原子吸收光谱仪基本课程.ppt

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1、原子吸收光谱仪基本课程,2011.7.22,第三部分、原子吸收光谱仪：原子吸收干扰,第一部分、原子吸收光谱仪：基本原理,第四部分、原子吸收光谱仪：分析方法,目 录,第二部分、原子吸收光谱仪： 硬件简介,第一部分、原子吸收光谱仪：基本原理,1600年牛顿发现太阳光经过棱镜后分成了彩色光带，他称其为光谱。,光谱早期发现,Sunlight,Prism,Fraunhofer 线, 1802年 Wollaston利用狭缝和棱镜，第一次发现太阳光谱中的暗线，这是原子吸收光谱的最初观测。 1814年Fraunhofer在棱镜后放置了一个望远镜来观察太阳光谱，对那些暗线作了粗略的测量，并列成谱图，暗线条数超过

2、700条，后来这些线称为Fraunhofer线。 这些线是由于太阳外层的大气吸收了太阳发射的光线所致,Kirchhoff 和 Bunsen的实验（1）,Kirchhoff 和 Bunsen的实验 （2）,燃烧头,棱镜,白卡,将盐放在金属丝上 并放入火焰中,透镜,因此发现了Rb和Cs,发射线,吸收和发射,Ba,Na,K,Fraunhofer 吸收线,发射线,元素定性分析,190 nm,900 nm,Cu,基态原子,原子能量的吸收和发射,基态,激发态,h,吸收能量,外层 电子,h,放出能量,原子吸收过程,基态原子吸收共振线,能量跃迁,Eo,E2,E3,E1,太阳外层大气压,阳光,1,2,3,4,1

3、,2,3,4,Pb 的能级跃迁图,电子能量跃迁,Eo,E2,E3,E1,202.2,E4,217.0,261.4,283.3,波长 / nm,吸收能量图(每个元素的吸收线较少),a b c d,Eo 基态,激发态,激发,能量,b,a,c,E3,E2,E1,E,离子化,发射能量图（每个元素有较多的发射线),a b c d,Eo 基态,激发态,发射,能量,b,a,c,E3,E2,E1,E,离子化,E=Eq-Eo=hv=hc/,式中： Eq ：激发态原子的能量； Eo ：基态原子的能量； h ：普朗克常数 V ：发射光的频率 C ：光速 ：发射光的波长,原子谱线轮廓,Pb 的能级跃迁图,电子能量跃迁

4、,Eo,E2,E3,E1,202.2,E4,217.0,261.4,283.3,波长 / nm,定性依据,由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态或更高能级态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。,比耳朗伯定律（Beer-Lambert）,A = 吸光度 a = 吸收系数 Io = 初始光强b = 样品在光路中的强度 It = 透过光的强度 c = 浓度,定量依据,朗伯比耳定律的适用条件,实际,理论曲线,吸收值(ABS),浓度,A = abc,火焰原子化分析曲线线性较窄。 光的吸收定律（朗伯比耳定律）适用条件：、谱线纯；、浓度稀。,原子吸收的基本原

5、理可用以下几点来说明： 、所有原子均可对光产生吸收； 、被吸收光线的波长只与特定元素相关。如样品中含镍、铅、铜等元素，如将该样品 置于镍的特征波长中，那么只有镍原子才会对该特征光线产生吸收. 、光程中该原子的数量越多，对其特征波长的吸收就越大，与该原子的浓度成正比。,原子吸收技术能分析的元素,原子吸收技术的应用,第二部分、原子吸收光谱仪： 硬件简介,AA 240 DUO,Spectr AA 50/55,AA240Z,光源：产生含有被分析元素特征波长的光线。常见的有空芯阴极灯（HCL）、无级 放电灯（EDL）和超强度灯（UltrAA Lamp）。 原子化器：将样品中被分析元素成比例地转化成自由原

6、子。所需能量通常是加热。 a)火焰原子化器： 最常用的方法是用空气乙炔或 氧化亚氮乙炔火 焰。 样品 以雾状被导入火焰中，燃烧头被调节好，使光线通过火 焰，火焰中的原子对光线 产生吸收。 b)石墨炉原子化器：一定量的样品加入到石墨管（一般为石墨材质）内，电加热经干燥、灰化等几个阶段，最后在一个较高的温度-原子化阶段，被迅速地原子化，从而产生与被测元素的含量成正比的原子数量 光学系统：将光线导入原子蒸汽并将出射光导入单色器。 单色器：将元素灯所产生的特定被分析元素的特征波长从其它非特征波长中分离出 来。 检测器：光敏检测器（通常是光电倍增管）准确地将光强测出。转换成电信号。 电子线路：将检测器的

7、相应值转换成有用的分析测量值。,原子吸收光谱仪基本组成部分,原子吸收光谱仪结构示意图(火焰),原子吸收光谱仪结构示意图（石墨炉）,光 源,在原子吸收中，AAS的光源有以下要求： 首先是光源能发射出所需波长的谱线，谱线的轮廓要窄。半峰宽应是103105 nm 其次是要有足够的辐射强度，这对高灵敏度、低噪音有意义。光源的辐射强度应该稳定、均匀，单光束仪器对此特别敏感 第三，灯内填充气及电极支持物所发射的谱线应对共振线没有干扰或干扰极小 什么是“连续光源”和“锐线光源”? 最常用的连续光源是家里的白炽灯，一般波长范围较宽：从300nm到红外区 相对来说，锐线光源是不连续的。如黄色的街灯，灯里有钠盐的

8、蒸气。它发出两个不连续的波长：589.0和589.6nm,空心阴极灯设计,空心阴极灯HCL原理,空心阴极灯的常识,填充气主要是氩气和氖气，压力一般为1/ 50个大气压。氖气一般比氩气灵敏，当氖气产生干扰线时，采用氩气。 空心阴极灯并不只发射被测元素的线光源，但在原子吸收仪器的应用上，都被广泛的接受 Varian的灯在制造过程中，有一个步骤是在真空状态下加热处理阴极，保证阴极中所吸收的气体全部被除去。这个处理进程导致一些阴极材料沉积在灯的玻璃外壳的内表面。沉积物的多少依元素挥发不同而不同 Varian灯的侧面有黑斑：制造黑斑的目的是因为延长灯的寿命。该黑斑是特意用离子轰击锆阳极产生的锆膜，但它具

9、有极强的电抗性，是清除氧气和其它气态分子极其有效的清道夫。 阳极附近有闪烁的辉光，是电流通过低压气体所致，对阴极外层的原子云无影响。好的灯，当位置调整好后，应具有较低的增益（依照元素的不同和仪器参数设置不同而不同）。当该值很高，且灯发生信号上下波动很大，则是个不祥的信息,空心阴极灯的操作,光路中灯位置的调整，可以非常方便的通过手来进行人工调节 灯电流采用制造商推荐的操作电流。略高于或低于该数值，一般将不会影响分析的灵敏度 灯电流太小，则要求增大光电倍增管的放大倍数，从而提高了噪音 灯电流太大，则会导致两方面的结果： 锐线光源变宽，产生自吸，将导致灵敏度降低，且线性弯曲。 灯的寿命降低,灯电流的

10、影响,灯电流,吸收,强度,噪音,氘 灯,用来得到高强度的紫外连续光源，进行背景校正 用氘填充到放电灯泡里，产生的连续波长从190nm到425nm。大部分吸收线都在该区域，并且在这个区域里，背景吸收最为严重。 氘灯一般由光谱仪自动控制。操作者只要简单的设定背景打开或关闭。,单色器,单色器的作用是将原子的一条共振线从其它发射的谱线中分离出来 对于一些元素是很容易，而一些元素则更困难 如铜的两条谱线，324.7nm和327.4nm非常容易进行分离 而镍在232.0nm附近，231.7nm和232.1nm则较困难,单色器Czerny-Turner型单色器:如下图所示.主要特点是所采用的光学元件少,光通

11、量大,分辨率较高,较易做到高准确性.,光栅,出射狭缝,入射狭缝,球面反光镜,球面反光镜,狭缝调节轮,光栅角度的变化决定了从出射狭缝射出的谱线波长,转动小杆可调节光栅角度,分析波长的光谱解析情况,分辨率,狭缝宽度,色散之前通过入口狭缝进入单色器的光通量，从理论上说应尽可能大。出口狭缝决定谱带的宽度，即输送到检测器的小部分光谱的宽度。但实际上，两个狭缝是组合在一起的。因此狭缝宽度的选择要折衷考虑：一方面要求较高的光通量，因而具有较好的信噪比；另一方面要求谱线能分开到一定程度，以防止检测器测得的信号大于应测得的信号。 由于AAS中空心阴极灯的光谱是比较简单的，因此很小需要应用小于0.1nm的一起通带

12、宽度。,狭缝宽度的影响,校正曲线弯曲,狭缝宽度,检测器：光电倍增管,光能 (h,光电倍增管（PMT）,电能,光电倍增管的工作原理,光能,光电阴极Photocathode,阳极,大拿极 Dynode(9-13),石英窗 Quartz Window,绝缘器Insulator,*信号放大100,000,000倍,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,e-,EHT（光电倍增管的电压)的影响,噪音,EHT,800,600,400,200,原子化器：火焰部分,原子化器火焰,火焰原子化： 最常用的原子化器是化学火焰。其反应机理是其他燃料（如乙炔）和氧化剂（如空气和氧化亚氮）

13、燃烧，样品中的被测物在这种火焰下，分解产生出原子。测定的是平衡时通过光路吸收区平均基态原子数，其特征是原子蒸发特性不发生变化，即是可以连续重复测定结果，是已知简便、快速、稳定的装置，适用与广泛元素的常规分析 优点： 便于使用、可靠和受记忆效应的影响小。 燃烧器系统小巧、耐用、价格低廉 可获得足够的信噪比，精密度高，线性范围较石墨炉宽 缺点： 样品量需要较多 雾化销量低：一般510 不能或难以直接分析固体或黏度高的液体样品 灵敏度低，因为燃气和助燃气体将样品大量稀释，因而灵敏度受到限制,火焰原子化器,原子化过程,雾化器和燃烧头系统,雾化器,雾化室系统,撞击球,撞击球位置变化对吸光度的影响,改变提

14、升速率对吸光度的影响,采用空气乙炔火焰进行分析的元素,对那些容易原子化的元素（如铜、铅、钾和钠），空气乙炔火焰是最为常用的火焰。 对这些元素来说，在空气乙炔火焰中已有较高比例的成分被转化成原子基态（温度大 约在2300）。 干扰可忽略，火焰中的化学环境（如氧化、燃烧比等）不是主要因素。 空气乙炔火焰却不足以将难熔元素分解。,采用乙炔氧化亚氮火焰进行分析的元素,第二类元素是那些用空气乙炔火焰不能分解，而需要更热的氧化亚氮乙炔火焰的难 熔元素，火焰温度大约在 3000。如Al、Si、W等。,火焰温度并不是所要考虑的唯一元素燃烧比也同样重要。 贫焰中含乙炔量 较少，且均被氧化。这类火焰对那些受氧化作

15、用影响较强的元素来说，将不能产生足够 的自由基态原子。分析易解离、易电离的元素比较有利。 但如果火焰中含乙炔量较多，即在富焰中，因其中含较多的碳、 氢，因而可打破被分析元素较强的氧化链，形成自由原子。适宜分析易形成单氧化物的元素难离解的元素。如：铬等。 一个较好的例子是铬元素的 测量，在空气乙炔火焰中，贫焰状态下没有吸光度，但富焰状态下确有吸光度。 这些 元素的测量需综合考虑火焰温度及火焰的化学环境，可通过调节火焰的燃烧比来仔细调 整之。,可用两种火焰进行分析的元素,有些元素，如As, Ca, Cr, Mg, Mo, Os, Se 和Sr 即可用空气乙炔，也可用氧化亚氮乙 炔火焰来进行测量。,

16、石墨炉部分,一定量的样品加入到石墨炉（一般为石墨材质）内，电加热经几个步骤，最后在一个较高的温度下，被迅速地原子化，从而产生与被测元素的含量成正比的原子数量 突出的优点： 灵敏度高，检出限低 进样量少 重要的问题： 分析速度慢（一般每次分析23分钟） 精度差（一般15，正常吸光度） 原子化机理复杂，导致背景问题,原子化器石墨炉,气路示意图,石墨炉原子化过程,将样品加入到石墨管中,溶液进样时的顺序,马达,清洗,石墨炉,原子化,灰化,干燥,时间,温度,保护气体 热解石墨涂层,干燥过程,灰化阶段,原子化阶段,原子云,分解残留物,气流停止,石墨炉被快速加热 (1000o-2000oC/sec) 残留物

17、挥发，在光路中成为基态原子云 (1800-3000 oC),石墨管和石墨平台示意图,热解石墨涂层,无涂层管,热解涂层,涂层平台,原子云,原子云扩散,x,从进样口扩散,原子不能渗透到热解涂层壁里边 在光路系统中停留较长时间 增加了灵敏度,热解涂层管的优点, 表面结构致密，阻止氧化和化学的侵蚀 可延长使用寿命 液体和原子蒸汽不易进入 灵敏度高 重现性更好 记忆效应小,火焰法和石墨炉法原子吸收的比较,原子化方法 火焰法 石墨炉法 元素 67 48 灵敏度 ppm-% ppt-ppb 精度 好 不错 干扰 少 多 速度 快 慢 操作方便程度 容易 较复杂 火焰的毒害性 是 无 自动化可行性 是 是 (

18、不用人监视） 操作费用 低 中等,火焰与石墨炉的灵敏度比较,吸光度Abs,100 u g/L Pb 217.0 nm,0.936,0.004,火焰吸收的信号,石墨炉吸收（10 uL进样）,火焰与石墨炉吸收的检出限比较,元素 火焰法 石墨炉法 （ppb) (ppb)* Ag 3 0.035 As 450 0.25 Bi 50 0.45 Cd 3 0.01 Cr 9 0.075 Pb 15 0.2 Zn 1.5 0.0075,备注：*采用20uL 进样，D2 扣背景，峰高测量,第三部分、原子吸收光谱仪：原子吸收干扰,原子吸收干扰,一、光谱干扰 二、蒸发干扰 三、电离干扰 四、基体干扰 五、背景吸收

19、,一、 光谱干扰,光谱干扰产生的原因： 1. 干扰物与分析物的谱线重叠； 2. 分析物谱线包含于干扰分子宽谱线中。 解决方法 : 1. 减小狭缝宽度； 2. 选择其它光谱谱线； 3. 采用化学分离。,谱线重叠干扰,在原子吸收分析条件下，产生的发射和吸收线较少，常用的分析线更少。 （1）吸收线干扰 大量实验表明，已观察到的吸收线干扰谱线：,（2）发射线干扰 目前空心阴极灯的选材已经成熟；倒线色散均优于20/mm,只要选取小于2的通带，一般可消除光源中的发射干扰。 举例:当制作Cr灯充入氩气时,Ar的357.7nm会干扰Cr357.9nm的测定 高温原子化器中，燃烧产物或石墨炉体的热辐射带状分子发

20、射光谱等均会叠加在特征分析线上，产生发射线干扰。通常采用调制光源供电方式，配合相敏检波和相应滤波手段，以消除原子化器中的直流辐射干扰。,二、 蒸发干扰,部分样品产生改变挥发速率的盐类，或者干扰物与分析物产生不易裂解的热稳定性物质，使分析物未能完全成为自由原子。 解決方法： 1. 增加火焰温度； 2. 加入化学释放剂； 3. 加入保护性试剂； 4. 化学分离。,释放剂 与干扰物形成更加稳定的化合物，而释放出分析物。 如: LaCl3 C2H2/Air Ca3(PO4)2 CaCl2 Ca0 掩蔽剂 与分析物形成稳定且易挥发的化合物，而防止产生干扰。 如:EDTA可去除测定 Ca 时硫酸根及磷酸根

21、的干扰。,消除蒸发干扰举例,三、 电离干扰,分析物因其电离能很低，在火焰中极易离子化，造成灵敏度降低。 解决的方法： 通常采用加入消电离剂的办法，即在试样中加入大量（100倍以上）更容易离子化的元素，例如：Na、K、Cs、Sr-来抑制分析物游离。举例：空气-乙炔 火焰法测定Ba，在溶液中加入2000-5000ppm的KCl。,四、 基体干扰,样品在雾化过程中，样品溶液与标准溶液的粘度和表面张力存在差异，造成提升速率或雾化效率不一样，结果引起测定误差。 解决方法是： 1、采用基体匹配的方法； 2、标准加入法； 3、内标法（火焰法）。,五、背景吸收,当元素灯所发出的特征谱线被分子或固体颗粒遮挡发生

22、能量衰减时产生的。 这些分子包括金属氧化物、氢分子、 OH和部分溶剂碎片。 解決方法：背景校正方法 1. D2 校正； 2. Zeeman 校正。,背景校正,当原子化温度不足以将基体中的所有分子分解时就可能产 生分子吸收。分子吸收所产生的信号加上原子所产生的信号，就可能产生一较高的虚假 信号。 在火焰法中，背景信号通常在0.05吸光度以下，但对某些类型的样品（特别是在 低紫外波段），背景干扰可能较高。 在石墨炉分析中，背景信号则可能达2.0吸光度以上，背景校正就显得十分重要了。,背景校正,实践中，如遇到需测量大背景信号中的较小的原子吸收 信号时，我们不提倡直接进行测量（虽然仪器可能具有这种能力

23、），可以通过填加适合的基体改进剂及合理设置石墨炉干燥、灰化程序来降低背景信号，因高背景信号降低光 通量，降低了信噪比。 背景校正（或称为扣背景），是一种甄别非特征吸收的方法。将背景吸收从总信号中减去。非特征吸收信号及总信号在数毫秒时间间 隔内被分别测出。然后通过计算得出所要的特征吸收信号值。在石墨炉分析中，信号的 产生及变化速度极快，（每秒可达10个吸光度）。理想的情况是在同一时间测出背景信 号和总信号，但实践中是不可能做到的，但这两个信号的测量在时间上越接近，其准确 性就越好。现在各种仪器的这一时间差在210ms之间。,氘灯扣背景,氘灯扣背景方法是采用连续光源，如氘灯来测量背景信号。其波长范

24、围为180到425nm。因在短波长范围中，背景信号相对较高，该方法覆盖了绝大多数高背景发生区。在元素灯工作周期，元素灯所产生的窄发射谱线被原子及背景物质所共同衰减，所测得的值是总信号；在氘 灯工作周期，氘灯的宽谱线所测得的则是背景信号（此时元素灯所产生的窄谱线原子吸收可忽 略不计），两次测量的差值，即为我们所需的原子吸收信号。,正常强度 190-300 nm,低HCL mA 300-425 nm,无 D2 425-900 nm,氘灯波长和强度,氘灯扣背景,氘灯扣背景方法的优点和局限性,优点： 1、灵敏度好 2、动态线性范围好 3、费用低 局限性： 1、灯的强度有时不合适。空心阴极灯和氘灯的强度

25、匹配要精心调整（一般需要牺牲元素灯光强，增大通带和高压，以弥补氘灯强度弱的缺点，但噪音将增大），同时还要控制两种光源的稳定性，调整两光源的光斑要重合； 2、不能准确扣除由窄谱线分子吸收而造成的结构背景； 3、有时背景校正误差很大；,改变灰化温度来消除背景干扰,通过填加基体改进剂来消除背景干扰,塞曼扣背景,优点： 背景的扣除准确地在被分析元素的共振谱线处进行，且只需一个光源： 1、波长覆盖整个波长范围； 2、可准确扣除结构背景； 3、可扣除某些谱线干扰； 4、背景校正速度快，提高了扣背景的准确性； 5、可扣除高背景吸收。,Zeeman效应,当原子谱线被置于磁场中时，谱线会发生分裂，这种现象，就是

26、Zeeman效应。正常塞曼效应或称之为简单塞曼效应发生时，谱线被分裂成两个分量和一个分量，分量留在原谱线位置，分量则对称地出现在原谱线两侧数皮克纳米处。该分量偏离 的程度取决于磁场强度的大小。分量与磁场方向平行，分量与磁场方向垂直。,磁场关闭时测得总吸收信号，磁场开时，分量被偏振器滤除，分量则因偏离共振谱 线而不能检出，分子吸收信号不受磁场影响，因此，此时所得测量值为背景信号。,横向磁场扣背景,Varian AA-240 塞曼石墨炉系统即采用横向磁场扣背景。该方法在光路中加一偏振器将分量滤除。,塞曼谱线分离,塞曼扣背景使用注意事项,校正曲线向下翻转 ： 在较高浓度时，校正曲线通常是趋于某一极限

27、值。但在塞曼系统中，校正曲线（采用峰 高法）可能出现向下翻转的情况（依据波长不同弯曲程度不一），这样就会有两个浓度 值对应同一个吸光度值的现象发生。,为防止此类情况的发生，在实践中，需对每种元素在不同的波长条件下所允许的最大吸 光度值作出限定，所有测量必须在该值以下进行。,塞曼扣背景使用注意事项,某些元素在磁场中的分裂情况十分复杂，可能分裂出数个分量和数个分量，这种现 象称之为异常塞曼效应。在一定磁场强度下， 分量也可能未完全分离除去，从而降 低了分析的灵敏度。如 Al, As, Sb, Cu, Se 及Te这些元素。 灵敏度损失的程度通常用磁 场灵敏度比(MSR)来衡量。MSR值通常在49到

28、100%之间，因元素及波长不同而不同 。,第四部分、原子吸收光谱仪：分析方法,样品分析基本分析过程,1、将样品转成溶液； 2、准备不含被测物的溶液； 3、标准溶液零点(CAL ZERO)、试剂空白( REAGENT BLANK)； 4、准备一系列已知被测物含量的溶液标准溶液； 5、测定标准溶液零点（CAL ZERO) 和标准溶液； 6、根据测定的结果画出校正曲线； 7、测定试剂空白和样品； 8、从校正图上得到样品的分析浓度。,建立一个分析方法,一、建立一个分析方法时，必须清楚地知道： 1、分析的目的； 2、要求的灵敏度和检出限； 3、要求的精度； 4、要求的分析速度。 二、建立一个分析方法时，

29、必须了解： 1、样品的主要基体，尽可能了解可能的样品组成； 2、确定要分析的项目； 3、被分析物大致的含量。,样品分析注意事项,一、朗伯比耳定律的适用性； 二、精度较高的校正曲线为：合适的吸光度测定范围； 三、标准和样品的基体匹配； 四、通常在每分析完10个样品后再进行一次标准检查； 五、元素灯：一般低电流时，预热约10分钟；高电流（10mA) 时，应预热30分钟； 六、燃烧头：约10分钟的时间，以达到热平衡。,术语,灵敏度： IUPAC推荐为：分析信号随分析物浓度变化的速度。 特征浓度 为被分析元素产生 0.0044 (1 % )吸光度所需浓度。不同的仪器，特征浓度不一 样。 可按下列公式计

30、算： Char. Conc. = (标样浓度 * 0.0044) / 平均吸光度 （通常在校正曲线线性范围内测，如0.2ABS） 特征质量 在石墨炉分析中，按峰高计算，被分析元素产生0.0044吸光度所需质量（以皮克为单位 ）。可按下公式计算： Char. Mass = (标样浓度 0.0044 进样体积) / 标样吸光度,特征质量计算举例,准确度,准确度：是指测定值和真值的差别。 好的精度不等于准确度好，而准确度好必须有好的精度。 判断准确度好坏的三种实验： （1）标样对照实验 （2）方法对照实验 （3）标准回收实验： 在样品的前处理前，先在试样中加入已知量的标准分析元素（其状态也应与试样中待分析的元素相近）。在进行完整分析过程后，复核回收百分数。，根据回收率接近100的程度，检验方法的可靠性。,影响特征质量和检出限的因素,1、分析物； 2、波长； 3、光路中的长度； 4、狭缝宽度； 5、光源的类型； 6、基体 (包括基体改进剂)； 7、背景校正； 8、检测器的类型； 9、方法参数。,影响检出限的因素,1、原子化速率的波动； 2、石墨管壁的发射； 3、大气、惰性气体和分析物的吸收； 4、光源的噪音； 5、检测器的噪音； 6、光路系统不干净。,Thank You !,