原子发射光谱法及其应用

原子发射光谱法及其应用

摘要：本文介绍了原子发射光谱法的原理、特点及分析仪器。并对原子发射光谱法尤其是电感耦合等离子体原子发射光谱法在环境、冶炼、矿产开发、材料等领域的应用做了介绍。

关键词：原子发射、光谱法、应用

1.原子发射光谱法概述

1.1原子发射光谱法简介

原子发射光谱法（AES，atomic emission spectrometry），是依据各种元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征的电磁辐射，而进行元素的定性与定量分析的方法，是光谱学各个分支中最为古老的一种。

原子发射光谱法的研究对象是被分析物质所发出的线光谱，利用待测物质的原子或离子所发射的特征光谱线的波长和强度来确定物质的元素种类及其含量。

原子发射光谱分析过程分为三步，即激发、发光和检测。第一步是利用激发光源使试样蒸发，解离成原子，或进一步解离成离子，最后使原子或离子得到激发，发射辐射；第二步是利用光谱仪把光源发射的光按波长展开，获得光谱；第三步是利用检测系统记录光谱，测量谱线波长、强度，根据谱线波长进行定性分析，根据谱线强度进行定量分析。

1.2原子发射光谱法发展概况

原子发射光谱法是光学分析法中产生和发展最早的一种。早在1860年，德

国学者霍夫（Kirchhoff）和本生（Bunsen）把分光镜应用于化学分析，发现了光谱与物质组成之间的关系，确认和证实各种物质都具有其特征光谱，从而奠定了光谱定性分析的基础。

随着光谱仪器和光谱理论的发展，发射光谱分析进入了新的阶段。火焰、火花和弧光光源稳定性的提高，给定量分析的发展开辟了道路。20世纪20年代，W.Gerlach提出了内标原理，奠定了定量分析的基础；30年代，棱镜光谱仪形成了系列，促进了定量分析的发展，形成了定量分析的经验公式；40年代，棱镜光谱仪飞速发展，使发射光谱分析得到了广泛的应用；50年代，光栅光谱仪基本上形成系列；60年代，电感耦合等离子体（ICP）光源的引入，大大推动了发射光谱分析的发展。

近几十年来，中阶梯光栅光谱仪、干涉光谱仪等仪器的出现，加之电子计算机的应用，使发射光谱分析进入了自动化阶段。

原子发射光谱法不仅过去曾在原子结构理论的建立及元素周期表中某些元素的发现过程中对科学的发展起到重要推动作用，而且已经并将继续在各种材料的定性定量分析中占有重要地位。

1.3原子发射光谱法的特点

与其他分析方法相比，原子发射光谱法具有如下特点。

（1）灵敏度高。一般光源灵敏度可达0.1~10μg·g-1(或μg·ml-1），ICP 光源可达10-4~10-3μg·ml-1。

（2）选择性好。每种元素的原子被激发后，都产生一组特征光谱，根据这些特征光谱，便可以准确无误地确定该元素的存在，所以发射光谱分析至今仍是元素定性分析的最好方法。

（3）准确度较高。发射光谱分析的相对误差一般为5%~10%，使用ICP 光源，相对误差可达1%以下。

（4）能同时测定多种元素，分析速度快。

（5）试样消耗少。利用几毫克至几十毫克的试样便可完成光谱全分析。

原子发射光谱法的不足之处是：

（1）应用只限于多数金属和少数非金属元素，对大多数非金属和少数金属不适用；

（2）一般只能用于元素分析，而不能确定元素在样品中存在的化合物状态；

（3）基体效应较大，必须采用组成与分析样品相匹配的参比试样；

（4）仪器昂贵，难以普及。

2.原子发射光谱法介绍

2.1原子发射光谱法的基本理论

2.1.1原子发射光谱的产生

物质是由各种元素的原子组成的，原子有结构紧密的原子核，核外围绕着不断运动的电子，电子处在一定的能级上，具有一定的能量。从整个原子来看，在一定的运动状态下，它也是处在一定的能级上，具有一定的能量。在一般情况下，大多数原子处在最低的能级状态，即基态。基态原子在激发光源（即外界能量）的作用下，获得足够的能量，外层电子跃迁到较高能级状态的激发态，这个过程叫激发。处在激发态的原子是很不稳定的，在极短的时间内（10－8s）外层电子便跃迁回基态或其它较低的能态而释放出多余的能量。释放能量的方式可以是通过与其它粒子的碰撞，进行能量的传递，这是无辐射跃迁，也可以以一定波长的

电磁波形式辐射出去，其释放的能量及辐射线的波长（频率）要符合波尔的能量定律：

式中，E2及E1分别是高能态与低能态的能量，E p为辐射光子的能量，、、分别为辅射的频率、波长、波数，c为光速，h为普朗克常数。

2.2原子发射光谱分析仪器

在进行发射光谱分析时，待测样品要经过蒸发、离解、激发等过程而发射出特征光谱，再经过分光、检测而进行定性、定量分析。发射光谱仪器主要由激发光源、分光系统及检测系统三部分组成。

2.2.1激发光源

光源的作用是提供足够的能量，使试样蒸发、解离并激发，产生光谱。光源的特性在很大程度上影响分析方法的灵敏度、准确度及精密度。理想的光源应满足高灵敏度、高稳定性、背景小、线性范围宽、结构简单、操作方便、使用安全等要求。目前可用的激发光源有火焰、电弧、火花、等离子体、辉光、激光光源等。

2.2.1.1经典光源

1.直流电弧

直流电弧是光谱分析中常用的光源。直流电弧通常用石墨或金作为电极材料。

当采用电弧或火花光源时，需要将试样处理后装在电极上进行摄谱。当试样

为导电良好的固体金属或合金时可将样品表面进行处理，出去表面的氧化物或污物，加工成电极，与辅助电极配合，进行摄谱。这种用分析样品自身做成的电极称为自电极，而辅助电极则是配合自电极或支持电极产生放电效果的电极，通常用石墨作为电极材料，制成外径为6mm的柱体。如果固体试样少或不导电时，可将其粉碎后装在支持电极上，与辅助电极配合摄谱。支持电极的材料为石墨，在电极头上钻有小孔，以盛放试样。

对于液体试样，可将其滴于平头电极上蒸干后摄谱；当试样为有机物时，先将其炭化、灰化，然后将灰化产物置于支持电极中进行摄谱。这些电极也可用于交流电弧和火花光源。

直流电弧的点燃可用带有绝缘把的石墨棒等把上下电极短路再拉开而引燃，称为点弧和拉弧，也可以用高频引燃装置来引燃。

直流电弧工作时，阴极释放的电子不断轰击阳极，使阳极表面出现阳极斑，阳极斑温度可达3800K，而阴极温度一般在3000K，因此通常将样品放在阳极，以利于试样蒸发。在电弧燃烧过程中，电弧温度可达4000~7000K，一般产生原子线。

直流电弧设备简单，电极温度较高，蒸发能力强，灵敏度高，检出限低，但电弧温度较低，激发能力差，因此适用于易激发、熔点较高的元素的定性分析。由于其产生的谱线容易发生自吸和自蚀，故不适于高含量元素的分析。而且直流电弧的稳定性较差，不适于定量分析。

2.交流电弧

在光谱分析中，常使用低压交流电弧。

低压交流电弧由于交流电压和极性随时间而发生周期性变化，不能像直流电