原子發(fā)射光譜分析技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用

摘 要：文章主要對(duì)光譜分析的發(fā)展歷程、譜線接收裝置的發(fā)展和功能以及原子發(fā)射光譜分析技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，希望對(duì)深入研究光譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)人員能起到拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞：原子發(fā)射光譜；攝譜儀；直讀光譜儀；激發(fā)光源

引言

作為一個(gè)優(yōu)秀的光譜分析工作者，不應(yīng)僅僅是一名儀器的操作者，而更應(yīng)該掌握光譜分析理論、熟悉光譜儀器的工作原理、儀器的結(jié)構(gòu)，甚至于要了解重要的電路元件的相關(guān)知識(shí)。只有這樣，才能在分析工作中變得得心應(yīng)手：讓分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、讓使用的光譜儀器正常運(yùn)行。

1 光譜分析的發(fā)展歷程

19世紀(jì)中期德國(guó)學(xué)者基爾霍夫和本生他們利用分光鏡研究鹽和鹽溶液在光焰中加熱時(shí)所產(chǎn)生的特征光輻射，說(shuō)明了某些波長(zhǎng)的光線是表征某些元素的特征，從而開辟了原子發(fā)射光譜的領(lǐng)域也奠定了光譜分析的基礎(chǔ)，這也成為了原子發(fā)射光譜分析技術(shù)發(fā)展的開始。20世紀(jì)30年代以后，世界科學(xué)領(lǐng)域在光譜定量研究方面投入大量精力，科學(xué)家們采用了內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法以及標(biāo)準(zhǔn)試樣攝譜法對(duì)原子發(fā)射光譜技術(shù)進(jìn)行定量方面的研究，為今后的原子發(fā)射光譜分析技術(shù)應(yīng)用于元素的定量分析方面奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

原子發(fā)射光譜分析的原理是元素原子一般處于基態(tài)（最低能量狀態(tài)）。當(dāng)原子獲得足夠的能量后，外層電子就會(huì)從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，這種狀態(tài)就稱為激發(fā)態(tài)，但原子外層電子處于激發(fā)態(tài)時(shí)是很不穩(wěn)定的，當(dāng)它從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或其他較低能級(jí)時(shí)，此時(shí)就會(huì)以光的形式釋放出多余的能量，得到發(fā)射光譜。又因?yàn)椴煌卦拥慕Y(jié)構(gòu)各有差異，輻射固有的特征光譜就各不相同。所以正因?yàn)槿绱嗽影l(fā)射光譜分析技術(shù)就是利用元素的特征光譜對(duì)樣品進(jìn)行分析檢測(cè)。

原子發(fā)射光譜研究最初采用的是攝譜用的感光板來(lái)接收光譜，此種方式因操作過(guò)程十分繁瑣影響了科學(xué)分析的速度。后來(lái)到了1945年，光電直讀光譜儀的出現(xiàn)對(duì)元素的光譜進(jìn)行直接分析，不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜過(guò)程，分析的結(jié)果準(zhǔn)確性也大大得到提高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，之后研發(fā)出了真空光電直讀光譜儀將原儀器不可完成的讀取C、S、P等元素的情況得到解決，直讀光譜儀開始在金屬檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。后來(lái)研發(fā)出的電感耦合的等離子體激發(fā)光源的直讀光譜儀在真空光電直讀光譜儀的基礎(chǔ)上更加進(jìn)步，完成了材料在液體狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)定的領(lǐng)域突破，使人類對(duì)原子光譜分析的研究進(jìn)入到一個(gè)全新的階段。

2 元素譜線接收裝備的發(fā)展和功能

2.1 攝譜儀：感光板

攝譜儀在原子發(fā)射光譜分析法中使用感光板來(lái)接受光輻射，元素的光譜經(jīng)過(guò)了由感光板感光、譜片顯像、定像、過(guò)濾還有風(fēng)干等幾個(gè)過(guò)程處理后最終記錄在感光板上，測(cè)量感光板上譜線的黑度，然后經(jīng)過(guò)黑度值與鐵基線的對(duì)比，還有以連接曲線的方式將對(duì)比結(jié)果進(jìn)行換算最后得到分析結(jié)果。感光板就是通過(guò)最終呈現(xiàn)的元素的光譜對(duì)分析樣品進(jìn)行檢測(cè)的，由于此過(guò)程對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求極高，部分實(shí)驗(yàn)需要融入定量的紫外光區(qū)譜線，順利完成任務(wù)需要閱歷及經(jīng)驗(yàn)的積累，非專業(yè)人員根本無(wú)法達(dá)到此要求。所以慢慢此種接收裝置被其他更先進(jìn)的接收裝置所代替。

2.2 直讀光譜儀：光電倍增管或CCD等

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在原子發(fā)射光譜分析儀中元素譜線的接收多采用光電倍增管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的工作原理是分光后的光照射到光電倍增管陰極上，使它釋放出光電子，然后陰極釋放出的一次光電子碰撞到第一個(gè)次級(jí)的電子發(fā)射極上，釋放出增加了若干倍的二次光電子，二次光電子然后再碰撞到第二個(gè)次級(jí)電子發(fā)射極上，然后再釋放出比二次光電子更多的若干倍的光電子，如此碰撞下去，使最后一個(gè)次級(jí)電子發(fā)射極上放出的光電子可以比最初陰極釋放出的光電子多到105倍以上，最后被倍增了的光電子射向陽(yáng)極形成電流，將發(fā)射譜線的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，形成的電流對(duì)儀器中的積分電容進(jìn)行充電，然后記錄器、指示器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行測(cè)量最后儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)將測(cè)量值換算成元素的百分含量得出結(jié)果。此種方式讓操作變得十分簡(jiǎn)單，同時(shí)也讓分析工作的效率大大增強(qiáng)。隨著科技進(jìn)步，一種CCD譜線接收的方式也慢慢走近人們的視線，CCD是高效電荷耦合檢測(cè)器，它能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，雖然這種技術(shù)只在一些規(guī)模不大的儀器上使用，但它的影響意義卻不容忽視。

3 本實(shí)驗(yàn)室使用的直讀光譜儀的工作部件

本實(shí)驗(yàn)室使用的直讀光譜儀的工作部件大體由火花激發(fā)臺(tái)、真空及分光系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)所組成。

3.1 火花激發(fā)臺(tái)。激發(fā)臺(tái)由激發(fā)光源與放置樣品臺(tái)等部件構(gòu)成，本實(shí)驗(yàn)室所用直讀光譜儀的激發(fā)光源采用的低壓電容放電激發(fā)光源技術(shù)，此類激發(fā)光源穩(wěn)定性好，放電回路中的R、C、L在很大范圍內(nèi)可以改變，從而讓整個(gè)放電回路過(guò)程中可以完成由電花性到電弧性的轉(zhuǎn)變，這讓此類激發(fā)光源成為多性能的激發(fā)光源，使得它在元素光譜分析中有著廣泛的應(yīng)用。另外儀器的樣品臺(tái)，固體鋼樣和有色金屬合金可直接放在此臺(tái)上作為上電極，其下方的氬氣室中有一根鎢電極作為下電極。激發(fā)室內(nèi)充滿氬氣，可防止空氣的進(jìn)入而影響非金屬元素的分析結(jié)果。在氬氣氣氛中，導(dǎo)電的固態(tài)樣品和鎢電極間的分析間隙被光源的高電壓所擊穿而強(qiáng)烈放電，樣品表層熔化后變成高溫的氣態(tài)原子或離子最后以強(qiáng)光的形式通過(guò)石英入射窗進(jìn)入光路系統(tǒng)，這種開放式的樣品臺(tái)使得樣品的放置及分析變得更加便捷，擴(kuò)大了檢測(cè)樣品的取樣范圍。

3.2 真空及分光系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)觀察室內(nèi)配有光柵處理器及負(fù)責(zé)收光的CCD檢測(cè)器。首先，發(fā)射光譜的光束通過(guò)石英窗的過(guò)濾到達(dá)凹反射鏡區(qū)域，經(jīng)過(guò)凹反射鏡反射后的光線再由光柵處理器進(jìn)行分光，儀器中一塊根據(jù)被測(cè)元素而設(shè)定的羅蘭圓系統(tǒng)，上面安裝了好幾塊高分辨率的CCD檢測(cè)器，分光后按元素列成的光譜由CCD檢測(cè)器接收后并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后數(shù)字信號(hào)再通過(guò)儀器的輸出設(shè)備處理顯示出對(duì)分析樣品最終檢測(cè)結(jié)果。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)

轉(zhuǎn)換與分析是測(cè)量系統(tǒng)工作的基本目的，由于受眾多不可控因素的影響，儀器在該階段內(nèi)比較容易產(chǎn)生誤差。測(cè)量系統(tǒng)由供電板、開關(guān)、各類型元素板及光線屏蔽板所組成。其中供電板主要完成提供高壓電源的作用，可以為系統(tǒng)持續(xù)提供高壓直流電，而實(shí)驗(yàn)所需的±5V直流低壓電則是由系統(tǒng)內(nèi)的單板機(jī)完成；系統(tǒng)開工是由成行的數(shù)字開工構(gòu)成，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需隨時(shí)提供各種類型的負(fù)高壓電；元素板可以提供與開工相一致的樣本，對(duì)電路保持起到一定保護(hù)作用；而屏蔽板作用則是為了去除試驗(yàn)中其他電磁干擾而設(shè)置的。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制板、接口板等共同構(gòu)成，它們可以在計(jì)算機(jī)的指揮下控制氬氣的輸入和流量同時(shí)它還對(duì)整個(gè)真空室的真空環(huán)境進(jìn)行有效檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)作用。

4 原子發(fā)射光譜分析技術(shù)的應(yīng)用

在冶金、機(jī)械工業(yè)及輕化工業(yè)方面，原子發(fā)射光譜分析技術(shù)可以對(duì)原材料、半成品及成品材料檢驗(yàn)。在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，鋼鐵行業(yè)對(duì)原子發(fā)射光譜儀的需求量很大，涉及到鋼鐵工業(yè)，無(wú)論是大型企業(yè)或是小型工廠，幾乎都在使用原子發(fā)射光譜儀。因?yàn)榇祟悆x器使用操作簡(jiǎn)單，爐前可以做到快速分析，用來(lái)及時(shí)糾正鋼液的成份，控制冶煉過(guò)程，提高和控制了產(chǎn)品的質(zhì)量起到了十分重要的作用。在機(jī)械行業(yè)，原子發(fā)射光譜儀的使用大大縮短了進(jìn)廠原材料的分析時(shí)間提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，擴(kuò)大了進(jìn)廠原材料檢驗(yàn)范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，原子發(fā)射光譜分析技術(shù)尤其是其中的直接光譜儀的出現(xiàn)給元素的分析和研究帶來(lái)了眾多的便利條件，但同時(shí)也會(huì)使一些實(shí)驗(yàn)者的技術(shù)水平停留在較淺的層次，作者希望通過(guò)本文的論述對(duì)實(shí)驗(yàn)人員可以從最基本和較深入的層次對(duì)原子發(fā)射光譜分析技術(shù)及其相關(guān)儀器的性能了解有所的幫助，并使應(yīng)用范圍更加廣泛。