原子发射光谱法
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原子发射光谱分析法
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
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
原子发射光谱法和原子吸收光谱法的优缺点
原子发射光谱法（Atomic Emission Spectroscopy，AES）和原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）是常用的分析方法，它们利用原子在能量激发下发射或吸收特定波长的光线来确定样品中的元素含量。
以下是它们的优缺点比较：一、原子发射光谱法优点：1. 灵敏度高：原子在激发后能发出强烈的荧光，使得检测灵敏度高。
2. 分辨率高：能够分离出元素的不同能级，对于元素的多种化合价态也有很好的分辨率。
3. 多元素分析：可以同时分析多种元素，适用于复杂样品。
4. 快速：仅需要几分钟即可得到结果。
缺点：1. 形成荧光需要外部能量输入，易受分析环境影响，如气体的压力和温度等。
2. 需要专业人员操作：仪器复杂，需要专业的技术人员进行操作和维护。
3. 样品处理复杂：由于样品需要被分解为原子态，因此需要严格的前处理过程。
4. 不能定量：由于荧光强度与供能的原子数不成比例，因此不能直接定量。
二、原子吸收光谱法优点：1. 灵敏度高：具有极高的检测灵敏度，尤其适用于微量元素的分析。
2. 定量性好：由于原子吸收的强度与元素浓度呈线性关系，因此可以直接定量。
3. 选择性好：由于不同元素的吸收谱线是独立的，因此可以区分不同元素。
4. 不受环境影响：对于气体和液体样品，只需要进行简单的前处理即可进行分析。
缺点：1. 只能测量单一元素：每个元素只有一个特定的吸收波长，因此只能测量一个元素。
2. 影响灵敏度的因素多：灵敏度受到多种因素影响，如化学基质等。
3. 仅限于溶液测量：由于需要将样品转化为气态原子，因此只适用于溶液样品。
4. 仪器复杂：仪器需要精密的光学部件以保证精确的测量结果。
无论是原子发射光谱法还是原子吸收光谱法，都有其独特的优点和缺点。
在选择分析方法时，需要考虑样品类型、分析目标和实验室条件等因素，并综合评估各种分析方法的优缺点，以选择最适合的方法。
(仪器分析)11.1原子发射光谱分析法
11.1.3 原子发射光谱分析的应用
1. 元素的分析线、最后线、灵敏线
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：浓度减小，谱线强度减小，最后消失的谱线； 灵敏线：最易激发的能级所产生的谱线，每种元素有一条 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。
nmgmex pE(m/kT)
N
Z
2020/10/24
nmgmex pE(m/kT)
N
Z
Z 为温度 T 的函数，分析中的温度通常在2000～7000 K ，Z 变化很小，谱线强度为
I hc4g πm Z AN exE pm(/kT )
式中：Φ 是考虑在 4 球面角度上发射各向同性的常数。 Z 可视为常数，对于某待测元素，选定分析线后，T一定
2020/10/24
原子发射光谱分析法的特点:
(1) 可多元素同时检测:发射各自的特征光谱； (2) 分析速度快:试样不需处理，同时对几十种元素进行定 量分析。 (3) 选择性高 各元素具有不同的特征光谱； (4) 检出限较低：10～0.1gg-1(一般)； ngg-1(ICP）。 (5) 准确度较高：5%～10% (一般光源)；<1% (ICP) 。 (6) ICP-AES性能优越 线性范围4～6数量级，可测高、中 、低不同含量试样。 缺点：非金属元素不能检测或灵敏度低。
常见光源的种类和特点是什么？
2020/10/24
（1）直流电弧
电弧是指在两个电极间施加高电流密度和低燃点电压 的稳定放电。
石墨电极，试样放置凹槽内。试样量10～20mg。
两电极接触通电后，尖端被烧热，点 燃电弧，再使电极相距4 ～ 6mm。
原子发射光谱法(aes)
谱线强度法
通过测量待测样品中某一元素的特征谱线强度，与已知浓度的标准样品进行比 较，大致确定待测样品中该元素的含量范围。
定性分析
谱线识别法
通过对比已知元素的标准谱线与待测样品的谱线，确定待测样品中存在的元素种 类。
特征光谱法
利用不同元素具有独特的特征光谱，通过比对特征光谱的差异，确定待测样品中 存在的元素种类。
电热原子化器利用电热丝加热 ，使样品中的元素原子化。
化学原子化器利用化学反应将 样品中的元素转化为气态原子
。
光源
01 光源用于提供能量，使样品中的元素原子 化并产生光谱信号。
02 光源类型有多种，如电弧灯、火花放电灯 等。
03
电弧灯利用电弧放电产生高温，使样品中 的元素原子化。
04
火花放电灯利用高压电场使气体放电，产 生高温，使样品中的元素原子化。
原子发射光谱法(AES)
目 录
• 原子发射光谱法(AES)概述 • AES的仪器与设备 • AES的样品制备与处理 • AES的分析方法与技术 • AES的优缺点与挑战 • AES的未来发展与展望
01 原子发射光谱法(AES)概 述
定义与原理
定义
原子发射光谱法(AES)是一种通过测量物质原子在受激发态跃迁时发射的特定波长的光来分析物质成分的方法。
02
发射光谱仪通常包括电 子激发源、真空系统、 光学系统、检测器等部 分。
03
电子激发源用于产生高 能电子，激发原子或离 子，使其跃迁至激发态。
04
真空系统用于维持仪器 内部的高真空环境，减 少空气对光谱信号的干 扰。
原子化器
01
02
03
04
原子化器是将样品转化为原子 蒸气的装置。
通过测量待测样品中某一元素的特征谱线强度，与已知浓度的标准样品进行比 较，大致确定待测样品中该元素的含量范围。
定性分析
谱线识别法
通过对比已知元素的标准谱线与待测样品的谱线，确定待测样品中存在的元素种 类。
特征光谱法
利用不同元素具有独特的特征光谱，通过比对特征光谱的差异，确定待测样品中 存在的元素种类。
电热原子化器利用电热丝加热 ，使样品中的元素原子化。
化学原子化器利用化学反应将 样品中的元素转化为气态原子
。
光源
01 光源用于提供能量，使样品中的元素原子 化并产生光谱信号。
02 光源类型有多种，如电弧灯、火花放电灯 等。
03
电弧灯利用电弧放电产生高温，使样品中 的元素原子化。
04
火花放电灯利用高压电场使气体放电，产 生高温，使样品中的元素原子化。
原子发射光谱法(AES)
目 录
• 原子发射光谱法(AES)概述 • AES的仪器与设备 • AES的样品制备与处理 • AES的分析方法与技术 • AES的优缺点与挑战 • AES的未来发展与展望
01 原子发射光谱法(AES)概 述
定义与原理
定义
原子发射光谱法(AES)是一种通过测量物质原子在受激发态跃迁时发射的特定波长的光来分析物质成分的方法。
02
发射光谱仪通常包括电 子激发源、真空系统、 光学系统、检测器等部 分。
03
电子激发源用于产生高 能电子，激发原子或离 子，使其跃迁至激发态。
04
真空系统用于维持仪器 内部的高真空环境，减 少空气对光谱信号的干 扰。
原子化器
01
02
03
04
原子化器是将样品转化为原子 蒸气的装置。
原子发射光谱法
原子发射光谱法 （Atomic Emission Spectrometry，AES）
概论 基本原理 原子发射光谱仪器 干扰及消除方法 光谱分析方法
教学要求
• 理解原子发射光谱产生的基本原理； • 掌握原子发射光谱强度的影响因素； • 了解原子发射光谱分析激发光源的作用机理 ，掌握ICP形成过程及其特性。 • 掌握原子发射光谱的定性、定量分析方法。
（1）n—主量子数 • 与描述核外电子运动状态的主量子数意义相同 ，决定能量状态的主要参数 n =1, 2 ,3 ,…
（2）L—总角量子数 L=∑li ，l=0,1,2,… L=|l1+l2|，|l1+l2-1|，… |l1-l2| • 由两个角量子数l1和l2之和变到它们之差,间隔为 1的所有数值 • L的取值可为0,1,2,3,…,通常用大写字母S ，P， D， F …表示
S=1 M=3 三重线 L=1 光谱项 为43P
S=0 M=1 单重线 L=1 光谱项 为41P
• L≥S时，2S+1就是内量子数，同一光谱 项中包含的J值不同。把J值不同的光谱项 称为光谱支项; 用 n2S+1LJ • 在磁场作用下,同一光谱支项会分裂成 2J+1个不同的支能级;外磁场消失,分裂能 级亦消失. 此现象称为Zeeman效应。 2J+1为能级的简并度或统计权重g。
三、原子发射光谱法的过程 • 由光源提供能量使试样蒸发，形成气态原子， 并进一步使气态原子激发而产生光辐射； • 将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺 序排列的谱线，形成光谱； • 用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。
二、原子发射光谱法的特点
• 广谱性 不论气体、固体和液体都可以直接激发。可对 各种不同类型试样（气体、固体和液体）中70多种元 素（金属元素及P、S、N、F、Cl、Br等非金属元素） 进行分析。 • 多元素检测能力 试样一经激发后，由于试样中不同 元素都同时发射特征光谱，可作定性和定量分析。 • 分析速度快 若用光电直读光谱仪，可在几分钟内同时 对几十种元素进行定量分析。分析试样不经化学处理 ，固体、液体样品都可直接测定。 • 选择性好 每种元素因原子结构不同而发射各自不同特 征光谱，可用于对化学性质极为相似的元素的分析， 例如铌和钽、锆和铪等。
概论 基本原理 原子发射光谱仪器 干扰及消除方法 光谱分析方法
教学要求
• 理解原子发射光谱产生的基本原理； • 掌握原子发射光谱强度的影响因素； • 了解原子发射光谱分析激发光源的作用机理 ，掌握ICP形成过程及其特性。 • 掌握原子发射光谱的定性、定量分析方法。
（1）n—主量子数 • 与描述核外电子运动状态的主量子数意义相同 ，决定能量状态的主要参数 n =1, 2 ,3 ,…
（2）L—总角量子数 L=∑li ，l=0,1,2,… L=|l1+l2|，|l1+l2-1|，… |l1-l2| • 由两个角量子数l1和l2之和变到它们之差,间隔为 1的所有数值 • L的取值可为0,1,2,3,…,通常用大写字母S ，P， D， F …表示
S=1 M=3 三重线 L=1 光谱项 为43P
S=0 M=1 单重线 L=1 光谱项 为41P
• L≥S时，2S+1就是内量子数，同一光谱 项中包含的J值不同。把J值不同的光谱项 称为光谱支项; 用 n2S+1LJ • 在磁场作用下,同一光谱支项会分裂成 2J+1个不同的支能级;外磁场消失,分裂能 级亦消失. 此现象称为Zeeman效应。 2J+1为能级的简并度或统计权重g。
三、原子发射光谱法的过程 • 由光源提供能量使试样蒸发，形成气态原子， 并进一步使气态原子激发而产生光辐射； • 将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺 序排列的谱线，形成光谱； • 用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。
二、原子发射光谱法的特点
• 广谱性 不论气体、固体和液体都可以直接激发。可对 各种不同类型试样（气体、固体和液体）中70多种元 素（金属元素及P、S、N、F、Cl、Br等非金属元素） 进行分析。 • 多元素检测能力 试样一经激发后，由于试样中不同 元素都同时发射特征光谱，可作定性和定量分析。 • 分析速度快 若用光电直读光谱仪，可在几分钟内同时 对几十种元素进行定量分析。分析试样不经化学处理 ，固体、液体样品都可直接测定。 • 选择性好 每种元素因原子结构不同而发射各自不同特 征光谱，可用于对化学性质极为相似的元素的分析， 例如铌和钽、锆和铪等。
原子发射光谱分析
ICP的分析特点 的分析特点
1. 对大多数元素有高的灵敏度 检测限达 -9－10-11 检测限达10 g·L-1因为温度高（等离子体核处 因为温度高（等离子体核处10000K，中央 ，中央6000－ － 8000K）；惰性气氛，有利于难熔物质分解。 ）；惰性气氛 ）；惰性气氛，有利于难熔物质分解。 2. 测定线性范围宽 因趋肤效应而无自吸现象。 因趋肤效应而无自吸现象 自吸现象。 高频电流密度在导体截面呈不均匀分布， 趋肤效应 高频电流密度在导体截面呈不均匀分布，集 中在导体表层的现象。 中在导体表层的现象。 3. 碱金属电离不造成干扰，因电流密度大。 碱金属电离不造成干扰，因电流密度大。 4. 无电极污染 因是无极放电。 因是无极放电。 5. 耗样量小 载气流速低，试样在中央通道充分激发 载气流速低， 6. 背景干扰小 因工作气体氩气是惰性气体不产生其 它物质。 它物质。
第一共振线 原子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 原子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 最易发生，能量最小，一般是最灵敏线，又叫最后线。 最易发生，能量最小，一般是最灵敏线，又叫最后线。 原子获得足够的能量(电离能)产生电离。 原子获得足够的能量(电离能)产生电离。失去一个电 子形成一级离子，再失去一个电子形成二级离子。 子形成一级离子，再失去一个电子形成二级离子。 离子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 电离线 离子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。与电 离能大小无关，离子的特征共振线。 离能大小无关，离子的特征共振线。 识别元素的特征光谱鉴别元素的存在 定性分析 测定特征谱线的强度测定元素的含量 定量分析
R 镇流电阻 调节 和稳定电流 L 减小电流波动
直流电弧工作原理
电弧点燃后，热电子流高速通过分析间隔冲击阳极， 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， 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， 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。 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： 多种元素激发 弧焰温度：4000～7000 K，可使 多种元素激发。 ～ ，可使70多种元素激发。 绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析。 特 点：绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析。
第4章 原子发射光谱法
23:23
6. 弧焰中原子、离子浓度的比例与元素的电离电位有关。电离 电位越低，离子浓度越大，离子线越强，电离电位越高，离子 浓度越小，原子线越强。
元素的电离电位，在周期表中，从左到右逐渐增加，从上到下 逐渐减少，故周期表中左下角元素Cs、Fr最易发出离子线，右 上角的元素B、C、Si、P很难发出离子线，即使原子线也很难激 发，多发生在200 nm以下的远紫外区。
23:23
三、 发射光谱法的局限性 (1)不宜定量分析，误差30～50%。 由于发射光谱法是建立在经验基础上，且样品组成的影响一般 比较严重，必须采用其组成与分析样品相匹配的参比样品，这 是限制该法检出能力、准确度及分析速度进一步提高的主要障 碍之一。 (2) 不适宜非金属元素分析。 理论上周期表中所有元素都可用发射光谱法测定。但是对于一 些非金属元素一般很难得到分析它们所必须的条件，这些元素 检出限很差或者无法分析。目前可用发射光谱法分析的元素仍 然主要局限在金属和少数非金属元素。 (3) 发射光谱法只能用于元素分析，而不能确定这些元素在样品 中存在的化合物状态。
I
Pj P0
A h N 0 e
E j E0 kT
(4 - 3)
（3）基态原子数
谱线强度与基态原子数成正比。
在一定条件下，基态原子数与试样中该元素浓度成正
比。
因此 在一定的实验条件下谱线强度与被测元素浓度成正 比，这是光谱定量分析的依据。
23:23
4.3 元素的光谱性质 一、元素的光谱性质与元素周期表的关系 所谓元素的光谱性质是指元素的电离电位、激发难易、谱线特 征、谱线强度以及元素的挥发性等。元素的这些性质与元素的 原子结构有关，因而，它与周期表有一定关系，而且有一定规 律性。
原子发射光谱法
灵敏线 是元素激发电位低、强度较大的谱线，多是 共振线。
最后线 是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最 后仍能观察到的几条谱线。
谱线强度
I = A CB
赛伯－罗马金公式
影响谱线强度的因素：
激发电位 统计权重 原子密度
跃迁几率 光源温度 其他因素
仪器
光源
单色器
熔融、蒸发、 离解、激发
分光
检测器 检测
围要大，对于ICP而言准确性也较高。有些元素原子吸收是无 法测定的，但发射可测，如P、S 等；（3）AAS比较普遍，其
价格相对AES便宜，操作也比较简单。
AES理论基础
❖ 原子结构及原子光谱的产生 ❖ 原子的激发和电离 ❖ 谱线强度
原子结构及原子光谱的产生
❖ 原子结构 ❖ 原子光谱的产生
原子结构及原子光谱的产生
激发光源。 ❖ 在一定频率的外部辐射光能激发下，原子的外层电子在由一个
较低能态跃迁到一个较高能态的过程中产生的光谱就是原子吸
收光谱 （AAS)。 ❖ （1）一般来说AES在多元素测定能力上优于AAS，但是AES在
操作上比AAS来的复杂；还有就是AES由谱线重叠引起的光谱
干扰较严重，而AAS就小的多 ；（2）原子发射比吸收测定范
AES的发展简史
❖ 定量分析阶段 20世纪30年代，罗马金(Lomakin)和赛伯(Scheibe) 通过实验方法建立了谱线强度(I)与分析物浓度(c) 之间的经验式--- I = A CB 从而建立了AES的定量分析法。
❖ 等离子光谱技术时代
20世纪60年代，电感耦合等离子体(ICP)光源的 引入，大大推动了AES的发展。
激发光源
激发光源的作用及理想光源 光源 光源选择
最后线 是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最 后仍能观察到的几条谱线。
谱线强度
I = A CB
赛伯－罗马金公式
影响谱线强度的因素：
激发电位 统计权重 原子密度
跃迁几率 光源温度 其他因素
仪器
光源
单色器
熔融、蒸发、 离解、激发
分光
检测器 检测
围要大，对于ICP而言准确性也较高。有些元素原子吸收是无 法测定的，但发射可测，如P、S 等；（3）AAS比较普遍，其
价格相对AES便宜，操作也比较简单。
AES理论基础
❖ 原子结构及原子光谱的产生 ❖ 原子的激发和电离 ❖ 谱线强度
原子结构及原子光谱的产生
❖ 原子结构 ❖ 原子光谱的产生
原子结构及原子光谱的产生
激发光源。 ❖ 在一定频率的外部辐射光能激发下，原子的外层电子在由一个
较低能态跃迁到一个较高能态的过程中产生的光谱就是原子吸
收光谱 （AAS)。 ❖ （1）一般来说AES在多元素测定能力上优于AAS，但是AES在
操作上比AAS来的复杂；还有就是AES由谱线重叠引起的光谱
干扰较严重，而AAS就小的多 ；（2）原子发射比吸收测定范
AES的发展简史
❖ 定量分析阶段 20世纪30年代，罗马金(Lomakin)和赛伯(Scheibe) 通过实验方法建立了谱线强度(I)与分析物浓度(c) 之间的经验式--- I = A CB 从而建立了AES的定量分析法。
❖ 等离子光谱技术时代
20世纪60年代，电感耦合等离子体(ICP)光源的 引入，大大推动了AES的发展。
激发光源
激发光源的作用及理想光源 光源 光源选择
原子发射光谱法
第三章 原子发射光谱法
3.1 概论 3.2 基本原理 3.3 原子发射光谱仪器 3.4 原子发射光谱分析方法
Atomic emission spectroscopy
3.1 概论
原子发射光谱法：(atomic emission spectrometry，AES ) 是根据待测物质的气态 原子被激发时所发射的特征线状光谱的波长及 其强度来测定物质的元素组成和含量的一种分 析技术。
3.3.1.1 直流电弧 电源一般为可控硅整流器。常用高频电
压引燃支流电弧。 直流电弧工作时，阴极释放出来的电子
不断轰击阳极，使其表面上出现一个炽热的 斑点。这个斑点称为阳极斑。阳极斑的温度 较高，有利于试样的蒸发。因此，一般均将 试样置于阳极碳棒孔穴中。在直流电弧中， 弧焰温度取决于弧隙中气体的电离电位，一 般约40007000K，尚难以激发电离电位高的 元素。电极头的温度较弧焰的温度低，且与 电流大小有关，一般阳极可达3800℃，阴极 则在3000℃以下。
特点：
①电弧瞬间温度很高，激发能量大，可 激发电离电位高的元素。
②电极头温度低，不利于元素的蒸发。 ③稳定性高，再现性好。 ④自吸现象小，适用于高含量元素分析。 ⑤低熔点金属、合金的分析，高含量元 素的分析,难激发元素的分析。
3.3.1.4 电感耦合等离子体光源 等离子体是一种电离度大于0.1%的电离
交流电弧是介于直流电弧和电火花之间 的一种光源，与直流相比，交流电弧的电极 头温度稍低一些，但由于有控制放电装置， 故电弧较稳定。这种电源常用于金属、合金 中低含量元素的定量分析。
低压交流电弧的特点：（1）交流电弧电 流具有脉冲性，电流密度比直流电弧大，也 让电弧温度高，激发能力强；（2）交流电弧 的稳定性好，这种电源定量分析；（3）由于 交流电弧放电有间歇性，电极温度较低，蒸 发能力略低。
3.1 概论 3.2 基本原理 3.3 原子发射光谱仪器 3.4 原子发射光谱分析方法
Atomic emission spectroscopy
3.1 概论
原子发射光谱法：(atomic emission spectrometry，AES ) 是根据待测物质的气态 原子被激发时所发射的特征线状光谱的波长及 其强度来测定物质的元素组成和含量的一种分 析技术。
3.3.1.1 直流电弧 电源一般为可控硅整流器。常用高频电
压引燃支流电弧。 直流电弧工作时，阴极释放出来的电子
不断轰击阳极，使其表面上出现一个炽热的 斑点。这个斑点称为阳极斑。阳极斑的温度 较高，有利于试样的蒸发。因此，一般均将 试样置于阳极碳棒孔穴中。在直流电弧中， 弧焰温度取决于弧隙中气体的电离电位，一 般约40007000K，尚难以激发电离电位高的 元素。电极头的温度较弧焰的温度低，且与 电流大小有关，一般阳极可达3800℃，阴极 则在3000℃以下。
特点：
①电弧瞬间温度很高，激发能量大，可 激发电离电位高的元素。
②电极头温度低，不利于元素的蒸发。 ③稳定性高，再现性好。 ④自吸现象小，适用于高含量元素分析。 ⑤低熔点金属、合金的分析，高含量元 素的分析,难激发元素的分析。
3.3.1.4 电感耦合等离子体光源 等离子体是一种电离度大于0.1%的电离
交流电弧是介于直流电弧和电火花之间 的一种光源，与直流相比，交流电弧的电极 头温度稍低一些，但由于有控制放电装置， 故电弧较稳定。这种电源常用于金属、合金 中低含量元素的定量分析。
低压交流电弧的特点：（1）交流电弧电 流具有脉冲性，电流密度比直流电弧大，也 让电弧温度高，激发能力强；（2）交流电弧 的稳定性好，这种电源定量分析；（3）由于 交流电弧放电有间歇性，电极温度较低，蒸 发能力略低。
《现代仪器分析教学》3.原子发射光谱分析法
整理课件
2、光谱定量分析
(1) 发射光谱定量分析的基本关系式
在条件一定时，谱线强度I 与待测元素含量c关系为： I=ac
a为常数(与蒸发、激发过程等有关)，考虑到发射光谱 中存在着自吸现象，需要引入自吸常数 b ，则：
I acb
（自吸：原子在高温时被激发，发射某一波长的谱 线，而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的 辐射，这种现象称为自吸现象整理）课件
3.激发电位：原子中的电子从基态跃迁至激发态所需的 能量称为激发电位。
整理课件
4、原子发射光谱的产生：气态原子或离子的核外层电 子当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到各种激发 态，处于各种激发态不稳定的电子(寿命<10-8s)迅速回 到低能态时，就要释放出能量，若以电磁辐射的形式
释放能量，即得到原子发射光谱。
（quantitative spectrometric analysis）
1.光谱半定量分析
与目视比色法相似；测量试样中元素的大致浓度范 围；
谱线强度比较法：将被测元素配制成质量分数分别 为1%,0.1%,0.01%,0.001%四个标准。将配好的标样 与试样同时摄谱，并控制相同条件。在摄得的谱线 上查出试样中被测元素的灵敏线，根据被测元素的 灵敏线的黑度和标准试样中该谱线的黑度，用目视 进行比较。
2）光栅摄谱仪
光栅摄谱仪采用衍射光栅代替棱镜作为色散元件。 特点：适用波长范围广，色散和分辨能力大
整理课件
3.4 发射光谱分析的应用
3.4.1 光谱定性分析
1、定性依据：元素不同→电子结构不同→光谱不同 →特征光谱 2、定性分析基本概念 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；
2、光谱定量分析
(1) 发射光谱定量分析的基本关系式
在条件一定时，谱线强度I 与待测元素含量c关系为： I=ac
a为常数(与蒸发、激发过程等有关)，考虑到发射光谱 中存在着自吸现象，需要引入自吸常数 b ，则：
I acb
（自吸：原子在高温时被激发，发射某一波长的谱 线，而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的 辐射，这种现象称为自吸现象整理）课件
3.激发电位：原子中的电子从基态跃迁至激发态所需的 能量称为激发电位。
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4、原子发射光谱的产生：气态原子或离子的核外层电 子当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到各种激发 态，处于各种激发态不稳定的电子(寿命<10-8s)迅速回 到低能态时，就要释放出能量，若以电磁辐射的形式
释放能量，即得到原子发射光谱。
（quantitative spectrometric analysis）
1.光谱半定量分析
与目视比色法相似；测量试样中元素的大致浓度范 围；
谱线强度比较法：将被测元素配制成质量分数分别 为1%,0.1%,0.01%,0.001%四个标准。将配好的标样 与试样同时摄谱，并控制相同条件。在摄得的谱线 上查出试样中被测元素的灵敏线，根据被测元素的 灵敏线的黑度和标准试样中该谱线的黑度，用目视 进行比较。
2）光栅摄谱仪
光栅摄谱仪采用衍射光栅代替棱镜作为色散元件。 特点：适用波长范围广，色散和分辨能力大
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3.4 发射光谱分析的应用
3.4.1 光谱定性分析
1、定性依据：元素不同→电子结构不同→光谱不同 →特征光谱 2、定性分析基本概念 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；
原子发射光谱法和原子吸收光谱法的优缺点
原子发射光谱法和原子吸收光谱法是分析化学中常用的两种技术手段，用于测定样品中的元素含量。
它们在实验原理、仪器设备、分析方法等方面存在一些差异，同时也各自具有一些优点和缺点。
下面将详细介绍这两种光谱法的特点。
一、原子发射光谱法1. 原理：原子发射光谱法是基于原子激发态与基态之间的电子跃迁而进行分析的。
样品先被气体火焰、电弧等高温条件下原子化，然后通过外部能量激发原子使其处于激发态，激发态原子会发射出特定波长的光线。
通过检测和测量这些发射光线的强度和波长，可以确定样品中的元素含量。
2. 优点：- 灵敏度高：原子发射光谱法对于大多数元素都具有较高的灵敏度，可以测定低至微克级别的元素含量。
- 多元素分析：原子发射光谱法可以同时分析多个元素，因为不同元素的激发发射光谱具有独特的特征波长，可以通过同时检测多个波长来分析多种元素。
- 范围广：原子发射光谱法适用于固体、液体和气体样品，可以分析多种不同形态的样品。
3. 缺点：- 精密度较低：原子发射光谱法的精密度相对较低，误差较大。
这是因为在样品原子化和激发过程中，可能会出现非选择性的基态原子和激发态原子共存，导致信号的干扰和背景噪声。
- 不适用于稀释样品：如果样品中元素含量过低，原子发射光谱法的灵敏度可能不足以准确测定元素含量。
- 仪器复杂：原子发射光谱法需要使用高温和高能量的电弧或火焰进行样品原子化和激发，因此仪器设备较为复杂。
二、原子吸收光谱法1. 原理：原子吸收光谱法是基于原子对特定波长的光线的吸收而进行分析的。
样品先被原子化，然后经过光源产生的特定波长的光线通过样品，被原子吸收。
通过测量吸收光线的强度，可以确定样品中的元素含量。
2. 优点：- 精密度高：原子吸收光谱法的精密度相对较高，误差较小。
因为在原子吸收过程中，只有特定波长的光线能够被原子吸收，不会受到其他波长光线的干扰。
- 高选择性：原子吸收光谱法可以通过选择不同的波长来分析不同元素，具有较高的选择性。
原子发射光谱法
原子发射光谱法原子发射光谱法是一种用于分析和识别化学元素的重要技术方法。
它基于原子在特定能级上吸收或放射特定波长的光线的性质，通过测量元素产生的特征谱线来确定其存在和浓度。
本文将介绍原子发射光谱法的基本原理、仪器设备以及应用领域。
一、原理原子发射光谱法的基本原理是利用激发、跃迁和发射的原子释放出特定波长的光线。
当原子受到能量激发后，其电子会从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级返回低能级时，发出特定波长的光线。
每种元素都有其独特的电子结构和能级跃迁特征，因此产生的谱线也是独特的，可以用于元素的鉴定和测量。
二、仪器设备原子发射光谱法需要使用特定的仪器设备进行分析。
其中包括光源、样品装置、光谱仪和探测器。
光源用于产生特定波长的光线，常见的光源有气体放电灯和激光器。
样品装置则用于将待分析的样品转化为气体态或溶液态，并将其引入光源产生的火焰或等离子体中。
光谱仪用于分离光线，并测量其强度和波长。
最后，探测器通过转换光信号为电信号，进行信号放大和数据处理。
三、应用领域原子发射光谱法在各个领域都有广泛的应用，特别是在环境监测、食品安全和地质勘探等方面。
例如，在环境监测中，原子发射光谱法可以用于测量水体和大气中的重金属离子，从而评估环境质量。
在食品安全领域，该技术可用于检测食品中的微量元素，如铅、汞等有害物质，以及添加剂的含量。
此外，在地质勘探中，原子发射光谱法可以用于分析岩石和土壤中的元素组成，辅助矿产资源的勘探和开发。
四、优势和发展趋势原子发射光谱法具有许多优势，使其成为分析化学的重要手段。
首先，它具有高灵敏度和高选择性，可以检测到极低浓度的元素。
其次，该方法操作简便、快速，并且对样品的形态要求较宽，可以适用于固体、液体和气体样品的分析。
此外，原子发射光谱法还具有多元素分析能力和较好的重现性，可同时测定多种元素的含量。
随着科学技术的不断发展，原子发射光谱法也在不断改进和完善。
近年来，随着激光技术和光谱仪器的进步，原子发射光谱法的分析能力不断提高。
原子发射光谱法
a
b
二、定量分析基础-谱线强度
在i, j两能级间跃迁，谱线强度可表示为：
I ij= Ni Aij hυij (1) (Aij 为跃迁几率)
在高温下，处于热力学平衡状态时， 单 Ni位之体间积遵的守基Bo态ltz原m子an数n分N布0与定激律发态原子数
Ni = N0 gi/g0 e-E/kT (2)
第三节 原子发射光谱仪
原子发射光谱法仪器分为三部分：光源、分光 仪和检测器。
一、光源 光源的作用: 蒸发、解离、原子化、激发、 跃迁。 光源的类型：
直流电弧 交流电弧 电火花 电感耦合等离子体(ICP) （Inductively coupled plasma）
主要部分：
1. 高频发生器 2. 等离子体炬管 3. 试样雾化器 4. 光谱系统
R = I / I0 =Acb 取对数，得
lgR = blgc + lgA
此式为内标法光谱定量分析的基本关系式。
2. 校准曲线法： 在确定的分析条件下，用三个或三个以上
含有不同浓度被测元素的标准样品与试样 在相同的条件下激发光谱，以分线强度I或 内标分析线对强度比R或lgR对浓度c或lgc做 校准曲线。再由校准曲线求得试样被测元 素含量。
为(Bgoi,ltgz0m为an激n常发数态，和T基为态温的度统。计) 权，Ei为激发电位，K
把(2)代入(1)得：
Iij=gi/g0AijhυijN0e-Ei/kT
此式为谱线强度公式。 Iij 正比于基态原子N0 ，也就是说 Iij ∝C，这就 是定量分析依据。
影响谱线强度的因素为：
（1）统计权重(gi/g0)
影响谱线强度的因素为：
（4）激发温度(T)
温度升高，谱线强度增大。但温度升高， 电离的原子数目也会增多，而相应的原子 数减少，致使原子谱线强度减弱，离子的 谱线强度增大。
b
二、定量分析基础-谱线强度
在i, j两能级间跃迁，谱线强度可表示为：
I ij= Ni Aij hυij (1) (Aij 为跃迁几率)
在高温下，处于热力学平衡状态时， 单 Ni位之体间积遵的守基Bo态ltz原m子an数n分N布0与定激律发态原子数
Ni = N0 gi/g0 e-E/kT (2)
第三节 原子发射光谱仪
原子发射光谱法仪器分为三部分：光源、分光 仪和检测器。
一、光源 光源的作用: 蒸发、解离、原子化、激发、 跃迁。 光源的类型：
直流电弧 交流电弧 电火花 电感耦合等离子体(ICP) （Inductively coupled plasma）
主要部分：
1. 高频发生器 2. 等离子体炬管 3. 试样雾化器 4. 光谱系统
R = I / I0 =Acb 取对数，得
lgR = blgc + lgA
此式为内标法光谱定量分析的基本关系式。
2. 校准曲线法： 在确定的分析条件下，用三个或三个以上
含有不同浓度被测元素的标准样品与试样 在相同的条件下激发光谱，以分线强度I或 内标分析线对强度比R或lgR对浓度c或lgc做 校准曲线。再由校准曲线求得试样被测元 素含量。
为(Bgoi,ltgz0m为an激n常发数态，和T基为态温的度统。计) 权，Ei为激发电位，K
把(2)代入(1)得：
Iij=gi/g0AijhυijN0e-Ei/kT
此式为谱线强度公式。 Iij 正比于基态原子N0 ，也就是说 Iij ∝C，这就 是定量分析依据。
影响谱线强度的因素为：
（1）统计权重(gi/g0)
影响谱线强度的因素为：
（4）激发温度(T)
温度升高，谱线强度增大。但温度升高， 电离的原子数目也会增多，而相应的原子 数减少，致使原子谱线强度减弱，离子的 谱线强度增大。
原子发射光谱方法
原子发射光谱方法是一种常用的元素分析方法，它利用物质原子在高温、高压或电子轰击等激发条件下发射出特定波长的光来确定物质中元素的含量。
其主要原理是将待分析样品中的原子或离子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
原子发射光谱方法主要包括以下几种：
1原子吸收光谱法（AAS）：将待分析样品中的元素原子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时吸收特定波长的光，通过测量吸收光的强度和波长来确定元素的含量。
2.火焰原子发射光谱法（FAS）：将待分析样品在高温火焰中燃烧，使其原子或离子激发到高能级，从而发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
3.电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）：将待分析样品通过电感耦合等离子体（ICP）的高温高压条件下进行原子化，使其原子或离子激发到高能级，从而发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
4.原子荧光光谱法（XRF）：将待分析样品中的元素原子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时发射出特定波长的X射线，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
原子发射光谱方法具有高灵敏度、高分辨率、广泛的分析范围和快速分析速度等优点，因此在材料分析、环境监测、食品安全、生命科学等领域得到了广泛应用。
原子发射光谱法
原子发射光谱法 （AES）
原子发射光谱法
元素在受到热或电激发 由基态跃迁到激发态， 时，由基态跃迁到激发态， 返回到基态时， 返回到基态时，发射出特 征光谱， 征光谱，依据特征光谱进 行定性、定量的分析方法。 行定性、定量的分析方法。
1859年，基尔霍夫(Kirchhoff G R)、本生 (Bunsen R W) 研制第一台用于光谱分析的分光镜，实现 了光谱检验； 1930 1930年以后，建立了光谱定量分析方法； 在原子吸收光谱分析法建立后，其在分析 化学中的作用下降，新光源(ICP)、新仪器 的出现，作用加强。
3. 定性分析实验操作技术
(1) 试样处理 a. 金属或合金可以试样本身作为电极，当试样量很少 时，将试样粉碎后放在电极的试样槽内； b. 固体试样研磨成均匀的粉末后放在电极的试样槽内； c. 糊状试样先蒸干，残渣研磨成均匀的粉末后放在电极 的试样槽内。液体试样可采用ICP-AES直接进行分析。 (2) 实验条件选择 a. 光谱仪 在定性分析中通常选择灵敏度高的直流电弧；狭缝宽度5 ～7µm；分析稀土元素时，由于其谱线复杂，要选择色散率较 高的大型摄谱仪。
高压火花的特点： 高压火花的特点： 特点
（1）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发能力强， ）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； 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 ）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力稍低， 于低熔点金属与合金的分析； 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； ）稳定性好，重现性好，适用定量分析；
2. 定性方法
标准光谱比较法： 标准光谱比较法： 最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)；为什么选铁谱？
原子发射光谱法
元素在受到热或电激发 由基态跃迁到激发态， 时，由基态跃迁到激发态， 返回到基态时， 返回到基态时，发射出特 征光谱， 征光谱，依据特征光谱进 行定性、定量的分析方法。 行定性、定量的分析方法。
1859年，基尔霍夫(Kirchhoff G R)、本生 (Bunsen R W) 研制第一台用于光谱分析的分光镜，实现 了光谱检验； 1930 1930年以后，建立了光谱定量分析方法； 在原子吸收光谱分析法建立后，其在分析 化学中的作用下降，新光源(ICP)、新仪器 的出现，作用加强。
3. 定性分析实验操作技术
(1) 试样处理 a. 金属或合金可以试样本身作为电极，当试样量很少 时，将试样粉碎后放在电极的试样槽内； b. 固体试样研磨成均匀的粉末后放在电极的试样槽内； c. 糊状试样先蒸干，残渣研磨成均匀的粉末后放在电极 的试样槽内。液体试样可采用ICP-AES直接进行分析。 (2) 实验条件选择 a. 光谱仪 在定性分析中通常选择灵敏度高的直流电弧；狭缝宽度5 ～7µm；分析稀土元素时，由于其谱线复杂，要选择色散率较 高的大型摄谱仪。
高压火花的特点： 高压火花的特点： 特点
（1）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发能力强， ）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； 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 ）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力稍低， 于低熔点金属与合金的分析； 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； ）稳定性好，重现性好，适用定量分析；
2. 定性方法
标准光谱比较法： 标准光谱比较法： 最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)；为什么选铁谱？
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1 2
P 0 P ’1 相 对 强 度
A C
D
B 距离
27
d
下图为国产WSP—1型平面光栅摄谱仪光路图
28
2、光电直读光谱仪
包括多道直读光谱仪、单道扫描式光谱仪和全谱直读光谱仪。
多元素同时检测
R
29
直读光谱仪器特点： 宽波长范围； 多元素快速分析； 准确度高； 线性范围宽，可分析高含量； 狭缝固定，分析元素固定； 谱线易漂移；
历史：1859年德国学者Kirchhoff & Bensen——分
光镜； 随后30年——定性分析; 1930年以后——定 量分析。
3
第一节 基本原理
1. 几个概念
1）激发电位(Excited potential)：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，通常以电子伏特来（ eV ）表
足够能量而失去电子，成为离子 ——电离；所需的能量称为电
离电位；离子的外层电子跃迁——离子线。以II，III，IV等表
示。
5
2. 原子发射光谱的产生过程：
1）能量（电或热、光） 2）外层电子（低能态E1 3）外层电子（低能态E1 基态原子 高能态E2） 高能态E2）
10－8 S
4）发出特征频率()的光子：
31
第三节 干扰及消除方法（选学）
光谱干扰：
在发射光谱中最重要的光谱干扰是背景干扰。带状光谱 、连续光谱以及光学系统的杂散光等，都会造成光谱的背景 。
非光谱干扰：
非光谱干扰主要来源于试样组成对谱线强度的影响，这
种影响与试样在光源中的蒸发和激发过程有关，亦被称为基 体效应。
一、光谱干扰
光源中未离解的分子所产生的带状光谱是传 统光源背景的主要来源。
8
原子发射光谱分析的过程： （1）使试样在外界能量的作用下转变成气态原子，并
使气态原子的外层电子激发至高能态。
（2）当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释 放出多余的能量而发射出特征谱线。 （3）对所产生的辐射经过摄谱仪器进行色散分光，按 波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，
即光谱图。
4、电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma， ICP)光源 利用高频电感耦合的方法产生等离子体放电 的一种装置。由于它具有优异的分析性能，是应 用较广泛的一种新型激发光源。
16
（1）ICP炬的组成
组成：ICP 高频发生器+ 炬管+ 样品引入系统 石英炬管包括：
绝缘屏蔽
（3）ICP光源的分析性能
①低检测限：蒸发和激发温度高；
②稳定、精度高：高频电流----趋肤效应---涡流表面电 流密度大---环状结构---样品引入通道---火焰不受
样品引入影响---高稳定性。
③基体效应小：样品处于化学隋性环境的高温分析区-
---待测物难生成氧化物-----化学干扰小；样品处于
外管—冷却气，沿切线引入
中管—辅助气，点燃 ICP (点燃 后切断)
冷却气
辅助气 载气Ar + 样品 载气（Ar）
内管—载气，样品引入（使用Ar 是因为性质稳定、不与试样 作用、光谱简单）
17
废液 样品溶液
（2）ICP炬形成过程
1）感应线圈 高频交变电流（ 交变感
27～41MHZ, 2～4KW） 应磁场；
（2）直流电弧的分析性能
a）样品蒸发能力强（阳极斑）---进入电弧的待测物多--绝对灵敏度高---尤其适于定性分析；同时也适于部分矿物 、岩石等难熔样品及稀土难熔元素定量； b）电弧不稳----分析重现性差； c）弧层厚，自吸严重； d）安全性差。
13
2、低压交流电弧 （1）低压交流电弧发生器工作原理
25
出射狭缝
1）棱镜
棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料 对不同波 长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折 射率大。
b
Cornu棱镜
Littrow棱镜
（左旋+右旋----消除双像）
26
（镀膜反射）
2）光栅
光栅摄谱仪应用衍射光栅作为色散元件，利用光在刻痕 小 反射面上的衍射和衍射光的干涉作用进行分光。下图为 平面反射光栅：
示。每条谱线对应一激发电位。
2）原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示，如
Na(I)
4
第一节 基本原理
1. 几个概念
3）共振线(Resonance line)：由激发态直接跃迁至基态时所辐 射的谱线 ，激发电位最小、最易激发、谱线最强。
4）电离电位(Ionization potential)和离子线：原子受激后得到
火焰
激光
2000~ 3000 很好 ~ 10000 很好
22
LTE LTE
溶液、碱金属、碱土金属 固体、液体
二、分光仪（光谱仪）
作用：将光源发射的不同波长的光色散成为光谱或
单色光，并且进行记录和检测。
种类：按照所使用的色散元件不同，分为棱镜摄谱
仪和光栅摄谱仪。按照光谱记录与测量方法不同，
分为照相式摄谱仪和光电直读光谱仪。
14
3、高压火花 （1）高压火花发生器工作原理
采用高电压（10～15 kV）或者大电容（10～100µ F）都能 使电容器储存很高的能量，产生很大电流密度的火花放电。
（2）高压火花光源的分析性能
1）放电稳定，分析重现性好； 2）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低， 多适于分析易熔金属、合金样品及高含量元素分析，不适 于微量或痕量元素的测定 ； 3）激发温度高（瞬间可达10000K）适于难激发元素分析 。 15
第十章 原子发射光谱法
张艳玲
内蒙古大学化学化工学院
E-mail: zhyl@
第十章
原子发射光谱法
第一节 基本原理
第二节 原子发射光谱仪器 第三节 干扰及消除方法 第四节 光谱分析方法 第五节 原子发射光谱的特点及应用
2
定义：原子发射光谱法(Atomic Emission Spectrometry，AES)是根据待测物质的气态原子或 离子受激发后所发射的特征光谱的波长及其强度来 测定物质中元素组成和含量的分析方法。
发生器由高频高压引燃电路和低压电弧放电电路组成。
（2）低压交流电弧分析性能
1）蒸发温度比直流电弧略低；电弧温度比直流电弧略高；
2）电弧稳定，重现性好，适于大多数元素的定量分析； 3）放电温度较高，激发能力较强； 4）电极温度相对较低，样品蒸发能力比直流电弧差，故对难 熔盐分析的灵敏度略差于直流电弧； 5）该激发光源广泛用于金属、合金中低含量元素的定量分析 和定性分析。
E = E2-E1 = h =hc/
从上式可见，每一条所发射的谱线的波长，取决
于跃迁前后两个能级之差。
6
量子力学基本理论告诉我们：
1）原子或离子可处于不连续的能量状态（量子化），该状态 可以光谱项来描述；
2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时， 其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁至另一能量状态（ 激发态）； 3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回 到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来； 4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线光谱
23
1、摄谱仪
以棱镜或光栅为色散元件并用照相法记录光谱的光谱仪。
1．照明系统 主要作用是使光源发射的光均匀有效地照明入射狭 缝，使感光板上的光谱线黑度均匀。 2．准光系统 使进入狭缝的光通过准光镜后变成平行光投射到色 散棱镜或光栅（单色器）上。 3 ．色散系统 经过准光镜后的平行光束，通过棱镜或光栅产生色
2）火花 氩气 气体电离 少量电荷 相互碰撞 雪崩现象 大量载流子； 3）数百安极高感应电流（涡电流 ） 瞬间加热 到104K 等离子体 内管通入Ar形
成环状结构样品通道 、原子化、激发。
样品蒸发
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图 ICP炬形成原理 1一内层管 2一中层管 3一外层管 4一 ICP炬 5一冷却气 6一载气 7一辅助气 8一感应圈 9一感应区
用下，可以产生许多按一定波长次序排列的谱线组—
—特征谱线，其波长是由每种元素的原子性质所决定
的。通过检查谱片上有无特征谱线的出现来确定该元 素是否存在，称为光谱定性分析。
稳 定 热性质 性
较差 较好 好
LTE LTE LTE
分析 对象
定性、难熔样品及元素定量、 导体、矿物纯物质
交流电弧
中 低
矿物、低含量金属定量分析 难激发元素、高含量金属定量 分析
火花
ICP
~ 10000 2000 ~ 3000 ~ 10000
6000 ~ 8000
很好
非 LTE 溶液、难激发元素、大多数元素
）；
7
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列不同波长的特 征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否鉴别元素的存 在——定性分析；而这些光谱线的强度又与试样中该元素的含 量有关，因此又可利用这些谱线的强度来测定元素的含量——
定量分析。
AES根据物质中不同原子的能级跃迁所产生的光谱线来研 究物质的化学组成的。
基体效应：由于标准样品与试样的基体组成差别较大。 在实际工作中，常常向试样和标准样品中加入一些
添加剂以减小基体效应，提高分析的准确度，这种添加
剂有时也被用来提高分析的灵敏度。 添加剂主要有光谱缓冲剂和光谱载体。
第四节 光谱分析方法
一、光谱定性分析 （一）光谱定性分析的原理 1、光谱定性分析
由于各种元素原子结构的不同，在光源的激发作
（4）然后根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析。
P 0 P ’1 相 对 强 度
A C
D
B 距离
27
d
下图为国产WSP—1型平面光栅摄谱仪光路图
28
2、光电直读光谱仪
包括多道直读光谱仪、单道扫描式光谱仪和全谱直读光谱仪。
多元素同时检测
R
29
直读光谱仪器特点： 宽波长范围； 多元素快速分析； 准确度高； 线性范围宽，可分析高含量； 狭缝固定，分析元素固定； 谱线易漂移；
历史：1859年德国学者Kirchhoff & Bensen——分
光镜； 随后30年——定性分析; 1930年以后——定 量分析。
3
第一节 基本原理
1. 几个概念
1）激发电位(Excited potential)：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，通常以电子伏特来（ eV ）表
足够能量而失去电子，成为离子 ——电离；所需的能量称为电
离电位；离子的外层电子跃迁——离子线。以II，III，IV等表
示。
5
2. 原子发射光谱的产生过程：
1）能量（电或热、光） 2）外层电子（低能态E1 3）外层电子（低能态E1 基态原子 高能态E2） 高能态E2）
10－8 S
4）发出特征频率()的光子：
31
第三节 干扰及消除方法（选学）
光谱干扰：
在发射光谱中最重要的光谱干扰是背景干扰。带状光谱 、连续光谱以及光学系统的杂散光等，都会造成光谱的背景 。
非光谱干扰：
非光谱干扰主要来源于试样组成对谱线强度的影响，这
种影响与试样在光源中的蒸发和激发过程有关，亦被称为基 体效应。
一、光谱干扰
光源中未离解的分子所产生的带状光谱是传 统光源背景的主要来源。
8
原子发射光谱分析的过程： （1）使试样在外界能量的作用下转变成气态原子，并
使气态原子的外层电子激发至高能态。
（2）当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释 放出多余的能量而发射出特征谱线。 （3）对所产生的辐射经过摄谱仪器进行色散分光，按 波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，
即光谱图。
4、电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma， ICP)光源 利用高频电感耦合的方法产生等离子体放电 的一种装置。由于它具有优异的分析性能，是应 用较广泛的一种新型激发光源。
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（1）ICP炬的组成
组成：ICP 高频发生器+ 炬管+ 样品引入系统 石英炬管包括：
绝缘屏蔽
（3）ICP光源的分析性能
①低检测限：蒸发和激发温度高；
②稳定、精度高：高频电流----趋肤效应---涡流表面电 流密度大---环状结构---样品引入通道---火焰不受
样品引入影响---高稳定性。
③基体效应小：样品处于化学隋性环境的高温分析区-
---待测物难生成氧化物-----化学干扰小；样品处于
外管—冷却气，沿切线引入
中管—辅助气，点燃 ICP (点燃 后切断)
冷却气
辅助气 载气Ar + 样品 载气（Ar）
内管—载气，样品引入（使用Ar 是因为性质稳定、不与试样 作用、光谱简单）
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废液 样品溶液
（2）ICP炬形成过程
1）感应线圈 高频交变电流（ 交变感
27～41MHZ, 2～4KW） 应磁场；
（2）直流电弧的分析性能
a）样品蒸发能力强（阳极斑）---进入电弧的待测物多--绝对灵敏度高---尤其适于定性分析；同时也适于部分矿物 、岩石等难熔样品及稀土难熔元素定量； b）电弧不稳----分析重现性差； c）弧层厚，自吸严重； d）安全性差。
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2、低压交流电弧 （1）低压交流电弧发生器工作原理
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出射狭缝
1）棱镜
棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料 对不同波 长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折 射率大。
b
Cornu棱镜
Littrow棱镜
（左旋+右旋----消除双像）
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（镀膜反射）
2）光栅
光栅摄谱仪应用衍射光栅作为色散元件，利用光在刻痕 小 反射面上的衍射和衍射光的干涉作用进行分光。下图为 平面反射光栅：
示。每条谱线对应一激发电位。
2）原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示，如
Na(I)
4
第一节 基本原理
1. 几个概念
3）共振线(Resonance line)：由激发态直接跃迁至基态时所辐 射的谱线 ，激发电位最小、最易激发、谱线最强。
4）电离电位(Ionization potential)和离子线：原子受激后得到
火焰
激光
2000~ 3000 很好 ~ 10000 很好
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LTE LTE
溶液、碱金属、碱土金属 固体、液体
二、分光仪（光谱仪）
作用：将光源发射的不同波长的光色散成为光谱或
单色光，并且进行记录和检测。
种类：按照所使用的色散元件不同，分为棱镜摄谱
仪和光栅摄谱仪。按照光谱记录与测量方法不同，
分为照相式摄谱仪和光电直读光谱仪。
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3、高压火花 （1）高压火花发生器工作原理
采用高电压（10～15 kV）或者大电容（10～100µ F）都能 使电容器储存很高的能量，产生很大电流密度的火花放电。
（2）高压火花光源的分析性能
1）放电稳定，分析重现性好； 2）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低， 多适于分析易熔金属、合金样品及高含量元素分析，不适 于微量或痕量元素的测定 ； 3）激发温度高（瞬间可达10000K）适于难激发元素分析 。 15
第十章 原子发射光谱法
张艳玲
内蒙古大学化学化工学院
E-mail: zhyl@
第十章
原子发射光谱法
第一节 基本原理
第二节 原子发射光谱仪器 第三节 干扰及消除方法 第四节 光谱分析方法 第五节 原子发射光谱的特点及应用
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定义：原子发射光谱法(Atomic Emission Spectrometry，AES)是根据待测物质的气态原子或 离子受激发后所发射的特征光谱的波长及其强度来 测定物质中元素组成和含量的分析方法。
发生器由高频高压引燃电路和低压电弧放电电路组成。
（2）低压交流电弧分析性能
1）蒸发温度比直流电弧略低；电弧温度比直流电弧略高；
2）电弧稳定，重现性好，适于大多数元素的定量分析； 3）放电温度较高，激发能力较强； 4）电极温度相对较低，样品蒸发能力比直流电弧差，故对难 熔盐分析的灵敏度略差于直流电弧； 5）该激发光源广泛用于金属、合金中低含量元素的定量分析 和定性分析。
E = E2-E1 = h =hc/
从上式可见，每一条所发射的谱线的波长，取决
于跃迁前后两个能级之差。
6
量子力学基本理论告诉我们：
1）原子或离子可处于不连续的能量状态（量子化），该状态 可以光谱项来描述；
2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时， 其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁至另一能量状态（ 激发态）； 3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回 到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来； 4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线光谱
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1、摄谱仪
以棱镜或光栅为色散元件并用照相法记录光谱的光谱仪。
1．照明系统 主要作用是使光源发射的光均匀有效地照明入射狭 缝，使感光板上的光谱线黑度均匀。 2．准光系统 使进入狭缝的光通过准光镜后变成平行光投射到色 散棱镜或光栅（单色器）上。 3 ．色散系统 经过准光镜后的平行光束，通过棱镜或光栅产生色
2）火花 氩气 气体电离 少量电荷 相互碰撞 雪崩现象 大量载流子； 3）数百安极高感应电流（涡电流 ） 瞬间加热 到104K 等离子体 内管通入Ar形
成环状结构样品通道 、原子化、激发。
样品蒸发
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图 ICP炬形成原理 1一内层管 2一中层管 3一外层管 4一 ICP炬 5一冷却气 6一载气 7一辅助气 8一感应圈 9一感应区
用下，可以产生许多按一定波长次序排列的谱线组—
—特征谱线，其波长是由每种元素的原子性质所决定
的。通过检查谱片上有无特征谱线的出现来确定该元 素是否存在，称为光谱定性分析。
稳 定 热性质 性
较差 较好 好
LTE LTE LTE
分析 对象
定性、难熔样品及元素定量、 导体、矿物纯物质
交流电弧
中 低
矿物、低含量金属定量分析 难激发元素、高含量金属定量 分析
火花
ICP
~ 10000 2000 ~ 3000 ~ 10000
6000 ~ 8000
很好
非 LTE 溶液、难激发元素、大多数元素
）；
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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列不同波长的特 征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否鉴别元素的存 在——定性分析；而这些光谱线的强度又与试样中该元素的含 量有关，因此又可利用这些谱线的强度来测定元素的含量——
定量分析。
AES根据物质中不同原子的能级跃迁所产生的光谱线来研 究物质的化学组成的。
基体效应：由于标准样品与试样的基体组成差别较大。 在实际工作中，常常向试样和标准样品中加入一些
添加剂以减小基体效应，提高分析的准确度，这种添加
剂有时也被用来提高分析的灵敏度。 添加剂主要有光谱缓冲剂和光谱载体。
第四节 光谱分析方法
一、光谱定性分析 （一）光谱定性分析的原理 1、光谱定性分析
由于各种元素原子结构的不同，在光源的激发作
（4）然后根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析。