單元一原子吸收光譜法基本原理與定量分析方法

單元名稱5-1-3-1原子吸收光譜法基本原理與定量分析的方法授課班級(jí)授課時(shí)間2教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)解決方案重點(diǎn)：原子吸收光譜分析原理，光吸收定律，工作曲線法原理難點(diǎn)：影響原子吸收譜線輪廓的主要因素，工作曲線法定量，標(biāo)準(zhǔn)加入法。解決方案：?jiǎn)栴}引入，教師講解，學(xué)生討論，教師指導(dǎo)，總結(jié)提高，拓展引申教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：原子吸收光譜法的基本原理，工作曲線法，標(biāo)準(zhǔn)加入法定量原理。技能目標(biāo)：原子吸收法特點(diǎn)；分析流程。工作曲線法測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)加入法課后體會(huì)第1頁(yè)/共52頁(yè)天文學(xué)研究中經(jīng)常需要測(cè)定各種恒星、行星的組成、結(jié)構(gòu)，然而，這些星球距離我們非常遙遠(yuǎn)并且恒星表面具有極高的溫度使我們無(wú)法接近，不可能直接取樣進(jìn)行測(cè)定，天文學(xué)家是如何知道天體組成的呢？

問(wèn)題引入第2頁(yè)/共52頁(yè)早在1802年，伍朗斯頓（W.H.Wollaston）在研究太陽(yáng)連續(xù)光譜時(shí)，就發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)連續(xù)光譜中出現(xiàn)的暗線。

太陽(yáng)光譜的暗線第3頁(yè)/共52頁(yè)1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）與本生（R.Bunson）在研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)鈉蒸氣發(fā)出的光通過(guò)溫度較低的鈉蒸氣時(shí)，會(huì)引起鈉光的吸收，并且根據(jù)鈉發(fā)射線與暗線在光譜中位置相同這一事實(shí)，斷定太陽(yáng)連續(xù)光譜中的暗線，正是太陽(yáng)外圍大氣圈中的鈉原子對(duì)太陽(yáng)光譜中的鈉輻射吸收的結(jié)果。

原子吸收的發(fā)現(xiàn)第4頁(yè)/共52頁(yè)1955年澳大利亞的瓦爾西(A.Walsh)發(fā)表了他的著名論文“原子吸收光譜在化學(xué)分析中的應(yīng)用”奠定了原子吸收光譜法的基礎(chǔ)。之后經(jīng)過(guò)幾代人的不懈努力，衍生出了石墨爐原子化技術(shù)、塞曼效應(yīng)背景校正等先進(jìn)技術(shù)，特別是近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展使原子吸收技術(shù)的應(yīng)用不斷進(jìn)步，尤其在臨床檢驗(yàn)、環(huán)境保護(hù)、生物化學(xué)等方面應(yīng)用廣泛。在分析化學(xué)中的應(yīng)用利用前面的介紹，請(qǐng)討論原子吸收現(xiàn)象如何應(yīng)用到分析化學(xué)領(lǐng)域。第5頁(yè)/共52頁(yè)依據(jù)原子蒸氣對(duì)特征譜線的吸收進(jìn)行定量分析。測(cè)定對(duì)象：金屬元素及少數(shù)非金屬元素。

原子吸收法概述

第6頁(yè)/共52頁(yè)特點(diǎn)(1)靈敏(2)準(zhǔn)確,精密(3)選擇性好(4)簡(jiǎn)便(5)設(shè)備費(fèi)用相對(duì)低,易普及(6)應(yīng)用廣第7頁(yè)/共52頁(yè)缺點(diǎn):(1)一次測(cè)定一個(gè)元素(2)樣品成分復(fù)雜時(shí)干擾嚴(yán)重(3)對(duì)某些高溫元素,如稀土元素,鎢,硼,鈾等靈敏度較低第8頁(yè)/共52頁(yè)當(dāng)有輻射通過(guò)自由原子（如鎂、銅原子）蒸氣，且入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)所需要的能量頻率時(shí)，原子就要從輻射場(chǎng)中吸收能量，產(chǎn)生吸收，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)伴隨著原子吸收光譜的產(chǎn)生。（如鎂原子吸收285.2nm279.6nm，銅原子吸收324.8nm327.4nm的光）

基態(tài)激發(fā)態(tài)共振吸收共振發(fā)射基本原理第9頁(yè)/共52頁(yè)共振吸收線:當(dāng)電子吸收一定能量從基態(tài)躍遷到能量最低的激發(fā)態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的吸收譜線，稱為共振吸收線，簡(jiǎn)稱共振線。共振發(fā)射線：當(dāng)電子從第一激發(fā)態(tài)躍回基態(tài)時(shí)，則發(fā)射出同樣頻率的光輻射，其對(duì)應(yīng)的譜線稱為共振發(fā)射線，也簡(jiǎn)稱共振線。分析線：用于原子吸收分析的特征波長(zhǎng)的輻射稱為分析線，由于共振線的分析靈敏度高，光強(qiáng)大常作分析線使用。幾個(gè)基本概念第10頁(yè)/共52頁(yè)原子吸收譜線并不是嚴(yán)格幾何意義上的線，而是具有著一定波長(zhǎng)范圍的譜線，其形狀見(jiàn)下圖，譜線的形狀稱為譜線輪廓。

吸收線輪廓υ0：中心頻率；K0:峰值吸收系數(shù)；△υ:吸收曲線半寬度，約為10-3～10-2nm

原子吸收譜線輪廓第11頁(yè)/共52頁(yè)自然變寬⊿υ：譜線本身固有的寬度稱為自然寬度，與激發(fā)態(tài)原子的平均壽命有關(guān)，平均壽命越長(zhǎng)，則譜線寬度越窄，一般約10-5nm。多普勒變寬⊿υD：多普勒變寬是由于原子在空間作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的,所以又稱熱變寬。

式中υ0為中心頻率；T為熱力學(xué)溫度；Ar為相對(duì)原子質(zhì)量。多普勒寬度與元素的原子量、溫度和譜線頻率有關(guān)。隨溫度升高和原子量減小，多普勒寬度增加。多普勒變寬可達(dá)10-3nm。譜線變寬1第12頁(yè)/共52頁(yè)壓力變寬：壓力變寬是由被測(cè)元素的原子與蒸氣中原子或分子相互碰撞而引起譜線的變寬，又稱為碰撞變寬，壓力變寬約10-3nm。勞倫茲變寬：被測(cè)元素的原子與其他粒子碰撞而引起的譜線變寬。隨原子區(qū)內(nèi)原子蒸氣壓力增大和溫度升高而增大,中心頻率發(fā)生位移,譜線輪廓不對(duì)稱。赫魯茲馬克變寬：又稱共振變寬，它是由同種原子之間發(fā)生碰撞而引起的譜線變寬。

譜線變寬2第13頁(yè)/共52頁(yè)積分吸收：在一定條件下，基態(tài)原子數(shù)N0正比于吸收曲線下面所包圍的整個(gè)面積：式中e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，c為光速，N0為單位體積原子蒸氣中吸收輻射的基態(tài)原子數(shù)，亦即基態(tài)原子密度；f為振子強(qiáng)度。積分吸收第14頁(yè)/共52頁(yè)峰值吸收：基態(tài)原子蒸氣對(duì)入射光中心頻率線的吸收。峰值吸收的大小以峰值吸收系數(shù)K0表示。由于在目前的技術(shù)條件下無(wú)法測(cè)量積分吸收，可以用峰值吸收代替積分吸收。在一定條件下峰值吸光度與基態(tài)原子濃度N0成正比，A∝N0，而N0∝試樣中待測(cè)元素的濃度C，因此：

A=KC

A：原子吸收吸光度；C：試液中元素的濃度；這是原子吸收光譜分析的基本關(guān)系式。由于在原子吸收測(cè)量溫度下基態(tài)原子數(shù)近似等于原子總數(shù)，原子吸收光譜法靈敏度高。峰值吸收第15頁(yè)/共52頁(yè)實(shí)現(xiàn)峰值吸收測(cè)量的條件：光源發(fā)射線的半寬度應(yīng)小于吸收線的半寬度，且通過(guò)原子蒸氣的發(fā)射線的中心頻率恰好與吸收線的中心頻率ν0相重合。因此在選擇光源時(shí)不能采用鎢燈、氘燈等連續(xù)光源，而應(yīng)采用空心陰極燈，無(wú)極放電燈等線光源。

0I

吸收線發(fā)射線峰值吸收測(cè)量條件第16頁(yè)/共52頁(yè)

與UV－Vis的比較

相同點(diǎn)均屬于吸收光譜分析；均服從光吸收定律。不同點(diǎn)原子吸收光譜分析的吸收物質(zhì)是基態(tài)原子蒸氣；紫外-可見(jiàn)分光光度分析的吸光物質(zhì)是溶液中的分子或離子。原子吸收光譜是線狀光譜；紫外-可見(jiàn)吸收光譜是帶狀光譜。第17頁(yè)/共52頁(yè)儀器結(jié)構(gòu)光源原子化系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)分光系統(tǒng)第18頁(yè)/共52頁(yè)光源

作用：產(chǎn)生原子吸收所需要的特征輻射。要求：銳線光源；光強(qiáng)大；穩(wěn)定；背景?。粔勖L(zhǎng)；價(jià)格便宜。種類(lèi)：空心陰極燈、無(wú)極放電燈、蒸氣放電燈、激光光源燈?？招年帢O燈無(wú)極放電燈第19頁(yè)/共52頁(yè)

外觀：燈腳、玻璃管、石英透光窗；陰極：待測(cè)元素金屬或合金；陽(yáng)極：鎢棒上鑲鈦絲或鉭片；管內(nèi)充有幾百帕低壓惰性氣體（氖或氬）

空心陰極燈結(jié)構(gòu)第20頁(yè)/共52頁(yè)兩極間加電壓氣體輝光放電氣體電離陽(yáng)離子撞擊陰極自由原子濺射原子激發(fā)發(fā)射特征譜線空心陰極燈的工作原理第21頁(yè)/共52頁(yè)HCL操作參數(shù)：燈電流。為了獲得穩(wěn)定高強(qiáng)度的窄線光譜，空心陰極燈通常采用脈沖供電方式，燈電流的大小是脈沖信號(hào)的平均值。

燈電流的設(shè)置一般在1～20mA。不同的元素?zé)舾鶕?jù)需要選用合適的燈電流。使用燈電流過(guò)小，放電不穩(wěn)定；燈電流過(guò)大，濺射作用增加，原子蒸氣密度增大，譜線變寬，甚至引起自吸，導(dǎo)致測(cè)定靈敏度降低，燈壽命縮短。燈電流設(shè)置第22頁(yè)/共52頁(yè)空心陰極燈使用前應(yīng)預(yù)熱20min～30min以上；燈在點(diǎn)燃后可從燈的陰極輝光的顏色判斷燈的工作是否正常；（充氖氣，橙紅色；充氬氣，淡紫色；汞燈是藍(lán)色。燈內(nèi)有雜質(zhì)氣體時(shí)，負(fù)輝光顏色變淡，如充氖氣的燈顏色可變?yōu)榉奂t，發(fā)藍(lán)或發(fā)白，此時(shí)應(yīng)對(duì)燈進(jìn)行處理。）元素?zé)糸L(zhǎng)期不用，應(yīng)定期（每月或每隔二、三個(gè)月）點(diǎn)燃處理，即在工作電流下點(diǎn)燃1h。若燈內(nèi)有雜質(zhì)氣體，輝光不正常，可進(jìn)行反接處理。使用元素?zé)魰r(shí)，應(yīng)輕拿輕放。低熔點(diǎn)的燈用完后，要等冷卻后才能移動(dòng)。為了使空心陰極燈發(fā)射強(qiáng)度穩(wěn)定，要保持空心陰極燈石英窗口潔凈，點(diǎn)亮后要蓋好燈室蓋?？招年帢O燈使用第23頁(yè)/共52頁(yè)

作用：將試樣中待測(cè)元素變成氣態(tài)的基態(tài)原子。種類(lèi)：火焰原子化器；無(wú)火焰原子化器?；鹧嬖踊黛F化器燃燒器預(yù)混合室無(wú)火焰（電熱）原子化器原子化系統(tǒng)第24頁(yè)/共52頁(yè)通入助燃?xì)鈂燃?xì)忸A(yù)混合室混合后點(diǎn)燃試樣經(jīng)霧化后進(jìn)入火焰產(chǎn)生原子蒸氣

火焰原子化器工作原理第25頁(yè)/共52頁(yè)空氣-乙炔火焰：溫度2300℃，適合大部分元素測(cè)定，最常用。N2O-乙炔火焰:溫度高，可達(dá)3000℃。具有還原性，適合易生成難熔氧化物元素的測(cè)定。氫氣－空氣火焰：溫度低，背景小，適合分析線在200nm以下元素（如As、Se）的測(cè)定。火焰的重要特性：1、溫度2、氧化還原性常用火焰第26頁(yè)/共52頁(yè)火焰原子化法的操作簡(jiǎn)便，重現(xiàn)性好，有效光程大，對(duì)大多數(shù)元素有較高靈敏度，因此應(yīng)用廣泛。但火焰原子化法原子化效率低，靈敏度不夠高，而且一般不能直接分析固體樣品。火焰原子化法特點(diǎn)第27頁(yè)/共52頁(yè)電熱原子化器又稱石墨爐原子化器。電熱原子化法特點(diǎn)：溫度高，靈敏度高、樣品用量少、能夠直接測(cè)定固體樣品。6mm4mm30mm石墨管電熱原子化法第28頁(yè)/共52頁(yè)

電熱原子化解決了火焰法試樣利用率不高的問(wèn)題，因而靈敏度高，但變異系數(shù)較大。通常使用大電流通過(guò)石墨爐達(dá)到原子化的目的石墨爐原子化器的操作有四步：（1）干燥蒸發(fā)溶劑

<110℃（2）灰化除去有機(jī)物200~500℃（3）原子化測(cè)定2000~3000℃（4）凈化消除記憶效應(yīng)比上溫度高10%電熱原子化第29頁(yè)/共52頁(yè)其它原子化方法

（1）氫化物原子化裝置測(cè)定As,Sb,Bi,Sn,Ge,Se,Pb,Te,……如測(cè)定砷：用KI及SnCl2還原砷為三價(jià)砷，再在酸性環(huán)境中用金屬鋅還原或用NaBH4還原為極易揮發(fā)的AsH3：AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2AsH3氣體受熱分解，放出砷原子。（2）冷原子吸收測(cè)定汞汞離子用SnCl2還原為金屬汞，然后用空氣將汞蒸氣帶入氣體吸收管進(jìn)行測(cè)定。第30頁(yè)/共52頁(yè)光源發(fā)出的光經(jīng)入射狹縫-凹面鏡反射到達(dá)光柵光柵分光后由凹面鏡聚焦于出射狹縫轉(zhuǎn)動(dòng)光柵選擇所需的吸收線

分光系統(tǒng)工作原理要求分辨率

0.3nm，能分辨Mn279.5nmMn279.8nm兩條譜線光譜通帶：?jiǎn)紊鞒錾洫M縫所包括的波長(zhǎng)范圍。光譜通帶＝狹縫（mm）X

線色散率倒數(shù)（nm/mm）

第31頁(yè)/共52頁(yè)檢測(cè)系統(tǒng)

作用：將光吸收信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并放大讀出。組成：檢測(cè)系統(tǒng)由光電元件，放大器和顯示裝置等。主要部件：光電倍增管。

第32頁(yè)/共52頁(yè)光由出射狹縫照射到光敏陰極K上經(jīng)打拿極逐級(jí)放大最后照射到陽(yáng)極將光電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出

光電倍增管的工作原理（動(dòng)畫(huà)m2-2-12.swf）操作參數(shù)：光電倍增管負(fù)高壓。增大負(fù)高壓信號(hào)放大倍數(shù)增大，但穩(wěn)定性降低。第33頁(yè)/共52頁(yè)單道雙光束原子吸收分光光度計(jì)原子吸收分光光度計(jì)類(lèi)型光源的漂移通過(guò)參比光束的作用而得到補(bǔ)償，能獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出信號(hào)。但是火焰擾動(dòng)和背景吸收影響無(wú)法消除。

單道單光束原子吸收分光光度計(jì)這類(lèi)儀器簡(jiǎn)單，操作方便，體積小，價(jià)格低，能滿足一般原子吸收分析的要求。其缺點(diǎn)是不能消除光源波動(dòng)造成的影響，基線漂移。

第34頁(yè)/共52頁(yè)定量方法原子吸收根據(jù)測(cè)定元素選擇使用相應(yīng)的銳線光源。定量方法主要有：1.比例法：C1/C2=A1/A22.標(biāo)準(zhǔn)曲線法AC第35頁(yè)/共52頁(yè)

根據(jù)光吸收定律

A=KbC=K′C

式中：A－原子吸收吸光度；

K－常數(shù)；

b－光程長(zhǎng)度；

C－試液中待測(cè)元素濃度。吸光度A與試液濃度C呈直線關(guān)系，通過(guò)測(cè)量試液的吸光度求得待測(cè)元素的濃度。

工作曲線法定量原理第36頁(yè)/共52頁(yè)

工作曲線的繪制與樣品濃度的測(cè)量：配制一組含有不同濃度被測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按濃度由低到高的順序測(cè)定吸光度值。繪制吸光度對(duì)濃度的校準(zhǔn)曲線。在與標(biāo)準(zhǔn)系列測(cè)定完全相同的條件下測(cè)定試樣的吸光度，從校準(zhǔn)曲線上用內(nèi)插法求出被測(cè)元素的含量。工作曲線

工作曲線法定量原理第37頁(yè)/共52頁(yè)影響工作曲線法測(cè)定準(zhǔn)確度的因素：標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品溶液的制備（移液管，容量瓶的正確使用）；測(cè)量條件設(shè)置；吸噴溶液時(shí)毛細(xì)管的位置；空氣對(duì)流對(duì)火焰的影響；讀數(shù)開(kāi)始的時(shí)間。每次分析前應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正；整個(gè)分析過(guò)程中操作條件保持不變；標(biāo)準(zhǔn)系列與被分析樣品溶液的組成應(yīng)該盡可能一致；標(biāo)準(zhǔn)和試樣溶液的吸光度應(yīng)在0.2~0.8之間當(dāng)樣品的情況不清或很復(fù)雜時(shí)分析誤差較大，可用其他方法定量。

實(shí)訓(xùn)總結(jié)第38頁(yè)/共52頁(yè)工作曲線法特點(diǎn)：簡(jiǎn)單快速；適合組成較簡(jiǎn)單的大批量樣品分析。注意事項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)溶液與試液的基體要相似，以消除基體效應(yīng)；濃度要合適：標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度范圍應(yīng)將試液中待測(cè)元素的濃度包括在內(nèi)。濃度范圍大小應(yīng)以獲得合適的吸光度讀數(shù)為準(zhǔn)(0.2-0.8)；在測(cè)量過(guò)程中要吸噴去離子水或空白溶液來(lái)校正零點(diǎn)漂移；由于燃?xì)夂椭細(xì)饬髁孔兓瘯?huì)引起工作曲線斜率變化，因此每次分析都應(yīng)重新繪制工作曲線。

總結(jié)－方法特點(diǎn)、注意事項(xiàng)第39頁(yè)/共52頁(yè)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液可選擇待測(cè)元素的高純（99.99%）金屬絲、棒、片用稀酸清洗，以除去表面氧化層或使用各元素的鹽類(lèi)。溶于合適的溶劑中，配制成濃度為1mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，配制時(shí)一般要維持一定酸度（可以用1％的稀硝酸或鹽酸），以免器皿表面吸附。配好的儲(chǔ)備液應(yīng)儲(chǔ)于聚四氟乙烯、聚乙烯或硬質(zhì)玻璃容器中此溶液可長(zhǎng)期保存。低濃度的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，使用時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液經(jīng)逐級(jí)稀釋而成。由于低濃度溶液不穩(wěn)定，使用時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1～2天。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制第40頁(yè)/共52頁(yè)配制標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：光譜純?cè)噭?；酸、堿等常用試劑：優(yōu)級(jí)純；水：原子吸收分析用水應(yīng)符合GB／T6682－1992，分析試驗(yàn)室用水三級(jí)水的規(guī)格。原子吸收常用試劑第41頁(yè)/共52頁(yè)定量方法標(biāo)準(zhǔn)加入法A△CxxxxCx第42頁(yè)/共52頁(yè)吸取試液四份以上，第一份不加待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，第二份開(kāi)始，依次按比例加入不同量待測(cè)組分標(biāo)準(zhǔn)溶液，用溶劑稀釋至同一的體積，以空白為參比，在相同測(cè)量條件下，分別測(cè)量各份試液的吸光度，繪出工作曲線，并將它外推至濃度軸，則在濃度軸上的截距，即為未知濃度cX，

標(biāo)準(zhǔn)加入法定量標(biāo)準(zhǔn)加入法工作曲線第43頁(yè)/共52頁(yè)

學(xué)生可以參照下表中所示配制標(biāo)準(zhǔn)加入系列溶液。容量瓶編號(hào)1234加入試樣體積V1/mL25.0025.0025.0025.00加入ρ＝100μg/mL銅標(biāo)液的體積/mL0.000.501.001.50定容體積／mL50.0050.0050.0050.00

注意：使用（2＋100）的稀硝酸定容。溶液配制（參考方案）第44頁(yè)/共52頁(yè)

記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容量瓶編號(hào)1234加入試樣體積V1/mL25.0025.0025.0025.00ρ＝100μg/mL銅標(biāo)液的體積/mL0.000.501.001.50定容體積／mL50．0050．0050．0050．00銅濃度的增加量C(Cu)/μgmL-10．001．002．003．00吸光度AAxA1..A2A3將加入銅標(biāo)準(zhǔn)溶液體積換算成溶液濃度增量填入下表，將測(cè)量的吸光度值也填入下表。

第45頁(yè)/共52頁(yè)繪制標(biāo)準(zhǔn)加入工作曲線，將其延長(zhǎng)與濃度軸相交，記錄交點(diǎn)的濃度。水試樣中銅含量

式中:ρ（Cu）：水樣中銅含量，μg/mL；

Cx

：標(biāo)準(zhǔn)加入曲線與濃度軸交點(diǎn)，μg/mL；

V0：樣品溶液定容體積，50mL；

V1：取樣量，25mL。

結(jié)果計(jì)算第46頁(yè)/共52頁(yè)