发射光谱分析装置与仪器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十三章 原子发射光谱分析法,一、仪器类型与流程,二、光源,三、分光系统,四、检测系统,第二节 原子发射光谱分析装置与仪器,device and instrument of AES,atomic emission spectrometry,AES,2024/10/28,一、 仪器类型与流程,types and process of AES,原子发射光谱分析仪器的类型有多种，如：火焰发射光谱、微波等离子体光谱仪、感耦等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等；,2024/10/28,3,原子发射光谱分析的三个主要过程,:,样品蒸发、原子化，原子激发并产生光辐射。,分光，形成按波长顺序排列的光谱。,检测光谱中谱线的波长和强度,原子发射光谱仪方框图,光 源,分光系统,检测器,2024/10/28,火焰光度计,flame spectrometer,利用火焰作为激发光源，仪器装置简单，稳定性高。该仪器通常采用滤光片、光电池检测器等元件，价格低廉，又称火焰光度计。,常用于碱金属、钙等谱线简单的几种元素的测定，在硅酸盐、血浆等样品的分析中应用较多。对钠、钾测定困难，仪器的选择性差。,2024/10/28,光谱仪(摄谱仪),spectrophotometer,将原子发射出的辐射分光后观察其光谱的仪器。,按接受光谱方式分：看谱法、摄谱法、光电法；,按仪器分光系统分：棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪；,光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有更大的分辨率。,摄谱仪在钢铁工业应用广泛。,性能指标：色散率、分辨率、集光能力。,2024/10/28,摄谱仪光路图,2024/10/28,摄谱仪的观察装置,（1）光谱投影仪,（映谱仪），光谱定性分析时将光谱图放大，放大20倍。,（2）测微光度计,（黑度计）；定量分析时，测定接受到的光谱线强度；光线越强，感光板上谱线越黑。,S,=lg(1/,T,)=lg(,I,0,/,I,),2024/10/28,1,、光源,光源的作用,：,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。,蒸发：使试样中各种元素从试样中蒸发出来，在分析间隙形成原子蒸气云（原子化）。,激发：使蒸气云中的气态原子（或离子）获得能量而被激发，当激发态的原子（或离子）跃迁至基态（或较低激发态）时，辐射光谱。,2024/10/28,（一）直流电弧,E,直流电源,电感,L,R,可变电阻,G,分析间隙,工作原理,击穿,阳极斑,2024/10/28,直流电作为激发能源，电压150 380,V，,电流530,A；,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，再使电极相距4 6,mm.,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。,2024/10/28,2.,直流电弧的放电特性,温度分布,弧焰中心,：,4000-7000 K,，,由弧中心沿半径向,外弧温逐渐下降。,阳极：最高,3800 K,；,阴极：最高,3000 K,。,2024/10/28,3.,直流电弧分析性能,蒸发能力强，适用于难挥发元素。,弧焰温度较低，激发能力较差。,弧光游移不定，分析结果的重现性差。,弧层较厚，易产生自吸现象，不适合高含量成分的定量分析。,4.,应用,定性和半定量分析,：各类试样均适用。,定量分析：矿石、纯金属中的,痕量组分,。,2024/10/28,（二）交流电弧,分析间隙,1.,工作原理,I,：,高频引弧电路；,II,：,低压燃弧电路,2024/10/28,工作电压：110,-220 V。,采用高频引燃装置点燃电弧，在每一交流半周时引燃一次，保持电弧不灭；,（1）接通电源，由变压器,B,1,升压至2.5,-3,kV，电容器,C,1充电；达到一定值时，放电盘,G,1击穿；,G,1-,C,1-,L,1构成振荡回路，产生高频振荡；,（2）振荡电压经,B,2的次级线圈升压到10kV，通过电容器,C,2将电极间隙G的空气击穿，产生高频振荡放电；,（3）当,G,被击穿时，电源的低压部分沿着已造成的电离气体通道，通过,G,进行电弧放电；,（4）在放电的短暂瞬间，电压降低直至电弧熄灭，在下半周高频再次点燃，重复进行,；,2024/10/28,2.,放电特性,:,间歇性放电，工作电流具有脉冲性。,（1）电弧温度高，激发能力强,；,（2）电极温度稍低，蒸发能力稍低；,（3）电弧稳定性好，使分析重现性好，适用于定量分析。,3.,应用,定性和半定量分析：金属、合金样品。,定量分析：金属、合金中的低含量元素。,2024/10/28,（三）高压火花,分析间隙,1.,工作原理,2024/10/28,（1）交流电压经变压器,T,后，产生1025,kV,的高压，然后通过扼流圈,D,向电容器,C,充电，达到,G,的击穿电压时，通过电感,L,向,G,放电，产生振荡性的火花放电,；,（2）转动续断器,M,，2, 3为钨电极，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,；,2024/10/28,2.,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；,缺点：,（1）灵敏度较差，但可做较高含量的分析,；,（2）噪音较大；,2024/10/28,3.,应用,定量分析：低熔点金属、合金的丝状、箔状样品，难激发元素，,高含量,元素。,2024/10/28,（四）电感耦合等离子体,(ICP),光源,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；,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；,光谱学家法塞尔和格伦菲尔德用于发射光谱分析，建立了,电感耦合等离子体光谱仪,(,ICP-AES);,70,年代获,ICP-AES,应用广泛。,2024/10/28,等离子体光源,外观上类似火焰的放电光源,2024/10/28,等离子体光源的形成类型,等离子体喷焰作为发射光谱的光源主要有以下三种形式：,(1)直流等离子体喷焰(,direct currut plasmajet，DCP),弧焰温度高 800,0-10000,K，,稳定性好，精密度接近,ICP，,装置简单，运行成本低；,(2),电感耦合等离子体(,inductively coupled plasma， ICP),ICP,的性能优越，已成为最主要的应用方式 ；,(3),微波感生等离子体(,microwave induced plasma, MIP),温度5000-6000,K，,激发能量高，可激发许多很难激发的非金属元素：,C、N、F、Br、Cl、C、H、O,等，可用于有机物成分分析，测定金属元素的灵敏度不如,DCP,和,ICP。,2024/10/28,ICP-AES,的结构流程,structure of ICP-AES and process,主要部分：,1. 高频发生器,2. 等离子体炬管,三层同心石英玻璃管,3. 试样雾化器,4. 光谱系统,2024/10/28,ICP-AES,2024/10/28,1. 晶体控制高频发生器,石英晶体作为振源，经电压和功率放大，产生具有一定频率和功率的高频信号，用来产生和维持等离子体放电。,石英晶体固有振荡频率：6.78,MHz，二次倍频后,为27,.120,MHz,电压和功率放大后，功率为1-2kW；,2024/10/28,2.,炬管与雾化器,三层同心石英玻璃炬管置于高频感应线圈中，等离子体工作气体从管内通过，试样在雾化器中雾化后，由中心管进入火焰；,外层,Ar,从切线方向进入，保护石英管不被烧熔，中层,Ar,用来点燃等离子体；,2024/10/28,3. 原理,当高频发生器,接通电源,后，高频电流,I,通过感应线圈,产生交变磁场,(绿色)。,开始时，管内为,Ar,气，不导电，需要用,高压电火花触发,，使气体电离后，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,。在垂直于磁场方向将,产生感应电流,（,涡电流,，粉色），其电阻很小，电流很大(数百安)，,产生高温,。又将气体加热、电离，在管口,形成稳定的等离子体焰炬,。,2024/10/28,焰心区,（预热区）,：,温度,10000 K,。,试样气溶胶通过这一区域时被预热、挥发溶剂和蒸发溶质。,内焰区（测光区）：温度,6000-8000 K,，,是分析物质原子化、激发、电离与辐射的主要区域，也是光谱分析区。,尾焰区：,温度,低于,6000 K,。,ICP,焰炬的,3,个区域,发射观测区,2024/10/28,温度分布,2024/10/28,ICP-AES,特点,(1),温度高，惰性气氛，原子化条件好，有利于难熔化合物的分解和元素激发，有,很高的灵敏度和稳定性,；,(,2,),“,趋肤效应”，涡电流在外表面处密度大，使表面温度高，轴心温度低，中心通道进样对等离子的稳定性影响小。也,有效消除自吸现象,，,线性范围宽,（45个数量级）；,(,3,),ICP,中电子密度大，碱金属电离造成的影响小；,(4),Ar,气体产生的背景干扰小；,(5) 无电极放电，无电极污染；,ICP,焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放电；,缺点,：对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高。,2024/10/28,对比,2024/10/28,三 分光系统,（一）棱镜分光系统,棱镜分光原理,根据光的,折射现象,进行分光，即波长不同的光折射率不同，经棱镜色散后按波长顺序被分开。,2024/10/28,（二）光栅分光系统,光栅,：,平行、等宽、等间隔的多个狭缝。,几个与光栅有关的常数,n(,条,/mm),：,单位长度光栅刻痕数。,d,：,光栅常数,，,d = 1/n,。,N,：,光栅总刻痕数，,N = n,光栅宽度。,光栅,2024/10/28,四 检测系统,（一）,感光板,1.,感光板的构造和照相过程,感光物质,(AgBr),明胶,(,增感剂,),感光层,构造,2024/10/28,(2),显影,(1),曝光,潜影中心,照相过程,2024/10/28,(3),定影,AgBr + Na,2,S,2,O,3,=,NaBr + NaAgS,2,O,3,微溶,NaAgS,2,O,3,+ Na,2,S,2,O,3,=,Na,3,Ag(S,2,O,3,),2,易溶,3NaAgS,2,O,3,+ Na,2,S,2,O,3,=,Na,5,Ag,3,(S,2,O,3,),4,易溶,(4),冲洗及干燥,2024/10/28,2.,乳剂特性曲线,黑度,(S),：感光板曝光后变黑的程度称为变黑密度，简称黑度。,乳剂特性曲线,H,Et,H,：,曝光量,正常曝光部分,2024/10/28,（二）光电倍增管,多道光电直读光谱仪,2024/10/28,内容选择：,第一节 原子发射光谱分析基本原理,basic principle of atomic emission spectrometry,第二节 发射光谱分析装置与仪器,device and instrument of AES,第三节 等离子体发射光谱仪,plasma,emission spectrometry,第四节 定性、定量分析方法,qualitative and quantitative analysis method,结束,2024/10/28,