电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)的研究进展

电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）的研究进展
发布: 2009-5-20 15:46 | 作者: admin | 查看: 131次
1 概述1.1 ICP-AES分析技术的发展
电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）是以电感耦合等离子炬为激发光源的一类光谱分析方法，它是一种由原子发射光谱法衍生出来的新型分析技术。

它能够方便、快速、准确地测定水样中的多种金属元素和准金属元素，且没有显著的基体效应。

早在1884年Hittorf就注意到，当高频电流通过感应线圈时，装在该线圈所环绕的真空管中的残留气体会发生辉光，这是高频感应放电的最初观察。

1942年Babat采用大功率电子振荡器实现了石英管中在不同压强和非流动气流下的高频感应放电，为这种放电的实用化奠定了基础。

1961年Reed设计了一种从石英管的切向通入冷却气的较为合理的高频放电装置，它采用Ar或含Ar的混合气体为冷却气，并用碳棒或钨棒来引燃。

Reed把这种在大气压下所得到的外观类似火焰的稳定的高频无极放电称为电感耦合等离子炬（ICP）。

Reed的工作引起了Greenfield、Wenat和Fassel的极大兴趣，他们首先把Reed 的ICP装置用于AES，并分别于1964年和1965年发表了他们的研究成果，开创了ICP 在原子光谱分析上的应用历史。

20世纪70年代，ICP-AES进入实质应用阶段。

1975年美国的ARL公司生产出了第一台商品ICP-AES多色仪，此后各种类型的商品仪器相继出现。

今天ICP-AES分析技术已成为现代检测技术的一个重要组成部分。

近年来，人们逐渐认识到，在有ICP产生的6000-10000K的高温下，试样中的大多数组分经原子化后又进一步发生了电离，所以由此得到的光谱实际上是一种离子光谱，而不是原先认为的原子光谱，所以在最近的一些文献资料中，一些作者将ICP-AES改名为ICP-OES。

1.2 ICP-AES方法的优缺点
与其他方法相比，ICP-AES方法具有以下几个优点：
（1）分析速度快。

ICP-AES法干扰低、时间分布稳定、线性范围宽，能够一次同时读出多种被测元素的特征光谱，同时对多种元素进行定量和定性分析。

（2）分析灵敏度高。

直接摄谱仪测定，一般相对灵敏度为10-6级；绝对灵敏度为10-3-10-9 g 。

如果通过富集处理，相对灵敏度可达10-9级，绝对灵敏度可达10-11g 。

（3）分析准确度和精密度较高。

ICP-AES法是各种分析方法中干扰较小的一种，一般情况下其相对标准偏差10%，当分析物浓度超过100倍检出限时，相对标准偏差1% 。

（4）测定范围广。

可以测定几乎所有紫外和可见光区的谱线，被测元素的范围大，一次可以测定几十个元素。

ICP-AES法的不足之处在于设备和操作费用较高，样品一般需预先转化为溶液（固体直接进样时精密度和准确度降低），对有些元素优势并不明显。

1.3 ICP-AES方法的原理
等离子体发射光谱法可以同时测定样品中的多元素的含量。

当氩气通过等离子体火炬时，经射频发生器所产生的交变电磁场使其电离、加速并与其他氩原子碰撞。

这种链锁反应使更多的氩原子电离，形成原子、离子、电子的粒子混合气体，即等离子体。

不同元素的原子在激发或电离时可发射出特征光谱，所以等离子体发射光谱可用来定性测定样品中存在的元素。

特征光谱的强弱与样品中原子浓度无关，与标准溶液进行比较，即可定量测定样品中各元素的含量。

1.4 ICP-AES的仪器装置
ICP-AES系统的主要部件有：作为载气、辅助气、冷却气的氩气源和氩气流量控制装置；样品引入装置；炬管；射频发生器；传输光路和分光计；单个或多个检测器；数据处理系统。

常用的电感耦合等离子体原子发射光谱仪通常分为多道式和顺序扫描式两种。

影响其分析特性的因素很多，但主要工作参数有3个，即高频功率、载气流量和观测高度。

对于不同的分析项目和分析要求，这三个参数存在一定的差异。

辛仁轩等研究了电荷注入检测器（CID）等离子光谱仪的光度精度和分析参数的关系，测试了进样载气压力和等离子功率对多种元素谱线测量的光度精度的影响。

实验结果表明，较高的等离子体功率和雾化系统载气压力可得到较好的谱线强度测量的光度精度；
CID-ICP光谱仪的光度精度（RSD<4%）优于电磁驱动顺序等离子体光谱仪
（RSD<10%）。

现代的ICP光谱仪，一般都有微机控制系统，自动化程度都较高，分析程序由键盘输入，仪器一般也都配有自动故障报警、安全保护等功能。

2 ICP-AES在水环境监测中的研究进展2.1 ICP-AES在废水监测中的研究
林武滔等利用高灵敏度ICP-AES 线性范围宽的优点, 测定了农药和活性碳行业废水中的总磷, 该法介质干扰小、检出限能满足需求、操作简便、精密度高、结果准确, 完全可适用于工业废水中总磷的测定。

吴娟研究了废水样中的待测元素在选定的最佳实验条件下, ICP -AES测定Cu、Pb、Cd、Mn、Fe、As、Be等元素,获得了满意的分析结果。

该方法的相对标准偏差在0.4% ～7.6% 之间,回收率在92.8% ～107.6% 之间。

而且该方法具有简便、快速、准确度好、消耗试剂少等特点,可以推广到有色金属的矿山、冶炼厂及加工厂等单位的废水测定日常实验中。

孙翌等研究了用微波消解电感耦合等离子体发射光谱法测定城市污水中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Na、Mn、Fe、Ni、Se、Sb等11种元素的方法。

在最佳试验条件下,被测元素的检出限为0. 004μg/mL～0. 12μg/mL , 相对标准偏差为
1. 9% ～11% ,回收率为93. 1%～104%。

该方法避免了常规检测过程的分析损失,准确度与精密度均达到了要求,可直接用于城市污废水的检测及污水处理工艺过程中的控制分析。

2.2 ICP-AES在饮用水监测中的研究
张利民利用ICP-AES 直接测定饮用天然矿泉水中Fe、Pb、Cu、Cr、Cd、Zn、Sr、A g、Ba、L i 10 种元素。

方法简捷, 快速, 准确。

相对标准偏差< 5. 4% , 加标回收率95% —105%。

而且他应用ICP-AES 法测定了生活饮用水中微量元素铍。

生活饮用水水质检验铍的化学指标限值为0. 002 mg/ L , ICP-AES 法简便快捷且能满足该限值要求。

辛士刚采用过滤/ 酸化的处理方法,利用ICP-AES 法对矿泉水和地下饮用水中Sr 、Cu、Cr 三种微量元素进行了测定. 回收率为86 %～109.6 % ,相对标准偏差均小于
4.51 % ,与国家饮用水各元素的标准相符,结果满意。

陈金忠等用ICP-AES 法直接测定纯净水中痕量元素Mg,Ca和Sr，并研究了载气压力、观测高度和输出功率等实验条件对谱线强度的影响。

光谱分析的相对标准偏差在4%以内，方法简便、快速、准确。

纪桂芬通过实验,制定了用ICP-AES 法直接测定生活饮用水中铅、钡、钼、硒、硼、镍、镉、钒八种微量元素的企业标准方法。

利用国家标准物质验证了方法的准确度,测定值与标准值吻合,相对标准偏差小于2.00 % ,水样加标回收率为93.4 %～106.4 %。

该方法样品处理简单,不破坏样品,多元素同时测定,数据处理由计算机PS 软件来完成,快速准确,是目前元素检测分析方面较理想的方法。

黄志等利用氢化物发生ICP-A ES 法同时测定纯净水中砷和汞。

检出限分别为A s 1. 7μg/L，Hg 0. 1μg/L , 方法精密度(RSD) 为A s 3. 46%、Hg 2. 85% , 回收率为A s 92% —110%、Hg 90% —113%。

陈建斌等用IRIS/AP-ICP-AES法同时测定了地表水中的Cu、Pb、Zn、Mn和Cd。

采用铜试剂富集地表水中的重金属，以实现应用IRIS/AP-ICP-AES法同时测定了地表水中Cu、Pb、Zn、Mn和Cd 5种元素，并探讨了Fe、Al、Ca、Mg 4种元素可能存在的干扰，优选出最佳仪器工作条件和被测元素分析谱线。

RSD在0.518%—1.563%,回收率在92.0%—102.5%。

焦志兰采用酸法消解样品,分析了用ICP-AES 法测定环境土壤和地下水中Sr、Nd、Ce 的工作条件，测定元素Sr、Nd 和Ce 的分析线分别为407. 771、401. 225 和413. 765 nm。

该方法对Sr、Nd、Ce 的检出限分别为0. 001、0. 04 和0. 04μg/ m L 。

与国家标准物质GSS-1 和GSS-8 进行了比较,对Sr 和Ce 的测量误差小于2 % ,对Nd
的小于7 %。

结果表明,本方法稳定性好,可靠性高,具有操作简便、快捷、检测限低和精密
度高等优点,用标准加入法求出回收率大于95 % , RSD小于5 % ,能够满足环境土壤和地下水中Sr、Nd 和Ce的测定要求。

储溱将电感耦合等离子体光谱( ICP-AES) 和质谱( ICP-MS) 相结合, 直接测定生态地球化学评价水质样品中的20多种元素(Ca、Mg、P、Fe、Mn、Al、Ba、Sr、Si、L i、Be、V、Cr、Ti、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Sn、Pb) , 此方法灵敏高,达到分析元素检出限要求,经加标回收实验和标准样品验证方法准确可靠。

光谱( ICP-AES)精密度,用0.
1 mg/L的标准溶液进行10 次测量RSD < 2%; 质谱( ICP-MS)精密度,用10 μg/L 的标准溶液进行10 次测量RSD <3%,天然水样加入已知值待测元素的加标回收试验,回收率在90% ～110%。

3 结论
在水质监测中，所要监测的成分除了碱金属和碱土金属外，重金属也是重要的监测项目，一般水样经过简单的酸化和过滤后，可直接用ICP系统分析。

当待测元素的含量低于ICP系统的检出限时，则需要浓缩。

对于民用及工业废水，分析前常常需要进行处理，溶解样品中的悬浮物。

一般情况下水中的金属离子的含量极低，不能直接测定，需要用到一些分离富集技术，如溶剂萃取法、共沉淀法、离子交换法、流动注射法、色谱法、氢化物发生法以及活性炭富集法等，这些分离富集技术的应用不仅扩大了ICP-AES的应用范围，而且使分析的检测限、精密度和准确度有了很大的提高。

由于ICP-AES法具有灵敏度高、检出限低、多元素检测、线性范围宽、低干扰水平等突出优点，该技术自面世以来已得到了广泛的应用，已成为许多部门的实验室中不可缺少的常规分析手段及标准分析方法。