原子发射光谱法
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原子发射光谱法精讲
图3-15 多道直读光谱仪示意图
3.3.6.3 单道扫描光谱仪
图3-16 单道扫描光谱仪示意图
特点：波长范围宽，但速度慢。
3.3.6.4 全谱直读光谱仪
图3-17 全谱直读等离子体发射光谱仪示意图
特点：克服多道和单道光谱仪缺点，并 且波长稳定。
3.4 干扰及消除方法
光谱干扰（spectral interference） 非光谱干扰（non-spectral interference）
第3章 原子发射光谱法
（Atomic emission spectroscopy，AES）
现代直读ICP-AES仪器
3.1 概论
原子发射光谱法是根据待测元素的激 发态原子所辐射的特征谱线的波长和强度， 对元素进行定性和定量测定的分析方法。
1. 原子发射光谱法过程 光源提供能量使试样蒸发形成气态原子 并激发产生辐射分光形成光谱检测 谱线波长和强度
3.4.2.2 基体效应的抑制 ➢基体效应：由标准样品与试样的基体组成
差别较大引起的测定误差。
➢解决方法： ①尽量采用与试样基体一致的标准样品； ②添加光谱缓冲剂和光谱载体以减小基体效
应。
3.5 光谱分析方法
3..5.1 光谱定性分析 一般多采用摄谱法。
3.5.1.1 元素的分析线与最后线
分析线：进行分析时所使用的谱线。 灵敏线：元素激发能低、强度较大的谱线，
ICP
很高
6000～8000 最好
溶液的定量分析
3.3.2 试样引入激发光源方式 3.3.2.1 溶液试样
气动雾化 形成气溶胶 超声雾化 电热蒸发
图3-9 几种典型的雾化器 a. 同心雾化器；b. 交叉型雾化器； c. 烧结玻璃雾化器；d. Babington雾化器。
3.3.6.3 单道扫描光谱仪
图3-16 单道扫描光谱仪示意图
特点：波长范围宽，但速度慢。
3.3.6.4 全谱直读光谱仪
图3-17 全谱直读等离子体发射光谱仪示意图
特点：克服多道和单道光谱仪缺点，并 且波长稳定。
3.4 干扰及消除方法
光谱干扰（spectral interference） 非光谱干扰（non-spectral interference）
第3章 原子发射光谱法
（Atomic emission spectroscopy，AES）
现代直读ICP-AES仪器
3.1 概论
原子发射光谱法是根据待测元素的激 发态原子所辐射的特征谱线的波长和强度， 对元素进行定性和定量测定的分析方法。
1. 原子发射光谱法过程 光源提供能量使试样蒸发形成气态原子 并激发产生辐射分光形成光谱检测 谱线波长和强度
3.4.2.2 基体效应的抑制 ➢基体效应：由标准样品与试样的基体组成
差别较大引起的测定误差。
➢解决方法： ①尽量采用与试样基体一致的标准样品； ②添加光谱缓冲剂和光谱载体以减小基体效
应。
3.5 光谱分析方法
3..5.1 光谱定性分析 一般多采用摄谱法。
3.5.1.1 元素的分析线与最后线
分析线：进行分析时所使用的谱线。 灵敏线：元素激发能低、强度较大的谱线，
ICP
很高
6000～8000 最好
溶液的定量分析
3.3.2 试样引入激发光源方式 3.3.2.1 溶液试样
气动雾化 形成气溶胶 超声雾化 电热蒸发
图3-9 几种典型的雾化器 a. 同心雾化器；b. 交叉型雾化器； c. 烧结玻璃雾化器；d. Babington雾化器。
原子发射光谱分析法
原子发射光谱分析法
2023-11-06
目录
• 原子发射光谱分析法概述 • 原子发射光谱仪 • 分析方法与样品处理 • 原子发射光谱法的应用 • 原子发射光谱法的优缺点 • 研究成果与应用实例
01
原子发射光谱分析法概述
定义与原理
定义
原子发射光谱分析法是一种基于原子发射光谱学的方法，通过对样品中原子 或离子的特征光谱进行分析，实现对其成分和含量的测定。
原理
当样品被加热或受到能量激发时，原子会从基态跃迁到激发态，并释放出特 征光谱。通过对这些光谱进行分析，可以确定样品中元素的种类和含量。
发展历程与重要性
发展历程
原子发射光谱分析法自19世纪末发展至今，经历了从经典光谱分析到现代光谱仪 器分析的演进过程。
重要性
原子发射光谱分析法在科学研究和工业生产中具有广泛的应用价值，为材料科学 、环境科学、生命科学等领域提供了重要的分析手段。
03
该方法广泛应用于地质、环保、生物医学等领域，用于研究复杂样品中元素的 含量、分布和化学形态。
05
原子发射光谱法的优缺点
优点
高灵敏度
原子发射光谱法可以检测到低浓度的元素 ，具有很高的灵敏度。
无需样品处理
原子发射光谱法不需要对样品进行复杂的 处理，可以直接进行分析。
快速分析
该方法可以实现多元素同时分析，大大缩 短了分析时间。
发和激发。
光谱仪的构造
包括入射狭缝、准直镜、光栅 、聚焦镜和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射狭缝。
光谱仪工作原理
样品被激发后，原子会产生不 同波长的光谱，通过光栅分光 后形成光谱，再经过聚焦镜聚 焦到出射狭缝，最后由检测器
进行检测。
光谱仪的分类与特点
2023-11-06
目录
• 原子发射光谱分析法概述 • 原子发射光谱仪 • 分析方法与样品处理 • 原子发射光谱法的应用 • 原子发射光谱法的优缺点 • 研究成果与应用实例
01
原子发射光谱分析法概述
定义与原理
定义
原子发射光谱分析法是一种基于原子发射光谱学的方法，通过对样品中原子 或离子的特征光谱进行分析，实现对其成分和含量的测定。
原理
当样品被加热或受到能量激发时，原子会从基态跃迁到激发态，并释放出特 征光谱。通过对这些光谱进行分析，可以确定样品中元素的种类和含量。
发展历程与重要性
发展历程
原子发射光谱分析法自19世纪末发展至今，经历了从经典光谱分析到现代光谱仪 器分析的演进过程。
重要性
原子发射光谱分析法在科学研究和工业生产中具有广泛的应用价值，为材料科学 、环境科学、生命科学等领域提供了重要的分析手段。
03
该方法广泛应用于地质、环保、生物医学等领域，用于研究复杂样品中元素的 含量、分布和化学形态。
05
原子发射光谱法的优缺点
优点
高灵敏度
原子发射光谱法可以检测到低浓度的元素 ，具有很高的灵敏度。
无需样品处理
原子发射光谱法不需要对样品进行复杂的 处理，可以直接进行分析。
快速分析
该方法可以实现多元素同时分析，大大缩 短了分析时间。
发和激发。
光谱仪的构造
包括入射狭缝、准直镜、光栅 、聚焦镜和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射狭缝。
光谱仪工作原理
样品被激发后，原子会产生不 同波长的光谱，通过光栅分光 后形成光谱，再经过聚焦镜聚 焦到出射狭缝，最后由检测器
进行检测。
光谱仪的分类与特点
原子发射光谱法
a
b
弧焰示意图
第二节 仪器装置
原子发射光谱仪
光源
分光仪
检测器
壹
光源具有使试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射的作用。光源对光谱分析的检出限、精密度和准确度都有很大的影响。
肆
类型：直流电弧、交流电弧、电火花、电感耦合高频等离子体（ICP）
叁
要求：灵敏度高、稳定性好、结构简单、操作安全
较好
试样中低含量组分的定量分析
火花
低
瞬间10000
好
金属与合金、难激发元素的定量分析
ICP
很高
6000~8000
很好
溶液定量分析
2.2 分光仪
1
分光仪的作用是将样品在激发光源中受激发而发射出来的含各种波长谱线的复合光，经色散后得到按波长顺序排列的光谱。 按色散元件及分光原理分为：棱镜光谱仪（折射原理）、光栅光谱仪（衍射原理）
1.2 原子发射光谱的产生
在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热（火焰）或电（电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱（线状光谱）
特征辐射
基态元素M
激发态M*
热能、电能
E
原子的共振线与离子的电离线
激发电位：从低能级到高能级需 要的能量（eV） 共振线：具有最低激发电位的谱线 电离电位：使原子电离所需要的最低能量 离子线：离子外层电子跃迁时发射的谱线 离子线激发电位的大小与电离电位的高低无关 原子谱线表： I 表示原子发射的谱线； II 表示一次电离离子发射的谱线； III 表示二次电离离子发射的谱线； Mg：I 285.21 nm ；II 280.27 nm； 原子线(I) 离子线(II、III) 相似谱线 Na I、Mg II、Al III
b
弧焰示意图
第二节 仪器装置
原子发射光谱仪
光源
分光仪
检测器
壹
光源具有使试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射的作用。光源对光谱分析的检出限、精密度和准确度都有很大的影响。
肆
类型：直流电弧、交流电弧、电火花、电感耦合高频等离子体（ICP）
叁
要求：灵敏度高、稳定性好、结构简单、操作安全
较好
试样中低含量组分的定量分析
火花
低
瞬间10000
好
金属与合金、难激发元素的定量分析
ICP
很高
6000~8000
很好
溶液定量分析
2.2 分光仪
1
分光仪的作用是将样品在激发光源中受激发而发射出来的含各种波长谱线的复合光，经色散后得到按波长顺序排列的光谱。 按色散元件及分光原理分为：棱镜光谱仪（折射原理）、光栅光谱仪（衍射原理）
1.2 原子发射光谱的产生
在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热（火焰）或电（电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱（线状光谱）
特征辐射
基态元素M
激发态M*
热能、电能
E
原子的共振线与离子的电离线
激发电位：从低能级到高能级需 要的能量（eV） 共振线：具有最低激发电位的谱线 电离电位：使原子电离所需要的最低能量 离子线：离子外层电子跃迁时发射的谱线 离子线激发电位的大小与电离电位的高低无关 原子谱线表： I 表示原子发射的谱线； II 表示一次电离离子发射的谱线； III 表示二次电离离子发射的谱线； Mg：I 285.21 nm ；II 280.27 nm； 原子线(I) 离子线(II、III) 相似谱线 Na I、Mg II、Al III
原子发射光谱法
名 词 解 释
基本分析步 骤 ： 激发、分光和检测
具 体 步 骤
利用激发源激发试样后使之解离为原子或电 离为离子，原子或离子再一次被激发，发射 出光谱线的过程为第一步；利用光谱仪展开 光源发出的光，从而获得光谱为第二步；用 光谱检测仪器测量光谱线波长、强度或宽度 ，完成对试样的定性、半定量或定量分析为 第三步。
原子发射光谱法可对约 70种元素（金属元素及 磷、硅、砷、碳、硼等 非金属元素）进行分析 。在一般情况下，用于 1%以下含量的组份测定 ，检出限可达ppm，精 密度为±10%左右，线 性范围约2个数量级。这 种方法可有效地用于测 量高、中、低含量的元 素。
发 展 历 史
原子发射光谱法是历史最悠久的一种光学分 析法。1826年泰尔博说明了某些波长的特征 光线是某些元素所特有的；1860年，基尔霍 夫和本生研制了第一台用于光谱分析的分光 镜，实现了光原子发射光谱检验；1930年以 后，建立了光谱定量分析方法；20世纪60年 代以来，原子发射光谱得到迅速发展并成为 现代仪器分析中不可或缺的方法之一。
摄 谱 法
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(I0/I)
摄 谱 法
光电光谱法仪器特点： (1) 测定每个元素可同时选用多条谱线 (2) 可在一分钟内完成70个元素的定量 测定 (3) 可在一分钟内完成对未知样品中多 达70多元素的定性 (4) 1mL的样品可检测所有可分析元素 (5) 扣除基体光谱干扰 (6) 全自动操作
原子发射光谱法(aes)
谱线强度法
通过测量待测样品中某一元素的特征谱线强度，与已知浓度的标准样品进行比 较，大致确定待测样品中该元素的含量范围。
定性分析
谱线识别法
通过对比已知元素的标准谱线与待测样品的谱线，确定待测样品中存在的元素种 类。
特征光谱法
利用不同元素具有独特的特征光谱，通过比对特征光谱的差异，确定待测样品中 存在的元素种类。
电热原子化器利用电热丝加热 ，使样品中的元素原子化。
化学原子化器利用化学反应将 样品中的元素转化为气态原子
。
光源
01 光源用于提供能量，使样品中的元素原子 化并产生光谱信号。
02 光源类型有多种，如电弧灯、火花放电灯 等。
03
电弧灯利用电弧放电产生高温，使样品中 的元素原子化。
04
火花放电灯利用高压电场使气体放电，产 生高温，使样品中的元素原子化。
原子发射光谱法(AES)
目 录
• 原子发射光谱法(AES)概述 • AES的仪器与设备 • AES的样品制备与处理 • AES的分析方法与技术 • AES的优缺点与挑战 • AES的未来发展与展望
01 原子发射光谱法(AES)概 述
定义与原理
定义
原子发射光谱法(AES)是一种通过测量物质原子在受激发态跃迁时发射的特定波长的光来分析物质成分的方法。
02
发射光谱仪通常包括电 子激发源、真空系统、 光学系统、检测器等部 分。
03
电子激发源用于产生高 能电子，激发原子或离 子，使其跃迁至激发态。
04
真空系统用于维持仪器 内部的高真空环境，减 少空气对光谱信号的干 扰。
原子化器
01
02
03
04
原子化器是将样品转化为原子 蒸气的装置。
通过测量待测样品中某一元素的特征谱线强度，与已知浓度的标准样品进行比 较，大致确定待测样品中该元素的含量范围。
定性分析
谱线识别法
通过对比已知元素的标准谱线与待测样品的谱线，确定待测样品中存在的元素种 类。
特征光谱法
利用不同元素具有独特的特征光谱，通过比对特征光谱的差异，确定待测样品中 存在的元素种类。
电热原子化器利用电热丝加热 ，使样品中的元素原子化。
化学原子化器利用化学反应将 样品中的元素转化为气态原子
。
光源
01 光源用于提供能量，使样品中的元素原子 化并产生光谱信号。
02 光源类型有多种，如电弧灯、火花放电灯 等。
03
电弧灯利用电弧放电产生高温，使样品中 的元素原子化。
04
火花放电灯利用高压电场使气体放电，产 生高温，使样品中的元素原子化。
原子发射光谱法(AES)
目 录
• 原子发射光谱法(AES)概述 • AES的仪器与设备 • AES的样品制备与处理 • AES的分析方法与技术 • AES的优缺点与挑战 • AES的未来发展与展望
01 原子发射光谱法(AES)概 述
定义与原理
定义
原子发射光谱法(AES)是一种通过测量物质原子在受激发态跃迁时发射的特定波长的光来分析物质成分的方法。
02
发射光谱仪通常包括电 子激发源、真空系统、 光学系统、检测器等部 分。
03
电子激发源用于产生高 能电子，激发原子或离 子，使其跃迁至激发态。
04
真空系统用于维持仪器 内部的高真空环境，减 少空气对光谱信号的干 扰。
原子化器
01
02
03
04
原子化器是将样品转化为原子 蒸气的装置。
原子发射光谱法
原子发射光谱法 （Atomic Emission Spectrometry，AES）
概论 基本原理 原子发射光谱仪器 干扰及消除方法 光谱分析方法
教学要求
• 理解原子发射光谱产生的基本原理； • 掌握原子发射光谱强度的影响因素； • 了解原子发射光谱分析激发光源的作用机理 ，掌握ICP形成过程及其特性。 • 掌握原子发射光谱的定性、定量分析方法。
（1）n—主量子数 • 与描述核外电子运动状态的主量子数意义相同 ，决定能量状态的主要参数 n =1, 2 ,3 ,…
（2）L—总角量子数 L=∑li ，l=0,1,2,… L=|l1+l2|，|l1+l2-1|，… |l1-l2| • 由两个角量子数l1和l2之和变到它们之差,间隔为 1的所有数值 • L的取值可为0,1,2,3,…,通常用大写字母S ，P， D， F …表示
S=1 M=3 三重线 L=1 光谱项 为43P
S=0 M=1 单重线 L=1 光谱项 为41P
• L≥S时，2S+1就是内量子数，同一光谱 项中包含的J值不同。把J值不同的光谱项 称为光谱支项; 用 n2S+1LJ • 在磁场作用下,同一光谱支项会分裂成 2J+1个不同的支能级;外磁场消失,分裂能 级亦消失. 此现象称为Zeeman效应。 2J+1为能级的简并度或统计权重g。
三、原子发射光谱法的过程 • 由光源提供能量使试样蒸发，形成气态原子， 并进一步使气态原子激发而产生光辐射； • 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。
二、原子发射光谱法的特点
• 广谱性 不论气体、固体和液体都可以直接激发。可对 各种不同类型试样（气体、固体和液体）中70多种元 素（金属元素及P、S、N、F、Cl、Br等非金属元素） 进行分析。 • 多元素检测能力 试样一经激发后，由于试样中不同 元素都同时发射特征光谱，可作定性和定量分析。 • 分析速度快 若用光电直读光谱仪，可在几分钟内同时 对几十种元素进行定量分析。分析试样不经化学处理 ，固体、液体样品都可直接测定。 • 选择性好 每种元素因原子结构不同而发射各自不同特 征光谱，可用于对化学性质极为相似的元素的分析， 例如铌和钽、锆和铪等。
概论 基本原理 原子发射光谱仪器 干扰及消除方法 光谱分析方法
教学要求
• 理解原子发射光谱产生的基本原理； • 掌握原子发射光谱强度的影响因素； • 了解原子发射光谱分析激发光源的作用机理 ，掌握ICP形成过程及其特性。 • 掌握原子发射光谱的定性、定量分析方法。
（1）n—主量子数 • 与描述核外电子运动状态的主量子数意义相同 ，决定能量状态的主要参数 n =1, 2 ,3 ,…
（2）L—总角量子数 L=∑li ，l=0,1,2,… L=|l1+l2|，|l1+l2-1|，… |l1-l2| • 由两个角量子数l1和l2之和变到它们之差,间隔为 1的所有数值 • L的取值可为0,1,2,3,…,通常用大写字母S ，P， D， F …表示
S=1 M=3 三重线 L=1 光谱项 为43P
S=0 M=1 单重线 L=1 光谱项 为41P
• L≥S时，2S+1就是内量子数，同一光谱 项中包含的J值不同。把J值不同的光谱项 称为光谱支项; 用 n2S+1LJ • 在磁场作用下,同一光谱支项会分裂成 2J+1个不同的支能级;外磁场消失,分裂能 级亦消失. 此现象称为Zeeman效应。 2J+1为能级的简并度或统计权重g。
三、原子发射光谱法的过程 • 由光源提供能量使试样蒸发，形成气态原子， 并进一步使气态原子激发而产生光辐射； • 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。
二、原子发射光谱法的特点
• 广谱性 不论气体、固体和液体都可以直接激发。可对 各种不同类型试样（气体、固体和液体）中70多种元 素（金属元素及P、S、N、F、Cl、Br等非金属元素） 进行分析。 • 多元素检测能力 试样一经激发后，由于试样中不同 元素都同时发射特征光谱，可作定性和定量分析。 • 分析速度快 若用光电直读光谱仪，可在几分钟内同时 对几十种元素进行定量分析。分析试样不经化学处理 ，固体、液体样品都可直接测定。 • 选择性好 每种元素因原子结构不同而发射各自不同特 征光谱，可用于对化学性质极为相似的元素的分析， 例如铌和钽、锆和铪等。
原子发射光谱分析
ICP的分析特点 的分析特点
1. 对大多数元素有高的灵敏度 检测限达 -9－10-11 检测限达10 g·L-1因为温度高（等离子体核处 因为温度高（等离子体核处10000K，中央 ，中央6000－ － 8000K）；惰性气氛，有利于难熔物质分解。 ）；惰性气氛 ）；惰性气氛，有利于难熔物质分解。 2. 测定线性范围宽 因趋肤效应而无自吸现象。 因趋肤效应而无自吸现象 自吸现象。 高频电流密度在导体截面呈不均匀分布， 趋肤效应 高频电流密度在导体截面呈不均匀分布，集 中在导体表层的现象。 中在导体表层的现象。 3. 碱金属电离不造成干扰，因电流密度大。 碱金属电离不造成干扰，因电流密度大。 4. 无电极污染 因是无极放电。 因是无极放电。 5. 耗样量小 载气流速低，试样在中央通道充分激发 载气流速低， 6. 背景干扰小 因工作气体氩气是惰性气体不产生其 它物质。 它物质。
第一共振线 原子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 原子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 最易发生，能量最小，一般是最灵敏线，又叫最后线。 最易发生，能量最小，一般是最灵敏线，又叫最后线。 原子获得足够的能量(电离能)产生电离。 原子获得足够的能量(电离能)产生电离。失去一个电 子形成一级离子，再失去一个电子形成二级离子。 子形成一级离子，再失去一个电子形成二级离子。 离子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。 电离线 离子由第一激发态跃迁到基态发射的谱线。与电 离能大小无关，离子的特征共振线。 离能大小无关，离子的特征共振线。 识别元素的特征光谱鉴别元素的存在 定性分析 测定特征谱线的强度测定元素的含量 定量分析
R 镇流电阻 调节 和稳定电流 L 减小电流波动
直流电弧工作原理
电弧点燃后，热电子流高速通过分析间隔冲击阳极， 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， 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， 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。 原子跃迁到激发态，返回基态时发射出该原子的光谱。 弧焰温度： 多种元素激发 弧焰温度：4000～7000 K，可使 多种元素激发。 ～ ，可使70多种元素激发。 绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析。 特 点：绝对灵敏度高，背景小，适合定性分析。
原子光谱法包括
原子光谱法包括
原子光谱法包括发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光法等。
这些方法常用于对原子成分和含量的测定。
其中，发射光谱法包括火焰原子发射光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法，它们通过测量原子受激发后发射的特征光谱来对样品进行定性和定量分析。
原子吸收光谱法是通过测量待测元素的原子对特定谱线的吸收强度，从而确定待测元素的含量。
原子荧光法则是通过测量原子受激发后发射的荧光强度来确定待测元素的含量。
此外，原子光谱法还包括X射线荧光法，这是一种重要的无损分析方法，可用于动态过程的分析。
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Neutrons
Protons Electrons
9
la lb lc
一、原子发射光谱的产生
E2
E1 E0
原子的外层电子由高能级向低能级跃迁，能量以电
磁辐射的形式发射出去，这样就得到原子发射光谱。
一般情况下，原子处于基态，通过电致激发、热致
激发等激发光源作用下，原子获得能量，外层电子从 基态跃迁到较高能态变为激发态 ，大约经过10-8 s，外 层电子就从高能级向较低能级或基态跃迁，多余的能 量的发射可得到一条光谱线。
元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金 属元素）进行分析； 取样量少，速度快； 多元素同时检测。
7
• 只能用于确定元素的组成和含量 • 不能测定物质分子结构、价态、状态
• 可分析约70种元素（金属元素及磷、硅、
砷、碳、硼等非金属元素） • 不能用于分析有机物
8
第二节 基本原理
Orbitals
大量载流子；
感应电流（涡流）
10000K
瞬间加热到
C充电
L-C-G
分析间隙 G 放电
36
（2）分析性能
弧焰瞬间温度很高（瞬间可达10000K），故激
发能量大，可激发电位高的元素。 电极温度较低。 放电稳定，分析重现性好。
应用：易熔金属合金试样的分析及高含量元素 的定量分析。
37
4. 等离子体光源 （1）等离子体：是一种电离度大于0.1%的电 离气体，由电子、离子、原子和分子组成， 其中电子数目和离子数目基本相等，整体 呈现中性。 （2）等离子体光源的类型: 直流等离子体（DCP） 电感耦合等离子体（ICP） 微波等离子体（MWP）等。
原子线：原子外层电子从激发态跃迁回基态或较低 激发态所发射的谱线。
离子线：离子外层电子从激发态跃迁回基态或较低 激发态所发射的谱线。
14
E3
共振线： 外层电子由激发态向 基态跃迁所发射的谱线。
E2 E1
E0
共振线具有最小的激发电位，因 此最容易被激发，为该元素最强 的谱线。
15
la lb
lc
40
C. 用Ar做工作气体的优点
Ar为惰性气体，不与试样组份形成难离 解的稳定化合物， Ar为单原子气体，不象分子那样因解离 而消耗能量， 有良好的激发性能， 本身光谱简单。
41
D. ICP炬形成过程
1）高频交变电流 B 2）火花 氩气 相互碰撞 交变感应磁场； 气体电离 雪崩现象 少量电荷
38
（3）电感耦合等离子体(ICP)
ICP: 高频电能通过感应线圈耦合到等离子体 所形成的高频放电光源，外观类似火焰。
A.
装置: 高频发生器 (提 供能量）; 工作气体（Ar气， 产生等离子体); 三层同心石英炬 管.
39
B. 石英炬管
外层：通Ar气作为冷却气，沿切线方 向引入，并螺旋上升，其作用： 将等离子体吹离外层石英管的内壁， 可保护石英管不被烧毁； 利用离心作用，在炬管中心产生低 气压通道，以利于进样； 这部分Ar气流同时也参与放电过程。 中层：通人辅助气体Ar气，用于维持 等离子体。 内层：以Ar气为载气，把经过雾化器 的试样溶液以气溶胶形式引入等离子 体中。
原子发射光谱法 待测物质的气态基态原子在热激 发或电激发下，发射特征电磁辐射。 根据电磁辐射的波长及其强度来测定 物质的元素组成和含量的一种分析方 法。
1
教学内容： 1．原子发射光谱法概述 2．原子发射光谱分析基本原理 3．原子发射光谱分析仪器 4．原子发射光谱定性及定量分析方法
式中
Ni ： 单位体积内处于激发态的原子数 N0： 单位体积内处于基态的原子数 gi，g0：激发态和基态的统计权重 Ei： 激发电位 k： 玻耳兹曼常数 T： 激发温度
20
la lb
lc
3.影响谱线强度的因素 Iij = gi/g0 Aijhij N0 e (-Ei / kT)
E2 E1 E0
（1）统计权重 谱线强度与激发态和基态的统计权重之比成正比。 （2）跃迁概率 谱线强度与跃迁概率成正比。 （3）激发电位 谱线强度与激发电位成负指数关系。 在温度一定时，激发电位越高，处于激发态的原 子数越少，谱线强度越小。 激发电位最低的共振线通常是强度最大的谱线。
I=I0e-adc
1 1 2 2 3 3 谱线的自吸 1，无自吸 2，自吸 3，自蚀
25
l
1 1
2.自蚀
I
2 2 3 3 谱线的自吸 1，无自吸 2，自吸 3，自蚀
自蚀: 当自吸现象非常严重 时，谱线中心的辐射将完全 被吸收的现象。
l
由于发射谱线的宽度比吸收 谱线的宽度大，谱线中心的 吸收程度要比边缘部分大， 因而使谱线出现“一分为二” 的现象。
三、发射光谱的特点
E2 E1 E0
la lb
lc
E2 E1 E0
1.谱线是电子在两能级之间的跃迁所形成的。
E h hc
l
hc
2.根据元素特征谱线的波长进行定性分析。 不同元素的原子，结构不同, 发射谱线波长不同。
3.根据元素特征谱线的强度进行定量分析。 物质含量越多,原子数越多,谱线越强。
3
参考书目： 1、仪器分析教程 北京大学化学系仪器分析 教学组 北京：北京大学出版社，1997. 2、仪器分析 （第2版）刘密新 罗国安 张新 荣等 北京：清华大学出版社，2002. 3、仪器分析 （第3版）朱明华 北京：高等 教育出版社，2000.
4
第一节 概述
I1
I2
G’ C1
L1
L2 C2
G
R1
A
220V B1
I2-L1-C1
2~3kV C1充电
C1 达到一定能量时,放电
振荡电压 B2 10kV C2
G’ 击穿
G击穿
C1-L1-G’
高频振荡
引燃分析间隙
L2-C2-G
高压高频振荡
G 被击穿瞬间
R1-L2-G
低压电流使 G 产生弧光放电
电弧
34
（2） 交流电弧的分析性能
17
18
四、谱线强度
1. 谱线强度 i、j两能级之间的跃迁所产生的谱线强度用 Iij表示， 则 Iij = NiAijhij 式中 Ni：单位体积内处于高能级i的原子数 Aij： i、j两能级间的跃迁概率 h： 普朗克常数 ij： 发射谱线的频率
19
2. 激发态的原子数 若激发是处于热力学平衡的状态下，分配在各激发 态和基态的原子数目Ni 、N0 ，应遵循统计热力学中 麦克斯韦-玻耳兹曼分布定律。 Ni = N0 gi/g0e (-Ei/ kT)
重点：光谱定量分析的定量关系式，内标法测定的基 本原理 难点：ICP-AES的基本原理和特点。
2
教学要求： 1．掌握原子发射光谱法的基本原理、仪器组成 2．了解原子发射光谱定性及半定量分析方法 3．熟练掌握原子发射光谱定量分析方法 4．掌握光谱定量分析的定量关系式，内标法测 定的基本原理，了解乳剂特性曲线的正确使用。 5. 掌握原子发射光谱法的产生与原子结构的关系。 6. 理解棱镜、光栅的分光原理，色散率及分辨率 的计算。 7. 理解常用的发射光谱光源：直流电弧、交流电 弧、高压火花和ICP光源的基本原理。
10
Valence (Outer) Electrons Energy Absorbed E h Energy Emitted
11
产生原子发射光谱的条件：
• 气态原子 • 原子被激发
12
二、基本概念
基态： 激发态： Emission（发射）
E Ionization
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
激发：
26
第三节 仪 器
原子发射光谱仪分为三部分：
光源
分光系统
检测器
27
一、光源
作用:使试样蒸发、解离、原子化、激发、 跃迁产生光辐射。 要求:能量足够大、稳定性好、操作简单， 使用方便。 目前常用的光源:直流电弧、交流电弧、 电火花、电感耦合等离子体（ICP）。
28
火焰
直流电弧 经典光源 电弧
由弧焰中心发射出来的辐射，必须通过整个弧焰才 能射出。由于弧层边缘的温度较低，因而这里处于 基态的同类原子较多。这些低能态的同类原子能吸 收弧焰中心高能态原子发射出来的辐射而产生吸收 光谱。 24
(2) 自吸的特点 当原子浓度较低时，谱线不呈 现自吸现象。 原子浓度增大，谱线产生自吸 I 现象，使其强度减小。 弧层越厚,原子浓度越大,自吸 越严重。 谱线固有强度越大，自吸系数 越大，自吸越严重。 共振线是原子由激发态跃迁 至基态而产生的。由于强度最大， 基态原子对共振线的吸收也最严 重。
一、分析过程 试样的蒸发、熔化、解离、 激发； 产生发射光谱线； 谱线的检测、记录； 定性分析、定量分析。
5
待测试样
蒸发 气态分子
解离
气态基态原子 激发
跃迁回基态
气态基态原子
发射特征光谱线 波长
激发态原子
强度
定性分析
定量分析
6
二、原子发射光谱法的特点
选择性好； 灵敏度高,检出限低； 可直接分析固体、液体、气体样品，对约70种
将普通的220V交流电直接连接在两个电极间。 电极间没有导电的电子和离子，是不可能形成弧 焰的。须采用高频引燃装置。 借助高频高压电流，不断地“击穿”电极间的 气体，造成电离，维持导电。 利用低频低压交流电维持电弧的燃烧。
33
（1）工作原理
R2
高频高压引燃、低压放电
Protons Electrons
9
la lb lc
一、原子发射光谱的产生
E2
E1 E0
原子的外层电子由高能级向低能级跃迁，能量以电
磁辐射的形式发射出去，这样就得到原子发射光谱。
一般情况下，原子处于基态，通过电致激发、热致
激发等激发光源作用下，原子获得能量，外层电子从 基态跃迁到较高能态变为激发态 ，大约经过10-8 s，外 层电子就从高能级向较低能级或基态跃迁，多余的能 量的发射可得到一条光谱线。
元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金 属元素）进行分析； 取样量少，速度快； 多元素同时检测。
7
• 只能用于确定元素的组成和含量 • 不能测定物质分子结构、价态、状态
• 可分析约70种元素（金属元素及磷、硅、
砷、碳、硼等非金属元素） • 不能用于分析有机物
8
第二节 基本原理
Orbitals
大量载流子；
感应电流（涡流）
10000K
瞬间加热到
C充电
L-C-G
分析间隙 G 放电
36
（2）分析性能
弧焰瞬间温度很高（瞬间可达10000K），故激
发能量大，可激发电位高的元素。 电极温度较低。 放电稳定，分析重现性好。
应用：易熔金属合金试样的分析及高含量元素 的定量分析。
37
4. 等离子体光源 （1）等离子体：是一种电离度大于0.1%的电 离气体，由电子、离子、原子和分子组成， 其中电子数目和离子数目基本相等，整体 呈现中性。 （2）等离子体光源的类型: 直流等离子体（DCP） 电感耦合等离子体（ICP） 微波等离子体（MWP）等。
原子线：原子外层电子从激发态跃迁回基态或较低 激发态所发射的谱线。
离子线：离子外层电子从激发态跃迁回基态或较低 激发态所发射的谱线。
14
E3
共振线： 外层电子由激发态向 基态跃迁所发射的谱线。
E2 E1
E0
共振线具有最小的激发电位，因 此最容易被激发，为该元素最强 的谱线。
15
la lb
lc
40
C. 用Ar做工作气体的优点
Ar为惰性气体，不与试样组份形成难离 解的稳定化合物， Ar为单原子气体，不象分子那样因解离 而消耗能量， 有良好的激发性能， 本身光谱简单。
41
D. ICP炬形成过程
1）高频交变电流 B 2）火花 氩气 相互碰撞 交变感应磁场； 气体电离 雪崩现象 少量电荷
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（3）电感耦合等离子体(ICP)
ICP: 高频电能通过感应线圈耦合到等离子体 所形成的高频放电光源，外观类似火焰。
A.
装置: 高频发生器 (提 供能量）; 工作气体（Ar气， 产生等离子体); 三层同心石英炬 管.
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B. 石英炬管
外层：通Ar气作为冷却气，沿切线方 向引入，并螺旋上升，其作用： 将等离子体吹离外层石英管的内壁， 可保护石英管不被烧毁； 利用离心作用，在炬管中心产生低 气压通道，以利于进样； 这部分Ar气流同时也参与放电过程。 中层：通人辅助气体Ar气，用于维持 等离子体。 内层：以Ar气为载气，把经过雾化器 的试样溶液以气溶胶形式引入等离子 体中。
原子发射光谱法 待测物质的气态基态原子在热激 发或电激发下，发射特征电磁辐射。 根据电磁辐射的波长及其强度来测定 物质的元素组成和含量的一种分析方 法。
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教学内容： 1．原子发射光谱法概述 2．原子发射光谱分析基本原理 3．原子发射光谱分析仪器 4．原子发射光谱定性及定量分析方法
式中
Ni ： 单位体积内处于激发态的原子数 N0： 单位体积内处于基态的原子数 gi，g0：激发态和基态的统计权重 Ei： 激发电位 k： 玻耳兹曼常数 T： 激发温度
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la lb
lc
3.影响谱线强度的因素 Iij = gi/g0 Aijhij N0 e (-Ei / kT)
E2 E1 E0
（1）统计权重 谱线强度与激发态和基态的统计权重之比成正比。 （2）跃迁概率 谱线强度与跃迁概率成正比。 （3）激发电位 谱线强度与激发电位成负指数关系。 在温度一定时，激发电位越高，处于激发态的原 子数越少，谱线强度越小。 激发电位最低的共振线通常是强度最大的谱线。
I=I0e-adc
1 1 2 2 3 3 谱线的自吸 1，无自吸 2，自吸 3，自蚀
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l
1 1
2.自蚀
I
2 2 3 3 谱线的自吸 1，无自吸 2，自吸 3，自蚀
自蚀: 当自吸现象非常严重 时，谱线中心的辐射将完全 被吸收的现象。
l
由于发射谱线的宽度比吸收 谱线的宽度大，谱线中心的 吸收程度要比边缘部分大， 因而使谱线出现“一分为二” 的现象。
三、发射光谱的特点
E2 E1 E0
la lb
lc
E2 E1 E0
1.谱线是电子在两能级之间的跃迁所形成的。
E h hc
l
hc
2.根据元素特征谱线的波长进行定性分析。 不同元素的原子，结构不同, 发射谱线波长不同。
3.根据元素特征谱线的强度进行定量分析。 物质含量越多,原子数越多,谱线越强。
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参考书目： 1、仪器分析教程 北京大学化学系仪器分析 教学组 北京：北京大学出版社，1997. 2、仪器分析 （第2版）刘密新 罗国安 张新 荣等 北京：清华大学出版社，2002. 3、仪器分析 （第3版）朱明华 北京：高等 教育出版社，2000.
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第一节 概述
I1
I2
G’ C1
L1
L2 C2
G
R1
A
220V B1
I2-L1-C1
2~3kV C1充电
C1 达到一定能量时,放电
振荡电压 B2 10kV C2
G’ 击穿
G击穿
C1-L1-G’
高频振荡
引燃分析间隙
L2-C2-G
高压高频振荡
G 被击穿瞬间
R1-L2-G
低压电流使 G 产生弧光放电
电弧
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（2） 交流电弧的分析性能
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四、谱线强度
1. 谱线强度 i、j两能级之间的跃迁所产生的谱线强度用 Iij表示， 则 Iij = NiAijhij 式中 Ni：单位体积内处于高能级i的原子数 Aij： i、j两能级间的跃迁概率 h： 普朗克常数 ij： 发射谱线的频率
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2. 激发态的原子数 若激发是处于热力学平衡的状态下，分配在各激发 态和基态的原子数目Ni 、N0 ，应遵循统计热力学中 麦克斯韦-玻耳兹曼分布定律。 Ni = N0 gi/g0e (-Ei/ kT)
重点：光谱定量分析的定量关系式，内标法测定的基 本原理 难点：ICP-AES的基本原理和特点。
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教学要求： 1．掌握原子发射光谱法的基本原理、仪器组成 2．了解原子发射光谱定性及半定量分析方法 3．熟练掌握原子发射光谱定量分析方法 4．掌握光谱定量分析的定量关系式，内标法测 定的基本原理，了解乳剂特性曲线的正确使用。 5. 掌握原子发射光谱法的产生与原子结构的关系。 6. 理解棱镜、光栅的分光原理，色散率及分辨率 的计算。 7. 理解常用的发射光谱光源：直流电弧、交流电 弧、高压火花和ICP光源的基本原理。
10
Valence (Outer) Electrons Energy Absorbed E h Energy Emitted
11
产生原子发射光谱的条件：
• 气态原子 • 原子被激发
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二、基本概念
基态： 激发态： Emission（发射）
E Ionization
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
激发：
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第三节 仪 器
原子发射光谱仪分为三部分：
光源
分光系统
检测器
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一、光源
作用:使试样蒸发、解离、原子化、激发、 跃迁产生光辐射。 要求:能量足够大、稳定性好、操作简单， 使用方便。 目前常用的光源:直流电弧、交流电弧、 电火花、电感耦合等离子体（ICP）。
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火焰
直流电弧 经典光源 电弧
由弧焰中心发射出来的辐射，必须通过整个弧焰才 能射出。由于弧层边缘的温度较低，因而这里处于 基态的同类原子较多。这些低能态的同类原子能吸 收弧焰中心高能态原子发射出来的辐射而产生吸收 光谱。 24
(2) 自吸的特点 当原子浓度较低时，谱线不呈 现自吸现象。 原子浓度增大，谱线产生自吸 I 现象，使其强度减小。 弧层越厚,原子浓度越大,自吸 越严重。 谱线固有强度越大，自吸系数 越大，自吸越严重。 共振线是原子由激发态跃迁 至基态而产生的。由于强度最大， 基态原子对共振线的吸收也最严 重。
一、分析过程 试样的蒸发、熔化、解离、 激发； 产生发射光谱线； 谱线的检测、记录； 定性分析、定量分析。
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待测试样
蒸发 气态分子
解离
气态基态原子 激发
跃迁回基态
气态基态原子
发射特征光谱线 波长
激发态原子
强度
定性分析
定量分析
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二、原子发射光谱法的特点
选择性好； 灵敏度高,检出限低； 可直接分析固体、液体、气体样品，对约70种
将普通的220V交流电直接连接在两个电极间。 电极间没有导电的电子和离子，是不可能形成弧 焰的。须采用高频引燃装置。 借助高频高压电流，不断地“击穿”电极间的 气体，造成电离，维持导电。 利用低频低压交流电维持电弧的燃烧。
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（1）工作原理
R2
高频高压引燃、低压放电