第八章原子发射光谱法
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原子发射光谱法
中管：辅助气（提高火焰、防止积碳 Ar
、保护进样管）；
气
内管：（又称喷管或进样管）载气。 34
石英管外绕高频感应线圈, 用高频火花引燃， Ar气被电离，相互碰撞，更多的工作气体电离， 形成等离子体，当这些带电 离子达到足够的导电率时， 会产生强大的感应电流，瞬 间将气体加热到10000K高温。 试液被雾化后由载气带入等 离子体内，试液被蒸发、解 离、电离和激发，产生原子 发射光谱。
➢ 2.线性范围宽。由于电流的趋肤效应使相应温度外高 内低，避免了因外部冷原子蒸汽造成的自吸。
➢ 3.电子密度高，碱金属电离的干扰小。 ➢ 4.无极放电，无电极污染。 ➢ 气为工作气体，背景干扰小。 ➢ 6.稳定性很好，精密度高。相对标准偏差在1%左右。
使用范围宽。 • 光源影响检出限、精密度和准确度。 • 光源的类型： （1）直流电弧光源 （2）低压交流电弧光源 （3）高压火花光源 （4）电感耦合等离子体光源
(ICP——Inductively Coupled Plasma)
28
1. 直流电弧光源
• 两个碳电极为阴阳两极，试样装在阳极的孔穴 中，直流电弧引燃，常采用高频引燃装置，或
共振线 主共振线
10
二、谱线的强度
（一）谱线强度表达式
谱线强度是原子发射光谱定量分析的依据， 了解谱线强度与各影响因素之间的关系。
设i，j两能级间跃迁所产生的谱线强度Iij表示
Iij=NiAij Eij =NiAijhij
式中： Ni—处于较高激发态原子的密度(m-3)
Aij—i，j两能级间的跃迁概率
• 从式中看出跃迁概率与谱线强度成正比。
17
4. 统计权重
Iij
gi g0
Ei
原子发射光谱法测定方法
原子发射光谱法测定方法原子发射光谱法是一种用于元素分析的传统方法，也是目前最常用的表征原子能级结构的方法。
本文将详细介绍原子发射光谱法的原理、测定方法以及应用。
一、原理原子发射光谱法基于原子能级结构的理论，利用激发源将样品原子激发为激发态，然后通过介质，将这些激发态原子的电子跃迁回到较低的能级，从而实现发射光谱。
每种元素的原子发射光谱是独特的，可以根据这些发射光谱来确定样品中各种元素的含量。
二、测定方法1. 原子发射光谱法的装置原子发射光谱法的装置一般包括以下部分：样品供给装置、激发源、光谱仪、信号放大器和信息处理装置。
2. 样品处理样品处理的重要性不言而喻，因为精确的分析结果必须从准确的样品中获得。
可以通过显微观察或分析其外观和颜色来确定样品中的化学成分和杂质。
灰吸收法和氮化方法常用于消除样品的有机和无机杂质。
3. 激发源激发源是原子发射光谱法中最关键的部分，它负责激发样品原子的电子从基态跃迁到激发态，强制性激发分为热力学激发和非热力学激发。
热力学激发是通过样品表面的火焰或电弧等电离条件来完成的，使原子达到雇员，它们可以受激光量输入并产生较高的激发能量。
非热力学激发则是通过化学气氛或单独的电离源激发，也必须使用高能量输入的激发源。
4. 光谱仪当样品中的原子被激发时，它们将发出放射性，从而产生辐射谱线。
重要的是收集这些发光谱线并将其分解成其组成部分。
这可以通过光谱仪完成，光谱仪利用棱镜或光栅将光谱分离成单色光信号并记录光谱。
光谱准确度与光谱仪精度有关，应选择质量好，精度高的光谱仪。
5. 信号放大器和信息处理信号放大器和信息处理是相互关联的，在信号处理程序中可以调整放大器的控制，以及记录和处理光谱图的算法和软件。
在信号放大器和信息处理的整个过程中，确定计算要素浓度的算法和过程是至关重要的。
三、应用原子发射光谱法在我们的日常工作中有着广泛应用的地方，如石化、机械、金属、环保、农业、医药、食品等各个领域。
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。
第八章 原子发射光谱法
3. 高压火花：高频高压引燃并放电
B
L
R1
D
220V
V~
C
G
D
220V－10 ~25kV （B）－ C充电电压达到分析间隙G的击穿电压时
－通过电感L向分析间隙 G 放电；产生具有振荡特性的火花放电。放电
完以后，又重新充放电，反复进行－火花不灭。 火花特点： 1）放电稳定，分析重现性好； 2）放电间隙长，电极温度（蒸发温度）低，检出现低，多适 于分析 易熔金属、合金样品及高含量元素分析；
第八章 原子发射光谱法 (Atomic emission spectrometry，
AES)
22:48:47
1
光学原子光谱法基础
一、原子的光谱项(属于结构化学，在此直接
引用） 原子光谱是由原子外层的电子在两能级间跃迁而产 生的，原子的能级通常用光谱项符号来表示：
n2S+1LJ 或 nMLJ
n为主量子数；L为总角量子数；S为总自旋量子数； J为内量子数，又称光谱支项。M=2S+1,称为谱线 的多重性。
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42
(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； ICP焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放 电。
缺点： 对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用高 。
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43
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44
5.试样引入激发光源的方法
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8
（2）多普勒变宽（热变宽） ΔVD
由于原子在空间作无规则热运动所导致的变宽
，故又称热变宽。
通常为10-4～10-3nm，它是谱线变宽的主要因
8.2 原子发射光谱定量分析
加入K+标准溶液体积/mL 0.00 1.00 2.00 4.00
强度 105 216 328 550
求该血清试样中钾的浓度并判断该浓度是否处于正常范围？
标准加入法 I = aC
8.2 AES光谱定量分析
标准加入法 I = aC
以强度对加入标样的浓度作图（右图） 反向延长直线，与X轴交点得到Cx 线性方程 I = 69.55Cx + 105
计算 I = 0 时，Cx = 1.51 g·mL-1
0.20 mL血清试样浓度
1.51*25.0/0.20 = 188.75 (g·mL-1 )
188.75/39.098 = 4.83 (mmol·L-1) 人的正常血清中含钾量为3.5 ~ 8.5 mmol·L-1 该浓度处于正常范围 答：血清试样中钾的浓度为4.83 mmol·L-1，该浓度 处于正常范围。
nm
lgR
标样1 0.08 285 293 0.97 -0.012
标样2 0.13 323 310 1.04 0.018
标样3 0.20 418 389 1.07 0.031
标样4 0.30 429 384 1.12 0.048
lgC
-1.10 -0.89 -0.70 -0.52
未知样 x 392 372 1.05 0.022 -0.79
在被测元素的光谱中选择一条作为分析线(强度I)，再选择内标物的一
条谱线(强度I0)，组成分析线对
I a cb I0 a0 c0b0
内标法定量的基本关系式
R I a cb Acb I 0 a0 c0b0
lg R b lg c lg A
注02lgC + 0.103 当 lgR = 0.022 时，lgC = -0.79，C = 0.16
《原子发射光谱》课件
不同的样品类型和测量方法对样品制备的要求也不同，因此需要根据实际情况选择 合适的样品制备方法。
样品溶解
样品溶解是原子发射光谱分析 中的重要环节，其目的是将待 测样品中的目标元素充分溶解
在合适的溶剂中。
常用的溶剂有酸、碱、盐等 ，根据待测元素和样品的性
质选择合适的溶剂。
在溶解过程中，需要控制温度 、压力、搅拌速度等条件，以 保证目标元素能够充分溶解在
归一化法
通过比较不同元素谱线强度的比例，消除基体效 应和物理干扰的影响。
Part
06
原子发射光谱的未来发展与挑 战
新技术应用
01
02
03
激光技术
利用激光的高能量和高精 度特性，提高原子发射光 谱的检测灵敏度和分辨率 。
微纳加工技术
将原子发射光谱仪器小型 化、集成化，便于携带和 移动检测。
人工智能技术
利用人工智能算法对原子 发射光谱数据进行处理和 解析，提高分析准确性和 效率。
仪器改进与优化
高性能探测器
研发更灵敏、更快速响应的探测器，提高光谱信号的采集和解析能 力。
高效能光源
优化光源的稳定性和寿命，提高光谱信号的强度和可靠性。
自动化与智能化
实现原子发射光谱仪器的自动化和智能化操作，降低人为误差和操作 复杂度。
高温条件下可实现元素的完全蒸发和激发 ，具有较高的灵敏度和准确度。
需要使用高温电热丝，设备成本较高，且 对某些元素的分析效果不佳。
火花/电弧原子发射光谱法
原理 通过电火花或电弧产生的高温使 待测元素激发为光谱状态，通过 测量光谱线的波长和强度，进行 定性和定量分析。
缺点 分析速度较慢，设备成本较高， 且对某些元素的分析效果不佳。
应用范围
样品溶解
样品溶解是原子发射光谱分析 中的重要环节，其目的是将待 测样品中的目标元素充分溶解
在合适的溶剂中。
常用的溶剂有酸、碱、盐等 ，根据待测元素和样品的性
质选择合适的溶剂。
在溶解过程中，需要控制温度 、压力、搅拌速度等条件，以 保证目标元素能够充分溶解在
归一化法
通过比较不同元素谱线强度的比例，消除基体效 应和物理干扰的影响。
Part
06
原子发射光谱的未来发展与挑 战
新技术应用
01
02
03
激光技术
利用激光的高能量和高精 度特性，提高原子发射光 谱的检测灵敏度和分辨率 。
微纳加工技术
将原子发射光谱仪器小型 化、集成化，便于携带和 移动检测。
人工智能技术
利用人工智能算法对原子 发射光谱数据进行处理和 解析，提高分析准确性和 效率。
仪器改进与优化
高性能探测器
研发更灵敏、更快速响应的探测器，提高光谱信号的采集和解析能 力。
高效能光源
优化光源的稳定性和寿命，提高光谱信号的强度和可靠性。
自动化与智能化
实现原子发射光谱仪器的自动化和智能化操作，降低人为误差和操作 复杂度。
高温条件下可实现元素的完全蒸发和激发 ，具有较高的灵敏度和准确度。
需要使用高温电热丝，设备成本较高，且 对某些元素的分析效果不佳。
火花/电弧原子发射光谱法
原理 通过电火花或电弧产生的高温使 待测元素激发为光谱状态，通过 测量光谱线的波长和强度，进行 定性和定量分析。
缺点 分析速度较慢，设备成本较高， 且对某些元素的分析效果不佳。
应用范围
原子发射光谱法
原子发射光谱法原子发射光谱法是一种用于分析和识别化学元素的重要技术方法。
它基于原子在特定能级上吸收或放射特定波长的光线的性质，通过测量元素产生的特征谱线来确定其存在和浓度。
本文将介绍原子发射光谱法的基本原理、仪器设备以及应用领域。
一、原理原子发射光谱法的基本原理是利用激发、跃迁和发射的原子释放出特定波长的光线。
当原子受到能量激发后，其电子会从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级返回低能级时，发出特定波长的光线。
每种元素都有其独特的电子结构和能级跃迁特征，因此产生的谱线也是独特的，可以用于元素的鉴定和测量。
二、仪器设备原子发射光谱法需要使用特定的仪器设备进行分析。
其中包括光源、样品装置、光谱仪和探测器。
光源用于产生特定波长的光线，常见的光源有气体放电灯和激光器。
样品装置则用于将待分析的样品转化为气体态或溶液态，并将其引入光源产生的火焰或等离子体中。
光谱仪用于分离光线，并测量其强度和波长。
最后，探测器通过转换光信号为电信号，进行信号放大和数据处理。
三、应用领域原子发射光谱法在各个领域都有广泛的应用，特别是在环境监测、食品安全和地质勘探等方面。
例如，在环境监测中，原子发射光谱法可以用于测量水体和大气中的重金属离子，从而评估环境质量。
在食品安全领域，该技术可用于检测食品中的微量元素，如铅、汞等有害物质，以及添加剂的含量。
此外，在地质勘探中，原子发射光谱法可以用于分析岩石和土壤中的元素组成，辅助矿产资源的勘探和开发。
四、优势和发展趋势原子发射光谱法具有许多优势，使其成为分析化学的重要手段。
首先，它具有高灵敏度和高选择性，可以检测到极低浓度的元素。
其次，该方法操作简便、快速，并且对样品的形态要求较宽，可以适用于固体、液体和气体样品的分析。
此外，原子发射光谱法还具有多元素分析能力和较好的重现性，可同时测定多种元素的含量。
随着科学技术的不断发展，原子发射光谱法也在不断改进和完善。
近年来，随着激光技术和光谱仪器的进步，原子发射光谱法的分析能力不断提高。
原子发射光谱方法
原子发射光谱方法是一种常用的元素分析方法，它利用物质原子在高温、高压或电子轰击等激发条件下发射出特定波长的光来确定物质中元素的含量。
其主要原理是将待分析样品中的原子或离子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
原子发射光谱方法主要包括以下几种：
1原子吸收光谱法（AAS）：将待分析样品中的元素原子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时吸收特定波长的光，通过测量吸收光的强度和波长来确定元素的含量。
2.火焰原子发射光谱法（FAS）：将待分析样品在高温火焰中燃烧，使其原子或离子激发到高能级，从而发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
3.电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）：将待分析样品通过电感耦合等离子体（ICP）的高温高压条件下进行原子化，使其原子或离子激发到高能级，从而发射出特定波长的光，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
4.原子荧光光谱法（XRF）：将待分析样品中的元素原子激发到高能级，使其从高能级跃迁到低能级时发射出特定波长的X射线，通过测量发射光的强度和波长来确定元素的含量。
原子发射光谱方法具有高灵敏度、高分辨率、广泛的分析范围和快速分析速度等优点，因此在材料分析、环境监测、食品安全、生命科学等领域得到了广泛应用。
原子发射光谱法的原理
原子发射光谱法的原理
原子发射光谱法（atomic emission spectroscopy）是一种用于分析物质的方法，根据原子在能级跃迁时释放出的特定波长的光谱进行分析。
该方法的原理基于原子在受到能量激发后跃迁到较低能级时会释放出特定波长的光，这些波长是由原子的电子结构决定的。
在原子发射光谱法中，首先需要将待分析的样品转化为气体态中的离子状态，这可以通过气化、电离或燃烧等方法实现。
然后，将激发源（如火焰、等离子体或光源）作用于样品，提供足够的能量使得样品中的原子处于激发态。
当原子从激发态返回到基态时，会通过发射光子的方式释放出能量。
这些发射的光子会落在特定的波长上，形成不同元素的特征光谱。
为了分析样品中的元素组成，首先需要确定每个元素特定的激发和发射波长。
这可以通过先用标准物质进行校准，然后通过比较其发射光谱与待分析样品的发射光谱来确定。
当待分析样品中含有多个元素时，可以通过利用光谱仪对发射光进行分光和检测，然后与已知的发射光谱进行比较，从而确定每个元素的存在和浓度。
原子发射光谱法具有许多优点，包括高灵敏度、多元素分析能力、宽线性范围、简单操作和相对低成本。
它被广泛应用于制药、环境监测、冶金、食品安全等领域，并为化学分析提供了一种快速、准确和可靠的方法。
第八章 原子吸收光谱分析.
变宽程度
DVD 7.162107 V0
T M
多普勒变宽与吸收原子自身的相对原子质量的平方根成反比， 与火焰的温度平方根成正比，与谱线频率有关。
3、压力变宽
由于原子相互碰撞使能级发生稍微变化引起的变宽，又称
为碰撞（Collisional broadening）变宽。它是由于碰撞使
激发态寿命变短所致。外加压力越大，浓度越大，变宽越显
仪器分析-原子吸收光谱分析
K0Βιβλιοθήκη 2 lnDvD
2
e2 mc
N0
f
将上式带入朗伯比尔定律中得到
2 π ln 2 e2
A 0.4343K 0L 0.4343 D D mc N0 fL kLN0
由于N0 ∝N∝c
（ N0基态原子数，N原子总数，c 待测元素浓度）
所以：A=KLN0=K′LN=K′′c
仪器分析-原子吸收光谱分析
原子吸收光谱分析的常规模式
定 量 分 析
3
仪器分析-原子吸收光谱分析
§8-2 原子吸收光谱分析基本原理
一、共振线
E3
1、共振吸收线
E2
使电子由基态跃迁到
第一激发态所产生的
吸收谱线称为共振吸
E1
收线（也简称共振线）
A
B
E0
A 产生吸收光谱
B 产生发射光谱
E0 基态能级 E1、E2、E3、激发态能级
吸收线的宽度受多种因素影响，一类是由原子性质所决定，另 一类是外界因素。
1、自然宽度 Δ N
无外界因素影响时，谱线固有的宽度叫自然宽度。
自然宽度与激发态原子的平均寿命有关。一般约10-5nm。
照射光具有一定的宽度。
原子发射光谱
ICP-AES 特点
feature of ICP-AES
(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 。也有效消除自吸现象，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； ICP焰炬外型像火焰，但不是化学燃烧火焰，气体放电； 缺点：固体进样困难，对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵 ，操作费用高。
1. 高频发生器 高频发生器的作用是产生高频磁 场以供给等离子体能量。 应用最广泛的是利用石英晶体压 电效应产生高频振荡的他激式高频 发生器，其频率和功率输出稳定性 高。频率多为27-50 MHz，最大输 出功率通常是2-4kW。 感应线圈一般以圆铜管或方铜管 绕成的2-5匝水冷线圈。
2. 炬管与雾化器
R 309.418 309.271 2.1 10
R KN Klb
由于 R实>R，所以可以分开两条谱线。
二、光谱仪
（1）感光板与谱线黑度 感光板主要由玻璃片基和感光层组成， 感光层又称乳剂，它是由感光物质卤化银、 明胶和增感剂等物质组成。元素发射出的光 谱使感光板感光，然后在暗室显影、定影， 感光层中金属银析出，形成黑色的光谱线。
二、光谱仪
色散率：指将不同波长的光分散开的能 力，色散率可分为线色散率和角色散率。 分辨率是指摄谱仪的光学系统能够正确 分辨出相邻两条谱线的能力。 聚光本领指摄谱仪的光学系统传递辐射 的能力。
2、光栅光谱仪的光学特性
原子发射光谱法讲
17
ICP形成原理
感应线圈由高频电源耦合供电，产生垂 直于线圈平面的磁场。如果通过高频装 置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁 场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更 多的离子和电子，形成涡流。强大的电 流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达 10000k的等离子焰炬。
18
ICP形成原理
19
ICP火焰
11
原子发射光谱概述
发射谱线，应选择合适的激发温度； 基态原子数N0，在一定的条件下，谱线
强度与N0成正比，这是发射光谱法定量 分析的依据。 当火焰中原子浓度过高，可产生严重的 自吸现象，使谱线中心强度降得很低， 对分析结果产生严重的影响。故不用原 子吸收法做常量分析。
12
原子发射光谱法包括了三个主要的过程: 由光源提供能量使样品蒸发、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。
13
原子发射光谱激发光源
激发光源的基本功能是提供使试样中被 测元素原子化和原子激发发光所需要的 能量。对激发光源的要求是： 灵敏度高，稳定性好，光谱背景小，结 构简单，操作安全。
14
原子发射光谱激发光源
常用的激发光源： 电弧光源。（交流电弧、直流电弧） 电火花光源。 电感耦合高频等离子体光源（ICP光源）
等。
15
电感耦合高频等离子体（ICP）光源
Inductive Coupled Plasma (ICP) 等离子体是一种由自由电子、离子、中
性原子与分子所组成的在总体上呈中性 的气体，利用电感耦合高频等离子体 （ICP）作为原子发射光谱的激发光源 始于上世纪60年代。
16
ICP形成原理
感应线圈由高频电源耦合供电，产生垂 直于线圈平面的磁场。如果通过高频装 置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁 场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更 多的离子和电子，形成涡流。强大的电 流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达 10000k的等离子焰炬。
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ICP形成原理
19
ICP火焰
11
原子发射光谱概述
发射谱线，应选择合适的激发温度； 基态原子数N0，在一定的条件下，谱线
强度与N0成正比，这是发射光谱法定量 分析的依据。 当火焰中原子浓度过高，可产生严重的 自吸现象，使谱线中心强度降得很低， 对分析结果产生严重的影响。故不用原 子吸收法做常量分析。
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原子发射光谱法包括了三个主要的过程: 由光源提供能量使样品蒸发、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。
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原子发射光谱激发光源
激发光源的基本功能是提供使试样中被 测元素原子化和原子激发发光所需要的 能量。对激发光源的要求是： 灵敏度高，稳定性好，光谱背景小，结 构简单，操作安全。
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原子发射光谱激发光源
常用的激发光源： 电弧光源。（交流电弧、直流电弧） 电火花光源。 电感耦合高频等离子体光源（ICP光源）
等。
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电感耦合高频等离子体（ICP）光源
Inductive Coupled Plasma (ICP) 等离子体是一种由自由电子、离子、中
性原子与分子所组成的在总体上呈中性 的气体，利用电感耦合高频等离子体 （ICP）作为原子发射光谱的激发光源 始于上世纪60年代。
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高压火花的特点
（1）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发 能力强，某些难激发元素可被激发，且多为 离子线； （2）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力 稍低，适于低熔点金属与合金的分析； （3）稳定性好，重现性好，适用定量分析； 缺点： （1）灵敏度较差，但可做较高含量的分析； （2）噪音较大；
练习：选择合适的激发光源
某经济作物植物体进行元素的定性全分析 （直流电弧） 炼钢厂炉前12种元素定量分析 （高压火花） 钢中锰的定量分析 （交流电弧） 铁矿石定量全分析 （交流电弧） 头发各元素定量分析 （交流电弧/ICP） 水源调查6种元素(Cr、Mn、Cu、Fe、Zn、Pb )定量 分析 （ICP）
5.2 AES仪器 AES仪器由光源、单色系统、检测系统三部分组成。
此节重点介绍光源、相板检测器及相关特性。
物镜
准直镜
光栅 转台
反射镜
入射狭缝
AES仪器略图
光源
第二节
原子发射光谱仪
原子发射光谱仪器的基本结构由三部分组成，即激 发光源、单色器和检测器。
按接受光谱方式分：看谱法、摄谱法、光电法； 按仪器分光系统分：棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪；
光源种类
（1） 直流电弧 直流电弧发生器的基本电路如图所示。利用直流 电作为激发能源，常用电压为150～380V，电流为5～ 30A。绝对灵敏度高，背景小，适于进行定性分析及 低含量杂质的测定，电极头温度高，不宜进行定量分 析及低熔点元素的分析。
直流电弧发生器
（2） 交流电弧
1）接通电源，由变压器B1升压至2.5～3kV，电容器C1 充电；达到一定值时，放电盘G1击穿；G1-C1-L1构 成振荡回路，产生高频振荡； 2）振荡电压经B2的次级线圈升压到10kV，通过电容器 C2将电极间隙G的空气击穿，产生高频振荡放电； 3）当G被击穿时，电源的低压部分沿着已造成的电离 气体通道，通过G进行电弧放电； 4）在放电的短暂瞬间，电压降低直至电弧熄灭，在下 半周高频再次点燃，重复进行；
辐射跃迁与无辐射跃迁
辐射跃迁：以光辐射的形式释放出多余的能 量。 无辐射跃迁：与其它同种或异种原子碰撞， 转变为其它原子的激发能、动能或化学能。
2、原子发射线有关术语
原子线与离子线：原子外层电子跃迁产生的谱线为原 子线，记为Ca(Ⅰ)；离子外层电子受激发后产生的谱 线，记为Ca(Ⅱ) 共振线与主共振线：
(6)ICP性能优越 线性范围4～6数量级，可测高、中、低不 同含量试样；
局限性
(1)不适宜非金属元素分析。 理论上周期表中所有元素都可用发射光谱法测定。但 是对于一些非金属元素一般很难得到分析它们所必须 的条件，这些元素检出限很差或者无法分析。目前可 用发射光谱法分析的元素仍然主要局限在金属和少数 非金属元素。 (2)发射光谱法只能用于元素分析，而不能确定这些元 素在样品中存在的化合物状态。 (3)仪器价格贵。现在一般仪器的价格在60～70万元。
1930年以后，建立了光谱定量分析方法
原子发射光谱分析的特点
优点：
(1)可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱；
(2)分析速度快 试样不需处理，同时对几十种元素进行定 量分析(光电直读仪)；
(3)选择性高 各元素具有不同的特征光谱； (4)检出限较低 10～0.1gg-1(一般光源)；ngg-1(ICP） (5)准确度较高 5%～10% (一般光源）； <1% (ICP) ；
世界上速度最快的全谱 直读式ICP-AES
一 、AES光源 作用：提供分析物蒸发、原子化和激发的能量，以产生辐 射信号。 1. 光源种类及特点 火焰
经典光源
光源 现代光源
电弧 火花
直流电弧 交流电弧
电感耦合等离子体 inductively coupled plasma
激光光源
光源
单色器
检测器
摄谱仪光路图
1 光源
激发光源是原子发射光谱仪中一个极为重要 的组成部分 它的作用是给分析试样提供蒸发、原子化或 激发的能量。 在光谱分析时，试样的蒸发、原子化和激发 之间没有明显的界限，这些过程几乎是同时 进行的，而这一系列过程均直接影响谱线的 发射以及光谱线的强度。
原子发射光谱仪的光源类型
目前常用的光源有以下两种：一类是经典光 源（直流电弧、交流电弧及高压火花），另 一类是等离子体及辉光放电光源，其中以电 感耦合等离子体光源（ICP）居多，在不同 的领域中得到广泛的应用。
辅助气点燃等离子体；中心层为 载气。
ICP 工作原理
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。
Na Cs Rb Ti 黄 蓝 红 绿
第一节 基本原理
一、原子发射光谱分析过程
光源
单色器
检测器
原子发射光谱分析经历的过程
蒸发——原子化——激发
E1
hv E0 定性分析——由于待测原子的结构不同， 因此发射谱线特征不同 定量分析——由于待测原子的浓度不同， 因此发射强度不同
二、原子发射光谱仪器的发展历史
灵敏线、最后线与分析线
灵敏线：元素的最特征谱线，一般主共振线 为灵敏线 最后线：当元素含量减小到最低时，仍然坚 持到最后出现的谱线。含量低时，最后线为 灵敏线，含量高时不一定。 分析线：用来进行定性定量分析的谱线
λ＝2265Å是Cd元素的最后线。
3 谱线强度
I=aCb
a是与试样蒸发、激发过程和组成等有关的常数
原子发射光谱分析的特点
优点： 1、具有多元素同时分析能力 2、既可进行定性、也可进行定量分析 3、具有较高的灵敏度和选择性（ng/ml ~ pg/ml） 4、仪器较简单（与X射线荧光、ICP质谱法相比） 缺点： 不适于部分非金属元素如卤素、惰性气体元素等的 分析 目前原子发射光谱法广泛应用于冶金、地质、 环境、临床等样品中痕量元素的分析
二、原子发射光谱分析基本原理
1 原子发射光谱的产生
原子的外层电子由高能级向低能级跃迁，多余 能量以电磁辐射的形式发射出去，这样就得到了发 射光谱。原子发射光谱是线状光谱。 hc 谱线波长与能量的关系为: λ
热能、电能 基态元素M E
E 2 E1
激发态M*
激发态
量子化能级： 产生不连续的 线状光谱 基态
交流电弧特点
1）电弧温度高，激发能力强； 2）电极温度稍低，蒸发能力稍低； 3）电弧稳定性好，使分析重现性好，适用于定量分析。
（3） 高压火花
1）交流电压经变压器T后，产生10～25kV的高压，然
后通过扼流圈D向电容器C充电，达到G的击穿电压时， 通过电感L向G放电，产生振荡性的火花放电； 2）转动续断器M，2,3 为钨电极，每转动180度， 对接一次,转动频率 (50转/s)， 接通100次/s，保证每半周电 流最大值瞬间放电一次；
19世纪50年代发现原子发射现象, 20世纪30年代得到迅速发展. 原子发射光谱法在新元素发现方面作 出很大贡献:
Rb Cs Ga In Tl Pr Nd Sm Ho Tm Yb Lu He Ne Ar Kr Xe
火焰
电CCD
第一节 基本原理
一、概述
原子发射光谱分析（Atomic Emission Spectrosmetry, AES），是根据处于激发态的待测元 素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分 析的方法。 1859年，基尔霍夫和本生研制了第一台用于光谱分 析的分光镜，实现了光谱检验；
共振线：由各激发态跃迁回 基态时所发射的谱线 主共振线：由第一激发态跃 迁回基态时所发射的谱线， 最易发生，能量最小。
h
共振吸收
3. 几个概念
激发电位(Excited potential)：由低能态--高能态所 需要的能量，以eV表示。 原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示, 如Na(I) 电离电位 (Ionization potential)和离子线：原子受 激后得到足够能量而失去电子 —电离；所需的能量称为电 离电位；离子的外层电子跃迁—离子线，以II表示。
（2）光电倍增管
用光电倍增管来接收和记录谱线的方法称 为光电直读法。
光电倍增管的工作原理图
第三节
定性及定量分析方法
1 光谱定性分析
由于各元素的原子结构不同，在光源激发下，试 样中各元素都发射各自的特征光谱（谱线有多有少）， 通过识别元素的一条或数条特征谱线的波长，可以进 行元素定性分析。
（4） 电感耦合等离子体光源（ICP）
等离子体
一般指电离度超过0.1%被电离了的气体，是一 种由自由电子、离子、中性原子与分子所组成 的，在总体上呈电中性的气体。 从广义上讲像火焰和电弧的高温部分、火花放 电、太阳和恒星表面的电离层等都是等离子体。
等离子矩管分为三层： 最外层通氩气为冷却气；中层为
4. AES特点 1）多元素检测(multi-element); 2）分析速度快:
3）选择性好：Nb与Ta；Zr与Hf，Rare-elements;
4 ）检出限低： 10-0.1g/g(g/mL); ICP-AES 可达 ng/mL级; 5）准确度高：一般5-10%，ICP可达1%以下; 6） 所需试样量少； 7） 线性范围宽(linear range)，4~6个数量级; 不足之处 :无法检测非金属元素： O 、 S、 N、 X(处于远紫 外)；P、Se、Te-----难激发，常以原子荧光法测定。
4 谱线的自吸与自蚀