电感耦合等离子体发射光谱仪测定重钙中铅、砷、铬、镉含量

王晓艳,陈 欢

(1.西北化工研究院，陕西 西安 710699;2.陕西省石化压力容器检验站，陕西 西安 710699)

电感耦合等离子体发射光谱仪测定重钙中铅、砷、铬、镉含量

王晓艳1,陈 欢2

(1.西北化工研究院，陕西 西安 710699;2.陕西省石化压力容器检验站，陕西 西安 710699)

首先详细介绍了电感耦合等离子发射光谱仪的工作原理及其内部结构，之后通过ICP-OES法对重钙中铅、砷、铬、镉等重金属元素含量进行了测定，确定了实验的最佳条件并取得了如下结果：RSD为0.72%～11.82%，检出限为0.0009～0.0111mg/L，该检测方法简便快速，而且准确，值得推广下去。

光谱仪;测定;微量重金属;重钙

近些年来，由于国家对于环境保护的越来越重视，相应的对于化肥产品中所含有害微量元素的控制要求也越来越严格，但目前在国际上对于化肥中有害元素的限量缺失有着一个较高的指标。随着化肥出口以及化肥产能的日趋增大，建立一套科学合理、高效适用的有害元素分析法就显得尤为必要。在国家GB23349-2009体系中对于化肥类产品中所含重金属的限量要求提出了明确的规定，在该体系中，对于产品中所含有的重金属元素，所采取的测定方法具体有分光光度法和原子吸收法以及冷原子吸收法等，对于一些像铅、砷、铬、镉等微量重金属元素都是采取了一种逐个测定的方法，因此也就需要一个较长的分析时间，而ICP-OES测定方法的成功应用，实现了对铅、砷、镉、铬元素的同时测定，有效的缩短了元素分析时间。在本次研究中，就是建立了一针对铅、砷、铬、镉等有害元素的ICP-OES分析方法，并取得了显著的成果[1]。

1 电感耦合等离子体发射光谱仪原理

对于处于基态的原子，也就是处于最低能量状态的原子，通过吸收特定的能力得到激发，成功由基态向高能级状态转化，而处于激发状态的电子也失去了最初状态的稳定性能，当其返回基态或其他较低能态时，会将在电子跃迁时所吸收的能量以光的形式进行能量的释放，对于不同的元素在能量释放过程中也会相应的发出具有一定波长的特征谱线，电感耦合等离子体发射光谱仪就是依据所发出的光谱线和光强度来完成对被测元素量的测定。

在原子由低能级状态跃迁到高能级状态时，需要一定的能量吸收，这一部分能量具体是由RF发生器所产生的高频电磁能来提供，并将该部分能量通过线圈耦合到具有氢气气流的矩管，进而导致等离子体的产生。电感耦合等离子体发射光谱仪就是将等离子矩作为了激发光源，促使被测样品中的各成分原子都能被激发并成功发射出相应的特征光谱线，从而根据其所发出的特征光谱强度及波长等基本特征来进行对样品所含化学元素及对应含量的确定和测量。

2 等离子体发射光谱仪内部结构介绍

2.1 等离子体

等离子体在元素含量测定过程中充当着重要的发光源，其在总体上呈现一种具有中性特性的气体。一般情况下，等离子体都是由等离子矩管、高频发生器以及雾化器三大主要部分所组成，其中等离子体矩管的结构原理详见下图1所示：

图1 等离子体矩管结构示意图

等离子矩管具体是由三层同心石英玻璃管而组成，部分石英管也有其他材料制作而成，三层结构分别为内管、外管和中管；其中在中管和外观之间，冷却气氩气通过径向通入，有效的避免了等离子矩所造成的石英管烧坏，中管的出口做成了喇叭外形，在内管和中管之间通入了辅助性氩气，发挥出了一种良好的托起等离子火炬的作用。氩气作为载气由内管通入，并由其实现了将样品气溶胶从内管成功的引入到了等离子体。由于氩气属于一种单原子惰性气体，具备了稳定的化学性质，一般情况下很难同被测试样进行化学反应，也不会形成难以离散的化合物，而且其自身的光谱线也比较简单，干扰作用比较小。

同震荡箱相连接的感应线圈产生了一种具有高频特性的震荡磁场，实现了等离子所需能量的供给，该感应线圈的最大输出功率一般为1kW到15kW之间，针对所测有机样品的具体需求，该输出功率还可以进行适当的提高。当等离子矩管外所围绕的负载感应线圈成功的实现了同高频电源的相接通后，在线圈中流过了高频感应电流，进而产生了一种轴向上的高频磁场，促使气体促发产生电子和离子，而所产生的电子和离子在与磁场方向相垂直的截面上形成了一种环形漩涡电流，在电流的作用下，气体被瞬间加热到了10000K，由此在管口形成了一个具有火炬形状特点同时具备稳定性能的等离子矩；随之沿着矩管外管的切线方向通入冷却切氩气，而在中管通入辅助性氩气，以起到托起火炬的作用。当稳定的等离子火炬成功形成后，随之在内管通入载气氩气，进而在等离子矩的轴向上成功形成一通道。由雾化器所提供的被测试样通过该通道并被载体气体氩气带入到等离子矩中，进而出现后续的蒸发、原子化和成功激发。

2.2 雾化器结构介绍

被测样品溶液由泵管作用进入雾化器，并在雾化器的相关作用下发生雾化反应进而形成气溶胶，再由载体气体氩气的作用下将其带入到等离子体的火焰区进行预热和蒸发反应，最终发射出相应的特征谱线。在雾化器的出口处设置了两层垂直关系的铂网，该设置能够促使雾化效果更好更均匀，其结构示意图详见下图2所示。在温度达到8000K时，被测试液中的原子几乎全部在该区域发生激发、电离反应，进而发射出相应的特征光谱线。对于电感耦合高频等离子体光源而言，具备了良好的稳定性性能，而且具有了一个较宽的线性范围，同时也有着极为广泛的应用范围等[2]。

图2 双铂网雾化器结构示意图

2.3 中阶梯光栅光谱仪光学结构介绍

在光学系统的测量过程中，被测样品首先经过雾化器的雾化作用形成样气溶胶，并在载体气体氩气的作用下，将气溶胶成功的带到等离子体火炬中进行蒸发和电离，进而发射出相应的特征光谱，再由光源反射镜将特征光谱反射到狭缝板，将其中的波长谱线成功滤去，再将散射光经过光学准直镜的作用汇聚成平行光，而后经过中阶梯光栅和棱镜的作用，将具有不同波长和谱级的光进行分离操作，最后在通过移动监测器的作用，由光电输出系统和光电倍增管输出相应的信号，对各波长及其强弱进行准确的测量。其中中阶梯光栅的主要特点就是对不同谱级和波长的光分别进行分离。

2.3 ICP的基本功能结构

在结构层面，电感耦合等离子体发射光谱仪主要分为三个部分：即样品引入系统、光学系统和电子转换系统。其中样品引入系统具体包括喷雾器、蠕动泵、光源系统和连接管等；而光学系统主要涵盖了下封板、光源反射镜以及中阶梯光栅等分光系统；电子转换系统也被称为检测系统，主要包括光电倍增管，运动检测器和电子转换器的输出信号装置，其检测系统分为单通道扫描和同步扫描两大类型。

3 实验部分

3.1 化学试剂及仪器参数说明

(1)所用试剂：浓盐酸、浓硝酸、去离子水以及铅、砷、铬、镉标准溶液。

(2) 所用仪器：ICP -OES型号Thermo 6300 (美国ThermoFisher)电感耦合等离子体发射光谱仪，其工作参数为：等离子体流量为15L/MIN，射频功率为1300W，轴向观测距离为15.0MM，雾化流量为0.8L/min，辅助气流量为0.2L/MIN。

3.2 样品的制备

首先称取样品1.5g，精确到0.0001g，将称量好的样品放置于容积为200mL的烧杯中，并在其中加入少量水，润湿即可；随后向其中加入10mL的浓硝酸和20mL的浓盐酸盖上表面皿；将烧杯加热煮沸，维持半小时左右，随后移开表面皿，持续加热，待烧杯中所加酸全部蒸发，待冷却后再向里加入盐酸溶液50mL，并加热操作至完全溶解，冷却后为防止溶液阻塞雾化器，还需对其进行多次的过滤操作，最后将溶液转移到250mL容量瓶进行稀释操作。

3.3 被测元素的波长选择以及背景去除

在仪器正常工作条件下，通入混合高标的溶液，并对其进行相应的检测，选取两点进行背景扣除，同时针对各个元素的波长进行分析并纠正，以更好的对各元素的检测波长进行确定。

3.4 样品的测定

分别对校准空白以及混合标准系列进行强度测定，并根据测定结果绘制标准曲线；随后对试剂空白以及样品溶液进行测定，进而对样品中所含的各种有害元素含量进行确定。

4 结果与讨论

4.1 波长的分析和选择

在被测元素波长的选择过程中，要对其灵敏度以及背景干扰等因素进行充分的考虑。在本次试验中的分析数据库中，选择了几条具有较高灵敏度的波长进行分析，并应用混合标准液来模拟被测试液，对其进行扫描分析，其中个元素的波长以及标准曲线线性相关系数具体如下表1 所示[3]：

表1 元素波长分析以及线性相关系数

4.2 准确度

同GB23349-2009法测定结果相比，电感耦合等离子体发射光谱仪测定结果基本上无明显差异，这也直接说明了该方法的精确性，能够满足实验要求。

表2 GB23349-2009法与电感耦合等离子体发射光谱仪测定法测定结果对比

4.3 精密度和检出限分析

精密度就是通过该方法对样品溶液进行累积进行10次平行测定所得结果的标准偏差，而检出限就是重复10次进行空白测定所得到的标准偏差；另：将3倍的标准偏差作为本次测定方法的检出限。检出限和精密度结果如下表3所示：

表3 精密度和检出限实验结果

5 结论

现阶段，电感耦合等离子体发射光谱仪取得了越来越广泛的应用，它不仅拥有上述的精确测定功能，同时还能够对样品中成分浓度的估算以及定性半定量分析等多项功能。不管是应用于常规的测量还是对某些特殊功能的应用，前提都需要对光谱仪的结构原理以及正确操作规范有一个全面的熟识和掌握，进而才能充分发挥出其所具备的作用。应用光谱仪测定重钙中的铅、砷、铬、镉等元素含量，一次即可完成对四种元素的测定，有效地节约了测定时间，同时该方法也有着操作简便、快速准确的优良特点，能够切实满足生产需求，在后期日常检验工作中应该得以更为广泛的推广和应用[4]。

[1] 周 君. 酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱仪法测量化妆品中铅,砷,汞[J]. 化学工程与装备,2011(11):181-183.

[2] 樊小军,刘晓暄,崔艳艳. 电感耦合等离子体发射光谱仪检测玩具中有害元素[J].化工生产与技术,2011(6):52-59.

[3] 孙丽丽,张智杰. 电感耦合等离子体发射光谱仪测定重钙中铅、砷、铬、镉含量[J]. 磷肥与复肥,2011(5):65-66.

[4] 张 宇. 电感耦合等离子发射光谱法测定水中的铜铅锌镉镍的运用[D].西安：长安大学,2014.

(本文文献格式：王晓艳,陈 欢.电感耦合等离子体发射光谱仪测定重钙中铅、砷、铬、镉含量[J].山东化工，2016，45(12)：68-70.)

2016-04-14

王晓艳(1979—)，陕西西安人，工程师，主要从事化学分析方面的研究。

O657.3

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