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操作和分析原子发射光谱仪；
3.通过测定水样中的金属含量，掌握原子发射光谱法在实际样品中的应用。
二、实验原理
原子发射光谱法是根据待测元素的原子在热能或电能的刺激下，将原子的核外电子从基态转移到激发态，返回基态时发射的特征摇谱线对待测元素进行定性和定量分析的方法。
1.定性分析的基本原理
其能量差与辐射波长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，激发后只能发射特征谱线，因此可以定性分析样品。
2.定量分析基本原理
光谱定量分析的基础是合光谱定量分析的基础：
中I是谱线强度；c元素含量；b是自吸系数； A发射系数与样品的蒸发、刺激和发射的整个过程有关。
由于经典光源中的白色吸力，校正曲线通常以对数形式绘制；在等离子体光源中，在较宽的浓度范围内b≈因此，谱线强度与浓度成正比。
原子发射光谱仪主要分为光源、分光系统和检测系统三部分。
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。
等离子体是由自由电子、离子、中性原子和分子组成的电中性气体。
ICP结构:高频发生器(含感应线圈)
等离子体火炬管(智能供气系统)
雾化器(试样引入系统)
等离子体火炬管由三层同心石英管组成
外管通冷空气Ar,Ar电离，产生雪崩放电，形成ICP同时避免燃烧石英管。
中管通辅助气Ar,维持和提高等离子体火炬焰，减少碳沉积。
内管通载气Ar,气溶胶注入等离子体。
分光系统：其功能是将光源发射的不同波长的光色分散成单色光。目前，光栅分光系统（利用光的单缝干扰和多缝衍射原理分光）广泛应用。
检测系统：将光信号转换为电信号，使指示器显示与样品浓度呈线性关系的值。探测器通常包括光电倍增管和固态阵列探测器。直读原子发射光谱仪通常使用CCD作为检测器。
CCD是一系列非常紧密的排列MOS电容器由金属-氧化物-半导体组成。它是一种由紧密排列的光信号敏感像元组成的模拟集成电路芯片。CCD光信号以电荷为信号，通过电荷的存储和转移实现光信号的光电转换、存储和传输，在其输出端产生波长强度二维信号。信号放大和计算机处理后，人眼可见的地图同步显示在终端显示器上。
本实验采用标准曲线法对待测水样品Mg、Al、Zn的含量进行定量分析,定量依据为:I=Ac
标准曲线法需要测量一系列不同浓度的标准样品，并根据测量结果绘制以样品发射谱强度为纵坐标、样品浓度为横坐标的标准曲线。然后将测量样品中相应元素的谱强度带入绘制的标准曲线，以获得测试样品元素的浓度。
标准曲线法的使用应确保标准样品的组成尽可能与待测样品的组成相似，因此适用于样品组成简单、不相互干扰的样品；该方法操作简单方便，可用于检测批量样品的含量。
三、实验仪器
电感耦合等离子体发射光谱仪、循环水冷却器、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，调整压力为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，打开排气电源开关ICP主机电源开关，打开电脑。
(2)建立方法
双击桌面WinLab32图标，使计算机与主机通信；关闭弹出窗口；单击文件；单击新建；单击方法；单击确定；单击元素周期表；依次单击Mg、Al、Zn三个元素；关闭元素周期表；点击右侧的设置；在延迟时间内输入:30；在重复次数处输入:3；点击下面的校准:在校准样品识别码处依次输入1、2、3。
（3）点火
向500mL烧杯用洗瓶倒入约3000个mL将进样管放入烧杯中，关闭蠕动泵，关闭进样管和废液管。单击等离子体图标，单击泵，打开泵，单击点火。
(4)溶液配置标准系列
将100-1000μL移动液枪调节刻度为500 μL，将枪头插入枪头盒中；用100-1000μL移液枪吸取500μLMg标准工作液转移到1#10mL比色管中，100-10000μL移动液枪调节刻度为100μL，枪头盒，插上枪头，用100-10000μL移液枪吸取100μLZn将标准工作液转移到2#10mL比色管中，20-2000μL移液枪调节刻度为50μL，插入枪头盒中的枪头；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将去离子水添加到比色管中近10mL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将10倒入比色管中ml左右待测水样。
(6)样品的测试分析
点击手工图标；点击数组名称线的打开；在名称中输入学生名称；点击确定；点击分析空白；将色管架放入进样管下，将进样管放入1#比色管中；点击分析样品；将进样管插入装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；点击分析样品；点击菜单栏的样品信息；点击关闭；将进样管插入装有去离子水的烧杯中。
(7)清洗管道系统
点击等离子体图标；关闭等离子体；点击冲洗冲洗管一段时间；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；点击下一步两次；点击完成；点击右下箭头查看实验结果。
（9）关机
关闭软件；关闭计算机；关闭ICP主机电源开关；关闭循环水电源开关；拔下空气压缩机电源接头，关闭空气压缩机；逆时针旋转氩气减压阀，关闭减压阀；关闭排气电源开关；关闭蠕动泵，松开进气管和废液管；组织实验台，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火炬是如何产生和维持的？
产生：将高速氩气引入火炬管的切向方向，火炬管中的氩气 外层形成高速旋流，氩气通过类似真空检漏仪的装置产生的高频电火花电离少量电子，沿火炬管切线方向形成电流。由于火炬管放置在高频线圈中，高频发生器产生的高频振荡通过火炬管线圈耦合到少量电子氩气中，氩气中的这部分电子加速运动，与其他电子产生电离 , 形成雪崩效应，最终通过高频发生器连续提供能量，形成稳定的等离子体火焰。
维护：高频能量通过负载线圈第一次耦合到等离子体上ICP火焰维持不灭。
2.ICP一般选择什么作为工作气体?为什么?
氩气；
(1)氩ICP光源分析性能好，分析灵敏度高，光谱背景低； (2)氩易于形成稳定的等离子体ICP，所需高频功率也较低； （3）氩是一种惰性气体，不会与被测材料发生化学反应。氩对电弧的冷却效果较小，因此当电弧在氩中燃烧时，热损失较小，稳定性较好。同时，氩分解后的正离子体积和质量较大，对阴极影响较强，阴极破碎效果较强。因此，氩可以使光谱仪发挥其更好的性能。
3.ICP有哪些优点？
（1） 同时检测多元素的能力。
样品中的各种元素可以同时检测。一旦样品受到刺激，样品中的所有元素都会发射出自己的特征谱线，可以单独检测和测量各种元素。
（2） 快速分析。
大多数样品不需要化学处理就可以分析，固体和液体样品可以直接分析，多元素也可以同时测量。如果使用光电直读光谱仪，几分钟内可以同时测量几十个元素。
(3)选择性好。
由于光谱的强很强的特性，分析一些化学性质非常相似的元素具有特别重要的意义。例如，其他方法很难分析铌和钽、铣削和镁以及十几种稀土元素，这对AES毫无困难。
(4)检出限低。
一般可达0.1～1μg·g-1.绝对值可达10-8~10-9g。等离子体采用电感耦合(ICP)新光源的检出限可源数量级。
（5）用ICP精度高，标准曲线线线性范围宽，可达4~6个数量级。
可同时测量高、中、低含量的不同元素。ICP-AES已广泛应用于各个领域。
(6)样品消耗较少，适用于整批样品的多组分测量，尤其是定性分析。
七、讨论经验
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。