一、目的和要求

(1) 学习电感耦合等离子体发射光谱分析的基本原理及操作技术。

(2) 了解电感耦合等离子体光源的工作原理。

(3) 学习利用电感耦合等离子体发射光谱测定水样中Cd²⁺含量的方法。

二、原理

电感耦合等离子体（inductively coupled plasma, ICP）是原子发射光谱的重要高效光源，它具有以下的优点：①高灵敏度（检测限可达0.1-10ng/L) 。②高选择性（基体效应和元素间的干扰少）。③高准确度（可达3%-5%)。④高温（等离子体的中心温度高达约10000K，可使试样完全蒸发和原子化，因此可分析70余种金属和非金属元素）。⑤线性范围宽（可分析试液的浓度为1×10-1-1×103μg/mL谱线不发生自吸现象）。⑥分析速度快，操作简便等。

ICP-AES分析装置，它由三部分组成：

(1) 进样系统，包括试液雾化器、加热室和去溶剂冷凝器。

(2）高频电感祸合等离子体焰炬产生系统，包括石英炬管感应线圈和高频等离子发生器。

(3）摄谱系统，包括摄谱仪、聚光透镜和计算机辅助设备等。

试液经雾化形成湿的气溶胶，在电加热室中溶剂蒸发，促使气溶胶充分汽化，经冷凝器时，溶剂被冷却除去，溶质悬浮微粒仍呈气溶胶状态，由氢载气携带进入等离子体焰炬，在焰炬的高温下，溶质的气溶胶经历多种物理化学过程而最终被迅速原子化，成为原子蒸气，并进而被激发，发射出元素特征光谱，经透镜聚光进入摄谱仪而被记录下来。电感耦合高频等离子体炬管结构。它是由3层同心石英玻璃管组成，在外层管3和中层管2之间是外层氮冷却气通道，外层氢冷却气A以切线方向旋转进入，呈旋涡式气流上升，使等离子体离开管内壁，稳定等离子炬，并冷却外层管壁；在中层管2与内层管1之间是中层氢等离子气（工作气体）B的通道，这层氢气起维持等离子体的作用；内层管1是氢载气携带试样气溶胶进入等离子体焰炬的通道，当试样气溶胶喷入等离子体焰炬在高温作用下，试样被原子化，并激发发射出光谱。

电感耦合等离子体焰炬的形成原理：感应线圈通常用紫铜管环绕成2-5匝水冷圈，构成高频振荡线圈，由高频等离子发生器供电，当线圈上有高频振荡电流流过时，其周围空间便产生了高频电磁场，由于石英炬管内没有氩离子和自由电子存在，故高频电场不会引起感应。高频电磁感应线圈相当于变压器中带电的初级线圈，此时若在石英炬管口内插入石墨棒、金属棒或电子枪，使之发生火花放电（随后移去），就会使工作气体（氩气）电离，所产生的氩正离子和自由电子在高频电磁场中被加速，获得足够的动能，当被加速的电子及氩离子与周围氩原子碰撞时，又使更多氩原子发生电离，产生大量的氩正离子和自由电子，从而形成等离子体焰炬。这时高频电场随即与等离子体感应耦合，在石英炬管内，垂直于磁场方向的截面上，沿闭合环形路径形成电子涡流，瞬间电流强度可达100-1000A，环形路径上的离子和电子，由于受到磁场加速，产生大量热量，瞬间温度可达10000K高温。环形路径的涡流相当于变压器中单匝次级线圈，这样通过感应线圈将高频电能不断地耦合到等离子体焰炬中，使放电持续不断。由于等离子气和辅助气的流量保持不变，因此，在石英炬管上获得一个如同蜡烛火焰形状的、耀眼的、稳定的等离子体焰炬。它提供能量，使试样的悬浮微粒原子化和被激发面电离，产生元素的离子线和原子线光谱。

三、仪器与试剂

(1) 电感耦合等离子体发射光谱仪。

(2) 金属镉（优级纯）。

(3) 浓盐酸（分析纯）。

(4) 6mo1/L盐酸溶液。

(5) 1％稀盐酸溶液。

(6）硝酸（1：1)。

(7) 纯水。去离子水经一次蒸馏。

(8) 镉标准储备液（1000mg/mL)。准确称取0. 5000g金属镉于 100mL烧杯中，用5mL 6mo1/L盐酸溶液溶解，然后转移到500mL容量瓶中，用100盐酸稀释至标线，摇匀备用。

(9) 镉标准使用液（100mg/mL)。吸取镉标准储备液l0mL于100mL容量瓶中，用1％盐酸溶液稀释至标线，摇匀备用。

(10) 配制锡标准溶液系列。分别吸取2. 00mL、 4. 00mL、6. 00mL、8. 00mL和10. 00mL锡标准使用液于5只l00mL容量瓶中，然后用1％盐酸稀释至标线，摇匀，即得标准溶液系列，其浓度为2. 00μg/mL、4. 001.μg/mL、6. 001.μg/mL、8. 00μg/mL和10. 00μg/mL。

四、实验步骤

(1) 根据实验条件，将ICP-AES仪按仪器的操作步骤进行调节，然后进行标准溶液测定。

① ICP发生器：频率40MHz，入射功率1kW，反射功率＜5kw。

② 炬管：三层同轴石英玻璃管。

③ 雾化器：同轴玻璃雾化器。

④ 感应线圈：3匝。

⑤ 等离子体焰炬观察高度：工作线圈以上15mm。

⑥ 氢载气流量：0. 5L/min。

⑦ 氢冷却气流量：12L/nmin。

⑧ 氢工作气体流量：l. 0L/min。

⑨ 试液提升量：2. 6mL/min。

⑩ 镉的测定波长：226. 5nm。

⑩ 积分时间：20s。

(2) 在相同实验条件下，测定水样中的镉含量，水样中镉可分为溶解态与颗粒态（溶解态＋颗粒态＝总量）。

① 溶解态镉测定：水样采集后尽快通过0. 45mm滤膜，弃去初始的50 -100mL过滤液，收集所需水样（体积宜定容为80mL）至100mL容量瓶中，用6mo1/L盐酸将样品调至pH<2. 0，仪器测定方法同标准样品。

② 镉总量测定：取均匀水样（其中可能含有颗粒物或混浊，体积宜定容为80mL)至250mL锥形瓶中，加入硝酸（(1：1)约5mL，置于电热板上加热消解，缓慢加热，避免沸腾。至溶液近干时（不可蒸干）取下，冷却后，再加入硝酸（1：1)约5mL，重复加热消解，这一过程可能要重复多次，直至试样溶液中残渣完全溶解。冷却后用水定容到80mL，用6mo1/L盐酸把样品调至pH<2. 0，再转移到100mL容量瓶中，加纯水定容，仪器测定方法同标准样品。

③为了消除试剂干扰与仪器本底效应，应取80mL纯水，进行与①和②相同的样品准备操作，作为空白溶液，仪器测定方法同标准样品。

五、数据处理

数据处理包括记录实验条件和报告测定结果。

记录实验条件具体有以下几项：

(1）摄谱仪。

(2) ICP发生器频率、功率。

(3）感应线圈匝数。

(4）等离子体焰炬观察高度。

(5) 载气、冷却气、工作气体等流量。

(6）试液提升量。

(7) 镉的测定波长。

(8）积分时间。

以镉标准溶液吸光度对其浓度绘制校准曲线，则水样中溶解态镉（或总镉）含量为

溶解态镉（或总镉(mg/L)＝m × 100/80

式中：m——校正曲线获得的镉含量，mg/L。