原子发射光谱法在本科教学中的探索与改进

王岩玲+程云环+王俊恩

摘 要：原子发射光谱法在测定物质中元素组成和含量方面具有很广泛的应用。本文针对仪器分析的课程特点及教学过程中出现的问题，对原子发射光谱法的教学方法进行了探讨和改进。经过教学实践，改进后的原子发射光谱法教学方法能有效地提高本科生的理解能力和实践能力，同时也可以有效地提高大型仪器在本科教学中的使用效率。

关键词：原子发射光谱法；理论教学；实验教学；探索和改进

原子发射光谱法（Atomic Emission Spectroscopy，AES）是根据待测物质的气态原子或离子受激发后所发射的特征光谱的波长及其强度来测定物质中元素组成和含量的分析方法。AES具有很多优点：选择型好，灵敏度高，分析速度快，能进行多元素同时测定，可用于70多种元素的分析。原子发射光谱法在地址、冶金、机械、环境、材料、能源、生命及医学等领域得到广泛应用，成为现代仪器分析中的重要的方法之一。因此，为了适应社会的需要，增强本科学生对分析科学仪器的操作能力，我们对AES的本科生教学进行了探索和改进。

一、 理论教学

1. 基本原理：“在通常情况下，物质的原子处于最低能量的基态，当受到热能、电能等的作用时，基态原子被激发到激发态，同时还可能电离并进一步被激发。处于各种激发态的原子或离子是很不稳定的，在10-8s时间内，按照光谱选择定则，以光辐射形式释放出能量，跃迁到较低能级或基态，就产生原子发射光谱。”这是原子发射光谱法较完整的原理。对AES原理理解过程中容易出错的有以下几点：

（1） AES激发能是热能或电能等，一定要与原子荧光光谱法（AFS）区分开来，AFS属于光致发光，其激发能为辐射能。

（2） AES与原子吸收光谱法（AAS）的原理截然不同，一定要区分开来，AES属于发射光谱法，研究的是原子发射出的光谱，AAS属于吸收光谱法，研究的是原子对光辐射的吸收光谱。

（3） “同时还可能电离并进一步被激发”说明AES发射的谱线既可以是原子线还可以是离子线。而AAS的吸收线只能是原子线，离子线在分析的过程中属于干扰效应。

因此在教学过程中，不能只简单的对AES的原理进行描述，而应该让学生在掌握AES的原理的基础上，理解其与其它原子光谱法相同和不同的地方。

2. 仪器：AES所有的仪器通常包括激发光源、光谱仪及进行光谱分析的附属设备。

（1） 激发光源：激发光源的作用是提供试样蒸发、解离、原子化和激发所需要的能量，并产生辐射信号。常用的激发光源有化学火焰、电弧、电火花和电感耦合等离子体（ICP）等。对于不同类型的光源需要掌握其工作原理、优缺点和应用。但由于内容较多，需要将其进行归纳总结。

ICP光源是利用高频电感耦合的方法产生等离子体放电的一种装置。由于它具有优异的分析性能，灵敏度、选择性、分析速度、准确度、自动化，即所谓3S+2A等方面有了长足的进步，是当前发射光谱分析中发展迅速、优点突出的一种新型光源。因此，在教学中应当举一些实例让学生了解其应用，为今后工作打下基础。如：程石等用ICP-AES法直接测定Cr20Ni80镍铬合金溅射靶材中主量元素Cr和次量元素Si、Mn、P、Cu、Fe、Ti、Ce。

（2） 分光系统：AES通常采用棱镜和光栅两种分光系统。随着技术的不断进步和完善，棱镜已经很少用，现在原子发射光谱仪大都采用光栅分光系统。光栅对于学生来说是一种陌生的仪器，可以将报废过的光栅实物给同学们展示，通过现象讲解机理，加深理解。

（3） 检测系统：AES目前用的比较多的检测方法有摄谱法和光电检测法。对于理论教学，摄谱法更能直观地体现出原子发射和检测的过程，因此我们实验操作使用的是摄谱法进行教学。即摄谱——显影——定影——水洗——晾干等步骤。而光电检测法跟其它大多光学仪器一样，主要是利用光电效应将不同波长的辐射能转化成光电流的信号，其对应的光源主要是ICP光源，ICP-AES仪器可以给学生们进行演示，讲解它的特点和性能，由于运行成本较高，不太适合学生教学。电荷耦合器件（CCD）是一种新型固体多道光学检测器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，可极大地提高发射光谱分析的速度。可以将此检测器介绍给学生，为以后就业和科研打下基础。

二、 实验教学

1. 实验讲义：由于不同院校使用的AES仪器类型、规格型号、生产厂家等不尽相同，因此使用通用的教材会给学生的实验预习和设计带来不便，影响实验教学的效果。针对这种情况，我们课程组讨论编写了近期所使用仪器类型和规格型号，并适合本院学生特色的讲义。

2. 教学方式：传统的实验教学大都是教师“灌输式”讲解，实验前学生只是机械的照着讲义书写预习报告，对于实验内容理解甚少，同样AES实验也存在这种情况，为了改善这种教学方式。预习时，理论原理与实验操作过程相结合，在实验课中，花一定的时间让学生汇报实验预习情况（可以轮流进行），指导学生设计出合理的实验步骤，并对实验操作进行演示，让学生掌握正确的实验操作技能。

AES法教学的改进，理论知识的提高非常重要，所有的实践必须以理论为前提，因此教学中，要系统条理地指导学生进行理论知识的学习，并且要举例加深理解；同样，实验教学也非常重要，实验的理论性、实用性和操作性更强，是目前各种科学研究不可缺少的分析手段，也是理論课的延续和实践，因此，我们在教学中应该理论和实验相结合，满足社会对高素质应用型人才的需要。

参考文献：

[1]华中师范大学等.分析化学（下）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2012：44.

[2]中国分析测试协会.分析测试仪器评议——从BCEIA′2011仪器展看分析技术的进步[M].北京：中国质检出版社，2012：17-26.

[3]程石，王伟旬，黄伟嘉，等.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Cr20Ni80镍铬合金溅射靶材中多种元素[J].冶金分析，2013，33（10）：40-42.

作者简介：

王岩玲，程云环，王俊恩 ，安徽省淮北市，淮北师范大学化学与材料科学学院。endprint