ICP-AES);
不同位置上(对于给定的级次,衍射角随波长的增长而增大),这 就是光栅分光的依据 。 当K1λ1=K2λ2 ,就会出现谱线重叠现象,如λ1=600nm的一级光谱线, 就会与λ2=300nm的二级光谱线在同一个方向上.
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2、光栅光谱仪的光学特性
(1)色散率
由光栅方程: d(s i n sin ) k
棱镜的分辨能力取 决于棱镜的几何尺寸和 材料;
棱镜的光学特性可 用色散率和分辨率来表 征;
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• 棱镜的色散原理
柯希公式
BC
B
nA 24.•• •A 2
n 为材料的折射率,λ—波长, A、B、C棱镜材料有关的 常数
若A. B为定值(固定棱镜)波长不同,其折射率各不相同, 波长越短,折射率越大。
此光源适于金属、合金中低含量元素的定量分析。
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(三)高压火花光源
工作原理:线路组成和工作过程与交流电弧引燃电路相似, 主要区别是:电容量更大,放电时间极短 10-7~10-8s 分析间隙电流密度大,弧温>10000K,∴放电具有火花性质 分析性能: (1)电流密度大,温度高,激 发能力强,有利于难激发元素, 如:C、P、S、X等; (2)间歇性,电极温度低,有 利于低熔点元素;
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(一)棱镜摄谱仪 • 组成
1、照明系统 2、准光系统3、色散系统 4、记录系统
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棱镜
棱镜对不同波长的光具有不同的折射率,波长长的光, 折射率小;波长短的光,折射率大。
平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光;经聚焦 后在焦面上的不同位置上成像,获得按波长展开的光谱;
k d d cos d
d
d k
d
d d cos
dl f d f k
d
d
d cos
dl
d
角色散率: dβ/dλ为反射角
对波长的变化率,即光栅的角 色散率
线色散率:具有单位波长差 的两条谱线在焦平面上分开 的距离
角色散率只与色散元件的性能有关,当β很小,且变化不大 时,cosβ ≈1,光栅的角色散率决定于光栅常数 d 和光谱级
dl f
k
d
d cos
8
cos 1
dl kf
d
d
倒线色散率 d d
dl kf
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(2)分辨率
光栅的分辨能力根据 Rakleigh准则来确定。
等强度的两条谱线(I,II)中,一条(II)的衍射最大 强度落在另一条的第一最小强度上时,两衍射图样中间的 光强约为中央最大的80%,在这种情况下,两谱线中央最大 距离即是光学仪器能分辨的最小距离(可分离的最小波长 间隔);
内层Ar:载气 将试样雾化形成气溶 胶引入ICP
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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, 需要用高压电火花触发,使气体电 离,在高频交流电场的作用下,带 电粒子高速运动,碰撞,形成雪崩 式放电,产生等离子体气流在垂直 于磁场方向产生感应电流(涡电流 ,粉色),其电阻很小,电流很大 ,产生高温。将气体加热、电离, 在管口形成稳定的等离子体焰炬。
(二)光栅摄谱仪
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1、光栅的色散原理
透射光栅,反射光栅; 光栅光谱的产生是多狭缝干 涉与单狭缝衍射共同作用的结果 ,前者决定光谱出现的位置,后 者决定谱线强度分布;
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ABCDE表示平面光栅的一段;
光线L在AJF处同相,到达AKI平面 ,光线L2M2要比光线L1M1多通过JCK 这段距离。FEI=2JCK,其后各缝隙的 光程差将以等差级数增加,3JCK 、 4JCK等。
等离子体中包含分子、原子、离子、电子等各种粒子, 它具有电中性和导电性。
等离子体光源:将高频电能通过电感,耦合到等离子体,使 等离子体放电的一种装置。
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1、 ICP-AES的结构
structure of ICP-AES
1. 高频发生器和感应圈 由高频发生器产生高频
振荡电流:通过感应线圈耦 合到等离子体炬管上,产生 交变磁场。
分辨率与波长有关,长波的分辨率要比短波的分辨率小, 棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。
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• 记录系统
(1)感光板与谱线黑度
t
H 0 Edt Et KIt
H 曝光量 E - 照度
谱线的黑度(S)
slog1 logi0
T
i
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(2)乳剂特征曲线
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数n ,常数,不随波长改变,均排光谱(优于棱镜之处)。 ;线色散率还与仪器的焦距有关。
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• (a)物镜焦距f越大,线 色散率也越大.f=1m 的光栅光谱仪,称为 一米光栅光谱仪.
• (b) 光谱级次越高,线 色散率越大,实际工 作中,习惯采用倒线 色散率表示.
• © 光栅色散率不随波 长而改变,光栅光谱 为均匀色散光谱
70年代 ICP-AES 发展迅速。
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等离子体光源的形成类型
等离子体焰作为发射光谱的激发光源主要的三种形式: (1)直流等离子体喷焰(direct currut plasmajet,DCP)
弧焰温度高 8000-10000K,精密度接近 ICP;
(2)电感耦合等离子体( inductively coupled plasma, ICP ) ICP的性能优越,已成为最主要的应用方式 ;
当光线M1、M2、M3到达焦点时, 如果他们沿平面波阵面AKI同相位, 他们就会产生一个明亮的光源相,只 有JCK是光线波长的整数倍时才能满 足条件。 相干原理:其光程差为波长的整数倍 时(两束光位相相同并在反射角的方 向干涉加强.
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光栅的特性:
如果: d =AC=CE
JC+CK=d (sinα+sinθ)=Kλ
即光栅公式:d (sinα+sinθ)=Kλ
•α、θ分别为入射角和反射角;整数K为光谱级次; d为光栅常数; α角规定取正值,如果θ角与α角在光栅法线同侧, θ角取正值,反之
区负值; • k=0 零级光谱,衍射角与波长无关,不起色散作用,即零级光谱无
分光作用。 • k≠0,反射而随波长而异,即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在
(3) 微波感生等离子体(microwave induced plasma, MIP) 温度5000-6000K,可激发许多很难激发的非金属元素:
C、N、F、Br、Cl、C、H、O 等,可用于有机物成分分析, 测定金属元素的灵敏度不如 DCP和 ICP。
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等离子体:把电离度(α)大于 0.1%,其正负电荷相等的电 离气体称为等离子体(Plasma)。
激发光源 分光系统 检测系统
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二、激发光源
作用:提供使试样蒸发、解离和激发的能量,产生辐射信号。 要求:(1)提供能量足够大,以提高仪器灵敏度;
(2)元素含量变化时,谱线强度变化大, (3)要有良好的稳定性和重现性; (4)结构简单、操作方便、安全耐用、适应性强。 类型:直流电弧、低压交流电弧、高压电容火花、ICP*。
分析性能:
(1)交变性:M、Mn+在间隙滞留时间长,激发机会多; 脉冲性:高、低频叠加,形成脉冲,瞬时弧温高;
检出限低、相对灵敏度高。
(2)交流电弧:弧焰移动困难,弧焰稳定性好,分析重现性 好,适用于定量分析。
(3)电极温度较低,蒸发温度低,绝对灵敏度比直流电弧低;
(4)瞬时电流密度大,电弧温度高(6000~8000K),适于 难激发元素。
当载气+试样,通过中间通道时,被 加热、解离、激发,产生发射光谱。
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3、ICP-AES 分析性能 feature of ICP-AES
(1)温度高,惰性气氛,原子化效率高,有利于难熔化合物 的分解和难激发元素的激发,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,中心通道进样使等离子的稳定性好。也有效 消除自吸现象,线性范围宽(4~5个数量级);
2. 等离子体炬管和供气系统 三层同心石英玻璃管
3. 试样雾化器
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2、 IC P的工作ห้องสมุดไป่ตู้理
三层同心石英玻璃 炬管置于高频感应线圈 中,Ar气从管内通过, 外层Ar:冷却气 ①冷却作用,保护石英管 ②离心作用,利于进样 ③参与放电,维持ICP工作
中层Ar:工作气 点燃并维持等离子体;
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