分析化学第十二讲-原子吸收光谱法上课讲义.ppt
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1、分析化学第十二讲分析化学第十二讲-原子原子吸收光谱法吸收光谱法本讲内容12345原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪定量分析方法定量分析方法定量分析方法定量分析方法灵敏度、检出极限、测定条件的选择灵敏度、检出极限、测定条件的选择灵敏度、检出极限、测定条件的选择灵敏度、检出极限、测定条件的选择原子吸收光谱法的干扰及其抑制原子吸收光谱法的干扰及其抑制原子吸收光谱法的干扰及其抑制原子吸收光谱法的干扰及其抑制原子吸收光谱法的基本原理一、共振线一、共振线1.1.原子的能级与跃迁原子的能级与
2、跃迁 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(简称共振线)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(也简称共振线)发射光谱2.2.元素的特征谱线元素的特征谱线 1 1)各种元素的原子结构和外层电子排布不同,)各种元素的原子结构和外层电子排布不同,基态基态第一激发态第一激发态:跃迁吸收能量不同跃迁吸收能量不同具有特征性。具有特征性。2 2)各种元素的基态)各种元素的基态第一激发态第一激发态 最易发生,吸收最强,最灵敏线。特征谱线。最易发生,吸收最强,最灵敏线。特征谱线。3 3)利用特征谱线可以进行定量分析。)利用特征谱线可以进行定量分析。原子吸收光谱法的基本原理
3、原子吸收光谱法的基本原理3.吸收峰形状 原子结构较分子结构原子结构较分子结构简单,理论上应产生线状简单,理论上应产生线状光谱吸收线。光谱吸收线。实际上用特征吸收频实际上用特征吸收频率左右范围的辐射光照射率左右范围的辐射光照射时,获得一峰形吸收(具时,获得一峰形吸收(具有一定宽度)。有一定宽度)。由:由:I It t=I=I0 0e e-Kvb-Kvb ,透射透射光强度光强度 I It t和吸收系数及和吸收系数及辐射频率有关。辐射频率有关。以以K Kv v与与 作图:作图:表征吸收线轮廓(峰)的参数:表征吸收线轮廓(峰)的参数:中心频率中心频率 O(峰值频率);峰值频率);最大吸收系数对应的频率
4、或波最大吸收系数对应的频率或波长;长;中心波长:中心波长:(nm)半宽度:半宽度:O原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理吸收峰变宽原因:照射光具有一定的宽度。照射光具有一定的宽度。多普勒变宽(温度变宽)多普勒变宽(温度变宽)Vo 多普勒效应:一个运动着的原子发出的光,如果运动方向离开观察者(接受器),则在观察者看来,其频率较静止原子所发的频率低,反之,高。劳伦兹变宽,赫鲁兹马克变宽(碰撞变宽)劳伦兹变宽,赫鲁兹马克变宽(碰撞变宽)VL 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。劳伦兹变宽:待测原子和其他原子碰撞。劳伦兹变宽:待测原子和其他原子碰撞。赫鲁
5、兹马克变宽:同种原子碰撞。赫鲁兹马克变宽:同种原子碰撞。在一般分析条件下在一般分析条件下Vo为主为主。原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理4.积分吸收和峰值吸收 钨丝灯光源和氘灯,经分光后,光谱通带钨丝灯光源和氘灯,经分光后,光谱通带0.2nm。而原而原子吸收线的半宽度:子吸收线的半宽度:10-3nm。如图所示:如图所示:若用一般光源照射时,吸收若用一般光源照射时,吸收光的强度变化仅为光的强度变化仅为0.5%0.5%。灵敏。灵敏度极差度极差 若将原子蒸气吸收的全部能若将原子蒸气吸收的全部能量,即谱线下所围面积测量出量,即谱线下所围面积测量出(积分吸收)。则是一种绝对(积分吸收)。则
6、是一种绝对测量方法,现在的分光装置无测量方法,现在的分光装置无法实现。法实现。原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理5.锐线光源 在原子吸收分析中需要使用锐线光源。在原子吸收分析中需要使用锐线光源。何为锐线光源?何为锐线光源?(1)光源的发射线与吸收线的)光源的发射线与吸收线的V0一致。一致。(2)发射线的)发射线的V1/2小于吸收线的小于吸收线的 V1/2。空心阴极灯空心阴极灯:可发射可发射锐线光源。锐线光源。原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理 二二 基态原子数和原子化温度基态原子数和原子化温度原子吸收光谱是利用待测元素的原子蒸气中基态原子与共振原子吸收光谱是利用待测
7、元素的原子蒸气中基态原子与共振线吸收之间的关系来测定的。线吸收之间的关系来测定的。需要考虑原子化过程中,原子蒸气中基态原子与待测元需要考虑原子化过程中,原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间的定量关系。为什么?素原子总数之间的定量关系。为什么?热力学平衡时:热力学平衡时:上式中上式中Pj和和PO分别为激发态和基态的统计权重,激发态分别为激发态和基态的统计权重,激发态原子数原子数Nj与基态原子数与基态原子数No之比较小,之比较小,1%。可以用基态原。可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度T外,都是外,都是常数。常数。T 一定,比值一定。
8、一定,比值一定。原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理 f 振子强度,常数。峰值吸收系数:振子强度,常数。峰值吸收系数:当使用锐线光源时,可用当使用锐线光源时,可用K0代替代替Kv,则:A=k N0 b;N0 Nc(N0基态原子数,基态原子数,N原子总数,原子总数,c 待测元素浓度)待测元素浓度)所以:所以:A=lg(IO/I)=K c三、定量基础三、定量基础原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收仪器(1)原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收仪器(2)原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收仪器(原子吸收仪器(3)原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收仪器(4)原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原
9、子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪一、工作流程原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪1.1.作用作用 提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。光源应满足如下要求;(1 1)能发射待测元素的共振线;)能发射待测元素的共振线;(2 2)能发射锐线;)能发射锐线;(3 3)辐射光强度大,)辐射光强度大,稳定性好。稳定性好。2.2.空心阴极灯空心阴极灯 结构如图所示二、光源二、光源原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪3.空心阴极灯的原理 施加适当电压时,电子将从空心阴极内壁流向阳极;与充入的惰性气体碰撞而使之电离,产生正电荷,其在电场作用下,向阴极内壁猛烈轰击;使阴极表面的金属原子溅射出来
10、,溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发,于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。用不同待测元素作阴极材料,可制成相应空心阴极灯用不同待测元素作阴极材料,可制成相应空心阴极灯。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点:优缺点:(1)辐射光强度大,稳定,谱线窄,灯容易更换。(2)每测一种元素需更换相应的灯。原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪三、原子化系统1.1.作用作用 将试样中离子转变成原子蒸气。2.2.原子化方法原子化方法 火焰法 无火焰法电热高温石墨管,激光。3.3.火焰原子化装置火焰原子化装置雾化器和燃烧器。(1)雾化器:结构如图所示:主要缺点:雾化
11、效率低主要缺点:雾化效率低。(2)火焰 试样雾滴在火焰中,经蒸发,干燥,离解(还原)等过试样雾滴在火焰中,经蒸发,干燥,离解(还原)等过程产生大量基态原子。程产生大量基态原子。火焰温度的选择:火焰温度的选择:(a a)保证待测元素充分离解为基态原子的前提下,尽量采保证待测元素充分离解为基态原子的前提下,尽量采用低温火焰;用低温火焰;(b b)火焰温度越高,产生的热激发态原子越多;火焰温度越高,产生的热激发态原子越多;(c c)火焰温度取决于燃气与助燃气类型,常用空气火焰温度取决于燃气与助燃气类型,常用空气乙炔,乙炔,最高温度最高温度2600K能测能测3535种元素。种元素。火焰类型:火焰类型:
12、化学计量火焰:温度高,干扰少,稳定,背景低,常用。化学计量火焰:温度高,干扰少,稳定,背景低,常用。富燃火焰:富燃火焰:还原性火焰,燃烧不完全,测定较易形成难熔氧还原性火焰,燃烧不完全,测定较易形成难熔氧化物的元素化物的元素Mo、Cr稀土等。稀土等。贫燃火焰:火焰温度低,氧化性气氛,适用于碱金属测定。贫燃火焰:火焰温度低,氧化性气氛,适用于碱金属测定。原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪4.石墨炉原子化装置(1)结构)结构,如图所示:外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动,冷却保护石墨管;内气路中Ar气体由管两端流向管中心,从中心孔流出,用来保护原子不被氧化,同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸汽。缺点缺点:精
13、密度差,测定速度慢,操作不够简便,装置复杂。原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪(2)原子化过程原原子子化化过过程程:四个阶段,干燥、灰化(去除基体)、原子化、净化(去除残渣),待测元素在高温下生成基态原子。原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪(3)优缺点优点:优点:原子化程度高,试样用量少(1100L),可测固体及粘稠试样,灵敏度高,检测限10-12 g/L。缺点:缺点:精密度差,测定速度慢,操作不够简便,装置复杂。原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪四、单色器 1.1.作用作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。2.2.组件组件 色散元件(棱镜、光栅),凹凸镜、狭缝等。3.3.单色器性能
14、参数单色器性能参数 (1)线色散率)线色散率(D):两条谱线间的距离与波长差的比值X/。实际工作中常用其倒数/X (2)分辨率)分辨率:仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值/表示。(3)通带宽度)通带宽度(W):指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围。当倒色散率(D)一定时,可通过选择狭缝宽度(S)来确定:W=D S原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪五、检测系统五、检测系统 主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。1.1.检测器检测器-将单色器分出的光信号转变成电信号。将单色器分出的光信号转变成电信号
15、。如:光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。如:光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。分光后的光照射到光敏阴极分光后的光照射到光敏阴极K K上,轰击出的上,轰击出的 光电光电 子又射子又射向光敏阴极向光敏阴极1 1,轰击出更多的光电子,依次倍增,在最后放出的,轰击出更多的光电子,依次倍增,在最后放出的光电子光电子 比最初多到比最初多到10106 6倍以上,最大电流可达倍以上,最大电流可达 10 10AA,电流经负电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器。载电阻转变为电压信号送入放大器。2.2.放大器放大器-将光电倍增管输出的较弱信号,经电子线路进一步将光电倍增管输出的较弱信号,经电子线路进一步放大。放大
16、。3.3.对数变换器对数变换器-光强度与吸光度之间的转换。光强度与吸光度之间的转换。4.4.显示、记录显示、记录干扰及其抑制干扰及其抑制 待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全,这类待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全,这类干扰主要来自光源和原子化装置,主要有以下几种:干扰主要来自光源和原子化装置,主要有以下几种:1.1.在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线 可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。2.2.空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射 换
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- 分析化学 第十二 原子 吸收光谱 上课 讲义
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