1.基本原理

1.1概述

原子发射光谱分析（atomic emission spectrometry，AES）是一种已有一个世纪以上悠久历史的分析方法，原子发射光谱分析的进展，在很大程度上依赖于激发光源的改进。

到了60年代中期，Fassel和Greenfield分别报道了各自取得的重要研究成果，创立了电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）原子发射光谱（ICP-AES）新技术，这在光谱化学分析上是一次重大的突破，从此，原子发射光谱分析技术又进入一个崭新的发展时期。

1.2方法原理

原子发射光谱是价电子受到激发跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。

1.2.1定性原理

原子发射光谱法的量子力学基本原理如下：

（1）原子或离子可处于不连续的能量状态，该状态可以光谱项来描述；

（2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁到另一能量状态（激发态），设高能级的能量为E2，低能级的能量为E1，发射光谱的波长为λ（或频率ν），则电子能级跃迁释放出的能量△E与发射光谱的波长关系为

△E= E2- E1=hν=hc/λ

（3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来；

（4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）；

（5）由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此，对特定元素的原子或离子可产生一系列不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析。

1.2.2半定量原理

半定量是对样品中一些元素的浓度进行大致估算。

一种半定量的方法是对许多元素进行一次曲线校正，并将标准曲线储存起来。然后在需要进行半定量时，直接采用原来的曲线对样品进行测试。结果会因仪器的飘移而产生误差或因样品基体的不同而产生误差，但对于半定量来说，可以接受。

1.2.3ICP定量分析原理

ICP定量分析的依据是Lomakin-Scherbe公式：

I=aCb

式中

I：谱线强度

C：待测元素的浓度

a：常数

b: 分析线的自吸收系数，一般情况下b≤1，b与光源特性、待测元素含量、元素性质及谱线性质等因素有关，在ICP光源中，多数情况下 b≈1

1.2.4发射光谱光源

发射光谱通常用化学火焰、电火花、电弧、激光和各种等离子体光源激发而获得。等离子体光源有ICP（inductively coupled plasma）、DCP（direct-current plasma）、MWP (microwave plasma)。

原子发射光谱分析的波段范围与原子能级有关，一般在200—850nm，近几年由于分光测光系统的改进，仪器的波长范围已扩展到120—1050nm。常见的光源如表1。

表1  几种常见光源

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。如图1。

图1  ICP形成原理

ICP焰明显地分为三个区域：

（1）焰心区，不透明，是高频电流形成的涡流区，等离子体主要通过这一区域与高频感应线圈耦合而获得能量，该区温度高达10000K；

（2）内焰区位于焰心区右方，一般在感应圈右边10-20mm左右，呈半透明状态，温度约为6000-8000K，是分析物原子化、激发、电离与辐射的主要区域；

（3）尾焰区在内焰区右方，无色透明，温度较低，在6000K以下，只能激发低能级的谱线。

ICP具有以下特点：

（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。能有效消除自吸现象，线性范围宽（4～5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；

（6）ICP焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放电；

（7）对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高，这是ICP的缺点。

2.仪器构成

2.1基本组成

ICP-AES分析仪器主要由样品导入系统、检测器、多色器和RF发生器构成，如图2。

图2  ICP-AES分析仪器的基本组成

2.2样品导入系统

样品导入系统由蠕动泵、雾化器、雾化室和炬管组成。

进入雾化器的液体流，由蠕动泵控制。泵的主要作用是为雾化器提供恒定样品流，并将雾化室中多余废液排出。除通常进样和排废液通道外，三通道蠕动泵为用户提供一个额外通道，用该通道可在分析过程中导入内标等。

雾化器将液态样品转化成细雾状喷入雾化室，较大雾滴被滤出，细雾状样品到达等离子炬。图3为同心玻璃雾化器图。

图3  同心玻璃雾化器

由雾化器、蠕动泵和载气所产生的雾状样品进到雾化室。雾化室的功能相当于一个样品过滤器，较小的细雾通过雾化室到达炬管，较大的样品滴被滤除流到废液容器中，如图4。

图4  雾化室

一体式矩管由外层管、中层管和内层管构成。

2.3ICP-AES检测器

目前较成熟的主要是电荷注入器件Charge-Injection Detector（CID）、电荷耦合器件Charge-Coupled Detector （CCD）。

CID与CCD的主要区别在于读出过程，在CCD中，信号电荷必须经过转移，才能读出，信号一经读取即刻消失。而在CID中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电流来读出的。即每当积分结束时，去掉栅极上的电压，存贮在势阱中的电荷少数载流子（电子）被注入到体内，从而在外电路中引起信号电流，这种读出方式称为非破坏性读取（Non-Destructive Read Out）,简称：NDRO．CID的NDRO特性使它具有优化指定波长处的信噪比（S/N）的功能。

同时CID可寻址到任意一个或一组象素，因此可获得如“相板”一样的所有元素谱线信息。 

3.分析过程

3.1ICP定量分析方法

ICP定量分析方法主要有外标法、标准加入法和内标法。

外标法，是利用标准试样测的常数后，又用该式来确定试样的浓度。标准加入法，又称添加法和增量法，以减小或消除基体效应的影响。内标法是在试样和标准试样中分别加入固定量的纯物质即内标物，利用分析元素和内标元素谱线强度比与待测元素浓度绘制标准曲线，并进行样品分析。

3.2样品的前处理

针对不同实验室及样品情况准备，有以下处理方法：

（1）微波消解；

（2）灰化；

（3）湿法消解；

（4）参考标准方法。

3.3液体样品引入ICP光源的通则

一般以“真溶液”进样，即各元素以盐类形式，酸度、黏度等尽量做到标准溶液与样品一致。溶解样品酸的选择（主要是黏度影响雾化效率）排序：HCl< HNO3 4.建议

通过对本实验的学习，我们了解了原子发射光谱法的基本原理，熟悉了ICP-AES分析仪器的基本组成及分析过程，获益匪浅。

建议老师适度增加学生参与实验的时间。下载本文