原子發(fā)射光譜儀的使用簡(jiǎn)介

原子發(fā)射光譜法（atomic emission spectrometry，AES）是根據(jù)試樣中被測(cè)元素的原子（或離子），在光源中被激發(fā)而發(fā)射的特征光譜（characteristic spectrum）來(lái)進(jìn)行元素的定性和定量的分析方法。

一、儀器工作原理

通常組成物質(zhì)的原子處于最穩(wěn)定的基態(tài)（ground state），其能量最低。當(dāng)原子受到外界能量（如電能熱能或光能）作用時(shí)，原子的外層電子就從基態(tài)躍遷到更高的能級(jí)狀態(tài)即激發(fā)態(tài)（excited state）。處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，約經(jīng)10^-8s后，原子躍遷回基態(tài)或其他較低的能級(jí)，以光輻射的形式釋放出多余的能量，產(chǎn)生光譜。原子發(fā)射光譜是由于原子的外層電子在不同能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的。利用物質(zhì)的原子發(fā)射光譜來(lái)測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)組成的方法，稱(chēng)為光譜分析法或發(fā)射光譜分析法。

發(fā)射光譜的能量可用下式表示，即

由上式可知，每一條發(fā)射光譜的譜線的波長(zhǎng)，與躍遷前后的兩個(gè)能級(jí)之差成反比。由于原子內(nèi)的電子軌道是不連續(xù)的（量子化的），故得到的光譜是線光譜（《linespectrum《）因?yàn)榻M成物質(zhì)的各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的光譜也就不同，也就是說(shuō)，每一種元素的原子都有它自己的特征光譜線。原子發(fā)射光譜法的研究對(duì)象就是被分析物質(zhì)所發(fā)出的線光譜。通過(guò)檢測(cè)這些特征譜線是否出現(xiàn)，以鑒別某種元素是否存在，這是光譜定性分析的基本原理。

同樣，在一定條件下，這些特征光譜線的強(qiáng)弱與試樣中欲測(cè)元素的含量符合羅馬金賽伯經(jīng)驗(yàn)公式，即

I=Ac^b

發(fā)射系數(shù)A與試樣的蒸發(fā)、激發(fā)和發(fā)射的整個(gè)過(guò)程有關(guān)，與光源類(lèi)型、工作條件、試樣組分、元素化合物形態(tài)以及譜線的自吸收現(xiàn)象也有關(guān)系，由激發(fā)電位及元素在光源中的濃度等因素決定。元素含量很低時(shí)譜線自吸收很小，這時(shí)b=1；元素含量較高時(shí)，譜線自吸收現(xiàn)象較嚴(yán)重，此時(shí)b<1。因此，實(shí)際使用過(guò)程中，往往采用公式的對(duì)數(shù)形式，這樣，只要是常數(shù)，就可得到線性的工作曲線。由此可見(jiàn)，在一定條件下，譜線強(qiáng)度只與試樣中原子濃度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量元素特征光譜線的強(qiáng)度，可以鑒定元素的含量，這正是原子發(fā)射光譜定量分析的基礎(chǔ)。

二、儀器的基本組成部分

發(fā)射光譜分析過(guò)程分為三步，即激發(fā)、分光和檢測(cè)。第一步是利用外加能量的作用（激發(fā)光源）使試樣蒸發(fā)出來(lái)，然后離解成原子，或進(jìn)一步電離成離子，最后使原子或離子得到激發(fā)，產(chǎn)生特征輻射；第二步是利用光譜儀把將發(fā)射的各種波長(zhǎng)的輻射按波長(zhǎng)順序展開(kāi)為光譜；第三步是利用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)分光后得到的不同波長(zhǎng)的輻射進(jìn)行檢測(cè)，由所得光譜線的波長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析，由所得光譜線的強(qiáng)度，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析。

物質(zhì)光譜的獲得過(guò)程和分析過(guò)程，可以分別進(jìn)行，也可以同時(shí)進(jìn)行，前者屬于攝譜分析法，后者屬于目視及光電直讀分析法。

發(fā)射光譜儀通常包括激光光源、分光系統(tǒng)（光譜儀）及檢測(cè)系統(tǒng)三個(gè)主要部分，攝譜分析儀器還應(yīng)包括觀察光譜、測(cè)定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的儀器，光電直讀儀器則還有數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制系統(tǒng)。

1.激發(fā)光源

原子發(fā)射光譜分析的光源向試樣提供一定的能量，促使樣品蒸發(fā)、原子化（和電離），進(jìn)而激發(fā)樣品中各元素的原子（和離子）產(chǎn)生發(fā)射光譜。因而光源可看成發(fā)射光譜分析的基礎(chǔ)，光源本身的特性在很大程度上影響光譜分析的靈敏度和準(zhǔn)確度。對(duì)于原子發(fā)射光譜分析而言，一般對(duì)光源性能的要求為:蒸發(fā)、原子化和激發(fā)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、分析樣品組成影響小分析線性范圍寬、適應(yīng)各種類(lèi)型樣品測(cè)定。常用的光源由20世紀(jì)40年代的直流電弧、交流電弧、高壓電火花占統(tǒng)治地位，發(fā)展到70~80年代電感耦合等離子體光源（inductively coupled plasma，ICP）成為主流。此外，一些實(shí)用光源，如直流等離子體噴焰（ direct current plasmajet，DCP）、電容耦合微波等離子體（capacitively coupled microwave plasmamicrowave induced plasma，MIP）及激光微探針和各種串聯(lián)光源如gd-miP、iCP-MIP、激光蒸發(fā)-MIP等）也大有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

各種類(lèi)型的光源具有各自的特性（激發(fā)溫度、蒸發(fā)溫度、熱性質(zhì)、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等）和應(yīng)用范圍，適用于不同分析對(duì)象和不同的分析要求。各種常用發(fā)射光譜激發(fā)光源的性能及其應(yīng)用范圍可歸納與表。

表：常用光源性能比較

2.光譜儀

大光譜儀是用來(lái)觀察光源光譜的儀器，它將光源發(fā)射的電磁波分解為一定次序排列的光譜。光譜儀的分類(lèi)方法多，按色散元件的不同，攝譜儀可分為棱鏡攝譜儀、光柵攝譜儀和干涉光譜儀三類(lèi)。

3.光譜記錄及檢測(cè)系統(tǒng)

光譜記錄及檢測(cè)系統(tǒng)的作用是接受、記錄并測(cè)定光譜。常用的記錄和檢測(cè)方法有看譜法、攝譜法和光電直讀法?？醋V法以眼睛為檢測(cè)器，以看譜鏡或看譜計(jì)為分光系統(tǒng)?？醋V鏡只能用于定性分析，看譜計(jì)可進(jìn)行半定量和定量分析。攝譜法將從光學(xué)系統(tǒng)輸出的不同波長(zhǎng)的輻射能在感光板上轉(zhuǎn)為黑的影像，再通過(guò)測(cè)微光度計(jì)測(cè)定譜線黑度，進(jìn)行定量分析。而光電直讀法以光電倍增管代替感光板作為檢測(cè)器，利用光電測(cè)量的方法直接測(cè)定譜線波長(zhǎng)和強(qiáng)度。近年來(lái)，光電二極管陣列（PDA）、電感耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）以及固態(tài)光學(xué)多道檢測(cè)系統(tǒng)（CTDS）等檢測(cè)器也開(kāi)始應(yīng)用于原子發(fā)射光譜儀中。