光学分析法-6.ppt

第六章 电感耦合等离子体原子发射光谱法 AES的定义 原子发射光谱法(AES)是根据试样物质中不同原子受激发后,从高能级跃迁回低能级,以光形式发射各原子谱线来研究物质的化学组成的分析方法,按照各元素特征谱线的位置和谱线强度,可以判断物质的成分和含量. 经典AES 的局限性 ①.检出能力差 用电弧或火花光源时,大多数元素的检出限为10-5-10-6克,而现代痕量分析的要求往往是在10-9-10-12克. ②.精密度差 用电弧或火花光源单次摄谱的相对标准偏差大致为: 金属,合金:5-7%;矿物:10-20%;痕量元素:20-30% ③.基体效应严重 ICP-AES具有以下的分析能力 ①.可分析周期表内除Ar气以外的所有元素. ②.可分析液体,气体和固体试样. ③.可作多元素同时分析和顺序分析,采用商品多道ICP-AES仪器,可在2-3分钟内同时获得多元素的分析结果. ④.具有较好的分析准确度及精密度 ⑤.基体干扰或元素间的相互干扰较少. ⑥.分析曲线的动态范围较宽,达到4-5个数量级. ⑦.有较低的检出限,一般可检测至0.1-10?g/l. ICP的定义 定义: 等离子体是指物质处于高度电离的一种特殊状态,又称物质第四态,它是由电子,离子,原子和分子组成的混合气体.在等离子体内,带正电荷和负电荷的粒子数目几乎相同.在宏观上,空间电荷为零,整体呈电中性.因此,在物理学中,等离子体电子和离子浓度处于平衡状态的电离的气体.在近代物理学中把电离度大于0.1%的电离气体都称为等离子体. ICP的分类及特性 等离子体包括: ①.低气压等离子体. ②.高气压热平衡和非热平衡等离子体. ③.热核反应中完全电离的,具有极高温度的等离子体. 共性:在其中的电子数和离子数基本相等,从宏观上看呈电中性. ICP炬是利用高频感应加热原理,使流经石英管的工作气体电离,这样产生的炬焰称为”等离子体炬”. ICP-AES的示意图 ICP炬的形成 ICP炬的形成过程就是气体的电离过程. 形成稳定的ICP火焰必须具备的条件: ①.高频电磁场. ②.工作气体. ③.能维持气体稳定放电的石英炬管. 炬管中的高频电磁场 C:石英炬管 L:感应线圈 H:磁场 炬焰的产生-点火与电感偶合 当空间没有导电粒子时,管口存在的高频电磁场不会形成炬焰. ①.若用Tesla线圈在管口打个火花,局部产生一些离子和电子,则这些带电离子在电磁场下被加速. ②.在交变情况下,离子和电子的加速运动形成涡流,并产生更多的带电离子,这时可观察到与工作气流方向一致的线状放电. ③.若产生足够多的带电粒子使气体的导电性增加足够大,即形成能自行维持的高温的等离子体,即ICP炬焰.这个过程称为”点火”. 趋肤效应 ICP炬的工作示意图 环状结构和中心通道的形成 作为原子发射光谱分析的光源,ICP炬应具有环状放电结构与中心通道.ICP光源的许多优点,几乎都与此有关.形成环状结构的主要因素是足够高的频率和中心气流.频率在7-36MHz 时,炬焰的环状结构几乎相同. 在ICP炬内,磁场在管壁处最强,中心最弱,磁压力也是中心处最弱.当炬管的内管中的载气气流足够大时,就可以透过炬焰中心,形成中心通道.中心载气气流减小,将使通道收缩,并引起样品导入稳定性变差;载气气流过大,则会扰乱炬焰致使不稳定甚至熄灭. 装置-ICP炬管 炬管由三层同心石英管套接而而成. 样品气溶胶由氩气携带从内管送入,目前商品仪器流行的ICP光源,中管和外管都通以氩气,氩气称为ICP的工作气体,所以,有时又叫Ar-ICP. 送入内管的叫做载气, 中管的气体叫辅助气,早期由称等离子气,在炬焰点燃后常可关掉不用; 外管气体是切向导入的冷却气. 装置-ICP炬管 在炬管顶上有时加一个”帽子”保护炬管,以减少炬焰与感应线圈放电烧损炬管的可能. 装置-ICP炬管 环状Ar-ICP温度的空间分布 ICP激发温度的径向分布图 载气流量对温度的影响 观察高度对温度分布影响 观察高度对电子密度的影响 载气气流对电子密度的影响 亚稳氩原子的数目密度的径向分布图 装置-射频发生器 发生器具有阻抗匹配网络,在点火后,能从点火所需的高频电场条件迅速转变为维持炬焰稳定运行所需的高频磁场条件. 发生器的频率在5-60MHz都可满足ICP的工作需要,商品发生器的工作频率大多采用工业标准27.12或40.68MHz. 频率较高,形成的ICP炬温度较低,电子密度较小,背景较小,有利于改善检测限.频率低,ICP炬焰较稳定,激发灵敏度高,基体效应可能小一些. 高频发生器自激式振荡电路 氩ICP激发机理 Ar的能级图 Arm的特性 硬线和软线 软线和硬线发射强度随观察高度的变化 RF功率增大(Ⅰ- Ⅲ)对软线A和硬线B强度及高度分布的影响 载气流量对谱线发射强度的影响