第七章 原子发射光谱法(3)

2019-02-21 00:34

元素符号底下的数字表示该元素谱线的具体波长;右下角标的罗马数字Ⅰ,Ⅱ或Ⅲ?等,分别表示该谱线为原子线,一级离子线或二级离子线?等;右上角标有不同数字,表示谱线强度的级别。一般谱线强度分为10级,级数越高,谱线愈强。

(三)光谱定性分析工作条件的选择

① 光谱仪 一般选用中型摄谱仪,因其色散率较为适中,可将欲测元素一次摄谱,便于检出。若试样属多谱线、光谱复杂、谱线干扰严重,如稀土元素等,可采用大型摄谱仪。

② 激发光源 常用直流电弧作激发光源。因其电极头温度高,有利于试样蒸发,绝对灵敏度高。

③ 电流控制 为了使易挥发和难挥发的元素都能很好地被检出,一般先使用较小的电流(5~6 A),然后用较大的电流(6~20 A),直至试样蒸发完毕。试样挥发完后,电弧发出噪声,并呈现紫色。

④ 狭缝 为了减少谱线的重叠干扰和提高分辩率,摄谱时狭缝应小一些,以5~7 μm为宜。

⑤ 运用哈特曼光栏 光谱定性分析时,要求谱片上的铁谱线和试样谱线两者的相对位置要特别准确。哈特曼光栏是由金属制成的多孔板,置于狭缝前导槽内。对其以不同高度截取,使摄得的光谱落在感光板的不同位置上,这样便于相互比较,定性查找。

此外,为了检查碳电极的纯度以及加工过程有无沾污等,一般还应摄取空碳棒的光谱。摄谱时选用灵敏度高的Ⅱ型感光板。

二、光谱半定量分析

光谱半定量分析的依据:谱线的强度和谱线的出现情况与元素含量密切相关。常用的半定量方法是谱线黑度比较法和谱线呈现法等。

(一)谱线黑度比较法

将试样与已知不同含量的标准样品在相同的实验条件下,在同一块感光板上并列摄谱,然后在映谱仪上用目视法直接比较被测试样与标准样品光谱中分析线的黑度,若黑度相等,则表明被测样品中欲测元素的含量近似等于该标准样品中欲测元素的含量。

此法简便易行,其准确度取决于被测样品与标准样品基体组成的相似程度以及标准样品中欲测元素含量间隔的大小。

(二)谱线呈现法

当样品中某元素的浓度逐渐增加时,该元素的谱线强度增加,而且谱线数目亦增多,灵敏线、次灵敏线、弱线依次出现。于是可预先配制一系列浓度不同的标准样品,在一定条件下摄谱,然后根据不同浓度下所出现的分析元素的谱线及强度情况绘制成一张谱线出现与含量的关系表(即谱线呈现表),以后就根据某一谱线是否出现来估计试样中该元素的大致含量。表7-2为铅的谱线呈现表。

表7-2 铅的谱线呈现表 Pb(%) 0.001 0.003 0.01 0.03 0.1 0.3 1 谱线及其特征 283.31 nm清晰可见;261.72和280.20 nm谱线很弱 283.31 nm,261.72 nm谱线增强;280.20 nm谱线清晰 上述各线增强;266.32 nm,287.33 nm谱线不太明显 266.32 nm,287.33 nm谱线逐渐增强至清晰 上述各线均增强,不出现新谱线 显出239.38 nm淡灰色宽线;在谱线背景上257.73 nm不太清晰 上述各线增强;270.2、277.7和277.6 nm出现;271.2 nm模糊可见 该法简便快速,但分析结果粗略,其准确度受试样组成及分析条件的影响较大。 三、光谱定量分析

(一)光谱定量分析的基本关系式

进行光谱定量分析时,是根据被测试样光谱中欲测元素的谱线强度来确定元素的浓度。元素的谱线强度I与该元素在试样中浓度c的关系为

I?acb(7-9)

lgI?blgc?lga(7-10)

式中常数a是与试样的蒸发、激发过程和试样组成等因素有关的一个常数;常数b称为自吸系数,当谱线强度不大、没有自吸时,b=1;反之,有自吸时,b<1,而且自吸越大,b值愈小。所以,只有在严格控制实验条件一定的情况下,在一定的待测元素含量的范围内,a和b才是常数,lgI与lgc之间才具有线性关系。而这种条件通常是很难控制的,所以一般采用盖拉赫(Gelach)的“内标法”。

(二)内标法光谱定量分析的原理

1.内标法原理 在待测元素的光谱中选一条谱线作为分析线(或称杂质线),另在基体元素(或定量加入的其它元素)的光谱中选一条谱线作为内标线(或称比较线),这两条谱线组成分析线对。分析线与内标线的绝对强度的比值称为相对强度(R)。内标法就是根据分析线对的相对强度与被分析元素含量的关系来进行定量分析。这样可使谱线相对强度由于实验条件波动而引起的变化得以抵消,这是内标法的优点。

设待测元素和内标元素含量分别为c和c0,分析线和内标线强度分别为I和I0,b和b0分别为分析线和内标线的自吸收系数,根据式(7-9),对分析线和内标线分别有

I?a1cb(7-11)

bI0?a0c0(7-12)

则其相对强度R为

a1cbIbR???acbI0a0c0(7-13)

式中a = a1 / a0cb 0 ,在内标元素含量c0和实验条件一定时,a为定值,对式(7-13)取对数可得

lgR?lg此式即内标法定量分析的基本关系式。

I?blgc?lgaI0(7-17)

2.内标元素与内标线的选择原则

(1)内标元素含量必须固定。内标元素在试样和标样中的含量必须相同。内标化合物中不得含有被测元素。

(2)内标元素和分析元素要有尽可能类似的蒸发特性。这样相对强度受电极温度变化的影响很小。

(3)用原子线组成分析线对时,要求两线的激发电位相近;若选用离子线组成分析线对,则不仅要求两线的激发电位相近,还要求电离电位也相近。这样的分析线对称为均称线对。

(7)所选线对的强度不应相差过大。

(5)若用照相法测量谱线强度,要求组成分析线对的两条谱线的波长尽可能靠近。 (6)分析线与内标线没有自吸或自吸很小,且不受其它谱线的干扰。 (三)摄谱法光谱定量分析

用摄谱法进行光谱定量分析时,最后测得的是谱线的黑度而不是强度。故此时应考虑谱线黑度与被测元素含量的关系。

谱线的黑度S与照射在感光板上的曝光量H有关。它们的关系是很复杂的,不能用一个单一的数学式表达,常常只能用图解的方法来表示,这种图解曲线称为乳剂特性曲线。通常以黑度值S为纵坐标,曝光量的对数lgH为横坐标作图(图7-11)。AB部分为曝光不足部分,它的斜率是逐渐增大的;CD部分为曝光过度部分,它的斜率则逐渐减小;BC部分为曝光正常部分,这一部分的斜率是恒定的,光谱定量分析一般就在这部分内工作。黑度与曝光量的对数之间可以用简单数学式表达。令此直线段的斜率为?,则

D C B A α a lgHb i 图7-11 乳剂特性曲线

?称为感光板的反衬度,它是感光板的重要特性之一。

??tg?(7-15)

对于正常曝光部分(亦即光谱分析常用的部分),S与lgH之间的关系最简单,可用下述直线方程式表示:

对一定的乳剂,γlgHi为一定值并以i表示,则

S?tg??lgH?lgHi????lgH?lgHi?(7-16)

S??lgH?i(7-17)

曝光量等于照度E乘以曝光时间t,而E∝I,故

S??lgIt?i(7-18)

在光谱定量分析中,感兴趣的是分析线对的相对强度的测量。设S1、S2分别为分析线及内标线的黑度,则

S1??1lgI1t1?i1(7-19) S2??2lgI2t2?i2(7-20)

因为在同一感光板上,曝光时间相等,即t1 = t2;当分析线对的波长、强度、宽度相近,且其黑度值均落在乳剂特性曲线的直线部分时,γ1 = γ2= γ,i1 = i2= i,则分析线对的黑度差ΔS为:

?S?S1?S2??lg将式(7-17)代入上式:

I1??lgRI2(7-21)

?S??lgI1??blgc??lgaI2(7-22)

式(7-22)即为用内标法进行定量分析的基本关系式。由此式可知,在一定条件下分析线对的黑度差与试样中该组分的含量c的对数成线性关系。

(四)光谱定量分析工作条件的选择

1.光谱仪 一般多用中型光谱仪,但对谱线复杂的元素(如稀土元素等),则需选用色散率大的大型光谱仪。

2.光源 可根据被测元素的含量、元素的特性及分析要求等来选择合适的光源。

3.狭缝 在定量分析中,为了减小由乳剂不均匀所引入的误差,宜使用较宽的狭缝,一般可达20 μm左右。

7.内标元素和内标线 金属光谱分析中,一般选基体元素作内标元素。在矿石分析中,由于组分变化很大,同时基体元素的蒸发行为与待测元素也多不相同,所以一般不用基体元素作内标,而是加入定量的其它元素。内标元素的选择原则同前。

5.光谱缓冲剂 为了抵偿试样组成变化对谱线强度的影响,常于粉末试样和参比样品中加进经过选择的一种或多种辅助物质,这种物质称为光谱缓冲剂。它应具有能增进有规律的挥发,稳定燃烧以及稳定电弧温度等作用。常用的缓冲剂有:

① 碱金属盐类(用作易挥发元素的缓冲剂); ② 碱土金属盐类(用作中等挥发元素的缓冲剂);

炭粉也是缓冲剂的常见组分之一,它起着稀释试样,减小试样与标样在组成及性质上的差别等作用。


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