第五章 原子吸收光譜法 3

第五章原子吸收與原子熒光光譜法

AtomicAbsorptionSpectrometry

AtomicFluorescenceSpectrometry

(AAS和AFS)概述原子吸收光譜法是一種基于待測基態(tài)原子蒸氣對特征輻射的吸收而建立的分析方法。一、歷史這一方法的發(fā)展經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：1.原子吸收現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1802年Wollaston發(fā)現(xiàn)太陽光譜的暗線；1859年Kirchhoff和Bunson解釋了暗線產(chǎn)生的原因(研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜會被溫度較低的鈉蒸氣吸收)太陽光暗線暗線是由于大氣層中存在的元素的原子對太陽光選擇性吸收的結(jié)果：ECE=h=h基態(tài)第一激發(fā)態(tài)熱能基于原子吸收原理進行儀器設(shè)計的思路光源火焰棱鏡檢測裝置2、空心陰極燈的發(fā)明-+Ar1955年Walsh發(fā)表了一篇論文“Applicationofatomicabsorptionspectrometrytoanalyticalchemistry”解決了原子吸收光譜的光源問題，50年代末PE和Varian公司推出了原子吸收商品儀器。3、電熱原子化技術(shù)的提出1959年里沃夫提出電熱原子化技術(shù)，大大提高了原子吸收的靈敏度二、原子吸收光譜法的特點1、靈敏度高（火焰法：1ng/ml，石墨爐100-0.01pg)；2、準(zhǔn)確度好（火焰法：RSD<1%，石墨爐3-5%）3、選擇性高（可測元素達70個，相互干擾很?。┤秉c：不能多元素同時分析第一節(jié)原子吸收光譜法的原理一、原子吸收光譜的產(chǎn)生當(dāng)輻射光通過基態(tài)原子蒸氣時，若入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的能量，就可能被基態(tài)原子所吸收。如果吸收的輻射能使基態(tài)原子躍遷到能量最低的激發(fā)態(tài)時，產(chǎn)生的吸收譜線稱為吸收共振線，簡稱共振線。h共振吸收問題原子吸收分析的前提是樣品在高溫下原子化，可是發(fā)射光譜一章中講到：在高溫下原子也會激發(fā)，那么在什么條件下才能保證原子化的同時，又保證原子處于基態(tài)？？

待測元素在進行原子化時，其中必有一部分原子吸收了較多的能量而處于激發(fā)態(tài)，據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)在一定條件下達到熱平衡后，處在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)的比值遵循Boltzman分布：NiN0=gig0Exp(-)EiKTNi,,N0激發(fā)態(tài)和基態(tài)原子數(shù)gi，g0激發(fā)態(tài)和基態(tài)統(tǒng)計權(quán)重KBoltzman常數(shù)T熱力學(xué)溫度Ei激發(fā)能二、基態(tài)的原子數(shù)與原子化溫度的關(guān)系Ni/N0的大小主要與“波長”及“溫度”有關(guān)！TNi/N0T一定，EiNi/N0

T3000kNi/No<10-2

可以忽略因此，原子吸收測量通常在3000K以下進行。三、原子吸收線的輪廓與變寬(一)吸收定律當(dāng)強度為I0的單色入射光通過吸收強度為l的基態(tài)原子蒸氣時，入射光強度因基態(tài)原子吸收而減弱，被透過光的強度Iv服從光的吸收定律：

It=I0e-Kνl原子結(jié)構(gòu)較分子結(jié)構(gòu)簡單，理論上應(yīng)產(chǎn)生線狀光譜吸收線。實際上用特征吸收頻率左右范圍的輻射光照射時，獲得一峰形吸收（具有一定寬度）。由：It=I0e-Kvl

，

透射光強度It和吸收系數(shù)Kν及輻射頻率ν有關(guān)。以Kv與作圖：（二）吸收譜線的輪廓

原子吸收線指強度隨頻率變化的曲線，從理論上講原子吸收線應(yīng)是一條無限窄的線，但實際上它有一定寬度。IoIo1、自然寬度由于激發(fā)壽命原因，原子吸收線有一定自然寬度，激發(fā)態(tài)原子的平均壽命越短，能級寬度越寬，譜線的自然寬度越大，約為10-6-10-5nm。(三)譜線寬度及變寬2.Doppler變寬：它與相對于觀察者的原子的無規(guī)則熱運動有關(guān)。又稱熱變寬。

光子觀測光子觀測（0+D）（0-D）可見，Doppler變寬

與譜線波長、相對原子質(zhì)量和溫度有關(guān)，

多在10-4-10-3

nm數(shù)量級3、碰撞變寬

碰撞變寬指壓力增大后，原子之間相互碰撞引起的變寬。分為：

Lorentz變寬：指被測元素原子和其它粒子碰撞引起的變寬（<10-3nm)；

Holtzmark變寬：指同種原子碰撞引起的變寬。但由于AAS分析時，待測物濃度很低，該變寬可忽略。綜合上述因素，實際原子吸收線的寬度約為10-3nm數(shù)量級四、原子吸收光譜的測量1、積分吸收測量法(測量氣態(tài)基態(tài)原子吸收共振線的總能量)

吸光原子數(shù)No越多，吸光曲線面積越大（峰越高），因此，理論上積分吸收與No呈正比：KOKoK1K2K3K4K5K66543210Kd=Nofe2mce-電子電荷m-電子質(zhì)量c-光速No-基態(tài)原子數(shù)f-振子強度(每個原子中能被激發(fā)的平均電子數(shù))由于：No=C,因此：Kdc若能獲得積分吸收，即可測得原子濃度。Kd=Cfe2mc（經(jīng)典色散理論）1234567891010-3nm(~10-3nm)需要一個分光系統(tǒng)，譜帶寬度為0.0001nm,且連續(xù)可調(diào)K關(guān)鍵性難題通常光柵可分開0.1nm，要分開0.01nm的兩束光需要很昂貴的光柵；要分開兩束波長相差0.0001nm的光，目前技術(shù)上仍難以實現(xiàn)；此外，即使光柵滿足了要求，分出的光也太弱，難以用于實際測量。0.0001nm2.峰值吸收測量法(測量吸收線的峰值吸收)1955年，Walsh指出，在溫度不太高時，當(dāng)發(fā)射線和吸收線滿足以下兩個條件，即:當(dāng)e

a時，發(fā)射線很窄，發(fā)射線的輪廓可認為是一個矩形，則在發(fā)射線的范圍內(nèi)各波長的吸收系數(shù)近似相等，即K＝K0，因此可以“峰值吸收”代替“積分吸收”:通常K0與譜線的寬度有關(guān)，即即中心吸收與待測物濃度呈正比，因此只要用一個固定波長的光源，在o處測量峰值吸收，即可定量。第二節(jié)原子吸收光譜儀器空心陰極燈火焰棱鏡光電管原子吸收光譜分析的儀器包括四大部分

銳線光源原子化系統(tǒng)

分光系統(tǒng)檢測系統(tǒng)電源同步調(diào)制系統(tǒng)2、空心陰極燈：一、銳線光源1、作用：發(fā)射譜線寬度很窄的元素共振輻射對光源的基本要求是：

銳線（發(fā)射線半寬〈吸收線半寬）高強度穩(wěn)定（30分鐘漂移不超過1%）背景低（低于特征共振輻射強度的1%）3、空心陰極燈的原理施加適當(dāng)電壓時，電子將從空心陰極內(nèi)壁流向陽極;與充入的惰性氣體碰撞而使之電離，產(chǎn)生正電荷，其在電場作用下，向陰極內(nèi)壁猛烈轟擊;使陰極表面的金屬原子濺射出來，濺射出來的金屬原子再與電子、惰性氣體原子及離子發(fā)生撞碰而被激發(fā)，于是陰極內(nèi)輝光中便出現(xiàn)了陰極物質(zhì)和內(nèi)充惰性氣體的光譜。用不同待測元素作陰極材料，可制成相應(yīng)空心陰極燈?？招年帢O燈的輻射強度與燈的工作電流有關(guān)。太小：信號弱；太大：產(chǎn)生自吸優(yōu)缺點：（1）輻射光強度大，穩(wěn)定，譜線窄，燈容易更換。（2）每測一種元素需更換相應(yīng)的燈。二、原子化系統(tǒng)原子化系統(tǒng)的功能是使試樣蒸發(fā)并使待測定元素轉(zhuǎn)化為原子蒸氣。兩種類型火焰原子化法非火焰原子化法低溫原子化法1、火焰原子化系統(tǒng)由火焰提供能量，在火焰原子化器中實現(xiàn)被測元素原子化。(霧化器、霧化室、供氣系統(tǒng)和燃燒器)對火焰的的基本要求是：溫度高穩(wěn)定背景發(fā)射噪聲低燃燒安全直接燃燒型：助燃氣燃氣樣品霧化效率低背景影響大預(yù)混合型原子化器燃氣助燃氣試樣預(yù)混合室燃燒器廢液排放口霧化器霧化器混合室燃燒器a、霧化器（噴霧器）噴霧器是火焰原子化器中的重要部件。它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(yīng)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(xué)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。b、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。一般的噴霧裝置的霧化效率為5~15%。c、燃燒器

產(chǎn)生火焰并使試樣蒸發(fā)和原子化的裝置。有單縫和三縫兩種形式，其高度和角度可調(diào)（讓光通過火焰適宜的部位并有最大吸收）。燃燒器質(zhì)量主要由燃燒狹縫的性質(zhì)和質(zhì)量決定（光程、回火、堵塞、耗氣量）。d、火焰

（1）火焰的種類和性質(zhì)

火焰分焰心（發(fā)射強的分子帶和自由基，很少用于分析）、內(nèi)焰（基態(tài)原子最多，為分析區(qū)）和外焰（火焰內(nèi)部生成的氧化物擴散至該區(qū)并進入環(huán)境）。

燃燒過程兩個關(guān)鍵因素：

燃燒溫度

火焰氧化-還原性燃燒溫度由火焰種類決定：燃氣 助燃氣 溫度（K）乙炔 空氣 2500 笑氣 3000氫氣 空氣 2300火焰的氧化-還原性火焰的氧化-還原性與火焰組成有關(guān)化學(xué)計量火焰 貧燃火焰 富燃火焰燃氣=助燃氣 燃氣<助燃氣 燃氣>助燃氣中性火焰 氧化性火焰 還原性火焰溫度中 溫度低 溫度高適于多種元素 適于易電離元素 適于難解離氧化物火焰原子化優(yōu)點：重現(xiàn)性好易于操作缺點：檢測靈敏度低火焰溫度不易控制火焰中金屬原子易被氧化為難溶物原子化效率低

自由原子濃度低

（2）火焰原子化過程

復(fù)雜的物理化學(xué)過程，試液經(jīng)過物化、在火焰中脫溶干燥、汽化、解離，稱為基態(tài)氣態(tài)原子。

MX(l)--MX(s)--MX(g)--M0(g)+X0(g)試液在火焰原子化過程中，往往伴隨著一系列可逆的化學(xué)反應(yīng)。（二）非火焰原子化法

非火焰法從提高原子化效率入手，利用電熱、陰極濺射、高頻感應(yīng)或激光的方法使待測元素原子化，試樣利用率，提高10～200倍非火焰原子化器常用的是石墨爐原子化器。6mm4mm30mm石墨爐組成：電源、保護系統(tǒng)和石墨管三部分。（1）結(jié)構(gòu)如圖所示：外氣路中Ar氣體沿石墨管外壁流動，冷卻保護石墨管；內(nèi)氣路中Ar氣體由管兩端流向管中心，從中心孔流出，用來保護原子不被氧化，同時排除干燥和灰化過程中產(chǎn)生的蒸汽。（2）原子化過程原子化過程分為干燥、灰化、原子化、除殘四個階段，待測元素在高溫下生成基態(tài)原子。石墨爐原子化采用程序升溫過程程序 干燥 灰化 原子化 除殘溫度 稍高于沸點 800度左右 2500度左右 高于原子化溫 度200度左右目的 除去溶劑 除去易揮發(fā) 測量 清除殘留物 基體有機物Tt干燥灰化原子化清除（3）優(yōu)缺點

優(yōu)點：原子化程度高，試樣用量少（1-100μL），可測固體及粘稠試樣，靈敏度高，檢測極限10-12g/L。

缺點：精密度差，測定速度慢，操作不夠簡便，裝置復(fù)雜。(三)低溫原子化法

低溫原子化法又稱化學(xué)原子化法，其原子化溫度為室溫至幾百攝氏度，常用有汞低溫原子化法和氫化物原子化法。1.汞低溫原子化法利用汞在室溫下有較大的蒸氣壓的性質(zhì)，將汞原子蒸氣帶入氣體測量管中進行吸光度測量。2.氫化物原子化法在一定酸度下，將難原子化元素As、Sb、Bi、Ge、Sn用KBH4或NaBH4還原成極易揮發(fā)的氫化物如AsH3、SbH3、BiH3等。生成的氫化物電離能較低，容易原子化。三、分光系統(tǒng)(外光路和單色器)狹縫光柵反射鏡檢測元件1.作用——將待測元素的共振線與鄰近線分開2.部件——狹縫、反射鏡、色散元件銳線光源的譜線簡單，故對單色器的色散率要求不高(線色散率為10~30?/mm)3.單色器性能參數(shù)（1）線色散率（D）：兩條譜線間的距離與波長差的比值ΔX/Δλ。實際工作中常用其倒數(shù)Δλ/ΔX（2）分辨率：儀器分開相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長與其波長差的比值λ/Δλ表示。（3）通帶寬度（W）：指通過單色器出射狹縫的某標(biāo)稱波長處的輻射范圍。當(dāng)?shù)股⒙剩―）一定時，可通過選擇狹縫寬度（S）來確定：W=DS四、檢測系統(tǒng)作用——檢測光信號的強度部件——光電倍增管，檢波放大器，讀出裝置要求——足夠的光譜靈敏度

光電倍增管的工作電源應(yīng)有較高的穩(wěn)定性。如工作電壓過高、照射的光過強或光照時間過長，都會引起疲勞效應(yīng)。五、原子吸收分光光度計的類型

按光束分類，有單光束和雙光束分光光度計；按波道數(shù)分類，有單道、雙道和多道分光光度計。1.單道單光束原子吸收分光光度計只有一個單色器，外光路只有一束光。

2.單道雙光束原子吸收分光光度計只有一個單色器，外光路有兩條光。第四節(jié)原子吸收光譜的干擾與抑制物理干擾化學(xué)干擾電離干擾光譜干擾一、物理干擾 指試樣在蒸發(fā)和原子化過程中，由于其物理特性如黏度、表面張力、密度等變化引起的原子吸收強度下降的效應(yīng)。消除物理干擾的方法：

1、配置相似組成的標(biāo)準(zhǔn)樣品；采用標(biāo)準(zhǔn)加入法。2、避免使用粘度大的硫酸、磷酸來處理樣品，稀釋。C0 C1 C2 C3 C4 C5AC0C1C2 C3 C4 C5Cx二、化學(xué)干擾 液相或氣相中被測原子與干擾物質(zhì)間相成熱力學(xué)穩(wěn)定的化合物，影響原子化過程。包括：分子蒸發(fā)待測元素形成易揮發(fā)鹵化物和某些氧化物，在灰化溫度下蒸發(fā)損失；形成難離解的化合物（氧化物、炭化物、磷化物等）氧化物較難原子化的元素：B、Ti、Zr、V、Mo、Ru、Ir、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、U很難原子化的元素：Os、Re、Nd、Ta、Hf、W炭化物Be、B、Al、Ti、Zr、V、W、Si、U稀土等形成難揮發(fā)炭化物磷化物Ca3PO4等消除化學(xué)干擾的方法： 高溫原子化Ca3PO4 加入釋放劑La、Sr釋放Ca3PO4

加入保護劑8-羥基喹啉 加入基體改進劑

NaCl中加入痕量鎘，加入基體改進劑NH4NO3，

NaCl+NH4NO3=NaNO3+NH4Cl，基體在灰化階段完全除去?；瘜W(xué)分離法三、電離干擾來源：高溫導(dǎo)致原子電離，從而使基態(tài)原子數(shù)減少，吸光度下降。消除：加入消電離劑（主要為堿金屬元素化合物），產(chǎn)生大電子，從而抑制待測原子的電離。如大量KCl的加入可抑制Ca的電離，

KK++eCa++eCa四、光譜干擾 吸收線重疊 光譜通帶內(nèi)存在非吸收線 原子化器內(nèi)直流發(fā)射干擾 背景吸收（分子吸收、光散射）

當(dāng)采用銳線光源和交流調(diào)制技術(shù)時，前三種因素一般不予考慮，主要考慮分子吸收和光散射的影響，它們是形成光譜背景的主要因素。 光散射--是由于原子化過程中產(chǎn)生的固體顆粒對光的散射造成的； 分子吸收--是由于原子化過程中生成的氧化物及鹽類對輻射的吸收造成的。背景干擾校正方法(1)氘燈連續(xù)光譜背景校正旋轉(zhuǎn)斬光器交替使氘燈提供的連續(xù)光譜和空心陰極燈提供的共振線通過火焰；連續(xù)光譜通過時：測定的為背景吸收(此時的共振線吸收相對于總吸收可忽略)；共振線通過時，測定總吸收；差值為有效吸收；（2）塞曼(Zeeman)效應(yīng)背景校正法Zeeman效應(yīng)：在磁場作用下簡并的譜線發(fā)生裂分的現(xiàn)象；校正原理：原子化器加磁場后，隨旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)動，當(dāng)平行磁場的偏振光通過火焰時，產(chǎn)生總吸收；當(dāng)垂直磁場的偏振光通過火焰時，只產(chǎn)生背景吸收；方式：光源調(diào)制法和共振線調(diào)制法（應(yīng)用較多），后者又分為恒定磁場調(diào)制方式和可變磁場調(diào)制方式。優(yōu)點：校正能力強（可校正背景A1.2～2.0）；可校正波長范圍寬：190～900nm；第四節(jié)原子吸收光譜定量分析一、定量分析方法1.標(biāo)準(zhǔn)曲線法

配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)試樣，由低到高依次分析，將獲得的吸光度A數(shù)據(jù)對應(yīng)于濃度作標(biāo)準(zhǔn)曲線，在相同條件下測定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對應(yīng)的濃度值；或由標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)獲得線性方程，將測定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)帶入計算。注意在高濃度時，標(biāo)準(zhǔn)曲線易發(fā)生彎曲，壓力變寬影響所致；2.標(biāo)準(zhǔn)加入法

取若干份體積相同的試液（cX），依次按比例加入不同量的待測物的標(biāo)準(zhǔn)溶液（cO），定容后濃度依次為：

cX，cX+cO，cX+2cO，cX+3cO

，cX+4cO……分別測得吸光度為：AX，A1，A2，A3，A4……。

以A對濃度c做圖得一直線，圖中cX點即待測溶液濃度。該法可消除基體干擾；不能消除背景干擾二、靈敏度和檢出限1.靈敏度(Sensitivity)

IUPAC規(guī)定，分析標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。i）特征濃度(1%吸收靈敏度)：產(chǎn)生1%吸收(A=0.00434)信號所對應(yīng)的質(zhì)量濃度。ii）特征質(zhì)量(對GFAAS)：(產(chǎn)生1%吸收或產(chǎn)生0.0044吸光度時所對應(yīng)的被測定元素的質(zhì)量)2.檢測限(Detectionlimit,DL)

檢出限D(zhuǎn)表示被測定元素能產(chǎn)生的信號為空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差3倍時元素的質(zhì)量濃度或質(zhì)量。

A=Kc3σ=KD

ρs為試液的質(zhì)量濃度，V為進樣體積，σ為至少十次連續(xù)測量空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

可以看出，檢出限不僅與靈敏度有關(guān)，而且還考慮到儀器噪聲！因而檢測限比靈敏度具有更明確的意義，更能反映儀器的性能。只有同時具有高靈敏度和高穩(wěn)定性時，才有低的檢出限。三、測定條件的選擇1．分析線一般選待測元素的共振線作為分析線，測量高濃度時，也可選次靈敏線2．通帶（可調(diào)節(jié)狹縫寬度改變）無鄰近干擾線（如測堿及堿土金屬）時，選較大的通帶，反之（如測過渡及稀土金屬），宜選較小通帶。3．空心陰極燈電流在保證有穩(wěn)定和足夠的輻射光通量的情況下，盡量選較低的電流。4．原子化條件的選擇依據(jù)不同試樣元素選擇不同火焰類型。四、應(yīng)用應(yīng)用廣泛的微量金屬元素的首選測定方法(非金屬元素可采用間接法測量)。(1)頭發(fā)中微量元素的測定—微量元素與健康關(guān)系；(2)水中微量元素的測定—環(huán)境中重金屬污染分布規(guī)律；(3)水果、蔬菜中微量元素的測定；(4)礦物、合金及各種材料中微量元素的測定；(5)各種生物試樣中微量元素的測定。原子吸收光譜分析法小結(jié)：儀器設(shè)計限制：實現(xiàn)多元素同時測定消除或減小背景干擾實現(xiàn)連續(xù)分析原理限制：原子吸收的靈敏度從理論上不高：A=logI0/I 當(dāng)I0=100；I=99（1%吸收）A=0.0044（特征濃度或特征量）發(fā)展了原子熒光法三、特點1）靈敏度高，檢出限較低。采用高強度光源可進一步降低檢出限；2）譜線干擾少；可以做成非色散AFS；3）校正曲線范圍寬(3-5個數(shù)量級)；4）易制成多道儀器---多元素同時測定；5）熒光猝滅效應(yīng)、復(fù)雜基體效應(yīng)等可使測定靈敏度降低；6）散射光干擾；7）可測量的元素不多，應(yīng)用不廣泛（主要因為AES和AAS的廣泛應(yīng)用，與它們相比，AFS沒有明顯的優(yōu)勢）第五節(jié)原子熒光光譜(AtomicFluorescenceSpectrometry，AFS)一、原理激發(fā)態(tài)原子如果以輻射方式去活化，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，就伴隨著共振原子熒光的產(chǎn)生，如果經(jīng)中間能級而回到基態(tài)，則產(chǎn)生其它類型的原子熒光。原子熒光可分為共振熒光、非共振熒光與敏化熒光等三種類型。共振熒光非共振熒光光子光子直躍線熒光階躍線熒光反stocks熒光非共振熒光包括三種類型：敏化熒光：原子碰撞-能量傳遞-發(fā)射熒光（三）熒光強度

共振熒光，熒光強度If正比于基態(tài)原子對某一頻率激發(fā)光的吸收強度Ia。

If=Ia式中為熒光量子效率，它表示發(fā)射熒光光量子數(shù)與吸收激發(fā)光量子數(shù)之比。

若激發(fā)光源是穩(wěn)定的，入射光是平行而均勻的光束，自吸可忽略不計，則基態(tài)原子對光吸收強度Ia用吸收定律表示

Ia=AI0(1-e-lN)

式中I0為原子