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文檔簡介

.,ICP發(fā)射光譜分析,.,目錄,1.原子發(fā)射法簡介2.ICP發(fā)射光譜分析原理3.ICP發(fā)射光譜儀的構(gòu)成4.ICP發(fā)射光譜分析方法5.樣品的前處理,.,1.原子發(fā)射法簡介,1.1概述1.定義:AES是據(jù)每種原子或離子在熱或電激發(fā),處于激發(fā)態(tài)的待測(cè)元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出特征的電磁輻射而進(jìn)行元素定性和定量分析的方法。,.,2.歷史:,.,3.原子發(fā)射光譜分析的特點(diǎn)(1)多元素同時(shí)檢測(cè)能力。可同時(shí)測(cè)定一個(gè)樣品中的多種元素。每一個(gè)樣品一經(jīng)激發(fā)后,不同元素都發(fā)射特征光譜,這樣就可同時(shí)測(cè)定多種元素。(2)分析速度快。若利用光電直讀光譜儀,可在幾分鐘內(nèi)同時(shí)對(duì)幾十種元素進(jìn)行定量分析。分析試樣不經(jīng)化學(xué)處理,固體、液體樣品都可直接測(cè)定。(3)選擇性好。每種元素因原子結(jié)構(gòu)不同,發(fā)射各自不同的特征光譜。在分析化學(xué)上,這種性質(zhì)上的差異,對(duì)于一些化學(xué)性質(zhì)極相似的元素具有特別重要的意義。例如,鈮和鉭、鋯和鉿、幾十個(gè)稀土元素用其他方法分析都很困難,而發(fā)射光譜分析可以毫無困難地將它們區(qū)分開來,并分別加以測(cè)定。,.,(4)檢出限低。一般光源可達(dá)100.1gg-1(或gcm-3),絕對(duì)值可達(dá)10.01g。電感耦合高頻等離子體(ICP)檢出限可達(dá)ngg-1級(jí)。(5)準(zhǔn)確度較高。一般光源相對(duì)誤差約為510,ICP相對(duì)誤差可達(dá)1以下。(6)試樣消耗少。(7)ICP光源校準(zhǔn)曲線線性范圍寬可達(dá)46個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣可測(cè)定元素各種不同含量(高、中、微含量)。一個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行多元素分析,又可測(cè)定各種不同含量。目前ICP-AES已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中。(8)常見的非金屬元素如氧、硫、氮、鹵素等譜線在遠(yuǎn)紫外區(qū),目前一般的光譜儀尚無法檢測(cè);還有一些非金屬元素,如P、Se、Te等,由于其激發(fā)電位高,靈敏度較低。,.,1.2原子發(fā)射幾個(gè)基本概念1.靈敏線:激發(fā)電位較低的譜線,常為原子線(電弧線),或離子線(火花線)。與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。2.共振線:從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所產(chǎn)生的譜線。由最低能級(jí)的激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷稱為第一共振線。一般也是最靈敏線。與元素的激發(fā)程度難易有關(guān)。3.最后線:或稱持久線。當(dāng)待測(cè)物含量逐漸減小時(shí),譜線數(shù)目亦相應(yīng)減少,當(dāng)c接近0時(shí)所觀察到的譜線,是理論上的靈敏線或第一共振線。4.分析線:在進(jìn)行元素的定性或定量分析時(shí),根據(jù)測(cè)定的含量范圍的實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)每一元素可選一條或幾條最后線作為測(cè)量的分析線。5.自吸線:當(dāng)輻射能通過發(fā)光層周圍的蒸汽原子時(shí),將為其自身原子所吸收,而使譜線強(qiáng)度中心強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。6.自蝕線:自吸最強(qiáng)的譜線的稱為自蝕線。,.,1.3原子能級(jí)圖及能級(jí)的躍遷,.,能級(jí)圖,.,激發(fā)發(fā)光-原子光譜的產(chǎn)生,入-波長,C-光速,h-普朗克常數(shù),E0-基態(tài)能級(jí)能量,Em-激發(fā)態(tài)能量汞的第一激發(fā)態(tài)為4.9ev,,.,一些元素的離子化勢(shì)能(eV),Lit.:Zaidel,.,原子發(fā)射光譜法包括了三個(gè)主要的過程,即:1)由光源提供能量使樣品蒸發(fā)、形成氣態(tài)原子、并進(jìn)一步使氣態(tài)原子激發(fā)而產(chǎn)生光輻射;2)將光源發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)單色器分解成按波長順序排列的譜線,形成光譜;3)用檢測(cè)器檢測(cè)光譜中譜線的波長和強(qiáng)度。,.,不同的原子具有不同的能級(jí),在一般的情況下,原子處于能量最低的狀態(tài),即基態(tài),當(dāng)電子或其他粒子與原子相互碰撞,如果其動(dòng)能稍大于原子的激發(fā)能,就可使該氣態(tài)原子獲得一定的能量,從原子的基態(tài)過渡至某一較高能級(jí),這一過程叫做激發(fā)。,+,激發(fā),.,電子返回低能級(jí)發(fā)出特定波長的光DE=k/lk=12400,發(fā)射,.,多種能量傳輸發(fā)射光取決于能級(jí)間能量差,返回基態(tài)發(fā)出光,+,激發(fā)態(tài),DE=hn=hc/l,h=Plancks常數(shù),n=頻率,c=光速,l=波長,原子光譜的產(chǎn)生,.,1.4.AES定性定量原理量子力學(xué)基本理論告訴我們:1)原子或離子可處于不連續(xù)的能量狀態(tài),該狀態(tài)可以光譜項(xiàng)來描述;2)當(dāng)處于基態(tài)的氣態(tài)原子或離子吸收了一定的外界能量時(shí),其核外電子就從一種能量狀態(tài)(基態(tài))躍遷至另一能量狀態(tài)(激發(fā)態(tài));3)處于激發(fā)態(tài)的原子或離子很不穩(wěn)定,經(jīng)約10-8秒便躍遷返回到基態(tài),并將激發(fā)所吸收的能量以一定的電磁波輻射出來;4)將這些電磁波按一定波長順序排列即為原子光譜(線狀光譜);5)由于原子或離子的能級(jí)很多并且不同元素的結(jié)構(gòu)是不同的,因此對(duì)特定元素的原子或離子可產(chǎn)生一系不同波長的特征光譜,通過識(shí)別待測(cè)元素的特征譜線存在與否進(jìn)行定性分析定性原理。,.,濃度,I,強(qiáng)度,0,C,I,C,定量分析原理,.,在光譜定量分析中,譜線強(qiáng)度與被測(cè)元素濃度成正比,而自吸嚴(yán)重影響譜線強(qiáng)度。所以,在定量分析時(shí)必須注意自吸現(xiàn)象。在一定的實(shí)驗(yàn)條件下,單位體積內(nèi)的基態(tài)原子數(shù)目No和元素濃度C的關(guān)系為No=aCbq式中,b為自吸系數(shù),當(dāng)濃度很低時(shí),原子蒸氣的厚度很?。籦=1,即沒有自吸。a與q是與試樣蒸發(fā)過程有關(guān)的參數(shù);不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),q=1,a又稱為有效蒸發(fā)系數(shù)。這樣經(jīng)簡化后就成為:I=ACb式中,A為與測(cè)定條件有關(guān)的系數(shù)。式為原子發(fā)射光譜定量分析的基本公式。,.,1.5原子發(fā)射光譜儀的基本構(gòu)成AES儀器主要由光源(熱源)、進(jìn)樣系統(tǒng)、單色系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五部分組成。由于在后面的ICP中要涉及各個(gè)部分,因此,這里就不作詳細(xì)介紹了。為了方便起見,我們可先看看AES所用到的光源,并比較其各自的特征:,.,1.5.1AES光源種類,.,1.5.2AES光源的比較,.,2.ICP發(fā)射光譜分析原理,.,2.1什么是ICPICP(InductiveCoupledPlasma)即為電感耦合高頻等離子體光源。等離子體(Plasma):一般指電離度超過0.1%被電離了的氣體,這種氣體不僅含有中性原子和分子,而且含有大量的電子和離子,且電子和正離子的濃度處于平衡狀態(tài),從整體來看是出于中性的。利用電感耦合高頻等離子體(ICP)作為原子發(fā)射光譜的激發(fā)光源始于上世紀(jì)60年代。其特點(diǎn):高溫下電離的氣體(Ionizedgas);離子狀態(tài);陽離子和電子數(shù)幾乎相等;等離子體的溫度較高,最高溫度10000K。,.,2.2ICP形成的原理ICP裝置由:高頻發(fā)生器和感應(yīng)線圈;炬管和供氣系統(tǒng);進(jìn)樣系統(tǒng);三部分組成,高頻發(fā)生器的作用是產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)以供給等離子體能量。應(yīng)用最廣泛的有自激發(fā)生器和利用石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻振蕩的他激式高頻發(fā)生器,其頻率和功率輸出穩(wěn)定性高。頻率多為27-50MHz,最大輸出功率通常是1-4kW。,.,2.2.1高頻電感耦合等離子體震蕩電路,.,2.2.2ICP進(jìn)樣系統(tǒng)及等離子炬管,將樣品溶液霧化連續(xù)導(dǎo)入ICP中,ICP火焰,高頻線圈,等離子炬管,樣品溶液,霧室,霧化器,冷卻氣(Ar),等離子(輔助)氣(Ar),.,ICP焰明顯地分為三個(gè)區(qū)域:1)焰心區(qū)呈白色,不透明,是高頻電流形成的渦流區(qū),等離子體主要通過這一區(qū)域與高頻感應(yīng)線圈耦合而獲得能量。該區(qū)溫度高達(dá)10000K。內(nèi)焰區(qū)位于焰心區(qū)上方,一般在感應(yīng)圈以上10-20mm左右,略帶淡藍(lán)色,呈2)半透明狀態(tài)。溫度約為6000-8000K,是分析物原子化、激發(fā)、電離與輻射的主要區(qū)域。3)尾焰區(qū)在內(nèi)焰區(qū)上方,無色透明,溫度較低,在6000K以下,只能激發(fā)低能級(jí)的譜線。,.,2.2.3ICP光源的氣流,冷卻氣起冷卻作用,保護(hù)石英炬管免被高溫融化輔助氣“點(diǎn)燃”等離子體霧化氣形成樣品氣溶膠將樣品氣溶膠引入ICP對(duì)霧化器、霧化室、中心管起清洗作用,.,2.2.4等離子炬管,等離子炬管分為輸入載氣Ar的內(nèi)層管、輸入輔助氣Ar的中層管和輸入等離子氣Ar的外層管。,外層管:外層管通Ar氣作為冷卻氣,沿切線方向引入,并螺旋上升,其作用:第一,將等離子體吹離外層石英管的內(nèi)壁,可保護(hù)石英管不被燒毀;第二,是利用離心作用,在炬管中心產(chǎn)生低氣壓通道,以利于進(jìn)樣;第三,這部分Ar氣流同時(shí)也參與放電過程中層管:中層管通人輔助氣體Ar氣,用于點(diǎn)燃等離子體。內(nèi)層管:內(nèi)層石英管內(nèi)徑為12mm左右,以Ar為載氣,把經(jīng)過霧化器的試樣溶液以氣溶膠形式引入等離子體中。,.,炬管的組成:三層石英同心管組成(如上圖)。冷卻(等離子)氬氣以外管內(nèi)壁相切的方向進(jìn)入ICP炬管內(nèi),有效地解決了石英管壁的冷卻問題。防止其被高溫的ICP燒熔。炬管置于高頻線圈的正中,線圈的下端距中管的上端2-4mm,水冷的線圈連接到高頻發(fā)生器的輸出端。高頻電能通過線圈耦合到炬管內(nèi)電離的氬氣中。當(dāng)線圈上有高頻電流通過時(shí),則在線圈的軸線方向上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈振蕩的環(huán)形磁場(chǎng)如圖所示。開始時(shí),炬管中的原子氬并不導(dǎo)電,因而也不會(huì)形成放電。當(dāng)點(diǎn)火器的高頻火花放電在炬管內(nèi)使小量氬氣電離時(shí),一旦在炬管內(nèi)出現(xiàn)了導(dǎo)電的粒子,由于磁場(chǎng)的作用,其運(yùn)動(dòng)方向隨磁場(chǎng)的頻率而振蕩,并形成與炬管同軸的環(huán)形電流。,2.3ICP光源的裝置及其形成,.,原子、離子、電子在強(qiáng)烈的振蕩運(yùn)動(dòng)中互相碰撞產(chǎn)生更多的電子與離子。終于形成明亮的白色Ar-ICP放電,其外形尤如一滴剛形成的水滴。在高度電離的ICP內(nèi)部所形成的環(huán)形渦流可看作只有一匝的變壓器次級(jí)線圈,而水冷的工作線圈則相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈,它們之間的耦合,使磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向隨時(shí)間而變化,受磁場(chǎng)加速的電子和離子不斷改變其運(yùn)動(dòng)方向,導(dǎo)致焦耳發(fā)熱效應(yīng)并附帶產(chǎn)生電離作用。這種氣體在極短時(shí)間內(nèi)在石英的炬管內(nèi)形成一個(gè)新型的穩(wěn)定的“電火焰”光源。樣品經(jīng)霧化器被氣動(dòng)力吹散擊碎成粒徑為1-10um之間的細(xì)粒截氬氣由中心管注入ICP中,霧滴在進(jìn)入ICP之前,經(jīng)霧化室除去大霧滴使到達(dá)ICP的氣溶膠微滴快速地去溶、蒸發(fā)和原子化。,.,2.4ICP-AES可測(cè)定的元素及范圍,.,ICP-AES不便測(cè)定的元素,鹵族元素中溴、碘可測(cè),氟、氯不能測(cè)定.惰性氣體可激發(fā),靈敏度不高,無應(yīng)用價(jià)值.碳元素可測(cè)定,但空氣二氧化碳本底太高.氧,氮,氫可激發(fā),但必須隔離空氣和水.大量鈾,釷,钚放射性元素可測(cè),但要求防護(hù)條件,.,應(yīng)用范圍,常量分析0.X%-20%微量分析0.00X%-0.X%痕量分析:0.0000X%-0.000X%,一般需要分離和富集,不宜用于測(cè)定30%以上的,準(zhǔn)確度難于達(dá)到要求.,.,2.5ICP發(fā)射光譜分析的基本原理,ICP發(fā)射光譜分析過程主要分為三步,即激發(fā)、分光和檢測(cè).利用等離子體激發(fā)光源(ICP)使試樣蒸發(fā)汽化,離解或分解為原子狀態(tài),原子可能進(jìn)一步電離成離子狀態(tài),原子及離子在光源中激發(fā)發(fā)光。利用光譜儀器將光源發(fā)射的光分解為按波長排列的光譜。利用光電器件檢測(cè)光譜,按測(cè)定得到的光譜波長對(duì)試樣進(jìn)行定性分析,按發(fā)射光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析,.,I=Nmh=KNmN0e-Em/kT(1)在一定的實(shí)驗(yàn)條件下:I=aC(2)a為常數(shù),C為目的元素的濃度考慮某些情況下有一定程度的譜線自吸,對(duì)(2)加以修正I=aCb(3)b為自吸系數(shù),一般情況下b1。在ICP光源中多數(shù)情況下b1。,譜線強(qiáng)度與濃度的關(guān)系,.,ICP-AES的特長,溶液進(jìn)樣、標(biāo)準(zhǔn)溶液易制備高靈敏度(亞ppb)高精度(CV1%)化學(xué)干擾少線性范圍寬(個(gè)數(shù)量級(jí))可同時(shí)進(jìn)行多元素的定性定量分析,.,可以分析的樣品1:金屬(鋼鐵,有色金屬)2:化學(xué),藥品,石油,樹脂,陶瓷3:生物,醫(yī)藥,食品4:環(huán)境(自來水,環(huán)境水,土壤,大氣粉塵)5:可以分析其他各種各樣樣品中的金屬備注:固體樣品必須進(jìn)行前處理(液化),.,3.ICP發(fā)射光譜儀的構(gòu)成,.,ICPAES結(jié)構(gòu)示意圖,.,ICP-AES光譜儀結(jié)構(gòu),溶液-霧化發(fā)光元素光-電信號(hào)結(jié)果,.,3.1R.F高頻發(fā)生器,27.12MHz,40.68MHz高頻發(fā)生器輸出功率穩(wěn)定性好、點(diǎn)火容易、發(fā)熱量小、火焰穩(wěn)定、有效轉(zhuǎn)換功率高、能對(duì)不同樣品及不同濃度變化時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。,.,高頻電感耦合等離子體震蕩電路,.,3.1.1ICP進(jìn)樣系統(tǒng)及等離子炬管,將樣品溶液霧化連續(xù)導(dǎo)入ICP中,ICP火焰,高頻線圈,等離子炬管,樣品溶液,霧室,霧化器,冷卻氣(Ar),等離子(輔助)氣(Ar),.,Fassel炬管,.,氣動(dòng)霧化器(同心型),.,3.1.2氣動(dòng)霧化器,氣動(dòng)霧化器的結(jié)構(gòu)簡單,通常分為同軸型霧化器和直角型霧化器。同軸型霧化器結(jié)構(gòu)簡單,易于制作,應(yīng)用較為普遍。直角型霧化器不易被懸浮物質(zhì)堵塞。但霧化效率較低,噴嘴容易堵塞,進(jìn)樣速度受載氣壓力的影響。改用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)霧化器,可避免載氣壓力對(duì)樣品提升量的影響。,.,旋流霧室,.,雙筒霧室,.,霧室,雙筒霧室,旋流霧室,.,3.1.3等離子炬觀測(cè)位置,軸向和橫向觀測(cè)任選,用軸向觀測(cè)提高靈敏度,橫向觀測(cè)分析高濃度的樣品,.,軸向和橫向觀測(cè),.,3.2ICP-AES分光器,選擇分辨出目的元素的特征譜線,.,3.3檢測(cè)器-光電倍增管,光電倍增管工作原理圖,陰極,二次電子倍增原理,.,3.3.1檢測(cè)器-固態(tài)成像器件,CID,CCD,.,CID和CCD檢測(cè)器,CID檢測(cè)器最初發(fā)明用于天文學(xué)以解決在較長時(shí)間爆光時(shí),亮的星體所引起的“溢出”問題,觀察遙遠(yuǎn)星體的發(fā)射光通過天文望遠(yuǎn)鏡采集光信號(hào)用光譜儀進(jìn)行分光,測(cè)定不同譜線的強(qiáng)度確定所觀察星體的金屬組成,CCD檢測(cè)器最初用于電子記錄成像,.,摻雜的硅晶體吸收光子,一定面積的芯片(像素)產(chǎn)生電子,CCD的工作原理,電子的傳輸通過不同的芯片進(jìn)行,每個(gè)像素的讀出放大和傳輸?shù)玫较鄳?yīng)的電壓值,.,3.4計(jì)算機(jī)功能,程序控制:儀器各部件的起動(dòng)、關(guān)閉時(shí)實(shí)控制:時(shí)間監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、信息轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)處理譜線數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng),.,3.5ICP常見的幾種類型,.,3.5.1固定多通道型光譜儀,多元素同時(shí)測(cè)定,分析速度快分析精度高、穩(wěn)定性好操作簡單,消耗少,必須根據(jù)用戶需求預(yù)先排定PMT和出射狹縫,靈活性差,.,3.5.2多道直讀光譜儀,.,3.5.3單道掃描型光譜儀,譜線選擇靈活定量、定性和半定量分析儀器價(jià)格低分析速度慢,精度稍差,.,單道掃描光譜儀,.,3.5.4全譜直讀型光譜儀,全譜直讀式的等離子光譜儀,它采用中階梯光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合固體檢測(cè)器(CID,CCD),既具有單道的靈活性,又有多道的快速與穩(wěn)定。,+,.,全譜直讀光譜儀,.,4.ICP發(fā)射光譜分析方法,.,定性分析定量分析半定量分析,需進(jìn)行使樣品溶液化的前處理,ICP發(fā)射光譜分析方法,.,定性分析,定性分析要確認(rèn)試樣中存在某個(gè)元素,需要在試樣光譜中找出三條或三條以上該元素的靈敏線,并且譜線之間的強(qiáng)度關(guān)系是合理的;只要某元素的最靈敏線不存在,就可以肯定試樣中無該元素。,.,定量分析,工作曲線法標(biāo)準(zhǔn)樣品的組成與實(shí)際樣品一致在工作曲線的直線范圍內(nèi)測(cè)定使用無干擾的分析線,.,定量分析,標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定范圍的工作曲線的直線性溶液中干擾物質(zhì)濃度必須恒定應(yīng)有1-3個(gè)添加樣品使用無干擾的分析線進(jìn)行背景校正,.,定量分析,內(nèi)標(biāo)法在試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品中加入同樣濃度的某一元素(內(nèi)標(biāo)元素),利用分析元素和內(nèi)標(biāo)元素的譜線強(qiáng)度比與待測(cè)元素濃度繪制工作曲線,并進(jìn)行樣品分析。,.,半定量分析,半定量分析有些樣品不要求給出十分準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù),允許有較大偏差,但需要盡快給出分析數(shù)據(jù),這類樣品可采用半定量分析法。ICP光源的半定量分析尚無通用方法,因儀器類型和軟件功能而異,應(yīng)用不廣泛。,.,靈敏度、檢出限、背景等效濃度,靈敏度:S=dX/dc單位濃度變化所引起的響應(yīng)量的變化,它相當(dāng)于工作曲線的斜率檢出限:ICP光譜分析中,能可靠地檢出樣品中某元素的最小量或最低濃度.背景等效濃度(BEC):與背景信號(hào)相當(dāng)?shù)臐舛取?.,ICP發(fā)射光譜分析中的干擾,物理干擾化學(xué)干擾電離干擾光譜干擾,.,干擾的校正,基體匹配可消除物理、電離干擾。注意不純物的混入。內(nèi)標(biāo)校正可消除物理干擾。注意內(nèi)標(biāo)元素的選擇(電離電位)。背景校正,.,扣除光譜背景,.,譜線干擾的校正,選擇無干擾的譜線干擾系數(shù)法校正譜線干擾稀釋樣品,.,5.樣品的前處理,.,待測(cè)元素完全進(jìn)入溶液溶解過程待測(cè)元素不損失不引入或盡可能少引入影響測(cè)定的成分試樣溶劑具有較高的純度,易于獲得操作簡便快速,節(jié)省經(jīng)費(fèi)等,溶解樣品的基本要求,.,80,稀釋法用純水、稀酸、有機(jī)溶劑直接稀釋樣品。只適用于均勻樣品例)排放水、電鍍液、潤滑油等干式灰化分解法在馬弗爐中加熱樣品,使之灰化。可同時(shí)處理多個(gè)樣品。注意低沸點(diǎn)元素Hg,As,Se,Te,Sb的揮發(fā)例)食品、塑料、有機(jī)物粉末等,樣品的前處理(溶液化),.,81,濕式分解法常規(guī)酸消化樣品+酸(300)于燒杯或三角燒瓶中,在電熱板或電爐上加熱。常規(guī)酸消化的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單,適合處理大批量樣品;缺點(diǎn)是操作難度大,試劑消耗量大、每個(gè)試樣的酸消耗量不等,試劑空白高且不完全一致、消解周期長、勞動(dòng)條件較差。,樣品的前處理(溶液化),.,高壓密封罐消解高壓密封罐由聚四氟乙烯密封罐和不銹鋼套筒構(gòu)成。試樣和酸放在帶蓋的聚四氟

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