一、实验目的
1.学习ICP原子发射光谱法的基本原理和仪器结构；
2.学习ICP原子发射光谱仪的操作和分析方法；
3.通过对水样中金属含量的测定,掌握原子发射光谱法在实际样品中的应用。
二、实验原理
原子发射光谱法是依据待测元素的原子在热能或电能激发下，原子的核外电子由基态跃迁到激发态,并返回基态时所发射特征晃谱线对待测元素进行定性与定量分析的方法。
1.定性分析基本原理
其能量差与辐射波长之间的关系符合普朗克公式:
由于各种元素的原子能级结构不同,因此受激发后只能发射特征谱线,据此可对样品进行定性分析。
2.定量分析基本原理
光谱定量分析的基础是谱线强度和元素浓度符合:
式中I是谱线强度;c是元素含量;b是自吸系数; A是发射系数与试样的蒸发、激发和发射的整个过程有关。
在经典光源中由于存在白吸，一般用其对数形式绘制校正曲线;而在等离子体光源中,在很宽的浓度范围内b≈1，所以谱线强度与浓度成正比。
原子发射光谱仪主要分为三大部分:光源、分光系统和检测系统。
光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发,产生发射光谱。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。
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电中性的气体。
ICP结构:高频发生器（含感应线圈)
等离子体炬管（智供气系统)
雾化器（试样引入系统)
等离子体炬管：三层同心石英管组成
外管通冷却气Ar,Ar电离,产生雪崩式放电,形成ICP焰炬,同时避免烧毁石英管。
中管通辅助气Ar,维持并抬高等离子体炬焰,减少炭粒沉积。
内管通载气Ar,载带试样气溶胶注入等离子体内。
分光系统:作用是将光源发射的不同波长的光色散为单色光。现在用的较多的是光栅分光（利用光的单缝干涉和多缝衍射原理分光）系统。
检测系统:将光信号转换为电信号,使指示仪上显示出与试样浓度成线性关系的数值。检测器通常有光电倍增管和固态阵列检测器。直读型原子发射光谱仪通常采用CCD作为检测器。
CCD是出一系列排得很紧密的MOS（金属-氧化物-半导体)电容器组成。是一种固体多道光学检测器件,它是由紧密排布的光信号敏感的像元构成的模拟集成电路芯片。CCD以电荷为信号,通过电荷的存储和转移实现将光信号进行光电转换、储存和传输,在其输出端产生波长-强度二维信号,信号经放大和计算机处理后在末端显示器上同步显示出人眼可见的图谱。
本实验采用标准曲线法对待测水样中的Mg、Al、Zn的含量进行定量分析,定量依据为:I=Ac
标准曲线法需要先测定一系列不同浓度的被测试样的标准样品,并根据测得的结果绘制一条以样品发射谱线强度为纵坐标,以样品浓度为横坐标的标准曲线。然后将测定的待测试样中相应元素的谱线强度带入到绘制的标准曲线中,即可求得待测试样元素的浓度。
标准曲线法的使用应保证标准试样的组成与待测试样组成尽可能相近,故适用于样品成分较简单,并且各组分之间互不干扰的样品;同时该方法操作简单方便,可同时适用于批量样品含量的检测。
三、实验仪器
电感耦合等离子体发射光谱仪、循环水冷机、空气压缩机、烧杯、比色管、移液枪。
四、实验步骤
（1）开机；
顺时针旋转氩气减压阀，打开减压阀，调节压力为0.7MPa，连接空压机电源接头，打开空压机，打开循环水电源开关，打开排风电源开关，打开ICP主机电源开关，打开电脑。
（2）建立方法
双击桌面上的WinLab32图标，使电脑与主机通讯；关闭弹窗；点击“文件”；点击“新建”；点击“方法”；点击“确定”：点击“元素周期表”；依次双击“Mg、Al、Zn三种元素”；关闭“元素周期表”；点击右侧的“设置”；在延迟时间处输入:“30”；在重复次数处输入:“3”；点击下方的“校准”:在校准标样识别码处依次输入“1、2、3”。
（3）点火
向500mL烧杯用洗瓶倒入约300mL去离子水，将进样管放入烧杯中；关闭蠕动泵，闭合进样管和废液管。操作软件点击“等离子体”图标，点击“泵”，开启泵，点击“点火”。
（4）配置标准系列溶液
将100-1000μL移液枪调节刻度为500 μL，在枪头盒中，取枪头插上；用100-1000μL移液枪吸取500μLMg标准工作液,转移到1#10mL比色管中；将100-1000μL移液枪调节刻度为100μL，在枪头盒中，取枪头插上；用100-1000μL移液枪吸取100μLZn标准工作液,转移到2#10mL比色管中；将20-200μL移液枪调节刻度为50μL，在枪头盒中，取枪头插上；用20-200μL移液枪吸取50μLAl标准工作液，转移到3#10mL比色管中；
在1#10mL比色管中，加入去离子水至接近10mL刻度线的位置，去离子水定容摇匀，重复操作2#、3#10mL比色管。
（5）准备待测样品
向4#10mL比色管中，倒入10ml左右待测水样。
（6）测试分析样品
点击“手工图标”；点击结果数组名称行的“打开”；在“名称”处输入“学生名字”；点击“确定”；点击“分析空白”；将色管架至进样管下，将进样管放在1#比色管中；点击“分析标样”；将进样管插入盛有去离子水的烧杯中，冲洗进样系统一段时间；将进样管插入待测水样中；点击“分析试样”；点击菜单栏的“试样信息”；点击“关闭”；将进样管插入盛有去离子水的烧杯中。
（7）清洗管路系统
点击“等离子体图标”；关闭等离子体；点击“冲洗”冲洗管路一段时间；再次点击“冲洗”，关闭冲洗；点击“泵”，关闭泵。
（8）查看光谱图
点击“检查图标”；点击“数据”；点击“选择数据组”；点击两次“下一步”；点击“完成”；点击下方向右的箭头查看实验结果。
（9）关机
关闭软件；关闭电脑；关闭ICP主机电源开关；关闭循环水电源开关；拔掉空压机电源接头，关闭空压机；逆时针旋转氩气减压阀，关闭减压阀；关闭排风电源开关；关闭蠕动泵，松开进样管和废液管；整理实验台，实验结束。
五、数据处理
Mg: 浓度为 3.404mg/L
Al:浓度为0.948mg/L
Zn:浓度为0.410mg/L
六、思考题
1.ICP焰炬是怎样产生和维持的/p>
产生：在炬管的切向方向引入高速氩气,氩气在炬管的 外层形成高速旋流,通过类似真空检漏仪的装置产生的高频电火花使氩气电离出少量电子,形成一个沿炬管切线方向的电流。因为炬管放置在高频线圈内,通过高频发生器产生的高频振荡通过炬管线圈耦合到已被电离出少量电子的氩气上,使氩气中的这部分电子加速运动,撞击其他电子产生电离 , 形成雪崩效应,最终靠高频发生器连续提供能量,即可形成一个稳定的等离子体火焰。
维持：高频能量通过负载线圈第耦合到等离子体上，而使ICP火焰维持不灭。
2.ICP一般选择什么作为工作气体什么/p>
氩气；
(1)氩ICP光源有良好的分析性能，分析灵敏度高且光谱背景较低；
(2)用氩作等离子体易于形成稳定ICP，所需的高频功率也较低；
(3)氩气是一种惰性气体，它不会和被测材料发生化学反应。而且氩气对电弧的冷却作用小，所以电弧在氩气中燃烧时，热量损耗小，稳定性比较好。同时氩气分解后的正离子体积和质量较大，对阴极的冲击力很强，具有强烈的阴极破碎作用。因此氩气可以使光谱仪发挥其较好的性能。
3.ICP的优点有哪些/p>
（1） 多元素同时检出能力。
可同时检测一个样品中的多种元素。一个样品一经激发，样品中各元素都各自发射出其特征谱线，可以进行分别检测而同时测定多种元素。
（2） 分析速度快。
试样多数不需经过化学处理就可分析，且固体、液体试样均可直接分析，同时还可多元素同时测定，若用光电直读光谱仪，则可在几分钟内同时作几十个元素的定量测定。
（3）选择性好。
由于光谱的特征性强，所以对于一些化学性质极相似的元素的分析具有特别重要的意义。如铌和钽、铣和铪、十几种稀土元素的分析用其他方法都很困难，而对AES来说是毫无困难之举。
（4）检出限低。
一般可达0.1～1μg·g-1，绝对值可达10-8～10-9g。用电感耦合等离子体(ICP)新光源，检出限可低至 数量级。
（5）用ICP光源时，准确度高，标准曲线的线性范围宽，可达4～6个数量级。
可同时测定高、中、低含量的不同元素。因此ICP-AES已广泛应用于各个领域之中。
（6）样品消耗少，适于整批样品的多组分测定，尤其是定性分析更显示出独特的优势。
七、讨论心得
1.学习了ICP原子发射光谱法的基本原理和仪器结构；
2.学习了ICP原子发射光谱仪的操作和分析方法；
3.通过对水样中金属含量的测定,掌握了原子发射光谱法在实际样品中的应用。
来源：小七小七，旗开得胜
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