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ICPS基础
ICP发射光谱分析法
前言
ICP(Inductively Coupled Plasma)发射光谱分析法是利用电感耦合等离子体(ICP)作为光源的发射光谱分析方法,基本原理上与电弧和火花作为光源的发射光谱分析方法一样。
2.发射光谱分析法的基础与原理
2.1 发射光谱分析法
发射光谱分析法是当样品受到电能,热能等作用时,将已蒸发、气化样品种原子激发,利用分光(色散)器将激发原子固有的特征谱线分开,利用检测器检测这些特征谱线的有或无及强度,就可以进行样品中所含元素的定性、定量分析。
检测谱线的方法有利用干板或底片的照相法,利用光电倍增管的光电检测法。
2.2 发射光谱分析的原理
原子由原子核与围绕原子核 离子化 激
以固有的不同轨道运动的电子 发
构成。以任何方法从外部对这 2 g N 能
些电子加与能量,吸收能量的 离子化能 1 h ν 级
轨道电子从正常状态跃迁到高 E2 E1
能级轨道(E2),然后电子又以
10-7~10-8秒这样的短时间内, 图 1。能级图
从返回到低能级轨道(E1)。这时产生的能量差ΔE则以光的形式释放出来。光的振动频率ν以以下公式表示:
ΔE= E2-E1=hν h:布兰克常数
光的振动频率与波长的关系式如下:
λ=c /ν c:光速(3 x 1010cm/sec)
发射的光通过分光(色散)器,棱镜与光栅进行分光,检测器样品激发部分称为光源。由于原子的结构不同,所以在紫外、超紫外、红外区域产生谱线的数量也不等,例如,稀土元素、铀、钍元素达数千条之多,而碱金属、碱土金属元素只有数十条。根据发射的原子状态,谱线可以分为原子线(电弧线)与离子线(火花线)。
当一种物质发光时,如果在谱线中发现某种元素的原子或离子谱线时,就可以确认物质中存在这种元素。这就是定性分析原理。
物质中所含元素的数量有变化时,此物质的发光谱线的强度也随之变化。将谱线的强度利用照相法或光电法进行检测,根据元素含量与照相法干板的黑度或光电法检测电流强度的相互关系,可以得出物质中所含元素的含量,这就是定量分析???原理。
2.3 ICP的原理
等离子体
磁力线H
图2为等离子体产生的过程。
当高频电流I通过电感线圈
冷却水
时,其周围空气中产生交变磁
场H,这种交变磁场在方向和
样品颗粒
强度上都是随时间变化的。这
时通入的氩气不能电离,仍是
图 2
非导体。炬管内虽有交变磁场,
却不能形成等离子体。如果在炬管口用探漏仪等打几个火花,使少量氩气电离,产生电子和离子的“种子”,这时,交变磁场就立即感应这些“种子”,使其在相反的方向上加速并在炬管内沿闭合回路流动,形成涡流。这时电子和离子被高频场加速后,在运动中遭受气流的阻挡就产生热,达到高温,同时发生电离,出现更多的电子和离子,而形成等离子火炬。
由于高频电流通过载体,故具有趋肤效应(Skin Effect)。即电流主要在导体表面薄层内流动。频率越高,等离子体的导电性越好,等离子体的加热集中在周遍部位,通载气时中心部分的温度明显下降,形成等离子体中心通道。雾化后的气溶胶在中心通道中,蒸发、原子化、激发。
3.ICP发射光谱仪
ICP发射光谱仪的结构
ICP发射光谱仪由高频电源,光源(等离子体炬管,进样系统),分光(色散系统,信号处理系统构成。图 3为结构概略图。
等离子炬管 分光系统 检测系统 信号处理系统
高频电源
图 3 ICP发射光谱仪的结构图
光源
等离子炬管为三重石英管,通过外管的Ar气为冷却气体(形成等离子体气体),流量为10~20 L/min。通过中间管的Ar气为等离子体气(辅助气体),流量为1~2 L/min,用于防止等离子体下降而与等离子炬管接触,熔融。通过中心管的Ar气为载气(样品气),用于将样品气溶胶送入等离子体中。
ICP分析样品的形态,一般是溶液。溶液样品的送样方法是采用同心型与交叉型的雾化器。
ICP
???
?????????
???????
雾化器
?????
冷却气
炬管
等离子气
旋流雾化室
载气
样品溶液
水平器
图 4。旋流雾化器
分光(色散)器
分光器的光学器件配置形式。图5是以使用平面光栅为代表的分
光器配置。
一般将入射的平行光照射到平面光栅上,经过与准直镜,聚焦镜按不同形式组合而形成的分光器。Fastie-Ebert型一般用作照相分光器。Czerny-Turner型分光器用作单
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