4.2　儀器結構與原理

原子發射光譜儀主要由激發光源、分光系統（單色器）、檢測器和數據處理系統等組成，見圖4-1。

4.2.1　激發光源

激發光源的基本功能是提供試樣中被測元素原子化和原子激發發光所需要的能量。對激發光源的要求是：靈敏度高、穩定性好、光譜背景小、結構簡單、操作安全。常用的激發光源有電弧光源、電火花光源，電感耦合等離子體光源（即ICP光源）等。下面對幾種光源進行比較，見表4-1。

從表4-1我們可以看出：直流電弧電極頭溫度高，蒸發能力強，絕對靈敏度高，但電弧不穩定、易漂移，因此重現性較差，適合做定性分析。交流電弧蒸發溫度比直流電弧低，分析的靈敏度低，但放電穩定性好，適合做定量分析。高壓電火花蒸發溫度最低，但是瞬間的激發溫度最高，適合做難激發元素的定量分析。ICP光源的性能是最好的，是目前發射光譜分析最常用的光源，而交流電弧、直流電弧，高壓電火花各有其優缺點，分析范圍受到限制，已逐漸減少使用。本書重點介紹電感耦合等離子體光源。

電感耦合等離子體原子發射光譜法（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES），也有人把它稱為電感耦合等離子體光學發射光譜法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，簡稱ICP-OES）。ICP-AES分析裝置如圖4-2所示，它主要由高頻發生器、氬氣源、等離子體發生器、進樣裝置（包括霧化器等）、光譜儀及計算機信息處理部分組成。

在ICP-AES中，試液被霧化后形成氣溶膠，由氬氣載氣攜帶進入等離子體焰矩，在焰矩的高溫下，溶質的氣溶膠經歷多種物理化學過程而被迅速原子化，成為原子蒸氣，并進而被激發，發射出元素特征光譜，經分光后進入攝譜儀而被記錄下來，從而對待測元素進行分析。

4.2.2　分光系統（單色器）

分光系統的作用是將光源發射的電磁輻射經色散后，得到按波長順序排列的發射光譜，并對不同波長的輻射進行檢測與記錄。分光系統的主要部件是色散元件，分為棱鏡攝譜儀與光柵攝譜儀。

光柵攝譜儀的優點是：①適用的波長范圍廣；②具有較大的線色散率和分辨率，且色散率僅取決于光柵刻線條數，而與光柵材料無關；③線色散率與分辨率大小基本上與波長無關。其不足之處是光柵會產生羅蘭鬼線以及多級衍射線間的重疊而出現譜線干擾。

4.2.3　檢測器

原子發射光譜的檢測系統是將原子發射產生的光信號轉換、放大、記錄、顯示的單元。檢測器必須在特定的波長范圍內具有靈敏且線性的光譜響應，本書主要介紹感光板、光電倍增管和電耦合器件。目前采用攝譜法和光電檢測法兩種。前者用感光板，后者用光電倍增管或電荷耦合器件（CCD）作為接收與記錄光譜的主要器件。

感光板又稱光譜干板或像板，通常將鹵化銀（常用溴化銀）均勻地分散在明膠中，然后涂布在玻璃板上制成。其作用是把來自光源的光信號以像的形式記錄下來，以便于辨認和測量。經歷曝光、顯影、定影三個階段將光信號轉換為影像。光電倍增管（PMT）將光能轉換為電能，是一種具有極高靈敏度和快響應的光電探測器件，是在光電效應和電子光學基礎上，利用二次電子倍增現象制成的真空光電器件。電荷耦合器件是基于金屬氧化物半導體（MOS）工藝的光敏元件，即由金屬電極（M）、氧化物（絕緣體，O）和半導體（如P型半導體，S）三層組成，接收來自光源的光譜信號，可產生光生電荷，電荷量與入射光強度和積分之間有著線性關系。CCD的基本工作過程就是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。

4.2.4　數據處理系統

原子發射光譜儀數據處理系統是由工作站和計算機組成的，主要依賴于軟件控制系統。調控儀器各個部分的工作狀態，測試所得的響應值都需要進行數據處理，在對數據處理之前，應將測得的光譜保存。