制藥分析--原子吸收光譜法ppt課件

1、Chap13 原子吸收光譜法原子吸收光譜法 (Atomic Absorption Spectrometry, AAS) 一、概述一、概述二、基本原理二、基本原理三、三、AAS儀器及其組成儀器及其組成四、原子吸收分析方法四、原子吸收分析方法定量分析的三種基本方法。定量分析的三種基本方法。了解光譜項(xiàng)及能級(jí)圖；實(shí)驗(yàn)條件的選擇，了解光譜項(xiàng)及能級(jí)圖；實(shí)驗(yàn)條件的選擇，干擾與其消除方法。干擾與其消除方法。？一、一、 概述概述1. 歷史歷史: 1802年，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)連續(xù)光譜中有暗線年，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)連續(xù)光譜中有暗線 ； 1860年年 ，證明上述暗線是太陽(yáng)大氣圈中，證明上述暗線是太陽(yáng)大氣圈中的的 鈉原子對(duì)太陽(yáng)光譜中的鈉

2、輻射吸收的結(jié)鈉原子對(duì)太陽(yáng)光譜中的鈉輻射吸收的結(jié)果；果； 1955年，將該現(xiàn)象應(yīng)用于分析；年，將該現(xiàn)象應(yīng)用于分析； 60年代中期迅速發(fā)展。年代中期迅速發(fā)展。（特征輻射的吸收為基礎(chǔ)的分析方法。（特征輻射的吸收為基礎(chǔ)的分析方法。（屬于原子光譜和吸收光譜）（屬于原子光譜和吸收光譜）基本原理相同：物質(zhì)對(duì)光的吸收基本原理相同：物質(zhì)對(duì)光的吸收5. AAS特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1檢出限低，靈敏度高；檢出限低，靈敏度高； 2選擇性好，準(zhǔn)確度高；選擇性好，準(zhǔn)確度高； 3分析速度快，測(cè)定范圍廣，可測(cè)分析速度快，測(cè)定范圍廣，可測(cè)70多種多種 元素。（分析對(duì)象為金屬元素）元素。（分析對(duì)象為金屬元素）缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1標(biāo)準(zhǔn)

3、曲線的線性范圍窄；標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍窄； 2換燈；多元素同時(shí)測(cè)定有困難；換燈；多元素同時(shí)測(cè)定有困難； 3對(duì)非金屬及難熔元素的測(cè)定尚有困難；對(duì)非金屬及難熔元素的測(cè)定尚有困難； 對(duì)復(fù)雜樣品分析干擾也較嚴(yán)重。對(duì)復(fù)雜樣品分析干擾也較嚴(yán)重。6. 應(yīng)用：廣泛。應(yīng)用：廣泛。n2s+1LJn2s+1LJ（三基態(tài)原子數(shù)與激發(fā)態(tài)原子數(shù)的關(guān)系（三基態(tài)原子數(shù)與激發(fā)態(tài)原子數(shù)的關(guān)系據(jù)熱力學(xué)原理，激發(fā)態(tài)原子數(shù)與基態(tài)原子數(shù)之比服從據(jù)熱力學(xué)原理，激發(fā)態(tài)原子數(shù)與基態(tài)原子數(shù)之比服從 Boltzmann 分配定律：分配定律：即：即：Ni/N0 的大小主要與的大小主要與“波長(zhǎng)波長(zhǎng)” 及及“溫度有關(guān)。溫度有關(guān)。a溫度增加，那么溫度增加，

4、那么 Ni/N0 大，即處于激發(fā)態(tài)的原子大，即處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)增加；且數(shù)增加；且Ni/N0隨溫度隨溫度 T 增加而呈指數(shù)增加。增加而呈指數(shù)增加。b溫度不變：激發(fā)能溫度不變：激發(fā)能(h)小或小或長(zhǎng)，長(zhǎng)，Ni/N0則大，即則大，即波長(zhǎng)長(zhǎng)的原子處于激發(fā)態(tài)的數(shù)目多；但在波長(zhǎng)長(zhǎng)的原子處于激發(fā)態(tài)的數(shù)目多；但在AAS中，波中，波長(zhǎng)不超過(guò)長(zhǎng)不超過(guò)600nm。即激發(fā)能對(duì)。即激發(fā)能對(duì) Ni/N0 的影響有限！的影響有限！kTEiiieggNN/00可用可用N0代表代表總原子數(shù)?？傇訑?shù)。共振線共振線最靈敏和最強(qiáng)最靈敏和最強(qiáng)分析線分析線(位于位于UV和和Vis區(qū)）區(qū)）I0K0/2KK0 0I 0 I （吸收強(qiáng)度與

5、頻率的關(guān)系）（吸收強(qiáng)度與頻率的關(guān)系）K （譜線輪廓）（譜線輪廓） 圖中：圖中：K吸收系數(shù)；吸收系數(shù)； K0峰值吸收系數(shù)；峰值吸收系數(shù)；0中心頻率中心頻率 (由原子能級(jí)決定由原子能級(jí)決定)；譜線輪廓半寬度譜線輪廓半寬度K0/2處的寬度）；處的寬度）；1. 1. 自然變寬：自然變寬： 沒(méi)有外界影響，譜線仍有一定的寬度沒(méi)有外界影響，譜線仍有一定的寬度稱為自然寬度，它與激發(fā)態(tài)原子的平均壽稱為自然寬度，它與激發(fā)態(tài)原子的平均壽命有關(guān)。該寬度命有關(guān)。該寬度(10-5nm)(10-5nm)比光譜儀本身產(chǎn)比光譜儀本身產(chǎn)生的寬度要小得多，只有極高分辨率的儀生的寬度要小得多，只有極高分辨率的儀器才能測(cè)出，故可勿略不

6、計(jì)。器才能測(cè)出，故可勿略不計(jì)。 2. 2. 同位素變寬：同位素變寬： 同種元素含有不同的同位素，各種同同種元素含有不同的同位素，各種同位素能產(chǎn)生波長(zhǎng)十分接近的，但又有一定位素能產(chǎn)生波長(zhǎng)十分接近的，但又有一定差別的譜線，故使同一元素的譜線有一定差別的譜線，故使同一元素的譜線有一定的寬度，稱為同位素效應(yīng)。可忽略。的寬度，稱為同位素效應(yīng)?？珊雎?。 3. 3. 多普勒多普勒DopplerDoppler變寬：它與相對(duì)于觀察者變寬：它與相對(duì)于觀察者的原子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。又稱熱變寬。的原子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。又稱熱變寬。 光子觀測(cè)光子觀測(cè)(0+D)（0-D）rARTc)2(ln220rDAT071016

7、. 7rDAT071016.7 可見(jiàn)，可見(jiàn)，Doppler變寬變寬 與譜線頻率、相對(duì)原子質(zhì)量和溫度有關(guān)，與譜線頻率、相對(duì)原子質(zhì)量和溫度有關(guān)， 多在多在10-3 10-2數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) ，是譜線變寬的主要因素。，是譜線變寬的主要因素。4. 4. 壓力變寬壓力變寬Pressure effectPressure effect） 吸光原子與蒸氣原子相互碰撞而引起能吸光原子與蒸氣原子相互碰撞而引起能級(jí)的微小變化，使發(fā)射或吸收的光量子頻率改變而級(jí)的微小變化，使發(fā)射或吸收的光量子頻率改變而導(dǎo)致的變寬（導(dǎo)致的變寬（ 10-3 10-3 數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí) ），與壓力有關(guān)。可），與壓力有關(guān)。可分為：分為：a a） 赫魯

8、茲馬克赫魯茲馬克Holtzmark Holtzmark ）變寬：又稱共振變）變寬：又稱共振變寬，是待測(cè)原子之間的碰撞。寬，是待測(cè)原子之間的碰撞。b b勞倫茲（勞倫茲（ Lorentz Lorentz ）變寬：待測(cè)原子與其它原）變寬：待測(cè)原子與其它原子或分子之間的碰撞。子或分子之間的碰撞。（五原子吸收值與原子濃度的關(guān)系（五原子吸收值與原子濃度的關(guān)系1. 積分吸收積分吸收 以光強(qiáng)為以光強(qiáng)為 I0 的特征譜線通過(guò)厚度為的特征譜線通過(guò)厚度為L(zhǎng)的基態(tài)原子蒸的基態(tài)原子蒸汽時(shí)，其中一部分光被吸收，使該入射光的光強(qiáng)降低汽時(shí)，其中一部分光被吸收，使該入射光的光強(qiáng)降低為為 I 。如圖：。如圖： 原子蒸汽原子蒸汽l

9、hI0 I AlKIIeIIlk434.0log0)(0 積分吸收，即測(cè)定吸收曲線下面所包括的整個(gè)面積積分吸收，即測(cè)定吸收曲線下面所包括的整個(gè)面積 ，即吸收系數(shù)，即吸收系數(shù)對(duì)頻率的積分，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：對(duì)頻率的積分，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中，式中，e e為電子電荷；為電子電荷；c c為光速；為光速；m m為電子質(zhì)量；為電子質(zhì)量；f f為振子強(qiáng)度為受到激為振子強(qiáng)度為受到激發(fā)的每個(gè)原子的平均電子數(shù)，與吸收幾率成正比）；發(fā)的每個(gè)原子的平均電子數(shù)，與吸收幾率成正比）；N0N0為單位體積內(nèi)能為單位體積內(nèi)能夠吸收頻率為夠吸收頻率為V0V0 V V范圍內(nèi)輻射的基態(tài)原子數(shù)目（范圍內(nèi)輻射的基態(tài)原子數(shù)目（ N0NN

10、0N）。在一定）。在一定條件下，對(duì)于給定的元素，條件下，對(duì)于給定的元素，f f可為定值，常數(shù)合并，用可為定值，常數(shù)合并，用k k表示，得：表示，得： 故原子吸收定量分析的基礎(chǔ)：積分吸收與待測(cè)元素原子的總數(shù)故原子吸收定量分析的基礎(chǔ)：積分吸收與待測(cè)元素原子的總數(shù)N N呈簡(jiǎn)單呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。的線性關(guān)系。fNmcedK02fNmcedK02= KN但積分吸收的測(cè)定非常困難。因?yàn)樵游站€的半寬度但積分吸收的測(cè)定非常困難。因?yàn)樵游站€的半寬度很小，只有很小，只有0.001-0.005A0.001-0.005A。要分辨如此窄的譜線，對(duì)波長(zhǎng)為。要分辨如此窄的譜線，對(duì)波長(zhǎng)為500 nm500 nm，其分辨

11、率應(yīng)為：，其分辨率應(yīng)為：這樣高的分辨率，對(duì)現(xiàn)代儀器很難達(dá)到！這樣高的分辨率，對(duì)現(xiàn)代儀器很難達(dá)到！采用低分辨率的色散儀，以采用低分辨率的色散儀，以“峰值吸收來(lái)代替峰值吸收來(lái)代替“積分積分吸收吸收”。500000001.0500R2. 2. 峰值吸收峰值吸收 峰值吸收測(cè)量是用峰值吸收系數(shù)來(lái)代替積峰值吸收測(cè)量是用峰值吸收系數(shù)來(lái)代替積分吸收的測(cè)定。的測(cè)定，只要使用銳線光源能分吸收的測(cè)定。的測(cè)定，只要使用銳線光源能發(fā)射出譜線半寬度很窄的發(fā)射線的光源），而不用高發(fā)射出譜線半寬度很窄的發(fā)射線的光源），而不用高分辨率的單色器就能做到。分辨率的單色器就能做到。條件：條件：a. a. 銳線光源的發(fā)射線與原子吸收線

12、的中心頻率完全一銳線光源的發(fā)射線與原子吸收線的中心頻率完全一致；致；b. b. 銳線光源發(fā)射線的半寬度比吸收線的半寬度小得多銳線光源發(fā)射線的半寬度比吸收線的半寬度小得多 （1/51/101/51/10）。）。 0I 吸收線吸收線發(fā)射線發(fā)射線峰值吸收的測(cè)量峰值吸收的測(cè)量dVKKvD2ln20KNdVKvLKIIA434. 0lg0 0I 吸收線吸收線發(fā)射線發(fā)射線峰值吸收的測(cè)量峰值吸收的測(cè)量KNLA2ln24343. 00KNlA CKA空心陰極燈空心陰極燈原子化器原子化器單色儀單色儀檢測(cè)器檢測(cè)器原子化系統(tǒng)原子化系統(tǒng)霧化器霧化器樣品液樣品液廢液廢液切光器切光器助燃?xì)庵細(xì)馊細(xì)馊細(xì)庠游諆x器結(jié)構(gòu)示

13、意圖原子吸收儀器結(jié)構(gòu)示意圖（一光源（一光源作用：產(chǎn)生原子吸收所需要的共振輻射。作用：產(chǎn)生原子吸收所需要的共振輻射。 要求：要求：a發(fā)射輻射波長(zhǎng)的半寬度要明顯小于吸收線發(fā)射輻射波長(zhǎng)的半寬度要明顯小于吸收線的半寬度；的半寬度；b能輻射待測(cè)元素的共振線其頻率與待測(cè)能輻射待測(cè)元素的共振線其頻率與待測(cè)元素基態(tài)原子躍遷的能量相適應(yīng)）；元素基態(tài)原子躍遷的能量相適應(yīng)）；c銳線強(qiáng)度大，背景發(fā)射??；操作方便，壽銳線強(qiáng)度大，背景發(fā)射??；操作方便，壽命長(zhǎng)。命長(zhǎng)。 影響譜線性質(zhì)之因素：電流、充氣種類及壓力。影響譜線性質(zhì)之因素：電流、充氣種類及壓力。擾也大。擾也大。對(duì)光源而言，引起譜線變寬的主要因素是什么？對(duì)光源而言，引

14、起譜線變寬的主要因素是什么？3.1 3.1 火焰原子化器火焰原子化器 a a噴霧器霧化器）噴霧器霧化器） b b霧化室霧化室 c c燃燒器燃燒器原理：燃?xì)夂椭細(xì)庠恚喝細(xì)夂椭細(xì)庠谠陟F化室中預(yù)混合后，霧化室中預(yù)混合后，在在燃燒器縫口點(diǎn)燃形成燃燒器縫口點(diǎn)燃形成火火焰，火焰的組成關(guān)系焰，火焰的組成關(guān)系到到測(cè)定的靈敏度、穩(wěn)定測(cè)定的靈敏度、穩(wěn)定性性和干擾等。和干擾等。3.2 3.2 非火焰原子化器非火焰原子化器3.2.1 3.2.1 石墨爐原子化器石墨爐原子化器管式）管式）工作原理：是一個(gè)電加工作原理：是一個(gè)電加熱器，利用電能加熱盛熱器，利用電能加熱盛放試樣的石墨容器，使放試樣的石墨容器，使之達(dá)到高

15、溫以實(shí)現(xiàn)試樣之達(dá)到高溫以實(shí)現(xiàn)試樣的蒸發(fā)和原子化。的蒸發(fā)和原子化。組成：爐體、石墨管、組成：爐體、石墨管、電水氣供給系統(tǒng)組成。電水氣供給系統(tǒng)組成。 a. a. 優(yōu)點(diǎn)：原子化效率高、靈敏度高優(yōu)點(diǎn)：原子化效率高、靈敏度高、樣品用量少、能減少化學(xué)干擾。、樣品用量少、能減少化學(xué)干擾。 b. b. 缺點(diǎn)：由于取樣量小，測(cè)定重現(xiàn)缺點(diǎn)：由于取樣量小，測(cè)定重現(xiàn)性差，操作復(fù)雜，較難普及。性差，操作復(fù)雜，較難普及。3.2.2 3.2.2 低溫原子化法化學(xué)原子化法）低溫原子化法化學(xué)原子化法）1汞蒸氣原子化測(cè)汞儀）汞蒸氣原子化測(cè)汞儀） 將試樣中汞的化合物以還原劑如將試樣中汞的化合物以還原劑如SnCl2還原為還原為汞蒸汽

16、，并通過(guò)汞蒸汽，并通過(guò)Ar 或或N2 將其帶入吸收池進(jìn)行測(cè)定。將其帶入吸收池進(jìn)行測(cè)定。2氫化物原子化氫化物原子化 可將待測(cè)物從在一定酸度條件下，將試樣以還原劑可將待測(cè)物從在一定酸度條件下，將試樣以還原劑NaBH4還原為元素的氣態(tài)氫化物，并通過(guò)還原為元素的氣態(tài)氫化物，并通過(guò)Ar或或N2將其帶入熱的石英管內(nèi)原子化并測(cè)定。將其帶入熱的石英管內(nèi)原子化并測(cè)定。特點(diǎn)：檢出限比火焰法低特點(diǎn)：檢出限比火焰法低1-3個(gè)數(shù)量級(jí)，選擇性好且干擾也小。個(gè)數(shù)量級(jí)，選擇性好且干擾也小。（三分光系統(tǒng)（三分光系統(tǒng) 組成：出射狹縫、入射狹縫、反射鏡和色散原件組成：出射狹縫、入射狹縫、反射鏡和色散原件多用光柵）。多用光柵）。 作

17、用：將空心陰極燈陰極材料的雜質(zhì)發(fā)出的譜線、作用：將空心陰極燈陰極材料的雜質(zhì)發(fā)出的譜線、惰性氣體發(fā)出的譜線以及分析線的鄰近線等與共惰性氣體發(fā)出的譜線以及分析線的鄰近線等與共振吸收線分開(kāi)。振吸收線分開(kāi)。必須注意：必須注意： 1.在原子吸收光度計(jì)中，單色器通常位于原子化器之后在原子吸收光度計(jì)中，單色器通常位于原子化器之后，（，（UV-Vis那？），這樣可分掉火焰的雜散光并防止那？），這樣可分掉火焰的雜散光并防止光電管疲勞。光電管疲勞。 2.由于銳線光源的譜線簡(jiǎn)單，故對(duì)單色器的分辨率要由于銳線光源的譜線簡(jiǎn)單，故對(duì)單色器的分辨率要求不高。求不高。顯示裝置顯示裝置將測(cè)定值最終由指示儀表顯示出來(lái)。將測(cè)定值最

18、終由指示儀表顯示出來(lái)。原子吸收儀器類型：原子吸收儀器類型：?jiǎn)喂馐簡(jiǎn)喂馐? 1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低；價(jià)格低；2 2易發(fā)生零漂移，空易發(fā)生零漂移，空心陰極燈要預(yù)熱心陰極燈要預(yù)熱 。雙光束：雙光束：1 1零漂移小，空心陰零漂移小，空心陰極燈不需預(yù)熱，降低極燈不需預(yù)熱，降低了方法檢出限；了方法檢出限；2 2仍不能消除火焰的仍不能消除火焰的波動(dòng)和背景的影響。波動(dòng)和背景的影響。 Hg185nmHg185nm比比Hg254nmHg254nm靈敏靈敏5050倍，但前者處于真空紫外倍，但前者處于真空紫外區(qū)，大氣和火焰均對(duì)其產(chǎn)區(qū)，大氣和火焰均對(duì)其產(chǎn)生吸收；生吸收；共振線共振線Ni232n

19、m附近附近231.98和和232.12的原子線和的原子線和231.6的離子的離子線，不能將其分開(kāi)，可選取線，不能將其分開(kāi)，可選取341.48nm作分析線。作分析線。佳燈電流通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。佳燈電流通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。燈電流過(guò)小，光強(qiáng)低且不穩(wěn)定；燈電流過(guò)小，光強(qiáng)低且不穩(wěn)定；燈電流過(guò)大，發(fā)射線變寬，靈敏度下降，且影響光源壽命。燈電流過(guò)大，發(fā)射線變寬，靈敏度下降，且影響光源壽命。（二干擾及其消除（二干擾及其消除1.電離干擾：高溫電離干擾：高溫電離電離干擾干擾結(jié)果：基態(tài)原子數(shù)減少結(jié)果：基態(tài)原子數(shù)減少吸光度下降吸光度下降結(jié)果偏低結(jié)果偏低消除：加入消電離劑主要為堿金屬元素化合消除：加入消電離劑主要為堿金屬元素化合

20、物）物）產(chǎn)生大產(chǎn)生大 量電子量電子抑制待測(cè)原子的電離。抑制待測(cè)原子的電離。2. 物理干擾：（非選擇性）物理干擾：（非選擇性）結(jié)果：轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)、原子化結(jié)果：轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)、原子化物理性質(zhì)變化物理性質(zhì)變化干干擾擾消除：標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)加入法消除：標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)加入法校正值校正值 如如:大量大量KCl 的加入的加入可抑制可抑制Ca的電離。的電離。3.3. 光學(xué)干擾光學(xué)干擾概念：雜質(zhì)吸收線與被測(cè)元概念：雜質(zhì)吸收線與被測(cè)元素分析線相近或重疊。素分析線相近或重疊。 結(jié)果：使分析結(jié)果偏高。結(jié)果：使分析結(jié)果偏高。消除：另選分析線或分離雜消除：另選分析線或分離雜質(zhì)。質(zhì)。概念：雜質(zhì)對(duì)共振線的吸收及小概念：雜質(zhì)對(duì)共振線的吸收及小顆粒對(duì)光散射顆粒對(duì)光散射干擾。干擾。結(jié)果：使分析結(jié)果偏高。結(jié)果：使分析結(jié)果偏高。消除：空白溶液、鄰近非共振線消除：空白溶液、鄰近非共振線校正、雙光束原子吸收光譜儀校正、雙光束原子吸收光譜儀3.2 非吸收線干擾非原子性吸收）非吸收線干擾非原子性吸收）4. 化學(xué)干擾主要干擾來(lái)源、選擇性干擾）化學(xué)干擾主要干擾來(lái)源、選擇性干擾）概念：待測(cè)元素與雜質(zhì)發(fā)生概念：待測(cè)元素與雜質(zhì)發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 生成難揮發(fā)生成難揮發(fā)或難或難