原子发射光谱仪的结构原理

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。

学习原子发射光谱仪之前的几个概念一定要知道:激发电位(Excited potential)、原子线、共振线(Resonance line)、电离电位(Ionization potential)和离子线。

激发电位(Excited potential):将原子中的一个外层电子从基态跃迁至激发态所需的能量，通常以电子伏特来( eV )表示。每条谱线对应一激发电位。

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)。

共振线(Resonance line):由激发态直接跃迁至基态时所辐射的谱线，激发电位最小、最易激发、谱线最强。

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，成为离子--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，III，IV等表示。

原子发射光谱的产生

原子的核外电子一般处在基态运动，当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到激发态，处于激发态不稳定(寿命小于10-8 s)，迅速回到基态时，就要释放出多余的能量，若此能量以光的形式出现，即得到发射光谱(线光谱)。

发射的光波长为:

每个元素有自己独特的特征光谱。

产生过程:

能量(电或热、光)→基态原子

外层电子(低能态E1→高能态E2)

外层电子(低能态E1→高能态E2)

发出特征频率(n)的光子:

DE= E2-E1 = hn=hc/l

从上式可见，每一条所发射的谱线的波长，取决于跃迁前后两个能级之差。

只需根据是否出现元素的特征频率或波长的谱线即可断定试样中是否存在该原子。

原子发射光谱线

原子的能级层次比较多，因此所发出的谱线也是众多的。

激发电位，低能态电子被激发到高能态需要的能量。

共振线、主共振线，由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线称为共振线。由第一激发态直接跃迁至基态的谱线称为主共振线(第一共振线)。

原子发射光谱仪器的构成

基本结构由三部分组成，即激发光源、单色器和检测器。

激发光源

激发光源对试样有两个方面的作用:

①蒸发--首先，把试样中的被测组份蒸发成气态原子。

②激发--试样被蒸发后，气态原子被激发，使之产生特征光谱。

光源通常是决定测定灵敏度、准确度的重要因素。

激发源的类型:

直流电弧(DCA)

低压交流电弧(ACA)

高压火花

电感耦合等离子体ICP(Inductively Coupled Plasma)

微波等离子体

分光系统

将样品中待测元素的激发态原子或离子所发射的特征光经分光后，得到按波长顺序排列的光谱。

类型分光原件类型:

棱镜分光系统(折射)紫外和可见光区和光栅分光系统(衍射和干涉)两种。

棱镜:棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料 对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。

光栅:光栅摄谱仪应用衍射光栅作为色散元件，利用光在刻痕小反射面上的衍射和衍射光的干涉作用进行分光。下图为平面反射光栅。

检测系统

将原子的发射光谱记录或检测下来，常用的检测方法有:目视法，摄谱法和光电法三种。

目视法

用眼睛来观察谱线强度的方法称为看谱法，这种方法仅适用于可见光波段，常用的仪器叫看谱镜。专用于钢铁及有色金属的半定量分析。

摄谱法

把经过分光系统分光后得到的光照在感光板上，感光板感光、显影、定影、得到许多距离不等、黑度不同的光谱线

光电检测系统

利用光电倍增管作光电转换元件，把代表谱线强度的光信号转化成电信号，把电信号转换为数字显示出来。光电倍增管是目前光谱仪器中应用最多准确度较高(相对标准偏差为1%);检测速度快，线性响应范围宽。

原子发射光谱分析法的特点

(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10~0.1μg⋅g-1(一般光源);ng⋅g-1(ICP)

(5)准确度较高5%~10% (一般光源);

(6)ICP-AES性能优越线性范围4~6数量级，可测高、中、低不同含量试样;

缺点:只能用于元素分析，不能确定其存在的状态结构;非金属元素不能检测或灵敏度低。如惰性气体、卤素等元素几乎无法分析;仪器设备比较复杂、昂贵。