電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定重鈣中鉛、砷、鉻、鎘含量

王曉艷,陳 歡

(1.西北化工研究院，陜西 西安 710699;2.陜西省石化壓力容器檢驗站，陜西 西安 710699)

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定重鈣中鉛、砷、鉻、鎘含量

王曉艷1,陳 歡2

(1.西北化工研究院，陜西 西安 710699;2.陜西省石化壓力容器檢驗站，陜西 西安 710699)

首先詳細介紹了電感耦合等離子發(fā)射光譜儀的工作原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，之后通過ICP-OES法對重鈣中鉛、砷、鉻、鎘等重金屬元素含量進行了測定，確定了實驗的最佳條件并取得了如下結(jié)果：RSD為0.72%～11.82%，檢出限為0.0009～0.0111mg/L，該檢測方法簡便快速，而且準確，值得推廣下去。

光譜儀;測定;微量重金屬;重鈣

近些年來，由于國家對于環(huán)境保護的越來越重視，相應的對于化肥產(chǎn)品中所含有害微量元素的控制要求也越來越嚴格，但目前在國際上對于化肥中有害元素的限量缺失有著一個較高的指標。隨著化肥出口以及化肥產(chǎn)能的日趨增大，建立一套科學合理、高效適用的有害元素分析法就顯得尤為必要。在國家GB23349-2009體系中對于化肥類產(chǎn)品中所含重金屬的限量要求提出了明確的規(guī)定，在該體系中，對于產(chǎn)品中所含有的重金屬元素，所采取的測定方法具體有分光光度法和原子吸收法以及冷原子吸收法等，對于一些像鉛、砷、鉻、鎘等微量重金屬元素都是采取了一種逐個測定的方法，因此也就需要一個較長的分析時間，而ICP-OES測定方法的成功應用，實現(xiàn)了對鉛、砷、鎘、鉻元素的同時測定，有效的縮短了元素分析時間。在本次研究中，就是建立了一針對鉛、砷、鉻、鎘等有害元素的ICP-OES分析方法，并取得了顯著的成果[1]。

1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀原理

對于處于基態(tài)的原子，也就是處于最低能量狀態(tài)的原子，通過吸收特定的能力得到激發(fā)，成功由基態(tài)向高能級狀態(tài)轉(zhuǎn)化，而處于激發(fā)狀態(tài)的電子也失去了最初狀態(tài)的穩(wěn)定性能，當其返回基態(tài)或其他較低能態(tài)時，會將在電子躍遷時所吸收的能量以光的形式進行能量的釋放，對于不同的元素在能量釋放過程中也會相應的發(fā)出具有一定波長的特征譜線，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀就是依據(jù)所發(fā)出的光譜線和光強度來完成對被測元素量的測定。

在原子由低能級狀態(tài)躍遷到高能級狀態(tài)時，需要一定的能量吸收，這一部分能量具體是由RF發(fā)生器所產(chǎn)生的高頻電磁能來提供，并將該部分能量通過線圈耦合到具有氫氣氣流的矩管，進而導致等離子體的產(chǎn)生。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀就是將等離子矩作為了激發(fā)光源，促使被測樣品中的各成分原子都能被激發(fā)并成功發(fā)射出相應的特征光譜線，從而根據(jù)其所發(fā)出的特征光譜強度及波長等基本特征來進行對樣品所含化學元素及對應含量的確定和測量。

2 等離子體發(fā)射光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹

2.1 等離子體

等離子體在元素含量測定過程中充當著重要的發(fā)光源，其在總體上呈現(xiàn)一種具有中性特性的氣體。一般情況下，等離子體都是由等離子矩管、高頻發(fā)生器以及霧化器三大主要部分所組成，其中等離子體矩管的結(jié)構(gòu)原理詳見下圖1所示：

圖1 等離子體矩管結(jié)構(gòu)示意圖

等離子矩管具體是由三層同心石英玻璃管而組成，部分石英管也有其他材料制作而成，三層結(jié)構(gòu)分別為內(nèi)管、外管和中管；其中在中管和外觀之間，冷卻氣氬氣通過徑向通入，有效的避免了等離子矩所造成的石英管燒壞，中管的出口做成了喇叭外形，在內(nèi)管和中管之間通入了輔助性氬氣，發(fā)揮出了一種良好的托起等離子火炬的作用。氬氣作為載氣由內(nèi)管通入，并由其實現(xiàn)了將樣品氣溶膠從內(nèi)管成功的引入到了等離子體。由于氬氣屬于一種單原子惰性氣體，具備了穩(wěn)定的化學性質(zhì)，一般情況下很難同被測試樣進行化學反應，也不會形成難以離散的化合物，而且其自身的光譜線也比較簡單，干擾作用比較小。

同震蕩箱相連接的感應線圈產(chǎn)生了一種具有高頻特性的震蕩磁場，實現(xiàn)了等離子所需能量的供給，該感應線圈的最大輸出功率一般為1kW到15kW之間，針對所測有機樣品的具體需求，該輸出功率還可以進行適當?shù)奶岣摺．數(shù)入x子矩管外所圍繞的負載感應線圈成功的實現(xiàn)了同高頻電源的相接通后，在線圈中流過了高頻感應電流，進而產(chǎn)生了一種軸向上的高頻磁場，促使氣體促發(fā)產(chǎn)生電子和離子，而所產(chǎn)生的電子和離子在與磁場方向相垂直的截面上形成了一種環(huán)形漩渦電流，在電流的作用下，氣體被瞬間加熱到了10000K，由此在管口形成了一個具有火炬形狀特點同時具備穩(wěn)定性能的等離子矩；隨之沿著矩管外管的切線方向通入冷卻切氬氣，而在中管通入輔助性氬氣，以起到托起火炬的作用。當穩(wěn)定的等離子火炬成功形成后，隨之在內(nèi)管通入載氣氬氣，進而在等離子矩的軸向上成功形成一通道。由霧化器所提供的被測試樣通過該通道并被載體氣體氬氣帶入到等離子矩中，進而出現(xiàn)后續(xù)的蒸發(fā)、原子化和成功激發(fā)。

2.2 霧化器結(jié)構(gòu)介紹

被測樣品溶液由泵管作用進入霧化器，并在霧化器的相關(guān)作用下發(fā)生霧化反應進而形成氣溶膠，再由載體氣體氬氣的作用下將其帶入到等離子體的火焰區(qū)進行預熱和蒸發(fā)反應，最終發(fā)射出相應的特征譜線。在霧化器的出口處設置了兩層垂直關(guān)系的鉑網(wǎng)，該設置能夠促使霧化效果更好更均勻，其結(jié)構(gòu)示意圖詳見下圖2所示。在溫度達到8000K時，被測試液中的原子幾乎全部在該區(qū)域發(fā)生激發(fā)、電離反應，進而發(fā)射出相應的特征光譜線。對于電感耦合高頻等離子體光源而言，具備了良好的穩(wěn)定性性能，而且具有了一個較寬的線性范圍，同時也有著極為廣泛的應用范圍等[2]。

圖2 雙鉑網(wǎng)霧化器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 中階梯光柵光譜儀光學結(jié)構(gòu)介紹

在光學系統(tǒng)的測量過程中，被測樣品首先經(jīng)過霧化器的霧化作用形成樣氣溶膠，并在載體氣體氬氣的作用下，將氣溶膠成功的帶到等離子體火炬中進行蒸發(fā)和電離，進而發(fā)射出相應的特征光譜，再由光源反射鏡將特征光譜反射到狹縫板，將其中的波長譜線成功濾去，再將散射光經(jīng)過光學準直鏡的作用匯聚成平行光，而后經(jīng)過中階梯光柵和棱鏡的作用，將具有不同波長和譜級的光進行分離操作，最后在通過移動監(jiān)測器的作用，由光電輸出系統(tǒng)和光電倍增管輸出相應的信號，對各波長及其強弱進行準確的測量。其中中階梯光柵的主要特點就是對不同譜級和波長的光分別進行分離。

2.3 ICP的基本功能結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)層面，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀主要分為三個部分：即樣品引入系統(tǒng)、光學系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其中樣品引入系統(tǒng)具體包括噴霧器、蠕動泵、光源系統(tǒng)和連接管等；而光學系統(tǒng)主要涵蓋了下封板、光源反射鏡以及中階梯光柵等分光系統(tǒng)；電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也被稱為檢測系統(tǒng)，主要包括光電倍增管，運動檢測器和電子轉(zhuǎn)換器的輸出信號裝置，其檢測系統(tǒng)分為單通道掃描和同步掃描兩大類型。

3 實驗部分

3.1 化學試劑及儀器參數(shù)說明

(1)所用試劑：濃鹽酸、濃硝酸、去離子水以及鉛、砷、鉻、鎘標準溶液。

(2) 所用儀器：ICP -OES型號Thermo 6300 (美國ThermoFisher)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，其工作參數(shù)為：等離子體流量為15L/MIN，射頻功率為1300W，軸向觀測距離為15.0MM，霧化流量為0.8L/min，輔助氣流量為0.2L/MIN。

3.2 樣品的制備

首先稱取樣品1.5g，精確到0.0001g，將稱量好的樣品放置于容積為200mL的燒杯中，并在其中加入少量水，潤濕即可；隨后向其中加入10mL的濃硝酸和20mL的濃鹽酸蓋上表面皿；將燒杯加熱煮沸，維持半小時左右，隨后移開表面皿，持續(xù)加熱，待燒杯中所加酸全部蒸發(fā)，待冷卻后再向里加入鹽酸溶液50mL，并加熱操作至完全溶解，冷卻后為防止溶液阻塞霧化器，還需對其進行多次的過濾操作，最后將溶液轉(zhuǎn)移到250mL容量瓶進行稀釋操作。

3.3 被測元素的波長選擇以及背景去除

在儀器正常工作條件下，通入混合高標的溶液，并對其進行相應的檢測，選取兩點進行背景扣除，同時針對各個元素的波長進行分析并糾正，以更好的對各元素的檢測波長進行確定。

3.4 樣品的測定

分別對校準空白以及混合標準系列進行強度測定，并根據(jù)測定結(jié)果繪制標準曲線；隨后對試劑空白以及樣品溶液進行測定，進而對樣品中所含的各種有害元素含量進行確定。

4 結(jié)果與討論

4.1 波長的分析和選擇

在被測元素波長的選擇過程中，要對其靈敏度以及背景干擾等因素進行充分的考慮。在本次試驗中的分析數(shù)據(jù)庫中，選擇了幾條具有較高靈敏度的波長進行分析，并應用混合標準液來模擬被測試液，對其進行掃描分析，其中個元素的波長以及標準曲線線性相關(guān)系數(shù)具體如下表1 所示[3]：

表1 元素波長分析以及線性相關(guān)系數(shù)

4.2 準確度

同GB23349-2009法測定結(jié)果相比，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定結(jié)果基本上無明顯差異，這也直接說明了該方法的精確性，能夠滿足實驗要求。

表2 GB23349-2009法與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定法測定結(jié)果對比

4.3 精密度和檢出限分析

精密度就是通過該方法對樣品溶液進行累積進行10次平行測定所得結(jié)果的標準偏差，而檢出限就是重復10次進行空白測定所得到的標準偏差；另：將3倍的標準偏差作為本次測定方法的檢出限。檢出限和精密度結(jié)果如下表3所示：

表3 精密度和檢出限實驗結(jié)果

5 結(jié)論

現(xiàn)階段，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀取得了越來越廣泛的應用，它不僅擁有上述的精確測定功能，同時還能夠?qū)悠分谐煞譂舛鹊墓浪阋约岸ㄐ园攵糠治龅榷囗椆δ堋２还苁菓糜诔Ｒ?guī)的測量還是對某些特殊功能的應用，前提都需要對光譜儀的結(jié)構(gòu)原理以及正確操作規(guī)范有一個全面的熟識和掌握，進而才能充分發(fā)揮出其所具備的作用。應用光譜儀測定重鈣中的鉛、砷、鉻、鎘等元素含量，一次即可完成對四種元素的測定，有效地節(jié)約了測定時間，同時該方法也有著操作簡便、快速準確的優(yōu)良特點，能夠切實滿足生產(chǎn)需求，在后期日常檢驗工作中應該得以更為廣泛的推廣和應用[4]。

[1] 周 君. 酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法測量化妝品中鉛,砷,汞[J]. 化學工程與裝備,2011(11):181-183.

[2] 樊小軍,劉曉暄,崔艷艷. 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測玩具中有害元素[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2011(6):52-59.

[3] 孫麗麗,張智杰. 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定重鈣中鉛、砷、鉻、鎘含量[J]. 磷肥與復肥,2011(5):65-66.

[4] 張 宇. 電感耦合等離子發(fā)射光譜法測定水中的銅鉛鋅鎘鎳的運用[D].西安：長安大學,2014.

(本文文獻格式：王曉艷,陳 歡.電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定重鈣中鉛、砷、鉻、鎘含量[J].山東化工，2016，45(12)：68-70.)

2016-04-14

王曉艷(1979—)，陜西西安人，工程師，主要從事化學分析方面的研究。

O657.3

A

1008-021X(2016)12-0068-03