1
原子发 射 光 谱实 验 讲座
宛 寿 康
2004年 4月 24日
2
原子发射光谱概述
? 原子发射光谱法，是利用物质在热激发或电激
发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来
判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分
析的方法。
? 原子发射光谱法是光学分析法中产生与发展最
早的一种。在近代各种材料的定性、定量分析
中，原子发射光谱法发挥了重要作用。特别是
新型光源的研制与电子技术的不断更新和应用，
使原子发射光谱分析获得了新的发展，成为仪
器分析中最重要的方法之一。
3
原子发射光谱概述
（ 1）原子发射光谱分析的优点,
① 具有多元素同时检测能力。可同时测
定一个样品中的多种元素。
② 分析速度快。若利用光电直读光谱仪，
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 (电弧火花法） 。
4
原子发射光谱概述
③ 检出限低。
一般光源可达 10～ 0.1mg/mL,
绝对值可达 1～ 0.01mg。
电感耦合高频等离子体原子发射光谱
（ ICP-AES）检出限可达 ng/mL级。
④准确度较高。一般光源相对误差约为 5％
~10％,ICP-AES相对误差可达 l％以下。
5
原子发射光谱概述
⑤ 试样消耗少。
⑥ ICP光源校准曲线线性范围宽可达 4～ 6个数
量级。
（ 2）原子发射光谱分析的缺点,
高含量分析的准确度较差；常见的非金属元素
如氧、硫、氮、卤素等谱线在远紫外区．一般
的光谱仪尚无法检测；还有一些非金属元素，
如 P,Se,Te等，由于其激发电位高，灵敏度
较低。
6
原子发射光谱的产生
通常情况下，原子处于基态，在激发光
作用下，原子获得足够的能量，外层电
子由基态跃迁到较高的能级状态即激发
态。处于激发态的原子是不稳定的，其
寿命小于 10-8s，外层电子就从高能级向
较低能级或基态跃迁。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。
7
原子发射光谱的产生
谱线波长与能量的关系如下,
h c
λ=
E2 — E1
式中 E2,E1分别为高能级与低能级的能量,
λ为波长,h为 Planck常数,c为光速。
8
原子发射光谱的产生
? 处于高能级的电子经过几个中间能级跃
迁回到原能级，可产生几种不同波长的
光，在光谱中形成几条谱线。 一种元素
可以产生不同波长的谱线，它们组成该
元素的原子光谱。
? 不同元素的电子结构不同，其原子光谱
也不同，具有明显的特征。
9
原子发射光谱概述
? 由于待测元素原子的能级结构不同，因
此发射谱线的特征不同，据此可对样品
进行定性分析；
? 而根据待测元素原子的浓度不同，因此
发射强度不同，可实现元素的定量测定。
10
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。
11
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。
12
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。
13
几种光源的比较
光 源
蒸发温度
激发温度 /K
放电稳定
性
应用范围
直流电弧
高
4000～ 7000
稍差
定性分析，矿物、纯物质、难
挥发元素的定量分析
交流电弧
中
4000～ 7000
较好
试样中低含量组分的定量
分析
火化
低
瞬间 10000
好
金属与合金、难激发元素
的定量分析
ICP
很高
6000～ 8000
最好
溶液的定量分析
14
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。
15
ICP形成原理
? ICP装置由,
? 高频发生器和感应线圈 。
? 炬管和供气系统 。
? 进样系统 。
三部分组成,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。
16
ICP— AES结构示意图
17
高频电感耦合等离子体震荡电路
18
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。
19
ICP形成原理
20
ICP火焰
21
ICP火焰温度分布
? ICP焰明显地分为三个区域,
焰心区呈白色，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。
内焰区位于焰心区上方，一般在感应圈以上 10-20mm左
右，略带淡蓝色，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。
尾焰区在内焰区上方，无色透明，温度较低，在 6000K
以下，只能激发低能级的谱线。
22
ICP形成原理
23
ICP－ AES的进样系统
? 雾化装置：利用载气流将液体试样雾化成细微
气溶胶状态并输入到等离子中。它有同芯玻璃
雾化器和玻璃雾化室组成。
24
用照相法在感光板上记录谱线
25
单道顺序扫描直读光谱仪
? 光栅公式,
kλ =(a+b)sinβ
k为一级光谱时等于 1,a+b为光栅常数。
通过改变光栅闪耀 β,使光栅在不同闪
耀 β时衍射出对应的 λ（波长）。
26
发射光谱仪（顺序扫描仪内部）
27
ICP光谱仪
28
发射光谱定量分析方法
? 光谱定量分析的依据是,
I = ACb
? I：谱线强度。
? C：待测元素的浓度。
? A：常数。
? b,分析线的自吸系数，在 ICP-AES中为 1。
29
发射光谱定量分析方法
30
发射光谱定量分析方法
? 在顺序扫描光谱仪中分析线的谱线强度
是以谱线峰高值表示。
31
发射光谱定量分析方法
? 配制一组有浓度梯度的标准溶液，依次测量标
准溶液的强度值，作出标准工作曲线。
32
发射光谱定量分析方法
? 测量样品中待测元素的谱线强度值，利用已作出的标
准工作曲线，计算出样品中该元素的浓度。
33
ICP-AES标准溶液配制,
? 多元素的标准溶液，元素之间要注意光
谱线的相互干扰, 尤其是基体或高含量
元素对低含量元素的谱线干扰。
? 所用基准物质要有 99.9％以上的纯度。
? 标准溶液中酸的含量与试样溶液中酸的
含量要相匹配，两种溶液的粘度、表面
张力和密度大致相同。
34
谢谢各位老师！
原子发 射 光 谱实 验 讲座
宛 寿 康
2004年 4月 24日
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原子发射光谱概述
? 原子发射光谱法，是利用物质在热激发或电激
发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来
判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分
析的方法。
? 原子发射光谱法是光学分析法中产生与发展最
早的一种。在近代各种材料的定性、定量分析
中，原子发射光谱法发挥了重要作用。特别是
新型光源的研制与电子技术的不断更新和应用，
使原子发射光谱分析获得了新的发展，成为仪
器分析中最重要的方法之一。
3
原子发射光谱概述
（ 1）原子发射光谱分析的优点,
① 具有多元素同时检测能力。可同时测
定一个样品中的多种元素。
② 分析速度快。若利用光电直读光谱仪，
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 (电弧火花法） 。
4
原子发射光谱概述
③ 检出限低。
一般光源可达 10～ 0.1mg/mL,
绝对值可达 1～ 0.01mg。
电感耦合高频等离子体原子发射光谱
（ ICP-AES）检出限可达 ng/mL级。
④准确度较高。一般光源相对误差约为 5％
~10％,ICP-AES相对误差可达 l％以下。
5
原子发射光谱概述
⑤ 试样消耗少。
⑥ ICP光源校准曲线线性范围宽可达 4～ 6个数
量级。
（ 2）原子发射光谱分析的缺点,
高含量分析的准确度较差；常见的非金属元素
如氧、硫、氮、卤素等谱线在远紫外区．一般
的光谱仪尚无法检测；还有一些非金属元素，
如 P,Se,Te等，由于其激发电位高，灵敏度
较低。
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原子发射光谱的产生
通常情况下，原子处于基态，在激发光
作用下，原子获得足够的能量，外层电
子由基态跃迁到较高的能级状态即激发
态。处于激发态的原子是不稳定的，其
寿命小于 10-8s，外层电子就从高能级向
较低能级或基态跃迁。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。
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原子发射光谱的产生
谱线波长与能量的关系如下,
h c
λ=
E2 — E1
式中 E2,E1分别为高能级与低能级的能量,
λ为波长,h为 Planck常数,c为光速。
8
原子发射光谱的产生
? 处于高能级的电子经过几个中间能级跃
迁回到原能级，可产生几种不同波长的
光，在光谱中形成几条谱线。 一种元素
可以产生不同波长的谱线，它们组成该
元素的原子光谱。
? 不同元素的电子结构不同，其原子光谱
也不同，具有明显的特征。
9
原子发射光谱概述
? 由于待测元素原子的能级结构不同，因
此发射谱线的特征不同，据此可对样品
进行定性分析；
? 而根据待测元素原子的浓度不同，因此
发射强度不同，可实现元素的定量测定。
10
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。
11
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。
12
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。
13
几种光源的比较
光 源
蒸发温度
激发温度 /K
放电稳定
性
应用范围
直流电弧
高
4000～ 7000
稍差
定性分析，矿物、纯物质、难
挥发元素的定量分析
交流电弧
中
4000～ 7000
较好
试样中低含量组分的定量
分析
火化
低
瞬间 10000
好
金属与合金、难激发元素
的定量分析
ICP
很高
6000～ 8000
最好
溶液的定量分析
14
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。
15
ICP形成原理
? ICP装置由,
? 高频发生器和感应线圈 。
? 炬管和供气系统 。
? 进样系统 。
三部分组成,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。
16
ICP— AES结构示意图
17
高频电感耦合等离子体震荡电路
18
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。
19
ICP形成原理
20
ICP火焰
21
ICP火焰温度分布
? ICP焰明显地分为三个区域,
焰心区呈白色，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。
内焰区位于焰心区上方，一般在感应圈以上 10-20mm左
右，略带淡蓝色，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。
尾焰区在内焰区上方，无色透明，温度较低，在 6000K
以下，只能激发低能级的谱线。
22
ICP形成原理
23
ICP－ AES的进样系统
? 雾化装置：利用载气流将液体试样雾化成细微
气溶胶状态并输入到等离子中。它有同芯玻璃
雾化器和玻璃雾化室组成。
24
用照相法在感光板上记录谱线
25
单道顺序扫描直读光谱仪
? 光栅公式,
kλ =(a+b)sinβ
k为一级光谱时等于 1,a+b为光栅常数。
通过改变光栅闪耀 β,使光栅在不同闪
耀 β时衍射出对应的 λ（波长）。
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发射光谱仪（顺序扫描仪内部）
27
ICP光谱仪
28
发射光谱定量分析方法
? 光谱定量分析的依据是,
I = ACb
? I：谱线强度。
? C：待测元素的浓度。
? A：常数。
? b,分析线的自吸系数，在 ICP-AES中为 1。
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发射光谱定量分析方法
30
发射光谱定量分析方法
? 在顺序扫描光谱仪中分析线的谱线强度
是以谱线峰高值表示。
31
发射光谱定量分析方法
? 配制一组有浓度梯度的标准溶液，依次测量标
准溶液的强度值，作出标准工作曲线。
32
发射光谱定量分析方法
? 测量样品中待测元素的谱线强度值，利用已作出的标
准工作曲线，计算出样品中该元素的浓度。
33
ICP-AES标准溶液配制,
? 多元素的标准溶液，元素之间要注意光
谱线的相互干扰, 尤其是基体或高含量
元素对低含量元素的谱线干扰。
? 所用基准物质要有 99.9％以上的纯度。
? 标准溶液中酸的含量与试样溶液中酸的
含量要相匹配，两种溶液的粘度、表面
张力和密度大致相同。
34
谢谢各位老师！
