原子发射光谱技术在环境工程中的应用

仪器分析结课大作业

------原子发射光谱技术在环境分析中的应用

学院：环境与化学工程学院

专业班级：环境工程07级（01）班

学生姓名：姚婧婧

学号：40704040131

授课教师：常薇

原子发射光谱技术在环境分析中的应用

摘要：

目前，原子发射光谱在材料分析中已经广泛应用，主要集中在金属合金材料、高纯稀土、难熔陶瓷材料、化学试剂、化工试剂、化工原材料及矿石等。其中，绝大部分方法为ICP-AES 法，而以火花/为激发光源的光电直读光谱法则主要用于钢铁冶炼过程中的炉前分析。环境水样、植物茎叶、煤灰飞、水系沉淀物、土壤等试样的重金属及稀土元素测定是新近原子发射光谱法用于环境分析研究的焦点，其中以形态分析备受人们关注。【10】

关键字：原子发射光谱材料分析应用电感耦合等离子体

1.概述

原子发射光谱法（AES），是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分析的方法。原子发射光谱法是一种根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。

其方法包括了三个主要的过程，即：

（1）由光源提供能量使样品蒸发、形成气态原子、并进一步使气态原子激发而产生光辐射；（2）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；

（3）由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不同，因此发射强度不同，可实现元素的定量测定。2. 原子发射光谱法的特点

<1>.既可用定量分析又可用定性分析：每种元素的原子被激发后，都能发射出各自的特征谱线，所以，根据其特征谱线就可以准确无误的判断元素的存在，因此原子发射光谱是迄今为止进行元素定性分析最好的方法。周期表中大约70余种元素都可以用发射光谱法测定。

<2>.分析速度快：试样多数不需经过化学处理就可分析，且固体、液体试样均可直接分析，同时还可多元素同时测定，若用光电直读光谱仪，则可在几分钟内同时作几十个元素的定量测定。如钢厂炉前分析等。

<3>.选择性好：由于光谱的特征性强，所以对于一些化学性质极相似的元素的分析具有特别重要的意义。如铌和钽、铣和铪、十几种稀土元素的分析用其他方法都很困难，而对AES 来说是毫无困难之举。

<4>.检出限低：一般可达0.1～1ug·g－1，绝对值可达10－8～10－9g。用电感耦合等离子体（ICP）新光源，检出限可低至数量级。

<5>.用ICP光源时，准确度高，标准曲线的线性范围宽，可达4～6个数量级。可同时测定高、中、低含量的不同元素。因此ICP－AES已广泛应用于各个领域之中。

<6>.样品消耗少，适于整批样品的多组分测定，尤其是定性分析更显示出独特的优势。

3.原子发射光谱法的应用

（1）Fe70Ni30合金粉体触媒及合成金刚石中杂质元素的原子发射光谱分析【1】为了分析合成金刚石中的杂质元素，以粉体Fe 、Ni合金触媒及石墨为原料，用静态高压技术合成出金刚石，分别对触媒和金刚石进行了原子发射光谱分析。测试结果表明：触媒里具有Co、Ca和Mn等22种含量值在0．0001～1．5 wt％之间的杂质元素；合成金刚石中有含量值在0．00005～0．02 wt％之间的Fe、Ni和Ca等10种杂质元素。这些杂质元素对金刚石质量和性能的影响进行了定性讨论。采用粉末触媒合成金刚石，其合成晶体中含有一定量的杂质元素是很难避免的，除合理采用合成工艺外，还可以通过严格控制原材料纯度等一些措施，来降低合成晶体中杂质元素的含量，进而提高合成金刚石的质量。

（2）电感耦合等离子体发射光谱法定量测试成色剂中的锰等微量金属元素【4】应用电感耦合等离子体发射光谱技术，首次建立了定量测试成色剂中的锰等9种微量金属元素的方法。采用湿法消解对成色剂样品进行了前处理。讨论了ICP-AES同时测定成色剂中9种微量金属元素时，利用功能强大的化学工作站对物理干扰和背景的消除。实验结果表明，建立的方法准确、快速，相对标准偏差均小于1.00%。被测元素工作曲线的线性相关系数R>0.9999

（3）电感耦合等离子体发射光谱法测定明胶中痕量元素【3】

应用电感耦合等离子体发射光谱技术建立了定量测定明胶中铁等13种微量元素的方法.采用湿法消解对明胶样品进行了前处理，讨论了ICP-AES同时测定明胶中13种微量元素时，利用功能强大的化学工作站对物理干扰和光谱干扰、背景进行消除。结果表明：此法准确、快速、检出限低，相对标准偏差及回收率均较好，被测元素工作曲线的线性相关系数r≥0.9995

（4）电感耦合等离子体发射光谱法定量测试成色剂中的微量元素Au,Sn和Pd 【5】应用电感耦合等离子体发射光谱技术，建立了定量测试成色剂中微量金属元素Au，Pd，Sn的方法．采用湿法消解对成色剂样品进行了前处理．讨论了ICP—AES测定成色剂中微量金属元素时，利用功能强大的化学工作站对物理干扰和背景的消除．实验结果表明，建立的

方法准确、快速、检测限低，相对标准偏差小于1.00％，回收率为96％～102％．被测元素工作曲线的线性相关系数r≥0．999950．

（5）电感耦合等离子体原子发射光谱技术分析痕量碘【6】

电感耦合等离子体原子发射光谱技术在碘分析的应用主要是，碘的分析共振线主要在真空一紫外区，对于原子吸收法来说目前缺乏稳定可靠的灯而且一般的原子吸收分光光度计难于提供在真空一紫外区的分析谱线，因此原子吸收法主要采用间接法。电感耦合等离子体原子发射光谱法由于a.等离子体激发源温度高(6000—8000K)，稳定性好，化学及电离干扰少等特点以及ICP光源辐射中有丰富的原子线和离子线可供选择；b.ICP—AES法在真空一紫外区分析可采用驱气的方法来消除空气、水蒸气对谱线的吸收，c.各种改善进样技术的应用，使得ICP一AES法直接测定非金属元素碘已成为可能。

（6）利用发射光谱研究脉冲电晕放电中的自由基【7】

利用发射光谱技术在大气压下测量了一但其为载体的不饱和水蒸气体系针-板式正脉冲电晕放电产生的OH自由基及O、H活性原子的发射光谱，并由氮气的△ν=-3和△ν=-4振动带序发射光谱强度计算得出氮气的相对振动布局及其振动温度，进而采用高斯分布拟合准确的求出了氮气的△ν=+1振动带序发射光谱强度，从而可以由氮气的△ν=+1振动带序与OH的重叠发射光谱中准确求出OH自由基的发射光谱强度。有发射光谱强度得到了激发态OH 自由基和O，H活性原子的布局。

（7）原子发射光谱技术在航空发动机磨损监控中的应用【8】

机械装备会发生一些因其润滑系统运转部件磨损引起的故障。柴油机38.5％的齿轮失效和35％的运行故障都是由于磨损引起的，40％的轴承失效是由于润滑不良引起的，磨损与装备的失效具有紧密的关系。而油液金属磨屑分析技术是目前机械装备磨损状态监控的重要手段之一。油液磨屑分析主要用于装备润滑系统的润滑油。通过检测油液中磨屑的成分、尺寸等，可得知磨损机理、磨损部位及磨损原因，并预测磨损发展趋势。油液的光谱分析是应用最早的油液磨屑检测技术。中国空军于1984年引进油液磨屑光谱分析技术，运用润滑油原子发射光谱分析技术监控航空发动机潜在故障并取得了明显效果，对保证飞行安全起到了十分重要的作用。

原子发射光谱分析法(AES)适用于检测悬浮于润滑油液中小于10μm的金属磨屑的成分、含量，是最常用的油液磨屑检测技术，它对磨损趋势的监测有很好的效果。油液原子发射光谱分析法主要包括以下内容：a.根据不同时期各种磨屑所含金属元素含量，可以判断摩擦副磨损程度，预测可能发生的失效和磨损率；b.根据磨屑的成分及浓度的变化，可以判断

出现异常磨损的部位；c.根据添加剂元素浓度的变化，判断油液的衰变程度。

原子发射光谱仪是目前我国航空维修领域最多的油液监控仪器。目前在航空发动机油液监控中广泛使用的磨屑检测仪器是转盘电极式原子发射光谱仪(ROD AES)。转盘电极式原子发射光谱仪的工作原理是，圆盘式旋转电极将油样带至圆盘电极和一棒状静止电极构成的缝隙之间，利用二电极之间的高压电弧使油样中的各个原子激发辐射特征光谱线。根据特征光谱线的波长和强度确定油液中磨损元素的成分及含量。转盘电极式原子发射光谱仪的优点：(1)油液无需预处理，仪器自动化程度高，操作易于掌握，分析速度快。(2)读数准确，重复性好，分析容量大。转盘电极式原子发射光谱法也存在一些局限性：由于盘电极不能将大颗粒磨屑带上及电弧能量不足而不能使大颗粒全部离子化，因此只能检测油液中小于10岫1的颗粒，而且不能提供有关磨屑的存在形式(如形态、大小等)方面的信息，不能判断磨损类型。分析某航空发动机在飞行后作润滑油原子发射光谱，发现Fe、Cr浓度急剧增长，其它元素浓度也有不同程度的增长，为此又从3个不同的部位取样分析也发现Fe浓度超标。该机返厂分解检查，结果为前轴间轴承严重损坏；滚棒全部严重剥落、外钢套滚道严重剥落、内缸套沿圆周有一半位置有深约O.1mm沟痕，保持架在后端面有磨伤。通过油液原子发射光谱分析技术，成功预报了该发动机的严重磨损状况，避免了重大飞行事故的发生。

（8）用发射光谱研究荧光灯阴极区中的钡浓度【10】

应用发射光谱技术研究了T12荧光灯阴极电子发射材料钡的损失,实验测定了阴极区中钡原子553.6,和钡离子455.4 493.4.谱线的辐亮度，由此得到钡原子6p1P1、钡离子62P3/2和62P1/2态浓度的轴向分布,理论上，由包含9个原子能级和5个离子能级的阴极区钡放电的速率方程，计算出了这些能级上钡粒子的浓度,实验和理论计算符合较好,结果表明，在阴极区钡离子浓度比钡原子浓度大，离阴极2mm处钡的总浓度为1015m-3量级

（9）液态电极等离子体发射光谱技术检测金属离子的研究应用【11】

液态电极等离子体发射光谱技术是以电解液为电极构建的放电系统，通过施加电压以产生等离子体，且其光谱特性与电解液的成分密切相关，从而通过发射光谱的测最可以实现金属离子的检测。由于液态电极等离子体发射光谱技术兼具-厂光谱测昔的稳定性、选择性和传感器测量方便、简洁的优点，因此最近十多年来引起人们的广泛关注。

液态电极等离子体发射光谱基本原理等离子体的产生可以通过气体的放电等方式实现，具体的放电方式、等离子体产生机理及其在快速化学成分分析中的应用目前仍然是等离子体领域研究热点。

4.原子发射光谱法的研究

（1）催化裂化汽油中硫化物的气相色谱-原子发射光谱分析方法【2】

用气相色谱-原子发射光谱联用(CC—AED)技术，建立了催化裂化汽油中各种硫化物类型分布的分析方法。考察了色谱条件对催化汽油中各种硫化物分离的影响，定性了催化汽油中的60余种硫化物，首次计算了程序升温条件下汽油馏分中各种硫化物的保留指数，为不同实验室的定性比较提供了依据。该方法可应用于不同来源汽油中各种硫化物类型分布的研究。

（2）色谱分离和原子发射光谱检测工业废水中的四价和五价钒的研究【12】在许多工业过程中，钒元素起着重要的作用。在钢铁工业和石油化学工业中，钒及其化合物具有广泛的用途。如在硫酸工业和石油化工过程中．钒的化合物被用来作为催化剂，在反应的过程中，五价钒和四价钒之间可以相互转化。钒元素有四种不同的价态：二价、三价、四价和五价。但是二价和三价的钒很容易被氧化生成四价或者五价，所以在工业过程和环境监测中，研究的重点主要都集中在四价和五价二种形态上。五价钒很稳定，而且毒性最大。四价钒不很稳定，毒性也比五价钒小，但是在天然水系中．四价钒可能会和许多有机配体，如一些羧酸形成稳定配合物而存在。这二种价态钒都有可能通过工业过程进入环境中，成为环境污染物。因为高价钒的毒性和特殊的稳定性，所以对它们的研究具有重要意义。

（3）润滑油中添加剂元素光谱分析研究【13】

采用MOA直读发射光谱建立的润滑油添加剂元素含量分析方法,具有操作方便,速度快和效率高等优点.

通过试验,优化建立了钙磷锌元素发射直读光谱分析回归曲线.实验研究表明:利用本实验方法可精确测定润滑油中各添加剂元素含量,这对润滑油的研制开发和生产有着极其重要的影响,同时表明采用不同的测量方法,光谱分析数据存在明显差异,从而证实了在使用发射光谱进行润滑油光谱分析时,采用正确实验方法的重要性.

（4）气相色谱-微波诱导等离子体原子发射光谱的应用进展【14】

GC-MIP-AES-结合了气相色谱的分离能力和原子发射光谱的多元素检测能力,具有通用性好,选择性高,检测限低,精密度高,基体干扰小等优点, GC-AES与其它气相色谱检测器的比较具体特点如下:A.可进行元素组成和比例的检测,以氦为工作气体的微波等离子体发射光谱检测器可检测元素周期表中除氦以外的任何一种元素,可获得待测物元素组成的信息；结合分子量信息可推测待测物的分子式B.集通用性和选择性于一体。通用性体现在可检测所有元素，若检测C H AES,即为有机物通用性检测器,且灵敏度高于FID,选择性体现在可检测指定元素,其选择性高于ECD,FPD,NPD等气相色谱检测器 C.可用于非同一标准品定量分

析。

（5）火花源原子发射光谱分析结果稳定性研究【15】

火花源光谱仪由于制样简便、分析元素多、范围广，目前已经成为钢铁成分分析的主要仪器。但是光谱分析准确度却引起人们关注，尤其是钢样中的碳、磷、硫分析结果的波动更引人瞩目。众所周知，良好的稳定性才是使结果准确的基本保证和前提。大量结果表明，样品本身的均匀性、样品的预燃时间、信号采集时间、室温、电压、真空、电极消耗、氩气纯度等都是影响分析结果稳定性的因素。基于此，强化了取样和制样措施，选用合适的分析条件，确保外部环境稳定，使光谱分析结果获得可观的稳定性。

（7）电感耦合等离子体--原子发射光谱分析中基体效应的研究概述

电感耦合等离子体——原于发射光谱分析是当今痕量元素分析中占据重要地位的一项技术。这应归因于它具有良好的分析性能，如高灵敏度、精密度、选择性、稳定性及低检出限；宽动力学线性范围及弱基体效应，可进行多元素顺序或同时分析。特别在基体效应方面远优于原子吸收光谱法，因而正确识别IGP—AES基体效应的来源及其对分析信号的影响程度，是保证分析方法准确与精密的重要问题。

5．原子发射光谱法存在的问题

（1）. 在经典分析中，影响谱线强度的因素较多，尤其是试样组分的影响较为显著，所以对标准参比的组分要求较高。

（2）. 含量（浓度）较大时，准确度较差。

（3）. 只能用于元素分析，不能进行结构、形态的测定。

（4）. 大多数非金属元素难以得到灵敏的光谱线。

6.今后的发展前景

在今后的几年或者更长的一段时间内，我国在形态分析、联用技术、固体材料直接分析等领域中的研究将会得到加强；进样技术研究将有所深化、拓宽和更具特色；金属和非金属材料表面分析与逐层分析将提到日程；等离子体质谱将在超痕量分析和形态分析中发挥更重要的作用；在研究的方向上，原子发射光谱/质谱技术将会与生命科学、材料科学、环境科学及其他相关学科（如能源、考古、临床医学等）更紧密的结合、并进行交叉与渗透；无污染的“绿色分析技术”将得到与发展。【10】

参考文献：

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刊名：冶金分析英文刊名： METALLURGICAL ANALYSIS 2006，26(4)

【16】陶锐高舸电感耦合等离子体--原子发射光谱分析中基体效应的研究概述刊名：

中国卫生检验杂志英文刊名： CHINESE JOURNAL OF HEALTH LABORATORY TECHNOLOGY 2002，12(2)