电弧原子发射光谱分析（Arc Atomic Emission Spectrometry）是化学检验员在进行固体样品，特别是金属、矿石、合金等材料中元素定性与半定量或定量分析时常用的一种传统但有效的光谱技术。虽然近年来被火花源和电感耦合等离子体（ICP）光谱部分取代，但在某些领域如地质、冶金和科研中仍具有重要应用价值。

一、基本原理

电弧原子发射光谱利用直流或交流电弧作为激发源。当两个电极之间产生电弧时，温度可达4000–7000 K，足以使样品中的元素蒸发、原子化并激发。处于激发态的原子或离子在返回基态过程中发射出特定波长的光，形成特征光谱。

通过分光系统将这些光按波长分离，检测器记录各元素谱线的强度，结合标准样品进行比较，即可实现元素的定性识别和含量测定。

二、仪器主要组成部分

激发源（电弧发生器）

直流电弧：稳定性较差但激发能力强，适合难挥发元素。

交流电弧：较稳定，常用于常规分析。

可调节电流大小（通常为5–15 A），控制激发强度。

电极系统

常用石墨电极（高纯度），也可使用金属电极。

样品通常装入下电极的孔中（称为“下电极坑”），上电极为尖头石墨棒。

对于导电样品，有时可直接作为下电极。

光学系统

包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）和聚焦镜。

将复合光分解为光谱，形成按波长排列的谱线。

检测系统

传统方法使用照相板记录光谱（称“摄谱法”），通过感光板显影后用测微光度计读取黑度。

现代仪器多采用光电检测器（如PMT、CCD）直接读取光强，实现数字化分析。

数据处理系统

计算机自动采集光谱信号，进行背景扣除、干扰校正和浓度计算。

三、分析流程

样品制备

固体样品需研磨成细粉（通常过200目筛）。

若为金属样品，可直接钻取屑末使用。

粉末样品常与高纯石墨粉混合，压入下电极孔中，以改善导电性和蒸发均匀性。

对于低含量元素，可采用“浓缩法”或“载体蒸馏法”提高灵敏度。

仪器启动与聚焦

开启电源，调节电弧电流。

调整光学系统，确保光路对准，谱线清晰。

激发样品

将装好样品的电极放入激发台。

引燃电弧，持续数秒至数十秒，使样品充分蒸发和激发。

每个样品通常激发2–3次，取平均值。

光谱记录与读取

传统方法：用感光板记录光谱，经显影、定影后，在映谱仪上识别元素谱线，用测微光度计测量黑度。

现代方法：直接由检测器读取各谱线强度，软件自动匹配元素并计算浓度。

校准与定量

使用一系列已知成分的标准样品建立工作曲线（强度–浓度关系）。

也可采用“内标法”：在样品和标准中加入相同量的内标元素（如镓、铟），以校正激发条件波动带来的误差。

四、主要特点

激发能力强：可激发难挥发元素（如稀土、锆、铌、钽等），适合矿物和复杂基体分析。

样品用量少：仅需几十毫克即可完成分析。

多元素同时分析：一次激发可检测数十种元素。

灵敏度高：对多数元素检测限可达ppm（mg/kg）级别。

适用于非导体：粉末样品可通过与石墨混合实现导电。

五、应用领域

地质矿产分析：岩石、矿石中主量和微量元素的快速筛查。

冶金行业：生铁、炉渣、合金添加剂的成分分析。

环境样品：粉尘、土壤中重金属检测。

科研与教学：光谱原理研究、元素发现与鉴定。

六、注意事项

电弧稳定性差：易受气流、电压波动影响，需在屏蔽环境中操作。

自吸效应：高浓度元素谱线中心被自身原子吸收，导致谱线“饱和”，影响定量准确性。

基体效应明显：不同样品的蒸发和激发行为差异大，需使用基体匹配的标准样品。

精密度较低：相对标准偏差（RSD）一般为5%–10%，不如ICP或火花源稳定。

操作技术要求高：样品装填、电极修整、激发参数控制等依赖经验。

七、安全与维护

电弧防护：电弧强光刺眼，操作时应使用护目镜或观察窗。

通风良好：激发过程产生金属蒸气和烟雾，应在通风橱或排风系统下进行。

电极清洁：每次使用后清理电极残留物，定期修整或更换。

光学系统防尘：保持光室清洁，防止灰尘影响光路。

总结

电弧原子发射光谱分析是一种经典而实用的元素分析方法，尤其在难挥发元素和固体粉末样品分析中具有独特优势。尽管其精密度和自动化程度不如现代ICP技术，但在资源有限或特定应用场景下仍不可替代。

化学检验员在使用该方法时，应注重样品制备的规范性、激发条件的稳定性以及标准样品的匹配性，结合内标法和质量控制手段，确保分析结果的可靠性。同时，应加强安全防护，养成良好的操作习惯。