化学国家级实验教学示范中心Northwest University

电感耦合等离子体原子发射光谱法 (ICP-AES) 同时测定 Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+

基础化学实验Ⅳ （仪器实验）

2

实验技能训练要点

ICP-AES 仪器的使用（第一次训练）ICP-AES 定量分析方法（巩固训练）

3

一、实验目的

二、 ICP-AES 简介

三、实验原理

四、实验步骤

五、结果处理

六、思考题

七、实验延伸

实验内容

4

掌握 ICP-AES 的基本原理熟悉 ICP-AES 仪器各主要部件及其作用熟悉 ICP-AES 仪器的使用方法学习利用 ICP-AES 同时分析多种元素含量的方法

一、实验目的

5

二、 ICP-AES 简介

6

发射光谱的产生

e基态

激发态

△E=hc/λ

不同原子 特征谱线能级状态不同

电能、热能

动画来自同济大学分析化学 PPT

7

+-

氢原子的玻尔模型 （基态）

8

加入量子化的能量加入量子化的能量

+

激发

9

电子返回低能级 发出特定波长的光 E=k/k

光+

发射

10

激发 发射

能量

离子激发态

离子基态

a b c d

a,b 激发c 电离d 离子激发

e

fg

h

E 离子发射f,g,h 元子发射

} 激发态 {

~ 4

~ 3

~ 2~ 1

能级图

11

多种能量传输 发射光取决于能级间能量差

返回基态发出光

+

激发态

E = h = hc/

h = Planck’s 常数 , = 频率 , c = 光速 , = 波长

原子光谱的产生

12

特定波长的强度和该元素的浓度成正比，这是定量分析的基础 .

II = = AACC b b

式中：式中： bb=1 =1 没有自吸没有自吸 , , bb ＜＜ 1, 1, 有自有自吸吸

13

AES 仪器

激发光源 分光系统 检测系统分光系统 检测系统

14

直流电弧

交流电弧

高压火花

电感耦合高频等离子体(Inductively Coupled

Plasma)

ICP

火焰光源

激发光源 解离蒸发 原子化 激发

15

光源 蒸发温度 激发温度 稳定性 应用范围

直流电弧

高 ( 阳极 )

3000~40004000~7000 较差

矿物 , 纯物质 , 难挥发元素 ( 定性半定量分析 )

交流电弧

中

1000~20004000~7000 较好 金属合金低含量元素

的定量分析

高压火花

低

＜ 1000瞬间可达 ~10000 好 含量高元素 , 易挥发 ,

难激发元素

ICP 很高 6000~8000 很好 适用范围广

火焰光源

略低 1000~5000 好 溶液 , 碱金属 , 碱土金属

各种光源性质比较

16

ICP-AES OPTIMA 4300DV PerkinElmer

17

1. 工作温度高 有利于难溶化合物的分解和难激发元素的激发。2. 稳定性很好 环状电流 外层电流密度大，温度高，中心电流密度最小，温度最低。样品扰动小，稳定性好。

3. 自吸效应小 标准曲线的线性范围宽，可达 4—6 个数量级。4. 原子化完全 化学干扰少，对于很多元素都有很高的灵敏度和很低的检出限。

5. ICP 是无极放电，没有电极污染； Ar 工作气体。

ICP 光源的突出优点

18

ICP-AES 仪器结构

19

(1) ICP 示意图

ICP 部分

20

（ 2 ） 等离子点矩过程

21

（ 3 ）试样在等离子体内过程

22

（ 4 ）观测方式

23

ICP-AES 的发展

照相法 ICP 多道直读光谱仪 PMT ICP 单道直读光谱仪 PMT ICP 全谱直读光谱仪 CCD

光谱仪系统

24

传统单道多道光谱仪简图

25

全谱直读光谱仪简图

26

全谱直读光谱仪示意图全谱直读光谱仪示意图

ICPICP 作为激发作为激发源源

中阶梯光栅交叉中阶梯光栅交叉色散光学系统色散光学系统

CIDCID 电荷注入式检测器电荷注入式检测器SCDSCD 分段式电荷耦合式固体检测分段式电荷耦合式固体检测器器CCDCCD 电荷耦合式固体检测器电荷耦合式固体检测器

所有的测定程序、数据由计算机所有的测定程序、数据由计算机工作站控制、处理、显示。工作站控制、处理、显示。

CIDCID 电荷注入式检测器电荷注入式检测器3.5 3.5 ××3.5 cm3.5 cm22

512512×× 512 512 点阵检测单元点阵检测单元

27

ICP-AES 应用

28

三、实验原理

　　 ICP-AES分析是将试样在等离子体光源中激发，使待测元素发射出特征波长的辐射，经过分光，测量其强度而进行定量分析的方法。它具有分析速度快，灵敏度高、稳定性好、线性范围宽、基体干扰小，可多元素同时分析等优点。本实验利用 ICP-AES仪器，同时测定水样中 Ca2+ 、 Fe3+

和 Zn2+ 三种离子的含量。

29

1. 试剂 Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+ 标准混合溶液标准混合溶液 1 ： Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+ 的浓度均为 10 μg/mL ；

标准混合溶液 2 ： Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+ 的浓度均为 50 μg/mL ；

标准混合溶液 3 ： Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+ 的浓度均为 100

μg/mL ；

四、实验步骤

30

2. 测定条件

RF 功率 ： 1.35KW

等离子气流速 ： 15.0 L/min

辅助气流速： 0.2 L/min

雾化气流速 ： 0.8 L/min

蠕动泵流速： 1.50 mL/min

Ca2+ 测定波长： 324.7 nm

Fe3+ 测定波长： 259.9 nm

Zn2+ 测定波长： 213.9 nm

31

1) 保持实验室内通风。打开气源（氩气，空气压缩机和吹扫用氮气）和冷却水（或冷却水循环器） ;

2) 打开主仪器电源开关。（通常，此开关应保持打开状态以避免仪器开机时的重新初始化而导致时间延迟）

3 ）关闭试样舱门，确保前门紧闭 ;

4 ）启动计算机和 WINLAB32软件，等待仪器初始化结束。5 ）点炬， 15 分钟后仪器自动进行光学初始化，（ initialize

optics)并检查结果 。也可以选 Tools-Spectrometer

Control-initialize optics 随时启动，大约 4 分钟结束。

3. OPTIMA2100DV操作程序

6 ） 分析方法编辑 ;

7 ） 分析样品 ;

8 ） 完成分析后应清洗进样系统，清洗时间和样品有关，一般可以先喷 2-5% HNO3 大约 5 分钟，再喷去离子水大约 5 分钟 。样品基体复杂的要延长清洗过程 ;

9 ） 结束后在 Plasma框熄矩，熄矩后仪器将保持 Plasma 和辅气体 1-2 分钟冷却炬管，此时应继续保持提供氩气 ;

10 ） 排出雾室内余液，停止蠕动泵，松开蠕动泵管 ;

11 ） 先退出软件，然后关断仪器电源 ;

33

利用仪器软件，分别将 Ca2+ 、 Fe3+ 和 Zn2+ 的 光强度对质量浓度进行线性回归，绘制标准 曲线。

报告测定结果，以 μg/mL 表示。

五、结果处理

34

1. 为什么 ICP 光源能够提高光谱分析的灵敏度和准确度？

2. 简述等离子体焰炬的形成过程。

六、思考题

35

七、实验延伸

联合技术将给 ICP-AES提供一个新的应用前景。如流动注射技术与 ICP-AES法联用 (FIA-ICPAES)可以降低检测下限，提高分析速度；高效液相色谱与 ICP-AES

法联用 (HPLC-ICP-AES)可以有效减少 ICP法的光谱干扰，提高选择性，并应用于元素化学形态的分析，解决物质的状态和价态分析问题。

36

参考文献

1. C Trassy, J M Mermet. 电感耦合等离子体光谱分析 . 万家亮，唐咏秋译 . 北京 :科学出版社， 1989

2. 苏克曼 , 张济新 . 仪器分析实验 . 第 2 版 . 北京 : 高等教育出版社 , 2009