4.2　仪器结构与原理

原子发射光谱仪主要由激发光源、分光系统（单色器）、检测器和数据处理系统等组成，见图4-1。

图4-1　原子发射光谱仪基本结构

4.2.1　激发光源

激发光源的基本功能是提供试样中被测元素原子化和原子激发发光所需要的能量。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。常用的激发光源有电弧光源、电火花光源，电感耦合等离子体光源（即ICP光源）等。下面对几种光源进行比较，见表4-1。

表4-1　几种光源的比较

从表4-1我们可以看出：直流电弧电极头温度高，蒸发能力强，绝对灵敏度高，但电弧不稳定、易漂移，因此重现性较差，适合做定性分析。交流电弧蒸发温度比直流电弧低，分析的灵敏度低，但放电稳定性好，适合做定量分析。高压电火花蒸发温度最低，但是瞬间的激发温度最高，适合做难激发元素的定量分析。ICP光源的性能是最好的，是目前发射光谱分析最常用的光源，而交流电弧、直流电弧，高压电火花各有其优缺点，分析范围受到限制，已逐渐减少使用。本书重点介绍电感耦合等离子体光源。

电感耦合等离子体原子发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES），也有人把它称为电感耦合等离子体光学发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，简称ICP-OES）。ICP-AES分析装置如图4-2所示，它主要由高频发生器、氩气源、等离子体发生器、进样装置（包括雾化器等）、光谱仪及计算机信息处理部分组成。

图4-2　ICP-AES分析装置图

在ICP-AES中，试液被雾化后形成气溶胶，由氩气载气携带进入等离子体焰矩，在焰矩的高温下，溶质的气溶胶经历多种物理化学过程而被迅速原子化，成为原子蒸气，并进而被激发，发射出元素特征光谱，经分光后进入摄谱仪而被记录下来，从而对待测元素进行分析。

4.2.2　分光系统（单色器）

分光系统的作用是将光源发射的电磁辐射经色散后，得到按波长顺序排列的发射光谱，并对不同波长的辐射进行检测与记录。分光系统的主要部件是色散元件，分为棱镜摄谱仪与光栅摄谱仪。

光栅摄谱仪的优点是：①适用的波长范围广；②具有较大的线色散率和分辨率，且色散率仅取决于光栅刻线条数，而与光栅材料无关；③线色散率与分辨率大小基本上与波长无关。其不足之处是光栅会产生罗兰鬼线以及多级衍射线间的重叠而出现谱线干扰。

4.2.3　检测器

原子发射光谱的检测系统是将原子发射产生的光信号转换、放大、记录、显示的单元。检测器必须在特定的波长范围内具有灵敏且线性的光谱响应，本书主要介绍感光板、光电倍增管和电耦合器件。目前采用摄谱法和光电检测法两种。前者用感光板，后者用光电倍增管或电荷耦合器件（CCD）作为接收与记录光谱的主要器件。

感光板又称光谱干板或像板，通常将卤化银（常用溴化银）均匀地分散在明胶中，然后涂布在玻璃板上制成。其作用是把来自光源的光信号以像的形式记录下来，以便于辨认和测量。经历曝光、显影、定影三个阶段将光信号转换为影像。光电倍增管（PMT）将光能转换为电能，是一种具有极高灵敏度和快响应的光电探测器件，是在光电效应和电子光学基础上，利用二次电子倍增现象制成的真空光电器件。电荷耦合器件是基于金属氧化物半导体（MOS）工艺的光敏元件，即由金属电极（M）、氧化物（绝缘体，O）和半导体（如P型半导体，S）三层组成，接收来自光源的光谱信号，可产生光生电荷，电荷量与入射光强度和积分之间有着线性关系。CCD的基本工作过程就是信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

4.2.4　数据处理系统

原子发射光谱仪数据处理系统是由工作站和计算机组成的，主要依赖于软件控制系统。调控仪器各个部分的工作状态，测试所得的响应值都需要进行数据处理，在对数据处理之前，应将测得的光谱保存。