1、第八章 原子吸收光谱法 (Atomic Absorption Spectrometry AAS),1802年人们就观察到原子吸收现象，直到1955年由澳大利亚物理学家A. Walsh 才建议用作分析手段，该方法在上世纪六十年代得到了迅速发展。 方法特点： 1、准确度高：使用了待测元素相对应的元素发射光源，选择性好，测量误差小（1%）。 2、灵敏度高：绝对检测限可达10-10g数量级（火焰法）,甚至可达10-14g数量级（非火焰法），有利 于痕量元素的分析。,缺点：测定不同的元素必须使用不同元素的光源灯，且使用条件也不相同，使用不便；对高温元素如稀土元素等的测定灵敏度低。,4、用途广泛：可测含量
2、范围既可微量、痕量，也可常量组分 分析。可测元素70多种，也可间接测定卤素、硫、氮等非金属元素。,3、操作简便，分析速度快：若采用多通道光谱仪，可不经分 离在同一溶液中直接测定多个元素。如果采用自动化分析仪器，每小时可分析100个以上的试样。,原子吸收过程,82 原子吸收光谱法基本原理,原子吸收光谱法是基于物质所产生的原子蒸气对特定谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。,共振线与吸收线,原子吸收能量后从基态跃迁至第一激发态，而后从第一激发态又回到基态，发射出的谱线，称共振发射线（即第一共振线）。同样原子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线。两者都简称为共振线，一般最易发生，谱
3、线最强，最灵敏。,吸收线能量与波长关系: = hc/E,E：为两能级能量差,二、 原子吸收线的轮廓,1、吸收定律,I-透过光强, I0 - 入射光强, K-吸收系数, L- 原子蒸气厚度,朗伯定律：,2、吸收线轮廓,由图可知，在频率 0处透过光强度最小，即吸收最大。若将吸收系数对频率作图，所得曲线为吸收线轮廓。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率（或中心波长）和半宽度 表征。中心频率由原子能级决定。半宽度是中心频率位置，吸收系数极大值一半处，谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。,. 自然宽度N无外界影响下，谱线的宽度。它与原子发生能级间跃迁时激发态原子的寿命有关。一般情况下约相当于10-4
4、，与其它变宽相比可忽略。,3、谱线变宽的因素,M：原子量， T：绝对温度， 0:谱线中心频率,. 多普勤（Doppler）变宽D这是由原子在空间作无规热运动所引致的。故又称热变宽。一般情况 D 约为 10-2 ，是谱线变宽的主要原因。,. 压力变宽（碰撞变宽） 原子核蒸气压力愈大，谱线愈宽。一般为10-2 劳伦兹（Lorentz）变宽L ：异种粒子间碰撞引起的变宽,是压力变宽的主要因素。 赫尔兹马克（Holtzmank）变宽（又叫共振变宽）：同种粒子间碰撞引起的变宽,气态时同类粒子间碰撞机会小。,. 自吸变宽及场致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。因强电场或强
5、磁场影响引起的变宽。,吸收线轮廓主要受多普勒和劳伦兹变宽的影响,三、原子吸收的测量,1、 积分吸收,f-振子强度, N0-单位体积内的原子数, e-为电子电荷, m- 电子质量.,如果我们测量Kd , 就可求出被测元素浓度。但是谱线宽度为10-2左右。需要用高分辨率的分光仪器，这是难以达到的。,一定条件下， 为常数，则,图7.5 积分吸收曲线,(频率),K 吸 收 系 数,1 2 3 4 5 6,0,2、峰值吸收 1955年沃尔希提出，在温度不太高的稳定火焰条件下，峰值吸收系数与火焰中被测元素的原子浓度也成正比。,仅考虑原子热运动， 且吸收线轮廓取决 于Doppler变宽，则,锐线光源,空心阴
6、极灯：即发射线半宽度远小于吸收线半宽度光源.,当用锐线光源时, 可用K0 代替 K ,代入朗伯定律:,3、 实际测量,A= kN0L,因为 N0C,所以,A = kC,四、基态原子数与原子吸收定量基础,1、基态原子的产生,若待测试样为金属盐MX的水溶液， MX水溶液经雾化器雾化成微小的雾粒后喷入高温火焰。然后在高温火焰中经历一系列变化，包括：蒸发：,激发（或电离）：,热分解：,M0,Mj,Ma+ + ae,2、基态原子与激发态原子的关系,控制火焰条件，以避免电离现象 基态原子与激发态原子的的数目比与火焰温度及两能级的E有直接关系,可用Boltzmann分布表示：,Pj,P0分别为激发态和基态的
7、统计权重，即激发态和基态所包 含的子能级数; k ：波尔兹曼常数 N：单位体积内原子数,由上式得：T ，Nj/N0 ; 共振线 , E , Nj/N0 ,对于共振线,则,由表可知：元素的共振激发能一般都2eV（除铯钾等少数几个元素）；且原子吸收分析中原子化温度一般在3000K以下，因此一般形成的基态原子数占总数99%以上，激发态的原子1%，Nj可忽略，也即N0可代表该元素总原子数(单位体积)，这是原子吸收光谱用于定量分析的先决条件。,图 2500K下,不同波长的共振线与激发态原子数Nj的关系曲线(计算值),875 800 700 600 500 400 300 200,/nm,10-4 10-
8、6 10-8 10-10,Cs K,Na,Sr,Ca,Mg,Zn,Nj/N0,仪器类型： 单道单光束 单道双光束,8 原子吸收分光光度计,仪器结构： 光源； 原子化器； 单色器； 检测器；,一、光源（空心阴极灯） 作用：发射锐线光源,构造阴极:圆筒形钨棒，筒内熔入被测元素阳极: 钨棒绕有钛, 锆, 钽金属管内充气：氩或氖称载气，极间加压500-300伏，要求稳流电源供电。,. 锐线光产生原理,在高压电场下, 阴极向阳极高速飞溅放电, 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。 载气离子在电场中大大加速, 获得足够的能量, 轰击阴极表面时, 可将被测元素原子从
9、晶格中轰击出来, 即谓溅射, 溅射出的原子大量聚集在空心阴极内, 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。由于灯电流小，内充气体压力低，因此发射线的热变宽、压力变宽自吸效应都小，能够得到很窄的发射线。,.对光源的要求,辐射强度大，稳定性高，锐线性强，发射线中心频率与吸收线一致，背景小等。要用被测元素做阴极材料所以有些物质无法实现。,空心阴极灯只有一个操作参数：灯工作电流,火焰原子化器和非火焰原子化器,二、原子化器,1、火焰原子化器 利用火焰热能使试样原子化,三部分构造：雾化器，燃烧器，火焰。雾化器 由不锈钢或聚四氟乙烯做成。 燃烧器单缝和三缝。,作用：使待测元素成为基态原
10、子蒸气,火焰原子化 结构,火焰：,()各种火焰燃烧特性,（）火焰的燃气与助燃气比例,化学计量火焰 由于燃气与助燃气之比与化学计量反应关系相近，又称为中性火焰 ，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。,富燃火焰 指燃气大于化学计量的火焰。其特点是燃烧不完全，温度略低于化学火焰，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。 贫燃火焰 指助燃气大于化学计量的火焰，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,如碱金属。,（） 火焰的光谱特征,（）火焰原子化器特点 优点：简单，火焰稳定，重现性好，精密度高，应用范围广。缺点：原子化效率低只有
11、0.1-10%,灵敏度受到限制。,例：用Se 196.1nm 的吸收线测定硒，应该 采用那种火焰？ 答：考虑到火焰本身对光的吸收，最好应采用氢气氩气，而不采用乙炔空气。,2、非火焰原子化器,石墨炉原子化器结构： 电源：低压（10v）大电流（500A） 炉体：金属套，绝缘套圈，石墨管，外层水冷却。 石墨管：长28mm 内径8mm 有小孔为加试样，水冷却外层，惰性气体保护自由原子及石墨管在高温中免被氧化。,工作过程： 干燥：溶剂沸点温度下加热，除溶剂(105C) 灰化（分解）：使分析物盐类分解并赶走阴离子，破坏有机物，除去易挥发的基体或其它干扰元素(350-1200 C) 高温原子化：使以各种形式
12、存在的分析物挥发并离解为中性原子(2400-3000 C) 高温除残：除去石墨管中的残留分析物，避免记忆效应,3低温原子化器又称化学原子化器：利用化学反应使被测元素直接原子化或者使其还原为易挥发的氢化物，再在低温下原子化。例如： As,Bi,Ge 例: 测 汞 仪 汞的化合物酸性条件下用SnCl2还原，生成汞蒸气后用空气载入石英管测定。称为冷原子蒸气测汞法。,优点：试样是在石墨管内直接原子化的，原子化 效率高,绝对灵敏度高，检出限达10-12-10-14g。 缺点：基体效应大，化学干扰多，重现性比火焰法差。,氢化物原子化在一定酸度条件下，将将试样以还原剂（NaBH4）还原为元素气态氢化物，并通
13、过Ar或N2将其带入热的石英管内原子化并测定(右图)。特点：可将待测物从大量基体中分离出来，DL比火焰法低1-3个数量级，选择性好且干扰也小。,三、单色器,光谱通带W（nm）： W = DS10-3 狭缝宽度S（m）倒线色散率D(nm/mm): D = d/dl 若被测元素共振吸收线与干扰线近，选用W要小；干扰线较远，可用大的W，一般单色器色散率一定，仅调狭缝确定W。,作用：把待测元素的共振线与其它干扰谱线分开,光谱通带公式 W=DS式中, W：光谱通带, D：倒线色散率(/mm), S：狭缝宽度(mm)。它可理解为“仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度。”在两相邻干扰线间距离小时,光谱通带要小,反
14、之,光谱通带可增大。由于不同元素谱线复杂程度不同,选用的光谱通带亦各不相同,如碱金属、碱土金属谱线简单、背景干扰小可选较大的光谱通带,而过渡族、稀土族元素谱线复杂,则应采用较小的光谱通带。一般在原子吸光谱法中,光谱通带为0.2nm已可满足要求，故采用中等色散率的单色器。,四、检测器,作用：将分光系统出来的光信号转换为电信号由光电转换元件（光电倍增管）、交流放大器及读数装置组成。,光电池:,光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后，向真空发射光电子，这些光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停止光照，外电路将无电流输出。,光电倍增管光电倍增管的电流是逐级
15、增加的。由于光电倍增管具有放大作用，因此适用做灵敏的若光探测器。,工作时，这些电极的电位是逐级增高的，当光线照射到光电阴极后，它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用，加速并打在这个倍增极上，产生二次发射；由第一倍增极D1产生的二次发射电子，在更高电位的D2极作用下，又将加速入射到电极D2上，在D2极上又将产生二次发射，这样逐级前进，一直到达阳极A为止。,1. 校准曲线法配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，在与试样测定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸光度值。绘制吸光度对浓度的校准曲线。测定试样的吸光度，校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。,8-4 定量分析方法,. 标准加入
16、法,Ax = k CxA0 = k（C0 + Cx）Cx = AxC0/（A0-Ax）,标准加入法能消除基体干扰，不能消除背景干扰。使用时， 注意要扣除背景干扰。,分取几份相同量的被测试液，分别加入不同量的被测元素的标准溶液，其中一份不加被测元素的标准溶液，最后稀释至相同体积，使加入的标准溶液浓度为0，CS、2CS 、3CS ，然后分别测定它们的吸光度，绘制吸光度对加入量的曲线，再将该曲线外推至与浓度轴相交。交点至坐标原点的距离Cx即是被测元素经稀释后的浓度。,类型:光谱干扰,物理干扰，化学干扰,8 干扰及其抑制,一、 光谱干扰及消除 指非测定谱线进入检测器，或测定谱线受到其它元素的吸收或减弱
17、而造成偏离吸收定律的现象，可能引起正误差或负误差。,1、邻近谱线及重叠谱线的干扰如果存在与待测元素分析线相邻近或相一致的谱线，而单色器又不能将它们完全分开，则这种谱线就会产生干扰。 干扰来源：光源，原子化器的燃气，试样中的共存元素 消除方法: 减小狭缝；更换光源灯；换其它分析线；采用调 制式工作方式.,Ar:357.7nm Cr:357.9nm,2、背景吸收的干扰,背景干扰也是光谱干扰，主要指分子吸收与光散射造成光谱背景。分子吸收是指在原子化过程中生成的分子对辐射吸收，分子吸收是带光谱。光散射是指原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光产生散射，造成透过光减小，吸收值增加。“假吸收”。背景干扰（非
18、火焰原子化器较严重），一般使吸收值增加，产生正误差。,背景干扰的消除方法,.用邻近非共振线校正背景用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度，因非共振线不产生原子吸收,用它来测量背景吸收的吸光度。两者之差值即为原子吸收的吸光度。 例 分析线 非共振线Ag 32807 Ag 31230Ca 42267 Ne 43040Hg 25363 Al 26692,Ax=At-Ab,2.用空白溶液扣除背景吸收,先用锐线光源测定分析线的原子吸收和背景吸收的总和。再用氘灯（紫外区）或碘钨灯、氙灯（可见区）在同一波长测定背景吸收（这时原子吸收可忽略不计）计算两次测定吸光度之差，即为原子吸收光度。,3.连续光源校正背
19、景,4.塞曼（Zeaman） 效应校正背景,该法是在磁场作用下，简并的谱线发生分裂的现象。Zeeman方法： 光源调制磁场加在光源上。吸收线调制磁场加在原子化器上，使用广泛。,原理：,在磁场作用下，吸收线分裂为 和，组分平行于磁场方向波长不变， 组分垂直于磁场方向，波长分别向长波和短波方向移动。 光源发射线通过起偏器后分解为偏振光P及P，某时刻平行于磁场方向的偏振光P通过时，吸收线组分和背景产生吸收，得到原子吸收和背景吸收总吸光度；另一时刻垂直于磁场的偏振光P通过原子能器时只有背景吸收，没有原子吸收，两者之差即为原子吸收。,二、物理干扰,是指试液与标准溶液物理性质有差别而产生的干扰。粘度、表面
20、张力或溶液密度等变化，影响样品雾化和气溶胶到达火焰的传递等会引起的原子吸收强度的变化。消除方法：配制与被测试样组成相近的溶液，或用标准加入法；浓度高可用稀释法。,三、化学干扰,化学干扰是指被测原子与共存组分发生化学反应生成稳定的化合物，影响被测元素原子化。例如： PO43 - 与Ca2+的反应，干扰Ca的测定。 Al，Si在空气-乙炔中形成的稳定氧化物。 W、B、La、Zr、Mo在石墨炉形成的碳化物。,一般消除方法有：,（1）选择合适的原子化方法，提高原子化温度，化学干扰会减小，在高温火焰中P043- 不干扰钙的测定。 （2）加入释放剂 与干扰组分结合，释放被测元素。如：加入La3+使生成La
21、PO4 （3）加入保护剂 如加入EDTA、8-羟基喹啉等与被测元 素生成稳定络合物，且易于热分解。 （4）加缓冲剂（饱和剂） 固定标液及试样中的干扰量，相互抵消。 （5）分离法 （6）标准加入法,电离干扰,在高温下原子会电离使基态原子数减少, 吸收下降, 称电离干扰. 消除的方法是加入过量消电离剂, 所谓的消电离剂, 是电离电位较低的元素, 加入后, 产生大量电子, 抑制被测元素电离.K - K+ + eCa2+ + 2e - Ca,86 定量分析方法,1测量条件选择 .分析线，查手册，随空心阴极灯确定。分析线通常选用共振线 .狭缝宽度，没有干扰情况下，尽量增加W，增强辐射能。 .灯电流，按灯
22、制造说明书要求使用。额定电流的4060比较合适,.原子化条件，如火焰，燃烧器高度。火焰必须不产生干扰吸收，而且要注意燃气和助燃气的比例。而燃烧器的高度，不同元素的自由原子浓度随火焰高度的分布是不一样的。.进样量（主要指非火焰方法）。进样量一般在36mL/min，进样量小信号弱，灵敏度低，不便测量；进样量过大则会对火焰产生冷却效应，同时原子化效率低。,1.在原子吸收分析的理论中，用峰值吸收代替积分吸收的基本条件之一是 ( ） （1）光源发射线的半宽度要比吸收线的半宽度小得多 （2）光源发射线的半宽度要与吸收线的半宽度相当 （3）吸收线的半宽度要比光源发射线的半宽度小得多 （4）单色器能分辨出发射
23、谱线，即单色器必须有很高的分辨率2.在原子吸收法中，原子化器的分子吸收属于（ ） （1）光谱线重叠的干扰 （2）化学干扰 （3）背景干扰 （4）物理干扰,3.空心阴极灯中对发射线半宽度影响最大的因素是-（ ） （1） 阴极材料 （2） 阳极材料 （3） 内充气体 （4） 灯电流,4.原子化器的主要作用是：-( )(1) 将样品中待测元素转化为基态原子(2) 将样品中待测元素转化为激发态原子(3) 将样品中待测元素转化为中性分子(4) 将样品中待测元素转化为离子,8 灵敏度与检出限,1灵敏度 灵敏度：S = dA/dC 或 S=dA/dm对于火焰原子化器，定义为：特征浓度，是指产生1%吸收或0.
24、0044吸光度时，溶液中某元素的质量浓度。通常用mg/mL/1%表示 ； 对于非火焰原子化器，定义为：特征质量，是指产生1%吸收或0.0044吸光度时，溶液中某元素的质量。用g/1%表示。,2、检出限D,通常以产生空白溶液讯号的标准偏差3倍时的测量讯号的浓度来表示 （一定置信度下）:Dc = 3C/A (g/mL)或,Dm= 3m/A (g/g),A 为吸光度, 空白溶液吸光度标准偏差, C为浓度,m为质量。,8-8 应用与示例如前所述，原子吸收分析的主要特点在于：测定的灵敏度高，特效性好，抗干扰能力强，适用范围广，可以测定70多种元素，加上仪器操作简单，所以应用日益广泛。例如在测定矿物、金属
25、、及其药物等试样中金属元素的含量时，原子吸收法往往是一种首选的方法，可以利用原子吸收分光光度法来直接和间接的进行测定。,一 直接测定法直接原子吸收法可以测定碱金属、碱土金属。另外，直接法还可以测定有色金属如：Fe、Co、Ni、Cr等，以及测定某些含有金属离子的有机药物，例如，人的体液中含有30多种金属离子，可以通过直接法来测定体液中金属离子的含量；维生素B12含有钴离子，可以通过测定钴的含量来测定维生素B12的量。,二 间接测定法对于不能采用直接测定法来进行测定的元素，可以采用间接法来进行测定。也就是利用这种物质或元素与其它可被方便测定的元素发生化学反应，然后通过测定可方便测定的元素来间接测定
26、不能测定的物质。例如，需要测定的有机药物，可以先和金属离子生成配合物，再通过测定金属离子的量来测定有机药物的量。8-羟基喹啉可以制成8-羟基喹啉铜进行测定。,概 述 原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法。原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。但所用仪器与原子吸收光谱法相近。,89 原子荧光光谱法,（Atomic Fluorescence Spectrometry AFS）,原子荧光光谱法优点： （1）有较低的检出限，灵敏度高。特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd可达0.001ngcm-3、Zn为0.04ngcm-3。现已有2O多种元
27、素低于原子吸收光谱法的检出限。由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，采用新的高强度光源可进一步降低其检出限。 （2）干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。 （3）分析校准曲线线性范围宽，可达35个数量级。 （4）由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。,一.原理,1. 原子荧光光谱的产生 气态自由原子吸收特征辐射后跃迁到较高能级，然后又跃迁回到基态或较低能级。同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。原子荧光为光致发光，二次发光，激发光源停止时，再发射过程立即停止。,2原子荧光的
28、类型 原子荧光分为共振荧光，非共振荧光与敏化荧光等三种类型，如图所示为荧光产生的过程（见图）。,（1）共振荧光发射与原吸收线波长相同的荧光为共振荧光。 气态原子吸收共振线被激发后，再发射与原吸收线波长相同的荧光即是共振荧光。它的特点是激发线与荧光线的高低能级相同，其产生过程见图（a）中之A。如锌原子吸收213.86nm的光，它发射荧光的波长也为213.86nm。若原子受热激发处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射相同波长的共振荧光，此种原子荧光称为热助共振荧光见图（a）中之B。,（2）非共振荧光 当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光。非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、ant
29、i Stokes（反斯托克斯）荧光。,1. 直跃线荧光激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所发射的荧光称为直跃线荧光，由于荧光的能级间隔小于激发线的能线间隔，所以荧光的波长大于激发线的波长。如铅原子吸收 283.31nm的光，而发射 405.78nm的荧光。它是激发线和荧光线具有相同的高能级，而低能级不同。如果荧光线激发能大于荧光能，即荧光线的波长大于激发线的波长称为Stokes荧光；反之，称为antiStokes荧光。直跃线荧光为Stokes荧光。,2. 阶跃线荧光 有两种情况，正常阶跃荧光为被光照激发的原子，以非辐射形式去激发返回到较低能级，再以辐射形式返回基态而发射的荧光。很显然，荧光波
30、长大于激发线波长。例钠原子吸收 330.30nm光，发射出 588.99nm的荧光。非辐射形式为在原子化器中原子与其他粒子碰撞的去激发过程。热助阶跃线荧光为被光照激发的原子，跃迁至中间能级，又发生热激发至高能级，然后返回至低能级发射的荧光。例如铬原子被359.35nm的光激发后，会产生很强的357.8 7nrn荧光。阶跃线荧光的产生见图（c）。,3anti -Stokes荧光 当自由原子跃迁至某一能级，其获得的能量一部分是由光源激发能供给，另一部分是热能供给，然后返回低能级所发射的荧光为anti-Stokes荧光。其荧光能大于激发能，荧光波长小于激发线波长。例如铟吸收热能后处于一较低的亚稳能级
31、，再吸收410.13nm的光后，发射410.18nm的荧光，见图(d).,（3）敏化荧光 受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再以辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏化荧光，在非火焰原子化器中才能观察到。D + h D*D* + A A* + DA* A + h 在以上各种类型的原子荧光中，共振荧光强度最大，最为常用。,荧光猝灭 受激原子和其他粒子碰撞，把一部分能量变成热运动与其他形式的能量，因而发生无辐射的去激发过程。A* + B = A + B + H可用氩气来稀释火焰，减小猝灭现象。,二仪器,荧光仪分为两类，色散型和非色散型。 荧光仪与原子吸收仪相似，但光源与其他部件不在一条直线上，而是900 直角，而避免激发光源发射的辐射对原子荧光检测信号的影响。,
