第十三章原子吸收分光光度法課件

1、第十三章 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrophotometry;AAS）是根據(jù)蒸汽相中被測元素的基態(tài)原子對特征輻射的吸收來測定試樣中該元素含量的方法。在20世紀60年代后，原子吸收分光光度法發(fā)展迅速。在測定礦物、金屬、化工產(chǎn)品、土壤、食品、藥物、生物試樣、環(huán)境試樣中的金屬元素含量時，原子分光光度法往往是一種首選的定量方法。原子吸收分光光度法的特點1.準確度高：火焰原子吸收分光光度法的相對誤差1%，石墨爐原子吸收分光光度法約為3%5%。2.靈敏度高：大多數(shù)元素測定的靈敏度均為 10-6g/ml數(shù)量級。3.選擇性好，抗干擾能力強。4.適用范圍

2、廣：目前，可采用原子分光光度法測定的元素達70多種。原子分光光度法的局限性工作曲線的線性范圍窄通常每測一種元素使用一種元素燈，使用不便。對某些元素檢出能力差，對難溶元素如W、Nb、Ta、稀土等和非金屬元素的分析，目前尚有一定的困難。第一節(jié) 原子吸收分光光度法的基本原理 一、原子的量子能級和能級圖 原子光譜是由原子最外層電子的躍遷所產(chǎn)生的，因此在原子光譜中，用原子的價電子表征整個原子的狀態(tài)。 光譜項（spectral term）N2S+1LJ是描述這些量子能級的形式。N2S+1LJ N是主量子數(shù)，表示核外電子分布的層次。取值1，2，3L是總角量子數(shù)，表示電子的軌道形狀，取值0，1，2，3符號S,

3、P,D,FS是總自旋量子數(shù)，表示價電子自旋量子數(shù)的矢量和。J是內(nèi)量子數(shù)，表示價電子組合得到的L與S的矢量和。取值為L+S,L+S1,|LS|。若LS,則J可有(2S+1)個數(shù)值，若LS,則J可有(2L+1)個數(shù)值。光譜項符號L左上角的（2S+1）稱為光譜項的多重性。J值不同的光譜項稱為光譜支項。原子的能級圖：用圖解的形式表示原子中各種可能存在的光譜項能級狀態(tài)及能級躍遷。原子譜線：由原子的價電子在不同能級間躍遷所產(chǎn)生。共振線：原子在基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間躍遷產(chǎn)生的譜線。特征譜線，最靈敏譜線。 二、 原子在各能級的分布 波爾茲曼(Boltzmann)方程 Nj/No=gj/goexp(Eo-Ej/K

4、T) 表示在熱平衡狀態(tài)激發(fā)態(tài)原子數(shù)Nj與基態(tài)原子數(shù)No的關(guān)系。 gj和go分別是激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重，Ej是激發(fā)能，T是絕對溫度，K是波爾茲曼常數(shù)。 波爾茲曼(Boltzmann)方程 從方程可知，溫度越高， Nj / N0值越大。在相同的溫度下，激發(fā)能越小，吸收線波長越長，Ni /N0值越大。在原子吸收光譜中，原子化溫度一般小于3000K，大多數(shù)元素的最強共振線都低于 600 nm， Ni / N0值絕大部分在10-3以下，激發(fā)態(tài)和基態(tài)原子數(shù)之比小于千分之一，激發(fā)態(tài)原子數(shù)可以忽略。因此，基態(tài)原子數(shù)N0可以近似等于總原子數(shù)N。 三、原子吸收線的輪廓和變寬 原子吸收線的產(chǎn)生 當輻射投射到原子蒸

5、汽上時，如果輻射頻率相應的的能量等于原子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需的能量，則引起原子對輻射的吸收，產(chǎn)生原子吸收光譜。 共振激發(fā)：原子由基態(tài)激發(fā)到能量最低的激發(fā)態(tài)。產(chǎn)生的譜線為共振吸收線。 （一）原子吸收線的輪廓和變寬 一束不同頻率強度為I0的平行光通過厚度為l的原子蒸氣，一部分光被吸收，透過光的強度I服從吸收定律 I = I0 exp(-kl) 式中k是基態(tài)原子對頻率為的光的吸收系數(shù)。 不同元素原子吸收不同頻率的光，透過光強度對吸收光頻率作圖，如下圖：II與 的關(guān)系I0 0由圖可知，在頻率0處透過光強度最小，即吸收最大。 若將吸收系數(shù)對頻率作圖，所得曲線為吸收線輪廓。峰值吸收系數(shù)：吸收系數(shù)的極大值

6、。半寬度：是中心頻率的吸收系數(shù)一半處譜線輪廓上兩點之間的頻率差。原子吸收線的特點是由吸收線的頻率、半寬度和強度來表征的。（二）影響半寬度的因素： 1.自然寬度 在無外界影響下，譜線固有的寬度。 2.多普勒變寬 是由無規(guī)則的熱運動產(chǎn)生的變化，又稱為熱變寬。 3.壓力變寬 由于吸光原子與蒸汽原子相互碰撞而引起能級的微小變化，使發(fā)射或吸收的光量子頻率改變而導致的變寬。在壓力變寬中，凡是同種粒子碰撞引起的變寬叫Holtzmark（赫爾茲馬克）變寬；凡是由異種粒子引起的變寬叫Lorentz（羅倫茲）變寬。 此外，在外電場或磁場作用下，能引起能級的分裂，從而導致譜線變寬，這種變寬稱為場致變寬。 四 原子吸

7、收值與原子濃度的關(guān)系（一）積分吸收 與分子吸收不同的是，原子吸收線輪廓是同種基態(tài)原子在吸收其共振輻射時被展寬了的吸收帶，原子吸收線輪廓上的各點都與相同的能級躍遷聯(lián)系。因此，原子吸收分析光譜中，是測量氣態(tài)原子吸收共振線的總能量，即積分吸收（Kv）。即吸收系數(shù)對頻率的積分。 從理論上可以得出，積分吸收與原子蒸氣中吸收輻射的原子數(shù)成正比。數(shù)學表達式為： K d = e2N0/mc 式中e為電子電荷；m為電子質(zhì)量；c為光速；N0為單位體積內(nèi)基態(tài)原子數(shù)；f 振子強度，即能被入射輻射激發(fā)的每個原子的平均電子數(shù)。 若能測定積分吸收，則可求出原子濃度。但是，測定譜線寬度僅為10-3nm的積分吸收，需要分辨率非

8、常高的色散儀器。 （二）峰值吸收 峰值吸收（K0）法代替積分吸收法，可以采用銳線光源，可降低對單色器分辨率的要求。 峰值系數(shù)代替積分吸收的必要條件：1.銳線光源的發(fā)射線與原子吸收線的中心頻率完全一致。2.銳線光源的半寬度比吸收線的半寬度更窄，一般為吸收線的1/51/10 。峰值吸收代替積分吸收的必要條件：1.銳線光源的發(fā)射線與原子吸收線的中心頻率完全一致。2.銳線光源的發(fā)射線的半峰寬比吸收線的半峰寬更窄K0v0吸收線發(fā)射線 在一定測量條件下，根據(jù)經(jīng)典理論， K0與吸收線的半寬度成反比，與積分吸收Kv成正比。通過運算可得峰值吸收系數(shù)： K0 = 2/(ln2/)1/2 K d 代入得： K0 =

9、 2/(ln2/)1/2 KN 可以看出，峰值吸收系數(shù)與原子總數(shù)成正比，只要能測出K0 就可得出N0。 A = K N l 在一定條件下，試樣中某組分的濃度C與蒸汽中原子的總數(shù) N成正比。 A = K C 一 、原子吸收分光光度計的主要部件 原子吸收分光光度計由光源、原子化器、單色器和檢測器等四部分組成。 （一）光源 發(fā)射被測元素基態(tài)原子所吸收的特征共振線，故稱為銳線光源。對光源的基本要求：發(fā)射的共振輻射的半寬度要明顯小于吸收線的半寬度；輻射的強度大；輻射光強穩(wěn)定，使用壽命長等。常用： 1.空心陰極燈 2.多元素空心陰極燈 第二節(jié) 原子吸收分光光度計 （二）原子化器 提供能量，使試樣干燥、蒸發(fā)

10、并轉(zhuǎn)化為所需的基態(tài)原子蒸汽。 對原子化器的基本要求：必須具有足夠高的原子化效率；必須具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)形；操作簡單及低的干擾水平等。 分為:火焰原子化器 、非火焰原子化器。 1. 火焰原子化法 組成：火焰原子化法中，常用的是預混合型原 子化器，它是由霧化器、霧化室和燃燒器三部分組成。 原理：火焰原子化法是將液體試樣經(jīng)噴霧器形成霧粒，這些霧粒在霧化室中與氣體（燃氣與助燃氣）均勻混合，除去大液滴后，再進入燃燒器形成火焰，試液在火焰中產(chǎn)生原子蒸氣。 霧化器 噴霧器的作用是將試液變成細霧。霧粒越細、越多，在火焰中生成的基態(tài)自由原子就越多。目前，應用最廣的是氣動同心型噴霧器。噴霧器噴出的霧滴碰到玻璃

11、球上，可產(chǎn)生進一步細化作用。生成的霧滴粒度和試液的吸入率，影響測定的精密度和化學干擾的大小。目前，噴霧器多采用不銹鋼、聚四氟乙烯或玻璃等制成。 霧化室 霧化室的作用主要是除大霧滴，并使燃氣和助燃氣充分混合，以便在燃燒時得到穩(wěn)定的火焰。其中的擾流器可使霧滴變細，同時可以阻擋大的霧滴進入火焰。 燃燒器 試液的細霧滴進入燃燒器，在火焰中經(jīng)過干燥、熔化、蒸發(fā)和離解等過程后，產(chǎn)生大量的基態(tài)自由原子及少量的激發(fā)態(tài)原子、離子和分子。 通常要求燃燒器的原子化程度高、火焰穩(wěn)定、吸收光程長、噪聲小等。燃燒器有單縫和三縫兩種。燃燒器的縫長和縫寬，應根據(jù)所用燃料確定。目前，單縫燃燒器應用最廣。2. 非火焰原子化器 非

12、火焰原子化器常用的是石墨爐原子化器。石墨爐原子化法的過程是將試樣注入石墨管中間位置，用大電流通過石墨管以產(chǎn)生高達2000 3000的高溫，使試樣經(jīng)過干燥、蒸發(fā)和原子化。 石墨爐的基本結(jié)構(gòu)包括：石墨管（杯）、爐體（保護氣系統(tǒng)）、電源等三部分組成。 分析過程:干燥、灰化、原子化和凈化等四個階段，即完成一次分析過程。 與火焰原子化法相比，石墨爐原子化法具有如下特點：靈敏度高、檢測限低 用樣量少，通常固體樣品為0.110毫克，液體試樣為 5 50微升。試樣直接注入原子化器，從而減少溶液一些物理性質(zhì)對測定的影響，也可直接分析固體樣品。排除了火焰原子化法中存在的火焰組份與被測組份之間的相互作用，減少了由此

13、引起的化學干擾。可以測定共振吸收線位于真空紫外區(qū)的非金屬元素I、P、S等。石墨爐原子化法所用設備比較復雜，成本比較高。但石墨爐原子化器在工作中比火焰原子化系統(tǒng)安全。石墨爐產(chǎn)生的總能量比火焰小，因此基體干擾較嚴重，測量的精密度比火焰原子化法差。 （三）單色器 單色器的作用是將共振吸收線與鄰近干擾線分離。單色器由入射和出射狹縫、反射鏡和色散元件組成,其關(guān)鍵部件是色散元件，現(xiàn)多用光柵。（四）檢測系統(tǒng) 主要由檢測器、放大器、對數(shù)變換器、顯示裝置所組成。二、原子吸收分光光度計的類型 按光束分為 單光束與雙光束型原子吸收分光光度計； 按調(diào)制方法分為 直流與交流型原子吸收分光光度計； 按波道分為 單道、雙道

14、和多道型原子吸收分光光度計。 1. 單光束原子吸收分光光度計 只有一個空心陰極燈，外光路只有一束光，一個單色器和檢測器。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度較高，價格低，便于維護。 缺點：由于光源不穩(wěn)定引起基線漂移。 2.雙光束原子吸收分光光度計 由光源發(fā)射的共振線被分成兩束光，一束通過原子化器，一束作為參比不通過原子化器，兩束光交替進入單色器和檢測器。 優(yōu)點：光源的任何漂移及檢測器靈敏度的變動，都 將由于參比光束得到補償。 缺點：儀器復雜，價格較貴，不能消除原子化系統(tǒng)不穩(wěn)定和背景吸收的影響。一、測定條件的選擇1.試樣的取量及處理 原子吸收分光光度法的取樣量應根據(jù)待測元素的性質(zhì)、含量、分析方法及要求的精確

15、來確定。在火焰原子化法中，在保持燃氣和助燃氣一定比例與一定的總氣體流量的條件下，達到最大吸光度的試劑噴霧量。使用石墨爐式原子化器，取樣量的大小依賴于石墨管內(nèi)容積的大小。2.分析線 通常選擇元素的共振線作為分析線。在分析被測元素濃度較高試樣時，可選用靈敏度較低的非共振線作為分析線。 第三節(jié) 實驗方法 3.狹縫寬度 狹縫寬度的選擇要能使吸收線與鄰近干擾線分開。吸光度大且平穩(wěn)的最大狹縫寬度為應選擇的合適的狹縫寬。原子吸收分析中，譜線重疊的幾率較小，因此，可以使用較寬的狹縫，以增加光強與降低檢出限。在實驗中，也要考慮被測元素譜線復雜程度，堿金屬、堿土金屬譜線簡單，可選擇較大的狹縫寬度；過度元素與稀土元

16、素等譜線比較復雜，要選擇較小的狹縫寬度。 4.空心陰極燈的工作電流 空心陰極燈的輻射強度取決于工作電流。燈電流過小，放電不穩(wěn)定，光輸出的強度?。粺綦娏鬟^大，發(fā)射譜線變寬，導致靈敏度下降，燈壽命縮短。選擇燈電流時，應在保持穩(wěn)定和有合適的光強輸出的情況下，盡量選用較低的工作電流。一般商品的空極陰極燈都標有允許使用的最大電流與可使用的電流范圍，通常選用最大電流的1/2 2/3為工作電流。實際工作中，最合適的電流應通過實驗確定?？諛O陰極燈使用前一般須預熱10 30 min。 5.原子化條件的選擇（1）火焰原子化法 火焰的選擇與調(diào)節(jié)是影響原子化效率的重要因素。 對于低溫、中溫火焰，適合的元素可使用乙炔-

17、空氣火焰；在火焰中易生成難離解的化合物及難溶氧化物的元素，宜用乙炔-氧化亞氮高溫火焰；分析線在220nm以下的元素，可選用氫氣-空氣火焰。 （2）石墨爐原子化法 石墨爐原子化法要合理選擇干燥、灰化、原子化及凈化等階段的溫度和時間。 干燥一般在105 125的條件下進行。 灰化要選擇能除去試樣中基體與其它組分而被測元素不損失的情況下，盡可能高的溫度。 原子化溫度選擇可達到原子吸收最大吸光度值的最低溫度。 凈化或稱清除階段，溫度應高于原子化溫度，時間僅為 3 5s，以便消除試樣的殘留物產(chǎn)生的記憶效應。 二、干擾及其抑制 1.電離干擾 由于原子的電離而引起的干擾效應。 抑制方法:加入消電離劑 2.物

18、理干擾 是指試樣在轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)、和原子化過程中 ，試樣物理特性變化引起的吸光度下降的效應。 抑制方法：配制與被測試樣組成相近的對照品或采用標準加入法。 3.光學干擾 光譜線干擾 指在所選光譜帶內(nèi)，試樣的共存元素的吸收線與被測元素的分析線相近而產(chǎn)生的干擾，使分析結(jié)果偏高。 消除辦法：另選波長或用化學方法分離干擾元素。 非吸收線干擾 指原子化過程中生成的氣體分子、氧化物、鹽類等對共振線的吸收及微小固體顆粒使光產(chǎn)生散射而引起的干擾。 消除辦法：儀器調(diào)零吸收、鄰近非共振線校正、連續(xù)光源背景校正、塞曼效應背景校正等。 4.化學干擾 是在溶液或氣相中由于被測元素與其他共存組分之間發(fā)生化學反應而生成難揮發(fā)或難

19、離解的化合物而產(chǎn)生的干擾?；瘜W干擾是原子吸收分析的主要干擾源。 抑制方法：加入釋放劑、加入保護劑、適當提高火焰溫度。 三、靈敏度和檢出限 1.靈敏度（sensitivity; S） S = dA/dc。表示當被測元素濃度或含量改變一個單位時，吸光度的變化量。特征濃度：在火焰原子吸收法中，采用相對靈敏度即特征濃度。其定義為產(chǎn)生1吸收（吸光度為0.0044）時所對應的被測元素的濃度（g/ml）。 C0 = CX0.0044 / A （g/ml） CX表示待測元素的濃度；A為多次測量的吸光度值。 特征質(zhì)量：在石墨爐原子吸收法中，采用絕對靈敏度即特征質(zhì)量。其定義為產(chǎn)生1吸收（吸光度為0.0044）時所對應的被測元素的質(zhì)量（ug或g）。 sm = 0.0044mx/A（g或g） 式中sm為分析物質(zhì)量，A為多次測量的吸光度值。 2. 檢出限（detection limit,D） 指在一定置信度下被檢出的最小濃度或量。 一般以給出信號為空白溶液信號的標準差（ ）的三倍時所對應的待測元素的濃度或質(zhì)量來表示。 DC= CX3/A(g/ml)或 DM= mx/A= CX V3/A(g或g） 四、定量分析方法 原子吸收分光光度法常用的定量分析方法： 1、校正曲線法 2、標準加入法 3、內(nèi)標法 1. 校正曲線法 配置一組濃度