原子吸收光谱仪基本原理讲稿.ppt

第一页，讲稿共三十六页哦 2光谱早期发现光谱早期发现 1600 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。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。SunlightPrism第二页，讲稿共三十六页哦 3Fraunhofer Fraunhofer 线线 18021802年年 WollastonWollaston利用狭缝和利用狭缝和棱镜，第一次发现太阳光谱中的暗线，这棱镜，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。是原子吸收光谱的最初观测。1814 1814年年FraunhoferFraunhofer在棱镜后放置了一个望远镜来观察太阳光谱，对那些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，暗线条数超过暗线作了粗略的测量，并列成谱图，暗线条数超过700700条，后来这些线称条，后来这些线称为为FraunhoferFraunhofer线。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第三页，讲稿共三十六页哦 4Kirchhoff Kirchhoff 和和 BunsenBunsen的实验（的实验（1 1）第四页，讲稿共三十六页哦Kirchhoff Kirchhoff 和和 BunsenBunsen的实验的实验 （2 2）第五页，讲稿共三十六页哦吸收和发射吸收和发射 BaBaNaNaFraunhoferFraunhofer吸收线吸收线发射线发射线l 元素定性分析元素定性分析190 190 nmnm900 900 nmnmCuCu第六页，讲稿共三十六页哦 71952-531952-53Sir Alan WalshSir Alan Walsh 研制、发展了研制、发展了 AAS AAS&CSIRO&CSIRO19621962TechtronTechtron推出世界上第一台商品化推出世界上第一台商品化AASAAS仪器仪器19661966John WillisJohn Willis 采用氧化亚氮采用氧化亚氮/乙炔作为乙炔作为AASAAS的工作气的工作气&Phil Thomas&Phil Thomas19671967Varian-TechtronVarian-TechtronVarianVarian与与TechtronTechtron合作合作19711971Varian-TechtronVarian-TechtronZeemanZeeman 专利专利,开发出开发出GFAASGFAAS 19871987Varian-TechtronVarian-Techtron引入石墨炉引入石墨炉Zeeman Zeeman 1991-921991-92Varian-OSIVarian-OSI通过通过ISO-9001ISO-9001质量论证质量论证Varian AA Varian AA 发展简介发展简介第七页，讲稿共三十六页哦 8Alan WalshAlan Walsh第八页，讲稿共三十六页哦 9基态原子基态原子第九页，讲稿共三十六页哦原子能量的吸收和发射原子能量的吸收和发射基态基态激发态激发态h h吸收能量吸收能量外层外层电子电子h h放出能量放出能量第十页，讲稿共三十六页哦能级图能级图E Eo oE E2 2E E3 3E E1 1E E4 4l 共振线来自与基态原子共振线来自与基态原子(E Eo o第十一页，讲稿共三十六页哦原子吸收过程原子吸收过程l基态原子吸收共振线基态原子吸收共振线能量跃迁能量跃迁E Eo oE E2 2E E3 3E E1 1l1 1l2 2l3 3l4 4第十二页，讲稿共三十六页哦 13Pb Pb 的能级跃迁图的能级跃迁图E E2 2E E1 1202.2202.2E E4 4217.0217.0261.4261.4283.3283.3波长波长 /nmnm第十三页，讲稿共三十六页哦 14吸收能量图吸收能量图(每个元素的吸收线较少每个元素的吸收线较少)a a b b c c d dE Eo o 基态基态激发态激发态激发激发能量能量b ba ac cE E3 3E E2 2E E1 1E E 离子化离子化第十四页，讲稿共三十六页哦 15发射能量图发射能量图（每个元素有较多的发射线（每个元素有较多的发射线)a a b b c c d dE Eo o 基态基态激发态激发态发射发射能量能量b ba ac cE E3 3E E2 2E E1 1E E 离子化离子化第十五页，讲稿共三十六页哦 16吸收与浓度的关系吸收与浓度的关系第十六页，讲稿共三十六页哦 17比耳朗伯定律（比耳朗伯定律（Beer-LambertBeer-Lambert）吸收计算吸收计算A=A=log log()=ababc c第十七页，讲稿共三十六页哦 18透光率透光率T T（）（）与吸光度（与吸光度（ABSABS）的关系的关系 透光率/T 吸光度/A 100%0 10%1 1%2 0.1%3第十八页，讲稿共三十六页哦 19比耳朗伯定律比耳朗伯定律吸收值吸收值(ABS)ABS)浓度浓度火焰原子化分析曲线线性可达2个数量级而石墨炉则较窄，通常只有一个数量级吸收定律，假设：基态原子对光的吸收，只存在鉴定的电子跃迁，而无复杂的次级过程；在整个吸收层中吸收系数不变；激发处理关系式进行了近似简化。第十九页，讲稿共三十六页哦 20校正曲线弯曲的原因校正曲线弯曲的原因l（1）由于有不被吸收的辐射、杂散光。因为必须全部光被吸收到同一程度才）由于有不被吸收的辐射、杂散光。因为必须全部光被吸收到同一程度才能保持线性能保持线性l（2）由于光源的老化或使用高的灯电流引起的空心灯谱线扩宽）由于光源的老化或使用高的灯电流引起的空心灯谱线扩宽l（3）由于单色器狭缝太宽，则传送到检测器去的谱线会超过一条。校正曲线表）由于单色器狭缝太宽，则传送到检测器去的谱线会超过一条。校正曲线表现出更大的弯曲现出更大的弯曲光吸收的最简式光吸收的最简式A=KC，只适用于均匀稀薄的蒸汽原子，随着吸收只适用于均匀稀薄的蒸汽原子，随着吸收层中原子浓度的增加，上述简化关系不成立层中原子浓度的增加，上述简化关系不成立在高浓度下，分子不成比例地分解。结果，相对于稳定的原在高浓度下，分子不成比例地分解。结果，相对于稳定的原子温度，较高浓度下给出的自由原子比率较低子温度，较高浓度下给出的自由原子比率较低第二十页，讲稿共三十六页哦 21原子化原子化l原子化即产生自由基态原子以便进行吸收测量的过程。原子吸原子化即产生自由基态原子以便进行吸收测量的过程。原子吸收分析，必须要产生被分收分析，必须要产生被分 析元素的自由基态原子，并将之置于析元素的自由基态原子，并将之置于该元素的特征谱线中。原子吸收用于检测元素的浓该元素的特征谱线中。原子吸收用于检测元素的浓 度，通常是度，通常是以液态形式。原子吸收最适合于分析溶解或吸收后呈水溶液状以液态形式。原子吸收最适合于分析溶解或吸收后呈水溶液状态样品中元素态样品中元素 的分析，或者用其它溶剂如有机溶剂稀释处理的的分析，或者用其它溶剂如有机溶剂稀释处理的样品。自原子吸收建立以来，已有数种样品。自原子吸收建立以来，已有数种 原子化器问世。主要有原子化器问世。主要有三类：火焰、石墨炉和氢化物发生器。三类：火焰、石墨炉和氢化物发生器。第二十一页，讲稿共三十六页哦 22火焰原子化火焰原子化l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）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亚氮）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世界变化，即是科研连续重复测定结果，是收区平均基态原子数，其特征是原子蒸发特性不世界变化，即是科研连续重复测定结果，是已知简便、快速、稳定的装置，适用与广泛元素的常规分析已知简便、快速、稳定的装置，适用与广泛元素的常规分析第二十二页，讲稿共三十六页哦 23第二十三页，讲稿共三十六页哦 24通过大量通过大量 实践经验，我们能够知道那种元素的分析采用那种火焰比较合实践经验，我们能够知道那种元素的分析采用那种火焰比较合适，因火焰的类型可决定适，因火焰的类型可决定 那些元素能够产生更多的自由基态原子。从该那些元素能够产生更多的自由基态原子。从该目的出发，我们可将元素按其分解的难易目的出发，我们可将元素按其分解的难易 程度分为三大类。程度分为三大类。通常溶液制备成通常溶液制备成1的盐酸溶液，因盐酸盐较易挥发。的盐酸溶液，因盐酸盐较易挥发。第二十四页，讲稿共三十六页哦 25采用空气乙炔火焰进行分析的元素采用空气乙炔火焰进行分析的元素l对那些容易原子化的元素（如铜、铅、钾和钠），空气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。乙炔火焰是最为常用的火焰。l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（温度大化成原子基态（温度大 约在约在2300oC）。）。l干扰可忽略，火焰中的化学环境（如氧化、燃烧比等）不干扰可忽略，火焰中的化学环境（如氧化、燃烧比等）不是主要因素。是主要因素。l然而，空气乙炔火焰却不足以将难熔元素分解。然而，空气乙炔火焰却不足以将难熔元素分解。第二十五页，讲稿共三十六页哦 26采用乙炔氧化亚氮火焰进行分析的元素采用乙炔氧化亚氮火焰进行分析的元素l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化亚氮乙炔火焰的难 熔元素，火焰温度大约在熔元素，火焰温度大约在 3000oC。如如Al、Si、W等等。第二十六页，讲稿共三十六页哦 27l然而，火焰温度并不是所要考虑的唯一元素燃烧比也同样重然而，火焰温度并不是所要考虑的唯一元素燃烧比也同样重要。要。l贫焰贫焰中含乙炔量中含乙炔量 较少，且均被氧化。这类火焰对那些受较少，且均被氧化。这类火焰对那些受氧化作用影响较强的元素来说，将不能产生足够氧化作用影响较强的元素来说，将不能产生足够 的自由基态的自由基态原子。原子。l但如果火焰中含乙炔量较多，即在但如果火焰中含乙炔量较多，即在富焰富焰中，因其中含较多中，因其中含较多的炭、的炭、氢，因而可打破被分析元素较强的氧化链，形成自由原氢，因而可打破被分析元素较强的氧化链，形成自由原子。子。l一个较好的例子是铬元素的一个较好的例子是铬元素的 测量，在空气乙炔火焰中，贫焰测量，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。状态下没有吸光度，但富焰状态下确有吸光度。l这些这些 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过调节火焰的燃烧比来仔细调 整之。整之。第二十七页，讲稿共三十六页哦 28l最后需要考虑的是原子化过程中其它的因素。最后需要考虑的是原子化过程中其它的因素。l例如，磷会对数种元素包括钙，产生较大例如，磷会对数种元素包括钙，产生较大 的负面影响。的负面影响。l在此情况下，应在样品中加入在此情况下，应在样品中加入释放剂释放剂，如镧盐。镧与，如镧盐。镧与磷结合从而释放磷结合从而释放 出钙。出钙。第二十八页，讲稿共三十六页哦 29可用这两种元素进行分析的元素可用这两种元素进行分析的元素l有些元素，如有些元素，如As,Ca,Cr,Mg,Mo,Os,Se 和和Sr 即可用即可用空气乙炔，也可用氧化亚氮乙空气乙炔，也可用氧化亚氮乙 炔火焰来进行测量。炔火焰来进行测量。第二十九页，讲稿共三十六页哦 30火焰原子化火焰原子化l优点：优点：l便于使用、可靠和受记忆效应的影响小。l燃烧器系统小巧、耐用、价格低廉l可获得足够的信噪比，精密度高，线性范围较石墨炉宽l缺点：缺点：l样品量需要较多l雾化效率低：一般510l不能或难以直接分析固体或黏度高的液体样品l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第三十页，讲稿共三十六页哦 31l石墨炉：石墨炉：l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，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成正比的原子数量l突出的优点：突出的优点：l灵敏度高，检出限低l进样量少l重要的问题：重要的问题：l分析速度慢（一般每次分析23分钟）l精度差（一般15，正常吸光度）l原子化机理复杂，导致背景问题第三十一页，讲稿共三十六页哦MnMnTcTcReReFeFeRuRuOsOsCoCoRhRhIr IrZnZnPdPdPtPtCuCuAgAgAuAuZnZnCdCdHgHgB BAlAlGaGaInInTl TlCCSi SiGeGeSnSnPbPbN NP PAsAsSbSbBi BiOOS SSeSeTeTePoPoF FClClBrBrI IAtAtHeHeNeNeArArKrKrXeXeRnRnH HLi LiNaNaK KRbRbCsCsFr FrBeBeMgMgCaCaSr SrBaBaRaRaScScY YLaLaAcAcTi TiZr ZrHfHfV VNbNbTaTaCrCrMoMoww周期表周期表CeCePrPrNdNdPmPmSmSm EuEuGdGdTbTb DyDyHoHo ErEr TmTm YbYb LuLuThThPaPaU UNpNpPuPuAmAmCmCm BkBk CfCfEsEsFmFmMdMdNoNoLr LrTmTm第三十二页，讲稿共三十六页哦 33火焰和石墨炉原子吸收火焰和石墨炉原子吸收AASAAS标准标准 火焰火焰 石墨炉石墨炉元素元素67674848灵敏度灵敏度ppm-%ppm-%ppt-ppbppt-ppb精度精度 好好不错不错干扰干扰少少多多速度速度快快慢慢操作方便程度操作方便程度容易容易较复杂较复杂火焰的毒害性火焰的毒害性是是无无自动化可行性自动化可行性是是是是(不用人监视）不用人监视）操作费用操作费用l l低低中等中等第三十三页，讲稿共三十六页哦火焰与石墨炉的灵敏度比较火焰与石墨炉的灵敏度比较AbsorbanceAbsorbance100 100 g/L Pb 217.0 nmg/L Pb 217.0 nm0.9360.9360.0040.004火焰吸收的信号火焰吸收的信号石墨炉吸收（石墨炉吸收（10 10 L L进样）进样）第三十四页，讲稿共三十六页哦 35火焰与石墨炉吸收的检出限比较火焰与石墨炉吸收的检出限比较元素元素 火焰火焰 （ppb)ppb)石墨炉石墨炉(ppb)ppb)*AgAg 3 3 0.0350.035As As 4504500.250.25Bi Bi50500.450.45CdCd3 30.010.01Cr Cr 9 90.0750.075PbPb15150.20.2Zn Zn 1.51.50.00750.0075第三十五页，讲稿共三十六页哦感谢大家观看感谢大家观看第三十六页，讲稿共三十六页哦