电感耦合等离子体原子发射光谱分析-1[1]

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ICP-AES发展的初期几个主要阶段
年代 作者或厂商 技术内容 成果或产品
1942年
前苏联物理学家 在大气中用无极放电产生等离子体 未能获得实用的稳定的 巴巴特 炬,但几秒种就使石英炬管烧熔 等离子火焰 里德(Reed) 设计制造了通入切向气流获得稳定 获得实用的稳定的等离 的等离子火焰的石英炬管,并提出 子火焰 可作为发射光谱分析光源 开展了等离子体光源 用于光谱分析的研究
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我国等离子体光谱分析技术研究几乎与世界同 时起步。1974年,北京化学试剂研究所的许国勤 等人,用一台2.5kw的高频加热设备改装成ICP发 生器,获得了很好的检出限。1977年吉林省铁岭 市电子仪器厂生产了我国第一台自激式等离子体发 生器(功率6kW,频率2MHz)的ICP装置商品仪器并 获得鉴定通过。后来,上海纸品厂、北京地质局实 验室和北京广播器材厂等单位生产的低功率发生器 相继投放市场。1985年北京第二光学仪器厂生产 的7502型ICP光量计通过鉴定。目前我国已有多家 厂商在生产ICP-AES。与国际先进水平相比国产 ICP-AES还有较大差距,主要是高频发生器的稳定 性还有待提高。
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感耦等离子体原子发射光谱分析
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2.2等离子体的基本概念
等离子体是指被电离的气体。这种气体不仅 含有中性原子和分子,还含有大量的电子和离子, 因此,等离子体是电的良导体。之所以称之为等 离子体,是因为其中含有的正负电荷密度几乎相 等,从整体上来看整个体系是电中性的。 在近代物理中把电离度大于0.1%的气体称 为等离子体。因为这时气体的导电能力已达到最 大导电能力的一半。按照这个定义,电弧放电和 火光放电的高温部分,太阳和其它恒星的表面电 离层,都是等离子体,而一般的化学火焰,由于 电离度较小,不称之为等离子体。
年代 作者或厂商 技术内容 成果或产品
系统研究了 提出多元素 1kw 50MHz 1974~ 同时测定的 法塞尔和博蔓斯 等离子体光源 1975 等离子体光 (P.W.J.M.Boumans) 的性能,为商 年 谱分析折中 品仪器的生产 条件的报告 准备了条件 鲍希隆公司应用研究 相继把第一 1975 所(Baush & Lomb 开辟了ICP代商品等离 AES推广应用 年前 ARL)和费希尔(Fisher) 子体光谱仪 后 科学公司的佳尔阿许 的新阶段 投放市场 (Jarrell-Ash)分部
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作者或厂商 非络伊德 (M.Floyed) 蒙塔塞 1976年 (A.Montaser)和法 塞尔 霍克(R.Hock) 1979∼ 1980年 和法塞尔 1980∼ 帕森(M.Parson) 1981年 德默斯(D.R. 1981年 Demers)和阿莱曼 (C.D.Allemand)
第二节 发射光谱的产生
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2.1光源
要产生光谱,就必须能提供足够的能量使试样 蒸发、原子化、激发,产生光谱。 目前常用的光源有高温火焰、直流电弧(DC arc)、 交流电弧(AC arc)、电火花(electric spark)及电感 耦合高频等离子体(ICP)。 2.1.1 直流电弧 直流电弧的最大优点是电极头温 度相对比较高(4000∼7000K,与其它光源比),蒸 发能力强、绝对灵敏度高、背景小;缺点是放电不 稳定,且弧较厚,自吸现象严重,故不适宜用于高 含量定量分析,但可很好地应用于矿石等的定性、 半定量及痕量元素的定量分析。
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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106∼108 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6000∼8000K,属于低温等 离子体。
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1955年澳大利亚物理学家沃尔什(A. Walsh)提 出了原子吸收分光光度新的测试方法之后,原子吸 收光谱法得到了迅速发展,很多光谱分析化学家纷 纷改行搞原子吸收光谱方法研究,给原子发射光谱 分析带来了严重的冲击。但是,仍然有一批化学家 坚守发射光谱分析这一领域,如美国依阿华大学的 法塞尔(V.A.Fassel)教授等。他还不断呼吁不能使 原子发射光谱分析逊色。正是有这样一批化学工作 者的坚持不懈,出现了等离子体原子发射光谱分析 这个光谱分析的新兴领域。
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随着等离子体技术的发展,等离子体与其它 分析技术的联用也越来越普遍: ◆LC-ICP 高效液相色谱仪与等离子体原子发射 光谱仪联用,将ICP作为高效液相色谱仪 的检测设备。 。 ◆GC-ICP 即将气相色谱仪与等离子体原子发射 光谱仪联用。 ◆ICP-MS 即将等离子体光谱仪与质谱仪联用。 将ICP作为质谱仪的离子源,将受光部分 改为质谱仪,不仅能进行高灵敏度的元素 分析,还能进行元素的状态分析。
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光源 直流 电弧 交流 电弧 高压 火花 火焰 光源
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蒸发温度 高(阳极)
激发温度
稳定 性
应用范围
矿物,纯物质,难 4000∼7000 较差 挥发元素(定性半 3000∼4000 定量分析) 中 金属合金低含量 4000∼7000 较好 元素的定量分析 1000∼2000 低 <1000 略低 瞬间可达 ∼10000 1000∼5000 好 含量高元素,易挥 发,难激发元素 溶液、碱金属、 碱土金属
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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2.5∼3cm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 (2∼5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。
把ICP用于原子吸收光谱分析 作为原子化器 发表了高灵敏度等离子体光源 使用超声雾化器和低载 法塞尔和迪金森 1969年 分析技术报告(检出限达到或超过 气流中心通道进样技术 (G.W.Sickinson) 火焰原子吸收分析技术水平)
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ICP-AES进入商业应用的几个主要进展
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高频发生器产生的高频电流(频率: 7∼50MHz,功率:1∼10kw)通过高频线圈,在线 圈附近产生交变磁场。磁力线走向:在线圈中央 (炬管轴心)磁场的走向几乎是轴向直线的,磁力 线高度集中;在线圈外部磁场的走向是呈椭圆形 的,方向与炬管内相反,与管内磁力线构成闭合 回路。由于电磁感应,中心高度集中的交变磁力 线又会在其周围产生电场,走向与外部线圈相似, 方向相反。常温下氩气是不导电的,所以不会有 感应电流,因而也就不会形成ICP炬焰。但如果此 时引入很少的电子或离子。这些电子或离子就会 在高频电场的作用下作高速旋转,碰撞气体分子 或原子并使之电离,产生更多的电子和
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感耦等离子体原子发射光谱分析
这种光源主要用于易熔金属合金试样的分析及 高含量元素的定量分析。 。 2.1.4等离子体光源 等离子体是一种电离度大于 0.1%的电离气体,由电子、离子、原子和分子所 组成,其中电子数目和离子数目基本相等,整体 呈现中性。 最常用的等离子体光源是直流等离子焰 (DCP)、感耦高频等离子炬(ICP)、容耦微波等离 子炬(CMP)和微波诱导等离子体(MIP)等。
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目前,联用技术已得到广泛应用。可以说, 只要是分离仪器和检测仪器都可以实现联用。联 用的目的就是发挥仪器的一些特殊性能,提高检 测效能。如流动注射装置除了可以与ICP-AES联 用,还和与ICP-MS,AAS等联用。但目前已成为 单独仪器的,并且应用较广的是ICP-MS。该设 备的最大特点是检出限非常低,一般可达10-14 g/L,比一般ICP-AES低1000倍,高分辨ICP-MS 的检出限更低。
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◆FI-ICP-AES 即将流动注射装置与等离子体原子 FI发射光谱联用,可大大提高ICP-AES对某些 元素的检测能力。 ◆ICP-AFS 即将等离子体原子发射光谱与原子荧光 光谱仪联用。现在美国的Baird公司生产这 种设备。 ◆LC-ICP-MS 利用LC将样品溶液的组分进行分 离,再利用ICP-MS进行测试。现在美国的 Thermo fisher公司生产这种设备。
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2.1.2 交流电弧 与直流相比,交流电弧的电极 头温度稍低一些,但弧温较高,出现的离子线比 支流电弧中多。由于有控制放电装置,故电弧较 稳定。广泛用于定性、定量分析中,但灵敏度稍 差。这种电源常用于金属、合金中低含量元素的 定量分析。 2.1.3 火花 由于高压火花放电时间极短,故在 这一瞬间内通过分析间隙的电流密度很大(高达 10000∼50000 A/cm2,因此弧焰瞬间温度很高, 可达10000K以上,故激发能量大,可激发电离电 位高的元素。由于电火花是以间隙方式进行工作 的,平均电流密度并不高,所以电极头温度较低, 且弧焰半径较小。
年代
技术内容 研制成功程序扫描等离子体 光谱仪用等离子体光源作为 原子荧光光谱仪的原子化器
用等离子体作为质谱分析的 离子源 编制等离子体谱线表和干扰 线表 和贝尔德(Baird)公司共同研 制成多元素等离子体原子荧 光分析光谱仪的商品仪器 低功率氮冷等离子体光源商 1982年 日本 岛津制作所 品仪器 1982年 佳尔阿许公司 n+m型等离子体光谱仪
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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。
1961~ 1962年
美国法塞尔 (V.A.Fassel)和英 (V.A.Fassel) 1962年 国格林菲尔德 (S.Greenfield) 1964~ 1965年 1966年 法塞尔 和林菲尔德 温特(R.H.Wendt) 和法塞尔
组装了等离子体装置, 对检出限、光谱特性及 发表了等离子体光源分析技术的 干扰特性进行了研究 第一批报告
电感耦合等离子体 原子发射光谱分析
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感耦等离子体原子发射光谱分析
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第一节 概述
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感耦等离子体原子发射光谱分析
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电感耦合等离子体原子发射光谱,英文名称: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectra,简称ICP-AES 或:Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectra,简称ICP-OES 顾名思义,ICP-AES是等离子体光源(ICP)与原子 发射光谱(AES)的联用技术,就是利用等离子体形 成的高温使待测元素产生原子发射光谱,通过对 光谱强度的检测,可以确定待测试样中是否有含 有所测元素(定性),其含量是多少(定量)。因此, ICP-AES仍是原子发射光谱范畴,它与原子吸收 光谱同祖同宗。
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