第5章 原子发射光谱分析
原子发射光谱分析基本原理
原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析是一种常用的分析技术，用于确定物质中不同元素的存在和浓度。
基本原理是通过激发原子使其跃迁到高能级，然后原子从高能级退回到低能级时会发射出一系列特定的频率光线，这些光线就被称为发射光谱。
本文将详细介绍原子发射光谱分析的基本原理。
当原子处于高能级时，由于能量不稳定，原子会自发地退回到低能级。
在这个过程中，原子会发射出一定频率的光线。
这是因为原子的能级结构是离散的，每个能级对应不同的能量差和光频率。
各元素拥有独特的能级结构，因此每个元素会发射出特定的频率光线，形成一种独特的光谱指纹。
发射光谱的特点是谱线的亮度与元素浓度成正比。
因此，通过测量谱线的强度可以确定样品中该元素的浓度。
发射光谱分析可以在可见光、紫外光和红外光范围内进行。
原子发射光谱分析有两种主要的测量方式：线源测量和离散源测量。
线源测量是指使用等离子体火焰或火花放电等产生连续谱的激发源。
这种方法适用于多元素分析和测量大样品数量。
离散源测量是指使用电弧放电或激光脉冲等产生谱线的激发源。
这种方法适用于单元素测量和对样品数量要求不高的分析。
然而，原子发射光谱分析也存在一些局限性。
由于发射光谱需要样品激发和发射，对样品形式和形状要求较高。
此外，元素之间的相互作用和基体效应也会对分析结果产生影响，需要进行校正和修正。
总结起来，原子发射光谱分析是一种常用的化学分析技术，适用于多元素同时分析和不同浓度的测量。
通过测量发射光谱的强度可以确定元素的浓度。
然而，这项技术也有一定的局限性，需要对样品的形态和基体进行处理和修正。
尽管如此，原子发射光谱分析仍然是一种重要的化学分析方法，广泛应用于环境监测、食品检测和地质勘探等领域。
原子发射光谱分析概述、基本原理和定性定量分析方法
物镜
准直镜
反射镜 入射狭缝
光栅 转台
AES仪器略图
光源
一 、AES光源 1. 光源种类及特点
光源
经典光源 现代光源
火焰 电弧 火花
直流电弧 交流电弧
电感耦合等离子体，ICP 激光光源
直流电弧：接触引燃，二次电子发射放电
L
E 220~380V V
5~30A
G
R
d) 谱线的自吸(self-absorption)及自蚀(self-reversal)； e)e) 激发温度 T； f)f) 基态原子数 N0 或浓度 c； g) 前三项由待测物原子自身的性质决定，如核电荷数 、外层电子、轨道状态等。 h) 影响谱线强度及其稳定性最重要的的因素是温度T！
5.3 AES仪器 AES仪器由光源、单色系统、检测系统三部分组成。此
上述振荡电压 10kV(变压器B2) C2击穿 高压高频振荡 引燃分析 间隙（L2-C2-G2）;
G 被击穿瞬间，低压电流使 G2 放电（通过R1和电流表） 电弧； 不断引燃 电弧不灭。
5由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的因此对特定元素的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析定性原理
原子发射光谱分析 概述、基本原理和 定性定量分析方法
5.1 概述 5.2 基本原理 5.3 AES 仪器 5.4 定性定量分析方法
1）分析对象为大多数金属原子； 2）物质原子的外层电子受激发射产生特征谱线（线光谱）； 3）谱线波长——定性分析；谱线强度——定量分析。
E = E2-E1 = h =hc/
高能态E2）
2. 几个概念 激发电位(Excited potential)：由低能态--高能态所需要的
原子发射光谱分析法
2023-11-06
目录
• 原子发射光谱分析法概述 • 原子发射光谱仪 • 分析方法与样品处理 • 原子发射光谱法的应用 • 原子发射光谱法的优缺点 • 研究成果与应用实例
01
原子发射光谱分析法概述
定义与原理
定义
原子发射光谱分析法是一种基于原子发射光谱学的方法，通过对样品中原子 或离子的特征光谱进行分析，实现对其成分和含量的测定。
原理
当样品被加热或受到能量激发时，原子会从基态跃迁到激发态，并释放出特 征光谱。通过对这些光谱进行分析，可以确定样品中元素的种类和含量。
发展历程与重要性
发展历程
原子发射光谱分析法自19世纪末发展至今，经历了从经典光谱分析到现代光谱仪 器分析的演进过程。
重要性
原子发射光谱分析法在科学研究和工业生产中具有广泛的应用价值，为材料科学 、环境科学、生命科学等领域提供了重要的分析手段。
03
该方法广泛应用于地质、环保、生物医学等领域，用于研究复杂样品中元素的 含量、分布和化学形态。
05
原子发射光谱法的优缺点
优点
高灵敏度
原子发射光谱法可以检测到低浓度的元素 ，具有很高的灵敏度。
无需样品处理
原子发射光谱法不需要对样品进行复杂的 处理，可以直接进行分析。
快速分析
该方法可以实现多元素同时分析，大大缩 短了分析时间。
发和激发。
光谱仪的构造
包括入射狭缝、准直镜、光栅 、聚焦镜和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射狭缝。
光谱仪工作原理
样品被激发后，原子会产生不 同波长的光谱，通过光栅分光 后形成光谱，再经过聚焦镜聚 焦到出射狭缝，最后由检测器
进行检测。
光谱仪的分类与特点
原子发射光谱分析
3. 谱线的自吸和自蚀
在实际工作中，准确测定谱线的绝对 强度是很困难的，所以在光谱定量分析中， 常采用谱线强度经验公式，即赛伯-罗马 金公式： I=acb
3. 谱线的自吸和自蚀
I=acb
在一定的实验条件下，a为常数；c为 被测元素的含量；b为自吸系数。 b=1，无自吸；b<1，有自吸。b愈小， 自吸愈大。
二、分光系统（光谱仪）
主要构成：
入射狭缝、准直镜、棱镜或光栅、 会聚透镜和出射狭缝。
二、分光系统（光谱仪）
1. 棱镜：棱镜的分光作用是利用不同波 长的光在同一介质中具有不同折射率而 进行的。
n=A＋B/λ2＋C/λ4
n—折射率；A、B、C—常数；λ—波长；
1. 棱镜特性
色散率：指对不同波长的光被棱镜分开的 能力。它又分为角色散率和线色散率。 角色散率：两条波长相差dλ的光被棱镜 色散后所分开的角度为dθ ，则棱镜的角 色散率为： dθ/dλ。它主要与棱镜的材料 和几何形状有关。
Hi称为感光板的惰延量，表示感光板的灵敏度大 小， Hi越小则灵敏度越高；
S0是曲线与纵坐标的交点，表示感光板乳剂未曝 光部分受显影液作用的黑度，称为雾翳黑度；
一般地，定量分析时常选用反衬度较高的感光板， 定性分析时常选用灵敏度较高的感光板。
3. 光电法（光子检测器）
光电法是通过直接测量试样中元素发射 光的强度来进行定量分析的，故这类仪 器称为光电直读光谱仪。 类型： 单道光子检测器 多道光子检测器
3. 谱线的自吸和自蚀
在一般激发光源中等离子体是在弧焰中产生的， 弧焰中心温度高，激发态原子多，而弧焰边缘温 度相对低，处于基态的原子较多。 由弧焰中心发射的辐射穿过弧焰边缘时，被其同 类基态气志原子吸收，使谱线的中心强度减弱， 这种现象称为自吸。
第五章原子发射光谱
• 处于高能级的电子经过几个中间能级跃 迁回到原能级，可产生几种不同波长的 光，在光谱中形成几条谱线。一种元素 可以产生不同波长的谱线，它们组成该 元素的原子光谱。 • 不同元素的电子结构不同，其原子光谱 也不同，具有明显的特征。
原子发射光谱技术的发展历程
原子发射光谱在50年代发展缓慢； 1960年，工程热物理学家 Reed ，设计了环形放电感耦等 离子体炬，指出可用于原子发射光谱分析中的激发光源；
电极，每转动180度，对接一次， 转动频率(50转/s)，接通100次/s， 保证每半周电流最大值瞬间放电 一次；
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；
原子发射光谱仪通常由三部分构成： 光源、分光、检测；
原子发射光谱激发光源
• 激发光源的基本功能是提供使试样中被 测元素原子化和原子激发发光所需要的 能量。对激发光源的要求是： 灵敏度高，稳定性好，光谱背景小，结 构简单，操作安全。
常用的激发光源： • 电弧光源。（交流电弧、直流电弧） • 电火花光源。 • 电感耦合高频等离子体光源（ICP光源） 等。
检测器
ICP形成原理
ICP火焰温度分布
缺点：出射狭缝固定，各通道检测的元素谱线一定；
改进型： n+1型ICP光谱仪
在多道仪器的基础上，设置一个扫描单色器，增加一个 可变通道；
2. 全谱直读等离子体光谱仪
采用CID阵列检测器，可同时检测165 ～800nm波长范围内出现的全部谱线； 中阶梯光栅分光系统，仪器结 构紧凑，体积大大缩小； 兼具多道型和扫描型特点； CID ：电荷注入式检测器 (charge injection detector,CID), 28×28mm半导体芯片上，26万个感 光点点阵( 每个相当于一个光电倍 增管)；
等离子体-原子发射光谱分析
自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外围 的基态原子所吸收，从而降低了谱线的强度。 此现象叫自吸。
自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线 这个现象叫自蚀 。
将被吸收
很多，从而使原来的一条谱线分裂成两条谱线，
2. 定性方法 标准试样光谱比较法
铁光谱比较法：最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)。
I1 = a1 c1b1
I2 = a2 c2b2 相对强度 R = I1/I2 = A c1b1
lgR=b1lgc+lgA
A为其他三项合并后的常数项，内标法定量的基本关系式。
内标元素及内标线的选择原则： 内标元素 1）外加内标元素在分析试样品中应不存在或含量极微；如样 品基体元素的含量较稳时，亦可用该基体元素作内标。 2）内标元素与待测元素应有相近的特性（蒸发特性）。 3）同族元素，具相近的电离能。 内标线 1）激发能应尽量相近的分析线对，不可选一离子线和一原 子线作为分析线对（温度T对两种线的强度影响相反）； 2）所选线对的波长及强度接近； 3）无自吸现象且不受其它元素干扰；
六、 原子发射光谱分析法特点与应用
1. 特点 优点： (1)可多元素同时检测 (2)分析速度快
(3)选择性高
(4)检出限较低 10～0.1gg-1(一般光源)；ngg-1(ICP） (5)准确度较高 相对误差 5%～10% (一般光源）； <1% (ICP)
缺点：影响谱线强度的因素较多；含量（浓度）较大时，准
几个概念 激发电位（或激发能）：原子由基态跃迁到激发态时 所需要的能量 。 电离：当外加的能量足够大时，原子中的电子脱离原子 核的束缚力，使原子成为离子，这种过程称为电离。 一级电离电位：原子失去一个电子成为离子时所需要的 能量称为一级电离电位。
等离子体-原子发射光谱总结
2、谱线呈现法
谱线强度与元素的含量有关。元素含量低时，
仅出现少数灵敏线，随元素含量增加，谱线随之出 现。可编成一张谱线出现与含量关系表，依此估计 试样中该元素的大致含量。
例如，铅的光谱 Pb含量（%） 谱线λ(nm) 0.001 0.003 0.01 0.1 1.0 3 10 283.3069清晰可见，261.4178和280.200很弱 283.306、261.4178增强，280.200清晰 上述谱线增强，另增266.317和278.332，但 不太明显。 上述谱线增强，无新谱线出现 上述谱线增强，214.095、244.383、244.62出 现，241.77模糊 上述谱线增强，出现322.05、233.242模糊可见 上述谱线增强，242.664和239.960模糊可见
特征谱线检验，称其为分析线。一般是灵敏线或最后线。
自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外围 的基态原子所吸收，从而降低了谱线的强度。 此现象叫自吸。
自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线 这个现象叫自蚀 。
将被吸收
很多，从而使原来的一条谱线分裂成两条谱线，
2. 定性方法 标准试样光谱比较法
铁光谱比较法：最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)。
将上式取对数，得：
lgI=lga+blgc 谱线强度的对数与被测元素浓度的对数具有线性关系。
2. 内标法基本关系式
影响谱线强度因素较多，直接测定谱线绝对强度计算难以 获得准确结果，实际工作多采用内标法（相对强度法）。 在被测元素的光谱中选择一条作为分析线 ( 强度 I1) ，再选 择内标物的一条谱线(强度I2)，组成分析线对。则：
第五章 等离子体-原子发射光谱
1 2 3
原子发射光谱分析法
原子发射光谱分析法
(2）发射光谱法，一般只用于元素分析，而不能用来 确定元素在样品中存在的化合物状态，更不能用来测 定有机化合物的基团；对一些非金属，如惰性气体、 卤素等元素几乎无法分析。
在正常状态下，元素处于基态，元素在受到外界能量（热能或电能）激发时 ，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱（线状光谱）。
热能、电能
基态元素M
E
激发态M*
2020/10/13
特征辐射
激发电位：原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要 的能量称为激发电位(Excitation potential)（or激发 能）。
1.玻耳兹曼分布定律 原子由某一激发态 i 向基态或较低能级 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：
Ni
gi g0
Ei
N0 e kT
gi 、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
Self-absorption and self reversal of spectrum line
2020/10/13
• 定量分析阶段
• 19世纪20年代至50年代，罗马金和赛伯分别提出定 量分析的经验公式，把光谱线强度和物质浓度联系 了起来。
• 罗马金进一步提出了罗马金-赛伯公式的物理意义， 完善了定量分析的基础。使AES成为广泛应用的成 分分析手段。
• 现代阶段
• 开始于20世纪60年代，由于光电谱仪在工业中广泛 应用，Fassel and Greefield 把电感耦合等离子体电 源（ICP）应用于发射光谱的手段，使分析性能有了 显著的提高，成为分析分析中最能用的多元素分析
原子发射光谱分析资料
离子体。
2018/10/22 感耦等离子体原子发射光谱分析 19
2.3 等离子体炬焰
2.3.1 等离子体炬焰的产生 形成稳定的等离子体炬焰必须满足下列三 个条件：高频电磁场、工作气体及能维持气体放 电的石英炬管。下图是典型的等离子体炬焰示意 图。其主体是一个直径为2.53cm的石英炬管， 外面套有由紫铜管(内通冷却水)绕成的高频线圈 (25匝)，线圈与高频发生器相连。炬管是由三层 同心石英管构成，有三股气流(通常为氩气)分别 通入这三层石英管中，从外而内分别叫冷却气、 辅助气和载气。样品溶液变成气溶胶后随载气一 起通入炬管。
2018/10/22 感耦等离子体原子发射光谱分析 18
等离子体又有高温等离子体和低温等离子体 之分。当温度达到106108 K时，几乎所有的分 子和原子都完全离解并电离，称之为高温等离子 体；当温度低于105K时，气体只是部分电离，称
之为低温等离子体。本文的ICP放电所产生的等
离子体的温度大约为60008000K，属于低温等
2018/10/22 感耦等离子体原子发射光谱分析 2
第一节 历史回顾
2018/10/22
感耦等离子体原子发射光谱分析
3
1860 年 ， 克 希 霍 夫 (G. Kirchoff) 和 本 生 (R. Bunsen) 用钠光灯照射含有食盐的火焰，发现这 些火焰中的钠原子具有原子吸收现象时，首先就 已经知道钠光灯中钠原子具有原子发射现象。他 们还利用原子发射现象首先发现了铯和铷两个新 元素。 其实在更早时候， 1826 年泰尔博 (Talbot) 就说 明某些波长的光线是某些元素的特征。从此以后， 原子发射光谱就为人们所注视。 最早原子发射光谱的光源是火焰，后来出现 了电弧光源和火花光源，但是这些经典光源都有 基体干扰严重、灵敏度不高等缺点，限制了原子 发射光谱的应用。
原子发射光谱的分析基本原理
应用案例和实验结果
元素分析
使用原子发射光谱技术对不同 样品中的元素进行分析，例如 水、土壤和金属合金。
环境监测
质量控制
检测大气中的重金属和污染物， 以实时监测环境质量。
在制药和食品行业中使用原子 发射光谱技术进行产品质量控 制和合规性检查。
选择合适的光源和谱线
1 光源选择
2 谱线选择
3 光谱范围
根据要分析的元素选择 适合的光标元素的能级结 构，选择具有明确且强 度适中的谱线。
确定测量的光谱范围， 以确保目标元素的谱线 能够完全包含在内。
标定和校准
为了获得准确的分析结果，必须进行标定和校准。标定使用已知浓度的标准溶液，而校准使用一系列浓 度不同的标准溶液，以建立浓度和信号强度之间的关系。
光源和谱线选择
2
选择合适的光源和谱线，以使目标元
素能够发射明确的光谱线。
3
数据分析
4
对测量得到的光谱数据进行分析和解 释，以得出样品中元素的含量和分布。
样品制备
准备样品并将其转化为气态、溶液或 固态形式，以便于进一步的处理和测 量。
光谱测量
使用光谱仪器测量样品发射的光谱， 并记录光谱线的波长和强度。
检测大气、水体和土壤中的污染物，以保护环境和人类健康。
食品安全
检测食品中的重金属和其他有害物质，确保食品的安全和质量。
原子发射光谱的基本原理
1 激发和跃迁
通过能量输入将原子激发到高能级，然后跃迁回基态时会发射特定频率的光。
2 能级结构
每个元素都有独特的能级结构，导致它们发射特定的光谱线。
3 谱线特征
原子发射光谱的分析基本 原理
原子发射光谱是一种重要的光谱分析技术，它通过观察物质发射的光谱来获 取元素的信息。了解这个基本原理可以帮助我们在许多领域中应用它，例如 化学、材料科学和环境监测。
原子发射光谱定性分析
A为其他三项合并后的常数项，内标法定量的基本关系式。
00:55:54
内标元素与分析线对的选择：
a. 内标元素可以选择基体元素，或另外加入，含量固定； b. 内标元素与待测元素具有相近的蒸发特性； c. 分析线对应匹配，同为原子线或离子线，且激发电位相近( 谱线靠近)，“匀称线对”； d. 强度相差不大，无相邻谱线干扰，无自吸或自吸小。
00:55:54
c.标准加入法
无合适内标物时，采用该法。 取若干份体积相同的试液（cX），依次按比例加入不同量的 待测物的标准溶液（cO），浓度依次为：
cX ， cX +cO ， cX +2cO ， cX +3cO ， cX +4 cO …… 在相同条件下测定：RX，R1，R2，R3，R4……。 以R对浓度c做图得一直线，图中cX点即待测溶液浓度。
00:55:54
(2) 内标法基本关系式
影响谱线强度因素较多，直接测定谱线绝对强度计算难以
获得准确结果，实际工作多采用内标法（相对强度法）。
在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度I)，再选
择内标物的一条谱线(强度I0)，组成分析线对。则：
I a cb
相对强度R：
I0 a0 c0b0
R I a cb Acb I0 a0 c0b0
2. 定性方法
元素光谱图比较法： 最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)；为什么选铁谱？
00:55:54
标准光谱比较定性法
为什么选铁谱？ （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。
5-原子发射光谱
二、谱线强度
在一定实验条件下，谱线强度与试样浓度成正比，则：
I ac
a为与试样在光源中的蒸发、原子化及激发过程有关的常数
更进一步，考虑到谱线的自吸效应系数 b：
I = acb 取对数，上式变为： logI = blogc + loga 此式为 AES 分析的最基本的关系式，以 logI 对 logc 作图，得校正曲线。
2.ICP的形成
（1）高频电流 I 通过感应线圈产生交
变磁场，触发，气体电离。
（2）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。 （3）在垂直于磁场方向将产生感应电
流(电阻小，电流大)，高温。
（4）又将气体加热、电离，形成等离 子体焰炬。
3. ICP的分析特性
1-1.原子发射光谱概述
一、原子发射光谱分析过程 1 样品蒸发并被激发产生辐射 将样品引入光源，获得足够的能量，经过蒸发、离解、 原子化后，在激发气态原子使之产生特征辐射。 2 色散分光形成光谱 经激发产生的特征辐射是包括各种波长的复合光，需要 进行分光才能获得便于观察和测量的、按波长顺序排列的光
谱。
1. ICP的结构
它是由高频发生器和感应线圈、 等离子炬管和供气系统、样品引入 系统等三部分组成。
高频发生器和感应线圈的作用 是产生高频磁场，供给等离子 体能量。
等离子炬管是由一个三层同心 石英玻璃管组成。外层管内通 入冷却气Ar。中层石英管出口 做成喇叭形状，通入Ar以维持 等离子体。内层石英管的内径 为1－2mm，由载气（一般用 Ar）将试样气溶胶从内管引入 等离子体。
二、光谱仪（摄谱仪） 光谱仪的作用是将样品在激发光源中受激发而 发射出来的含各种波长谱线的复合光，经色散后得 到按波长顺序排列的光谱，并进行光谱的记录或检 测。
原子发射光谱分析基本原理
原子发射光谱分析基本原理原子发射光谱分析（Atomic Emission Spectroscopy，简称AES）基本原理是利用原子在受激光、电弧等能量源作用下，从低能级跃迁到高能级，再由高能级返回低能级时发射光线的特性，来研究和分析各元素的组成和含量。
下面将详细介绍AES的基本原理。
1.激发和激光源：激发是令原子从基态跃迁到激发态所受到的能量刺激，常见的激发方式有电弧、火焰和激光。
其中，激光是最常用的激发源，其具有单色性、高亮度和空间一性等优点，可以选择激发特定的原子或分子。
2.激发态原子：原子经过能量激发后，电子由低能级跃迁到高能级。
高能级的原子是不稳定的，会通过退激发（即从高能级发射光子返回低能级）的方式来重新恢复到基态。
这个时间通常很短，大约在纳秒级别。
3.跃迁和能级：原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射或吸收一定频率的光子。
这些能级间的跃迁是由原子的电子转移引起的，每个原子有特定的能级结构。
不同元素具有不同的能级结构，因此会发射出不同波长的光谱线。
4.光谱仪：光谱仪是用来观测和测量原子发射光谱的仪器。
光谱仪包括光源、衍射装置和检测器。
当原子发射光谱经过衍射装置时，会发生衍射现象，使得不同波长的光线发生偏折，最终通过检测器进行测量和记录。
5.光谱线特性：每个元素在发射光谱中都有特定的光谱线，即特定波长的光线。
这些光谱线的强度和波长与元素的组成和含量有关。
通过测量光谱线的强度，可以计算出样品中元素的相对含量。
总而言之，原子发射光谱分析是利用原子在激发态和基态之间跃迁所发射的特定波长光线，通过测量光谱线的强度和波长，来研究和分析样品中不同元素的组成和含量。
这在材料科学、地球科学和生命科学等领域具有广泛的应用。
《原子发射光谱分析》课件
食品安全
原子发射光谱分析可用于食 品中微元素的检测，确保 食品安全和质量。
发展历程和趋势
历史
原子发射光谱分析起源于19世纪，经过多年的发展 和改进，成为现代化的分析技术。
未来
随着技术的进步，原子发射光谱分析将在元素分析 领域发挥更重要的作用，实现更高的灵敏度和准确 性。
总结和结束语
通过本课件的学习，您了解了《原子发射光谱分析》的重要性和原理，以及 其在化学分析、环境监测和食品安全等领域的应用。随着技术的不断发展， 原子发射光谱分析将在未来产生更大的应用前景。
3
样品进样
将样品注入原子发射光谱仪中，加热或
光谱分析
4
电离样品以激发原子。
测量样品发射的特定波长光线，并根据 光谱曲线确定元素含量。
技术应用场景和优势
化学分析
原子发射光谱分析被广泛应 用于化学分析领域，用于分 析金属元素的含量。
环境监测
该技术可用于检测土壤、水 体和大气中的污染物，为环 境保护提供重要数据。
《原子发射光谱分析》 PPT课件
本课件将介绍《原子发射光谱分析》的重要性、原理和实验过程，并展示该 技术的应用场景、优势以及发展历程和趋势，最后进行总结和结束。
什么是原子发射光谱分析?
原子发射光谱分析是一种用于分析物质元素组成的重要技术。通过激发样品 中的原子，测量其发射的特定波长光线，可以确定样品中各种元素的含量。
原理和原理说明
原子发射光谱分析基于原子在能级跃迁时释放特定的光线的原理。通过将样品加热或电离，使其原子激发到高 能级并发射光线，测量光线的波长和强度来分析元素含量。
实验过程和图示
1
样品准备
将待测样品制备成适合分析的形式，如
光谱仪设置
第五章原子发射光谱分析法(书后习题参考答案)
第五章原子发射光谱分析法(书后习题参考答案)1．从棱镜摄谱仪摄取的光谱上获得下面的数据，从参考点至波长为324.754nm 、 326.233nm 和327.396nm 的谱线的距离依次为0.50,6.42和11.00mm ，参考点至未知谱线的距离为8.51mm ，求未知谱线的波长。
解：λθελd d sin d d ⋅=f l：o参考点0.50324.754nm 326.233nm 327.396nmx已知b a xλλλλ-=-212，于是 ba xx ⨯--=λλλλ22764.326)51.800.11(46.600.11233.326396.327396.327=-⨯---=nm2．一台光谱仪配有6cm 的光栅，光栅刻线数为每厘米6 250条，当用其第一级光谱时，理论分辨率是多少？理论上需要第几级光谱才能将铁的双线309.990nm 和309.997nm 分辨开？解：分辨率R =λd λ=Nm (1)m =1, R =6×6250=37500(2)8.44284)990.309997.309(2997.309990.309=-⨯+==λλd R18.1375008.44284===N R m因此，理论上需二级光谱才能将铁的双线分开．（1（2）由校正曲线估计溶液A 、B 和C 的铅浓度。
解：(1)下图为R ~c 的关系图(2)lg R 于是得到c A =0.237 mg·mL -1,c B =0.324 mg·mL -1, c C =0.401mg·mL -14．某一含铅的锡合金试样用电弧光源激发时，摄谱仪的狭缝前放置一旋转阶梯扇板，扇板的每一阶梯所张的角度之比为1:2:4:8:16:32。
光谱底片经显影定影干燥后，用测微光度计测量一适当锡谱线的每一阶梯的黑度，由各阶梯所得i 0/i 值为1.05，1.66，4.68，13.18，37.15和52.5。
原子发射光谱分析
原子发射光谱分析原子发射光谱分析的基本原理是基于原子吸收和发射光谱的原理。
当原子被加热到高温或者通过电子束轰击时，原子的外层电子将被激发到高能级。
这些激发态的电子会通过自发辐射返回基态，同时发射特定波长的光子。
因为不同元素的电子构型不同，所以它们在激发和发射过程中产生的光谱也是具有特定标志的。
通过测量元素发射光谱的波长和强度，就可以确定样品中所含元素的种类和浓度。
原子发射光谱分析主要的仪器设备包括光源、光谱仪和探测器。
光源用于激发样品中的原子，常用的激发方式有火焰、电弧和电感耦合等。
光源的选择取决于要分析的元素和样品的特性。
光谱仪用于分离不同波长的光，常见的光谱仪有光栅光谱仪、单色仪和干涉仪等。
探测器用于测量光谱的强度，常用的探测器有光电倍增管、CCD和光二极管等。
通过合理选择仪器设备和优化实验条件，可以获得准确可靠的结果。
原子发射光谱分析在许多领域都有广泛的应用。
在环境监测方面，原子发射光谱分析可以用于检测土壤、水体和大气中的重金属和有害元素，例如铅、汞和镉等。
在食品安全方面，原子发射光谱分析可以用于检测食品中的微量元素，例如铁、锌、镁和钙等。
在药物研发和品质控制方面，原子发射光谱分析可以用于测定药品中的微量元素和重金属残留。
此外，原子发射光谱分析还可以用于矿石的矿物鉴定和地质样品的元素分析等。
总之，原子发射光谱分析是一种重要的化学分析方法，通过测量元素发射光谱的波长和强度，可以确定样品中所含元素的种类和浓度。
它具有分析快速、灵敏度高和选择性好等优点，广泛应用于环境监测、食品安全、药物研发和地质矿产等领域。
随着仪器设备不断发展和完善，原子发射光谱分析的应用前景将会更加广阔。
原子发射光谱分析
Ei kT
Ei为激发能； T为激发温度。
发射谱线强度： Iij = Ni Aijhij
h为Plank常数； Aij两个能级间的跃迁几率；
ij发射谱线的频率。
谱线强度：
gi I ij Aij h ij N 0 e g0
影响谱线强度的因素：
Ei kT
（3-8）
中、低不同含量试样
缺点：
1）需要内标样进行对照，且内标样的纯度要高； 2）只能测元素浓度，不能测元素存在形态； 3）对一些非金属，难以检测或灵敏度低。
主要应用：
★ 地、矿、冶金、机械等领域，对于地质普查、找矿，通过大
量试样的分析，提供可靠的资料。
★ 用于钢材、合金等的分类、矿石品位分级等大批量试样的
4) 分析线和内标线没有自吸或自吸很小，且不受其它谱 线的干扰。
5) 摄谱法中组成分析线对的两条谱线的波长应尽量靠近。
（2）内标标准曲线法
lg R＝lg Ix I内标 b lg Cx lg A
以lgR 对应lgc 作图，绘制标准曲线，在相同条件下，测定 试样中待测元素的lgR，在标准曲线上求得未知试样lgc；
b lg Cx lg A
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) 外加内标元素在分析试样品中应不存在或含量极微； 如样品基体元素的含量较稳时，亦可用该基体元素作 内标。 3) 分析线对应匹配，同为原子线或离子线，且激发电位 相近(谱线靠近) ；
无合适内标物时，采用该法。
谢 谢！
三、 光谱定量分析
quantitative spectrometric analysis
原子发射光谱分析
c
原子发射谱线强度与试样中元素浓度的关系 1. 谱线强度及其影响因素 在高温下，处于热力学平衡状态时，单位体积的基 态原子数N0与激发态原子数Ni 之间遵守Boltzmann分布 定律: Ei
Ni = N0 gi/g0 e-Ei/kT
(1)
E0 Ei —激发电位 T —温度K
gi 、g0 —激发态和基态的统计权重 k —Boltzmann常数
原子化 激发 * * 发射原子光谱
c
AES光源分类 1. 光源种类及特点 火焰 经典光源 光源 现代光源 直流电弧 电弧 交流电弧 火花 电感耦合等离子体，ICP
激光光源
c
直流电弧：接触引燃，二次电子发射放电
L 5~30A A G
E
220~380V
V
接触短路引燃（或高频引燃）；阴极电子与气体分子和离子相撞产生的离 子再冲击阴极 ，引起二次电子发射 …… 电子再撞击阳极 ，产生高温阳极斑
1.激发源(光源)的作用:
MmNn s 蒸发 MmNn g 解离 Mm Nn M N M N M N （m ） * （n） * 激发 M N 发射离子光谱 Mm Nn2.激发源的影响：检出限、精密度和准确度。
气态激发态原子、离子的 核外层电子，迅速回到低 能态时以光辐射的形式释 放能量。原子发射光谱
h i
E0
c
原子发射光谱法一些常用的术语
1. 激发电位:
低能态电子被激发到高能态时所需要的能量。
2. 共振线、第一共振线 由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线称为 共振线。由第一激发态直接跃迁至基态的谱线称为 第一共振线。
Quartz Window
*100 Million Amplification of Signal
原子发射光谱分析内标法
原子发射光谱分析内标法
在化学分析领域，原子发射光谱分析内标法是一种重要的分析技术，它是基于原子发射光谱（AES）技术来进行物质成分分析的分析技术。
它利用一种特殊的内标技术，结合原子发射光谱技术，可以准确、灵敏地测定复杂物质中化合物的组成成分。
原子发射光谱分析内标法是一种十分有效的分析技术，其分析过程以“内标-外标”两种模式进行，以增强检测的灵敏度和精确度。
确定一种有系统的内标组合，并且要满足原子发射光谱分析的要求，来满足物质分析中各种成分的检测。
此外，为了使检测结果更准确，还可以使用固定比例内标成分和固定比例内标成分的补偿因子来计
算量。
原子发射光谱分析内标法的实现细节是检测信号的准确度的关键。
内标法要求检测信号的精度高、稳定度好，所以检测仪器的精度要求也就比较高。
一般情况下，原子发射光谱仪的精度在0.05%以上，能够满足大多数检测需求。
此外，原子发射光谱分析内标法的实施还需要一定的操作规程，包括样品的精制、样品的稀释溶液、分析标准液的稳定性检验、检测仪器的调整和维护等操作，以确保检测结果的准确。
原子发射光谱分析内标法在很多领域都有广泛的应用，如金属冶炼、制药、食品检测等，能够准确、快速地检测出物质中的化学成分，进而控制物质的质量、检出污染物和有毒物质等。
由于其具有检测灵敏度高、准确度高等优点，原子发射光谱分析内标法已经成为化学分
析的重要手段之一。
总的来说，原子发射光谱分析内标法是一种有效的分析技术，它具有检测灵敏度高、准确度高，能够准确、快速地测定物质中的化学成分，并且在很多领域都有重要的应用。
实施这项技术需要精确的操作技术和准确的检测仪器，以及科学的操作规程，以确保检测的准确性。
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(4)检出限较低
(5)准确度较高
10～0.1gg-1(一般光源)；ngg-1(ICP）
5%～10% (一般光源）； <1% (ICP) ； 线性范围4～6数量级，可测高、 中、低不同含量试样；
(6)ICP-AES性能优越
缺点：非金属元素不能检测或灵敏度低。
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§5-3 原子发射光谱分析装置与仪器
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⑤传播速度v: 通过某介质时波面的移动速度，单位是m·-1 s
辐射的速度、频率和波长之间的关系 v =ν ·λ
真空中
δ=1/λ=ν/c
真空中电磁辐射的传播速度以c表示，不同波长的电磁辐射在真空中传 播的速度相同,其数值为2.99792×108m·-1（也称光速）。 s 传播速度v和波长λ与介质有关,随着辐射通过不同的介质而不同,辐射通 过介质时,它的波长与其传播速度成正比,即
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四、光分析分类
1.光谱分析方法： 基于测量辐射的波长及强度。这些光谱是由于物质的原子或分子的特定 能级的跃迁所产生的， 根据其特征光谱的波长可进行定性分析； 光谱的强度与物质的含量有关，可进行定量分析。 根据辐射的本质，光谱法可分为分子光谱和原子光谱. 根据辐射能量传递的方式，光谱方法又可分为发射光谱、吸收光谱、荧 光光谱、拉曼光谱等等。
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4. 电离：原子获得的能量足够大时，原子中的外层电子从
基态跃迁至无限远处，也即脱离原子核的束缚力，使原子成为
离子，这种过程称为电离。 5. 电离电位：原子失去外层电子成为离子时所需的能量称 电离电位。 原子失去一个外层电子成为离子时所需的能量称为一级电
离电位。依次为二级、三级…电离电位。离子中的外层电子也
型来解释。这时必须将其看作是不连续的能量微粒，即光子或光量子，
光子具有能量hν，具有动量hν/c，每个光子的能量E（或ε）与相应的频 率及波长有如下关系: E =hν=hc/λ 普朗克公式。h为普朗克常数，等于6.626×10-34J•s，该方程将电磁 辐射的波动性和微粒性联系起来。 光子的动量p与波长的关系为:
第五章 原子发射光谱分析法
§5-1 光学分析法概述 一、光分析法及其特点
光学分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后 所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析 方法； 电磁辐射范围：射线～无线电波所有范围； 相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉 、衍射等； 光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面 具有其他方法不可区代的地位；
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因为辐射的透射，反射，折射和吸收等现象，都是由于电磁辐射的
电场同物质中电子相互作用的结果，因此一般情况下仅用电场矢量E表 示辐射就可以了。
描述电磁波的物理参数（波参数）为：
① 周期P：两个相邻矢量极大（或极小）通过空间固定点所需的时 间间隔叫做辐射的周期。单位为秒（s）。 ② 频率ν:为空间某点的电场每秒钟到达正极大值的次数，即每秒辐 射振荡的次数。ν=1/P，单位为s-1或赫兹（1Hz即为1s-1）。 ③ 波长λ：相邻两极大或极小值之间的距离。所用单位随着不同的 电磁波区而不同。常用的单位有（nm、μm、cm、m等） ④ 波数δ：波长的倒数，即单位距离内极值的数目，一般以每厘米 内该波的振动次数表示．在红外光谱中常用波数来表示红外吸收峰的位 置．单位cm-1。
最低激发态（第一激发态）跃迁回基态所发射的辐射线，称为
第一共振线，通常把第一共振线称为共振线。共振线具有最小 的激发电位，因此最容易被激发，一般是该元素最强的谱线；
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二、AES的基本原理
当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时（主要是热能、 电能，传递形式可为原子、电子、粒子间的高速碰撞），其核外电子就从 基态跃迁至激发态。处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃
不同的值，即可以发射出许多不同ν或λ的辐射线。但跃迁要遵循“光谱
选律”，不是任何能级之间都能发生跃迁；
③ 不同元素的原子具有不同的能级构成， Δ E不一样，所以ν或λ也不
同，各种元素都有其特征的光谱线，从识别各元素的特征光谱线可以鉴
定样品中元素的存在，此即光谱定性分析；
④ 元素特征谱线的强度与样品中该元素的含量有确定的关系，所以可
一、光源：
作用：①使试样中的被测组分蒸发并解离为气态原子。 ②为这些气态原子的激发、 跃迁提供能量，并产生辐射信号。 要求：温度足够高，有足够的能量使被测组分蒸发、解离、原子化、激发
、 跃迁。稳定性好，基体效应好，线性范围宽。
发射光谱分析对样品的适应性非常广，如样品是固体、液体、气体状 态都可直接分析，固体可以是块状、粉状，式样可以是导体、半导体、绝 缘体均可。针对不同的分析对象，应采用不同的光源及分析条件。 发射光谱常用光源有火焰Flame、电弧arc(直流电弧和交流电弧)、火
～ 6mm；
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发射光谱的产生
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。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。 特点： ⑴弧焰温度（激发温度）约为4000－7000K。 ⑵电极温度高，蒸发能力强，分析的绝对灵敏度高。常 用于定性分析，同时也适于矿物、岩石等难熔样品及稀土等
通过测定谱线的强度确定元素在样品中的含量，这就是光谱定量分析；
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三、原子发射光谱分析过程简介
原子发射光谱分析的过程，一般有光谱的获得和光谱的 分析两大过程。具体可分为： 1. 试样的处理 要根据进样方式的不同进行处理：做成粉末或溶液等，有
时还要进行必要的分离或富集；
2. 样品的激发 在激发源上进行，激发源把样品蒸发、分解原子化和激发；
p=hν/c=h/λ
能量与动量体现了电磁辐射具有粒子性。 从公式可以看出普朗克公式把属于粒子概念的光量子能量E同属于 波动概念的辐射频率或波长联系起来了，这就是电磁辐射波粒两象性的 统一。
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讨论： （a）光量子能量E与波长成反比 波长→长(频率→低),光量子能量E→小 波长→短(频率→高),光量子能量E→大 E∝1/λ (b)光量子能量E与波数σ成正比，因而可用cm-1为单位来表示能量的 高低，当光子能量=1ev时,其波数为:
迁返回到基态或其它较低的能级上。当原子从较高能级跃迁到基态或其它
较低的能级的过程中，将释放出多余的能量，这种能量是以一定波长的电 磁波的形式辐射出去的，其辐射的能量等于两能级间的能量差Δ E，可用 下式表示：
E E 2 E1 h h
c
式中E2，E1分别为高能级、低能级的能量 将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）。由于 原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此对特定元素 的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特 征谱线存在与否来进行定性分析。
原 子 吸 收 光 谱 原 子 发 射 光 谱 原 子 荧 光 光 谱 X 射 线 荧 光 光 谱
分子光谱分析法
分 子 荧 光 光 谱 法 分 子 磷 光 光 谱 法 核 磁 共 振 波 谱 法
紫 外 光 谱 法
红 外 光 谱 法
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§5-2 原子发射光谱(AES) 分析基本原理 一、AES常用术语
原 子 发 射 光 谱 分 析 法 （ atomic emission spectroscopy ，AES）：元素在受到热或电激发时，由基态跃迁到激发态， 当返回到基态时，发射出特征光谱，依据特征光谱进行定性、 定量的分析方法。 1. 基态：原子处于能量最低的稳定状态。 2. 激发态：原子与高速运动的气态粒子和电子相互碰撞获 得能量，使原子中外层的电子从基态跃迁到更高的能级上，处 在这种状态的原子称激发态。 3. 激发电位：将原子中的一个外层电子从基态跃迁至激发 态所需的能量称为激发电位，通常以电子伏特度量。
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二、电磁辐射的基本性质
电磁辐射(电磁波)：以巨大的速度通过空间，不需要任何 传播媒介的能量形式( 真空中为光速) 。 电磁辐射具有波动性和粒子性； 1. 波动性：
电磁辐射的传播、反射、干涉、衍射、折射、散射等现象
均说明了电磁辐射具有波的性质。 电磁波是具有相同位相的两个互相垂直的振动矢量。 一个是沿y轴方向变化的电场矢量E，一个是沿Z轴方向变化的 磁场矢量H，E和H都与电磁波的传播方向垂直，如图所示。
花Spark、电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)等。
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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，试样放置在一支电极(下电极)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，点燃电弧光谱的测定，即不涉及能级的跃迁，而主要是利用电磁辐射与物 质的相互作用。这个相互作用引起电磁辐射在方向上的改变或物理性质的
变化，而利用这些改变可以进行分析。
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光分析法
非光谱分析法 光谱分析法
圆 折 二 射 色 法 性 法
X 射 干 线 涉 衍 法 射 法
原子光谱分析法 旋 光 法
3. 光谱的获得和记录
从光谱仪中获得光谱并进行记录； 4. 光谱的检测
用检测仪器进行光谱的定性、半定量、定量分析。
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原子发射光谱分析法的特点:
(1)可多元素同时检测 (2)分析速度快 (3)选择性高 量分析(光电直读仪)； 各元素具有不同的特征光谱； 各元素同时发射各自的特征光谱； 试样不需处理，同时对几十种元素进行定
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