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1、ICP发射光谱分析,目 录, ICP发射光谱分析原理 ICP发射光谱仪的构成 ICP发射光谱分析方法 样品的前处理 仪器的维护保养,ICP发射光谱分析 原 理,ICP-AES(OES) ICP Atomic Emission Spectrometry (Optical Emission Spectrometry) ICP发射光谱分析法 元素分析 溶液进样,ICP-AES可测定的元素,ICP：Inductively Coupled Plasma 电感耦合等离子体,等离子体 “高温下电离气体（Ionized gas）” “离子状态” “阳离子和电子数几乎相等” 等离子体的最高温度10000K 元素
2、被激发（发光源） ICP发射光谱分析,电感耦合等离子体光源（ICP）,等离子体（Plasma）一般指电离度超过0.1%被电离了的气体，这种气体不仅含有中性原子和分子，而且含有大量的电子和离子，且电子和正离子的浓度处于平衡状态，从整体来看是出于中性的。,等离子体光源的分区,NAZ-分析区 IRZ- 初始辐射区 PHZ-预热区 尾焰,离子发射光谱的产生,在等离子体中元素原子化、离子化 在等离子体中元素发射特征波长的光,ICP发射光谱分析的基本原理,ICP发射光谱分析过程主要分为三步, 即激发、分光和检测. 利用等离子体激发光源（ICP）使试样蒸发汽化, 离解或分解为原子状态，原子可能进一步电离成离
3、子状态，原子及离子在光源中激发发光。 利用光谱仪器将光源发射的光分解为按波长排列的光谱。 利用光电器件检测光谱，按测定得到的光谱波长对试样进行定性分析，按发射光强度进行定量分析,I = Nmh=KNmN0e-Em/ kT (1) 在一定的实验条件下: I = aC (2) a为常数，C为目的元素的浓度 考虑某些情况下有一定程度的谱线自吸, 对(2)加以修正 I = aCb (3) b为自吸系数, 一般情况下b1。在ICP光源中多数情况下b1。,谱线强度与浓度的关系,ICP-AES的特长,溶液进样、标准溶液易制备 高灵敏度（亚ppb） 高精度（CV 1%） 化学干扰少 线性范围宽（个数量级） 可
4、同时进行多元素的定性定量分析,可以分析的样品 1:金属(钢铁,有色金属) 2:化学,药品,石油,树脂,陶瓷 3:生物,医药,食品 4:环境(自来水,环境水,土壤,大气粉尘) 5:可以分析其他各种各样样品中的金属 备注:固体样品必须进行前处理(液化),ICP发射光谱仪的构成,ICP-AES光谱仪结构,溶液-雾化 发光 元素 光-电信号 结果,等离子火炬与频率关系,R.F高频发生器,27.12MHz,40.68MHz 高频发生器 输出功率稳定性好、点火容易、发热量小、火焰稳定、有效转换功率高、能对不同样品及不同浓度变化时抗干扰能力强。,ICP-AES 样品导入部,将样品溶液雾化连续导入ICP中,高
5、频线圈,等离子炬管,样品溶液,雾室,雾化器,冷却气 (Ar),等离子（辅助）气 (Ar),ICP光源的气流,冷却气起冷却作用，保护石英炬管免被高温融化 辅助气“点燃”等离子体 雾化气形成样品气溶胶 将样品气溶胶引入ICP 对雾化器、雾化室、中心管起清洗作用,Fassel炬管,等离子炬管,等离子炬管分为输入载气Ar的内层管、输入辅助气Ar的中层管和输入等离子气Ar的外层管。,外层管：外层管通Ar气作为冷却气，沿切线方向引入，并螺旋上升，其作用：第一，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；第二，是利用离心作用，在炬管中心产生低气压通道，以利于进样；第三，这部分Ar气流同时也参与放电
6、过程 中层管： 中层管通人辅助气体Ar气，用于点燃等离子体。 内层管：内层石英管内径为12mm左右，以Ar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。,冷却气 (等离子气)(9L/min-20L/min) 等离子气 (辅助气)(0.2L/min-1.5L/min) 载气 (注入气)(0.2L/min-1.5L/min),气动雾化器(同心型),气动雾化器,气动雾化器的结构简单，通常分为同轴型雾化器和直角型雾化器。 同轴型雾化器结构简单，易于制作，应用较为普遍。直角型雾化器不易被悬浮物质堵塞。但雾化效率较低，喷嘴容易堵塞，进样速度受载气压力的影响。改用蠕动泵驱动雾化器，可避免载气压力
7、对样品提升量的影响。,旋流雾室,双筒雾室,等离子炬观测位置,ICP-AES 分光器,选择分辨出目的元素的特征谱线,检测器-光电倍增管,光电倍增管工作原理,阴极,ICP-AES分光器原理,190nm以下如P、S波长的分光，需要真空或气体吹扫,计算机功能,程序控制：仪器各部件的起动、关闭 时实控制：时间监控、远程诊断、信息转移 数据处理 谱线数据库专家系统,ICP发射光谱分析方法,定性分析 定量分析 半定量分析,需进行使样品溶液化的前处理,ICP发射光谱分析方法,定性分析,定性分析 要确认试样中存在某个元素，需要在试样光谱中找出三条或三条以上该元素的灵敏线，并且谱线之间的强度关系是合理的；只要某元
8、素的最灵敏线不存在，就可以肯定试样中无该元素。,定量分析,工作曲线法 标准样品的组成与实际样品一致 在工作曲线的直线范围内测定 使用无干扰的分析线,定量分析,标准加入法 测定范围的工作曲线的直线性 溶液中干扰物质浓度必须恒定 应有1-3个添加样品 使用无干扰的分析线 进行背景校正,定量分析,内标法 在试样和标准样品中加入同样浓度的某一元素（内标元素），利用分析元素和内标元素的谱线强度比与待测元素浓度绘制工作曲线，并进行样品分析。,半定量分析,半定量分析 有些样品不要求给出十分准确的分析数据，允许有较大偏差，但需要尽快给出分析数据，这类样品可采用半定量分析法。 ICP光源的半定量分析尚无通用方法
9、，因仪器类型和软件功能而异，应用不广泛。,灵敏度 、检出限、背景等效浓度,灵敏度：S=dX/dc 单位浓度变化所引起的响应量的变化,它相当于工作曲线的斜率 检出限: ICP光谱分析中, 能可靠地检出样品中某元素的最小量或最低浓度. 背景等效浓度(BEC)：与背景信号相当的浓度。,ICP发射光谱分析中的干扰,物理干扰 化学干扰 电离干扰 光谱干扰,干扰的校正,基体匹配 可消除物理、电离干扰。注意不纯物的混入。 内标校正 可消除物理干扰。注意内标元素的选择(电离电位)。 背景校正,扣除光谱背景,谱线干扰的校正,选择无干扰的谱线 干扰系数法校正谱线干扰 稀释样品,样品的前处理,待测元素完全进入溶液
10、溶解过程待测元素不损失 不引入或尽可能少引入影响测定的成分 试样溶剂具有较高的纯度，易于获得 操作简便快速，节省经费等,溶解样品的基本要求,稀释法 用纯水、稀酸、有机溶剂直接稀释样品。 只适用于均匀样品 例）排放水、电镀液、润滑油等 干式灰化分解法 在马弗炉中加热样品，使之灰化 。 可同时处理多个样品。 注意低沸点元素Hg,As,Se,Te,Sb的挥发 例）食品、塑料、有机物粉末等,样品的前处理（溶液化）,湿式分解法 常规酸消化 样品 + 酸（300）于烧杯或三角烧瓶中,在电热板 或电炉上加热。 常规酸消化的优点是设备简单，适合处理大批量样品；缺点是操作难度大，试剂消耗量大、每个试样的酸消耗量
11、不等，试剂空白高且不完全一致、消解周期长、劳动条件较差。,样品的前处理（溶液化）,高压密封罐消解 高压密封罐由聚四氟乙烯密封罐和不锈钢套筒构成。试样和酸放在带盖的聚四氟乙烯罐中，将其放入不锈钢套筒中，用不锈钢套筒的盖子压紧密封聚四氟乙烯罐的盖子，放入烘箱中加热。加热温度一般在120180。聚四氟乙烯罐的壁较厚，导热慢一般要加热数小时。停止加热后必须冷却才能打开。溶剂：硝酸；硝酸+过氧化氢 酸消耗量小，试剂空白低，试样消解效果好，金属元素几乎不损失，环境污染小。分解周期长。,微波消解 微波消解也是一种在密封容器中消化的手段。它具有 高压密封罐法所有的优点。消解速度比高压密封罐法 快得多。 试剂消
12、耗量小，金属元素几乎不损失，不受环境污染， 空白低。使用硝酸可消化大多数有机样品。 微波炉的价格较高，试样处理能力不如干式灰化和常规 消化法。,器皿的洗涤,使用后的玻璃及聚四氟乙烯器皿用一般蒸馏水冲洗3次。 浸没在6N的硝酸溶液中5天以上。 取出后分别用一般蒸馏水冲洗5次以上，高纯水冲洗3次。,器皿的存放,置于无灰尘处自然凉干。（可盖保鲜膜等） 容量瓶可装满高纯水存放,仪器的维护和保养,注意事项,进样前进样系统的检查。 测定后进样系统的检查和清洗。 废液桶中的废液要经常清理。 炬管，雾化器，雾室的清洗。 冷却水，真空泵油，分子筛的定期更换。,轴向和横向观测任选，用轴向观测提高灵敏度，横向观测分
13、析高浓度的样品,轴向和横向观测,等离子体部的上下移动 水冷套件的安装与卸除,轴向和横向观测的切换,干扰因素,ICP-AES 光谱干扰 光谱干扰数量多,谱库中有50,000条特征光谱。 加上来自如金属材料、矿石和化学品分析中基体的影响，解决起来比较困难。 不同的分子特征基团如OH键，也会造成在低含量分析时的干扰。,干扰因素,ICP-AES 光谱干扰的消除 离线光谱背景校正。 动态背景校正。,干扰因素,ICP-AES 基体效应的干扰 喷射管 样品与标准溶液粘度的差异,干扰因素,ICP-AES 基体效应的干扰 使用内标。,干扰因素,ICP-AES 电离效应的干扰 易电离的元素引起的电离干扰。ICP-
14、MS更为严重。包括增强或抑制效应。,干扰因素,ICP-AES 电离效应的干扰的消除 仪器条件的最佳化 加入电离效应缓冲液,微波制样概述,微波方法有效所必要的过程，最关键的部分归纳如下： 1）样品类型分类描述，例如地质的、冶金的等。 2）感兴趣分析物。 3）样品量（范围） 4）每次溶解的样品数 5）容器类型 6）溶剂所需的溶剂量（ACS等级或蒸馏等级等），溶剂空白所需溶剂量。,微波制样概述,微波方法有效所必要的过程，最关键的部分简洁地归纳如下： 7)完全消解程序。 8）对于校准，必须说明校准所需的具体功率设定和每步的持续时间。 9）对于温度反馈控制，需要描述加热温度、保持温度和冷却步骤。（如EP
15、A方法3052可分为桑额阶段：加热到1805需5.5分钟，保持1805需9.5分钟，冷却至少需5分钟。）,普通加热示意图,样品+试剂,容器壁,导热,外部温度要高于试剂的沸点,热对流,微波消解示意图,微波可穿透容器壁,加入酸的样品吸收微波,局部过热,微波加热,陶瓷基底硅控管保护,硅控管,波导,microwaves,陶瓷基底,容器,微波反射,微波腔体,Schematic of Home Microwave EM Field Pattern,Schematic of Microwave Pattern Interaction with Pressure Vessels,waveguide,microwave pattern,microwave cavity,
