第6章 原子吸收光谱法.ppt

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1、第6章 原子吸收光谱法,应用,应用广泛的微量金属元素的首选测定方法(非金属元素可采用间接法测量)。 (1)头发中微量元素的测定微量元素与健康关系； (2)水中微量元素的测定环境中重金属污染；,(3)水果、蔬菜中微量元素的测定； (4) 矿物、合金及各种材料中微量元素的测定； (5) 各种生物试样中微量元素的测定。,原子吸收法基本原理,1.原子吸收光谱分析是基于试样的原子蒸气中被测元素的基态原子对由光源发出的该原子的特征谱线产生共振吸收。 2.其吸光度在一定范围内与蒸气相中被测元素的基态原子浓度成正比，以此测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。 3. 原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。,原

2、子吸收光谱的产生,当适当波长的光通过含有基态原子的蒸气时，其中某些波长的光可使基态原子激发而本身被吸收，从而产生原子吸收光谱。,原子吸收谱线的产生,共振线 基态第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。 产生共振吸收线 吸收光谱 激发态基态,发射出一定频率的辐射。 产生共振发射线 发射光谱,E,基态,第一激发态,热能,原子吸收光谱的谱线轮廓,原子吸收光谱线并不是严格地几何意义上的线,而是有相当窄的频率或波长范围，即有一定的宽度。一束不同频率强度为I0的平行光通过厚度为l的原子蒸气，一部分光被吸收，透过光的强度Iv服从吸收定律 Iv = I0exp(-kvl) （6.1） 式中k是基态原子对频率为的光

3、的吸收系数。 不同元素原子吸收不同频率的光.,Iv与v 的关系 原子吸收光谱轮廓图,谱线轮廓 左图：吸收线强度I大小随频率变化。在中心频率0处有最大吸收； 右图：以K-作图，得吸收线轮廓。在中心频率0处有最大的中心吸收系数 从图中可知，无论是原子发射线或吸收线，谱线都有一定宽度（以半宽度表示）。这主要是由于原子的性质及其外界因素引起的。,谱线宽度受到很多因素的影响,（1） 自然宽度 没有外界影响，谱线仍有一定的宽度称为自然宽度。它与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命愈长，谱线宽度愈窄。不同谱线有不同的自然宽度，在多数情况下约为10-5nm数量级。,（2） Doppler（多普勒）变宽,Dopp

4、ler宽度是由于原子热运动引起的，又称为热变宽。 通常在原子吸收光谱法测定条件下，Doppler变宽是影响原子吸收光谱线宽度的主要因素。 从物理学中可知，无规则热运动的发光的原子运动方向背离检测器，则检测器接收到的光的频率较静止原子所发的光的频率低;反之，发光原子向着检测器运动，检测器接受光的频率较静止原子发的光频率高，这就是Doppler效应。,（3） 压力变宽,当原子吸收区气体压力变大时，相互碰撞引起的变宽是不可忽略的。原子之间的相互碰撞导致激发态原子平均寿命缩短，引起谱线变宽。 根据与其碰撞的原子不同，又可分为Lorentz变宽及Holtsmark变宽两种。 Lorentz（劳伦茨）变宽

5、:是指被测元素原子和其它种粒子碰撞引起的变宽，它随原子区内气体压力增大和温度升高而增大。 Holtsmark（赫鲁兹马克）变宽:是指和同种原子碰撞而引起的变宽，也称为共振变宽。,（4） 自吸变宽,由自吸现象而引起的谱线变宽称为自吸变宽。光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象，从而使谱线变宽。灯电流愈大，自吸变宽愈严重。,(5)场致变宽,此外，由于外界电场或带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用，使谱线变宽称为场致变宽。这种变宽影响不大。,原子吸收光谱的测量,（1） 积分吸收 在吸收线轮廓内，吸收系数的积分称为积分吸收系数，简称为积分吸收，它表示吸收的全部能量。从理论上可以

6、得出，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为 （6.3） 式中，e为电子电荷；m为电子质量；c为光速；N0为单位体积内基态原子数；f为振子强度，即能被入射辐射激发的每个原子的平均电子数，它正比于原子对特定波长辐射的吸收几率。,（2） 锐线光源(峰值吸收）,锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源，如空心阴极灯。 在使用锐线光源时，光源发射线半宽度很小，并且发射线与吸收线的中心频率一致。 这时发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形，即峰值吸收系数Kv在此轮廓内不随频率而改变，吸收只限于发射线轮廓内。这样，一定的K0即可测出一定的原子浓度，见图6.1。,2.峰值吸收与浓度关系成立

7、的条件,能级变宽小,能级变宽较大,AAS的定量依据： 峰值吸收代替积分吸收 需要特殊的锐线光源,所谓的锐线光源： 发射 吸收 0-发射= 0-吸收,0.010.1,0.0050.02 ,原子吸收分光光度计,原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光器、检测系统等几部分组成。基本构造见图6.2,组成框图,火焰原子化器,光源,光源的功能是发射被测元素的特征共振辐射。 光源的基本要求： 1.发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线 的半宽度； 2.辐射强度大； 3.背景低，低于特征共振辐射强度的1%； 4.稳定性好，30min之内漂移不超过1。,空心阴极灯放电是一种特殊形式的低压辉光放电，放电集中于阴极

8、空腔内。 正离子从电场获得动能。如果正离子的动能足以克服金属阴极表面的晶格能，当其撞击在阴极表面时，就可以将原子从晶格中溅射出来。除溅射作用之外，阴极受热也要导致阴极表面元素的热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内，再与电子、原子、离子等发生第二类碰撞而受到激发，发射出相应元素的特征共振辐射。,空心阴极灯,1构造,光源（空心阴极灯）,空心阴极: 钨棒作成圆筒形筒内熔入被测元素 阳 极: 钨棒装有钛、锆, 钽金属作成的阳极 管内充气：氩或氖 133.3266.6Pa 工作电压：150300伏 启动电压：300500伏 要求稳流电源供电。,2. 锐线光产生原理,在高压电场下, 阴极电子向阳极高速飞

9、溅放电,并与载气原子碰撞, 使之电离放出二次电子,而使场内正离子和电子增加以维持电流。 载气阳离子在电场中大大加速, 轰击阴极表面时可将被测元素的原子从晶格中轰击出来, 即溅射。 溅射出的原子大量聚集在空心阴极内, 经与其它粒子碰撞而被激发, 发射出相应元素的特征谱线-共振谱线。,即发射线半宽度远小于吸收线半宽度光源.,Hollow Cathode Lamp-HCL,原子化器,原子化器的功能: 提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。 在原子吸收光谱分析中，试样中被测元素的原子化是整个分析过程的关键环节。 实现原子化的方法，最常用有两种：一种是火焰原子化法，是原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至

10、今仍在广泛地被应用；另一种是非火焰原子化法，其中应用最广的是石墨炉电热原子化法。,火焰原子化,石墨炉(电热)原子化,ICP原子化 氢化物原子化 冷原子化,原子化器的作用,原子化器的类型,气态、基态原子蒸气越多，测定的灵敏度、准确度越高。,下列的副反应越少，测定的灵敏度、准确度越高。,（1） 火焰原子化器,火焰原子化法中常用的预混合型原子化器，其结构如图6.3所示。这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成。,图6.3 预混合型火焰原子化器示意图,火焰原子化器图,雾化器,混合室,自动进样器,燃烧器,A. 构造：四部分组成：雾化器，预混合室，燃烧器，火焰。,雾化器,混合室,燃烧器,火焰,火焰,a)

11、中性火焰：这类火焰，温度高、稳定、干扰小、背景低，适合于许多元素的测定。 b) 富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，温度略低于中性火焰；具有还原性；适合于易形成难解离氧化物的元素测定；干扰较多；背景高。如锡等。 c) 贫燃火焰：氧化性火焰；它的温度较低，有较强的氧化性，有利于测定易解离，易电离元素，如碱、碱土金属。,化学火焰的氧化与还原特性,按照火焰燃气与助燃气的比例不同，火焰可以分为三类。,石墨炉原子化器,（2） 非火焰原子化器,非火焰原子化器中，常用的是管式石墨炉原子化器，其结构如下。,管式石墨炉原子化器示意图,石墨炉原子化器的工作程序,a) 进样程序 0100l,b) 干燥程序 溶剂的沸点

12、 1.5s/ l 2060s,室温,干燥 升温斜率,干燥保持温度 与时间,c) 灰化程序 (分离干扰元素) 10020000C 0.55min,灰化 升温斜率,灰化保持温度 与时间,原子化升温斜率,原子化保持温度与时间,d) 原子化程序 200030000C 510s,e) 高温除残程序 30000C 35 s,除残温度与时间,9.2.3 分光器,分光器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成，其作用是将所需要的共振吸收线分离出来。分光器的关键部件是色散元件，现在商品仪器都是使用光栅。原子吸收光谱仪对分光器的分辨率要求不高，曾以能分辨开镍三线Ni230.003，Ni231.603，Ni231.0

13、96nm为标准，后采用Mn279.5和Mn279.8nm代替Ni三线来检定分辨率。光栅放置在原子化器之后，以阻止来自原子化器内的所有不需要的辐射进入检测器。,9.2.4 检测系统,原子吸收光谱仪中广泛使用的检测器是光电倍增管，最近一些仪器也采用CCD作为检测器。,6.5干扰及其消除方法,1 物理干扰 是指试样在转移、蒸发过程中任何物理因素变化而引起的干扰效应。属于这类干扰的因素有：试液的粘度、溶剂的蒸气压、雾化气体的压力等。 物理干扰是非选择性干扰，对试样各元素的影响基本是相似的。 消除方法： 配制与被测试样相似的标准样品，是消除物理干扰的常用的方法。 在不知道试样组成或无法匹配试样时，可采用

14、标准加入法或稀释法来减小和消除物理干扰。,化学干扰是指待测元素与其它组分之间的化学作用所引起的干扰效应，它主要影响待测元素的原子化效率，是原子吸收分光光度法中的主要干扰来源。,2 化学干扰,化学干扰的类型 （1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。 例：钴、硅、硼、钛在火焰中易生成难熔化合物 硫酸盐、硅酸盐与铝生成难挥发物。 （2）待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱. 电离电位6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重，（如碱及碱土元素）。,化学干扰的抑制,通过在标准溶液和试液中加入某种光谱化学缓冲剂来抑制或减少化学干扰： （1

15、）释放剂：与干扰元素生成更稳定化合物使待测元素释放出来。 例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。 （2）保护剂：与待测元素形成稳定的络合物，防止干扰物质与其作用。 例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根与钙作用。 （3）饱和剂：加入干扰元素，使干扰趋于稳定。 例：用N2OC2H2火焰测钛时，在试样和标准溶液中加入300mgL-1以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。,（4）电离缓冲剂：加入大量易电离的一种缓冲剂以抑制待测元素的电离。 例：加入足量的铯盐，抑制K、Na的电离。 （5） 加入缓冲剂或基体改进剂： 例: 加入EDTA可使Cd的原子化温度降低。 （6） 化学分离：溶剂萃取、离子交

16、换、沉淀分离等,3 电离干扰,在高温下原子电离，使基态原子的浓度减少，引起原子吸收信号降低，此种干扰称为电离干扰。 电离效应随温度升高、电离平衡常数增大而增大，随被测元素浓度增高而减小。,原子吸收光谱分析的实验技术,7.4.1 测量条件的选择 （1）分析线 通常选用共振吸收线为分析线，测定高含量元素时，还可以选用灵敏度较低的非共振吸收线为分析线。,（2）狭缝宽度,狭缝宽度影响光谱通带宽度与检测器接受的能量。 原子吸收光谱分析中，光谱重叠干扰的几率小，可以允许使用较宽的狭缝。 调节不同的狭缝宽度，测定吸光度随狭缝宽度而变化，当有其他的谱线或非吸收光进入光谱通带内，吸光度将立即减小。 不引起吸光度

17、减小的最大狭缝宽度，即为应选取的合适的狭缝宽度。,（3）空心阴极灯的工作电流,选用灯电流的一般原则是:在保证有足够强且稳定的光强输出条件下，尽量使用较低的工作电流。 通常以空心阴极灯上标明的最大电流的1/22/3作为工作电流。 在具体的分析场合，最适宜的工作电流由实验确定。,（4）原子化条件的选择,在火焰原子化法中，火焰类型和特征是影响原子化效率的主要因素。对低、中温元素，使用空气乙炔火焰；对高温元素，采用氧化亚氮乙炔高温火焰；对分析线位于短波区（200nm以下）的元素，使用空气氢火焰是合适的。,（5）进样量,进样量过小，吸收信号弱，不便于测量；进样量过大，在火焰原子化法中，对火焰产生冷却效应

18、，在石墨炉原子化法中，会增加除残的困难。在实际工作中，应测定吸光度随进样量的变化，达到最满意的吸光度的进样量，即为应选择的进样量。,定量分析方法,（1）标准曲线法 配制一组合适的标准溶液，由低浓度到高浓度，依次喷入火焰，分别测定其吸光度A。以测得的吸光度为纵坐标，待测元素的含量或浓度c为横坐标，绘制Ac标准曲线。在相同的试验条件下，喷入待测试样溶液，根据测得的吸光度，由标准曲线求出试样中待测元素的含量。,在使用本法时要注意以下几点： 所配制的标准溶液的浓度，应在吸光度与浓度呈直线关系的范围内； 1）标准溶液与试样溶液都应用相同的试剂处理； 2）应该扣除空白值； 3）在整个分析过程中操作条件应保

19、持不变； 4）由于喷雾效率和火焰状态经常变动，标准曲线的斜率也随之变动，因此，每次测定前应用标准溶液对吸光度进行检查和校正。,（2）标准加入法,取相同体积的试样溶液两份，分别移入容量瓶A及B中，另取一定量的标准溶液加入B中，然后将两份溶液稀释至刻度，测出A及B两溶液的吸光度。设试样中待测元素（容量瓶A中）的浓度为cx，加入标准溶液（容量瓶B中）的浓度为c0，A溶液的吸光度为Ax，B溶液的吸光度为A0，则可得： Axkcx A0k（c0cx） 由上两式得： cx c0,作图法：取若干份体积相同的试样溶液，从第二份开始按比例加入不同量的待测元素的标准溶液，然后用溶剂稀释至一定体积（设试样中待测元素

20、的浓度为cx，加入标准溶液后浓度分别为cxc0、 cx2c0、cx4c0 ），分别测得其吸光度（ Ax，A1，A2及A3），以A对加入量作图，得图所示的直线。这时曲线并不通过原点。 显然，相应的截距所反映的吸收值正是试样中待测元素所引起的效应。如果外延此曲线使与横坐标相交，相应于原点与交点的距离，即为所求试样中待测元素的浓度cx,灵敏度与检出限,（1）灵敏度及特征浓度 在原子吸收分光光度分析中，灵敏度S定义为校正曲线的斜率，其表达式为： S= 或 S=,即当待测元素的浓度c或质量m改变一个单位时，吸光度A的变化量。,（2）检出限 检出限是指产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号所需要的该元素的最小含量。亦即待测元素所产生的信号强度等于其噪声强度标准偏差三倍时所相应的质量浓度或质量分数，用g mL-1或g g-1表示。绝对检出限则用m表示； Dc= 或 Dm=,