原子吸收分光光度法 (2).ppt

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1、原子吸收分光光度法（Atomic Absorption Spectrometry,AAS）12/20/20221吴永江药物分析I第一节第一节 概述第二节第二节 基本理论第三节第三节 AASAAS仪器及其组成第四节第四节 干扰及其消除方法第五节第五节 原子吸收分析方法分析对象为金属元素；通用型方法；难实现多元素同时测定。本章内容12/20/20222吴永江药物分析I第一节 概述定义：AAS是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法。历史：1802年，发现原子吸收现象；1955年，Australia物理学家Walsh A将该现象应用于分析；60年代中期发展最快。AAS与AE

2、S之比较：相似之处产生光谱的对象都是原子，而且都是利用原子外层电子跃迁；不同之处AAS是基于“基态原子”选择性吸收光辐射能(h)，并使该光辐射强度降低而产生的光谱(共振吸收线)；AES是基态原子受到热、电或光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生的光谱(共振发射线和非共振发射线)。12/20/20223吴永江药物分析IAAS特点：1）灵敏度高：火焰原子法，ppm 级，有时可达ppb 级；石墨炉可达10-910-14（ppt 级或更低）.2）准确度高：FAAS(火焰原子吸收法火焰原子吸收法)的RSD 可达13。3）干扰小，选择性极好；4）测定范围广，可测70 种元素。不足：多

3、元素同时测定有困难；对非金属及难熔元素的测定尚有困难；对复杂样品分析干扰也较严重；石墨炉原子吸收分析的重现性较差。12/20/20224吴永江药物分析I第二节 基本理论一、基态原子数与总原子数的关系 待测元素在进行原子化时，有一部分原子吸收了能量而待测元素在进行原子化时，有一部分原子吸收了能量而被激发至激发态，所吸收的谱线称为被激发至激发态，所吸收的谱线称为共振吸收线共振吸收线；激发态原；激发态原子回到基态所发出的谱线，称为子回到基态所发出的谱线，称为共振发射线共振发射线，共振吸收线和，共振吸收线和共振发射线统称为共振发射线统称为共振线共振线。据热力学原理，当在一定温度下。据热力学原理，当在一

4、定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从Boltzmann Boltzmann 分配定律：分配定律：可见，可见，N Nj j/N/N0 0的大小主要与的大小主要与E Ej j和温度和温度T T有关：有关：1 1）温度越高，）温度越高，N Nj j/N/N0 0越大；越大；2 2）相同温度下，）相同温度下，E Ej j越越小（电子跃迁能级差越小），吸收波小（电子跃迁能级差越小），吸收波 长越长，长越长，N Nj j/N/N0 0越大越大12/20/20225吴永江药物分析I 尽管原子的激发电位和温度尽管原子的激发电位和温度T T

5、 使使NjNj/N0 /N0 值有数量级的变值有数量级的变化，但化，但NjNj/N0/N0 值本身都很小。或者说，处于激发态的原子数值本身都很小。或者说，处于激发态的原子数远小于处于基态的原子数！远小于处于基态的原子数！实际工作中，实际工作中，T T通常小于通常小于30003000K K、波长小于波长小于600 600 nmnm，故对故对大多数元素来说大多数元素来说NjNj/N0/N0均小于均小于1 1，NjNj与与N0 N0 相比可勿略不计，相比可勿略不计，N0 N0 可认为就是原子总数。（见教材表可认为就是原子总数。（见教材表13-113-1）总之，总之，AAS AAS 对对T T 的变化

6、迟钝，或者说温度对的变化迟钝，或者说温度对AAS AAS 分析的分析的影响不大！影响不大！12/20/20226吴永江药物分析I二、原子谱线轮廓 以频率为以频率为，强度为强度为I I0 0 的光通过原子蒸汽，其中一部分光的光通过原子蒸汽，其中一部分光被吸收，使该入射光的光强降低为被吸收，使该入射光的光强降低为I：根据根据Lambert吸收定律，有：吸收定律，有：12/20/20227吴永江药物分析I其中，K为一定频率的光吸收系数。注意：K不是常数，而是与谱线频率或波长有关。由于任何谱线并非都是无宽度的几何线，而是有一定的波长宽度，即谱线是有轮廓的！因此将K作为常数而使用此式将带来偏差！12/2

7、0/20228吴永江药物分析I根据吸收定律的表达式，以根据吸收定律的表达式，以I I-和和K K-分别作图得吸收强分别作图得吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。可见度与频率的关系及谱线轮廓。可见谱谱“线线”是有宽度的。是有宽度的。图中：图中：K K吸收系数；吸收系数；K K0 0最大吸收系数；最大吸收系数；0 0，0 0中心频率或波长中心频率或波长(由原由原子能级决定子能级决定)；，谱线轮廓半宽度（谱线轮廓半宽度（KoKo/2 2处的宽度）。处的宽度）。12/20/20229吴永江药物分析I三、谱线变宽因素（Line broadening）1.1.自然变宽自然变宽N(natural width)n

8、atural width)2.2.无外界因素影响时谱线具有的宽度。其大小为无外界因素影响时谱线具有的宽度。其大小为:式中，式中，k k 为激发态寿命或电子在高能级上停留的时间，为激发态寿命或电子在高能级上停留的时间，1010-7-7-10-10-8-8 s s）原子在基态和激发态的寿命是有限的。电子在基态停留原子在基态和激发态的寿命是有限的。电子在基态停留的时间长，在激发态则很短。由海森堡测不准的时间长，在激发态则很短。由海森堡测不准(Heisenberg Heisenberg Uncertainty principle)Uncertainty principle)原理，这种情况将导致激发态能

9、量原理，这种情况将导致激发态能量具有不确定的量，该不确定量使谱线具有一定的宽度具有不确定的量，该不确定量使谱线具有一定的宽度N N(10(10-5-5nm)nm)，即自然宽度。即自然宽度。该宽度比光谱仪本身产生的宽度要小得多，只有极高分该宽度比光谱仪本身产生的宽度要小得多，只有极高分辨率的仪器才能测出，而且与其他变宽相比极小，可忽略不辨率的仪器才能测出，而且与其他变宽相比极小，可忽略不计。计。12/20/202210吴永江药物分析I2.2.多普勒变宽多普勒变宽D（Doppler broadeningDoppler broadening）它与原子的无规则热运动有关。又称热变宽。它与原子的无规则热

10、运动有关。又称热变宽。DopplerDoppler变宽变宽D与谱线波长、相对原子质量与谱线波长、相对原子质量A Ar r和和温度温度T T有关，有关，多在多在1010-3-3nmnm数量级。数量级。12/20/202211吴永江药物分析I3.3.压力变宽压力变宽（Pressure broadeningPressure broadening）吸收原子与外界气体分子之间的相互作用引起的变宽，吸收原子与外界气体分子之间的相互作用引起的变宽，又称为碰撞变宽（又称为碰撞变宽（CollisionalCollisional broadening broadening）。它是由于碰。它是由于碰撞使激发态寿命变

11、短所致。外加压力越大，浓度越大，变宽撞使激发态寿命变短所致。外加压力越大，浓度越大，变宽越显著。越显著。a a）LorentzLorentz变宽变宽：待测原子与其它原子之间的碰撞。变宽：待测原子与其它原子之间的碰撞。变宽 在在1010-3-3nmnm。b b）Holtzmark Holtzmark 变宽变宽：待测原子之间的碰撞，又称共振变宽；：待测原子之间的碰撞，又称共振变宽；由于由于AAS AAS 分析时，待测物浓度很低，该变宽可忽略。分析时，待测物浓度很低，该变宽可忽略。12/20/202212吴永江药物分析I注意注意：1.外界压力增加谱线中心频率0位移、形状和宽度发生变化发射线与吸收线产

12、生错位影响测定灵敏度；2.温度在1500-3000 C之间，压力为1.01310-5Pa热变宽和压变宽有相同的变宽程度；3.火焰原子化器压变宽为主要；石墨炉原子化器热变宽为主要。12/20/202213吴永江药物分析I4.4.场致变宽场致变宽(Field broadening)Field broadening)包括包括StarkStark变宽（电场）和变宽（电场）和ZeemanZeeman变宽（磁场）变宽（磁场）在场致（外加场、带电粒子形成）的场作用下，电子在场致（外加场、带电粒子形成）的场作用下，电子能级进一步发生分裂（谱线的超精细结构）而导致的变宽能级进一步发生分裂（谱线的超精细结构）而导

13、致的变宽效应，在原子吸收分析中，场变宽不是主要变宽）。效应，在原子吸收分析中，场变宽不是主要变宽）。5.5.自吸与自蚀自吸与自蚀（Self-absorption&self-reversalSelf-absorption&self-reversal）光源（如空心阴极灯）中同种气态原子吸收了由阴极光源（如空心阴极灯）中同种气态原子吸收了由阴极发射的共振线所致。与灯电流和待测物浓度有关。发射的共振线所致。与灯电流和待测物浓度有关。12/20/202214吴永江药物分析I四、积分吸收与峰值吸收系数1.积分吸收 在原子吸收光谱中，无论是光源辐射的发射线还是吸收在原子吸收光谱中，无论是光源辐射的发射线还是

14、吸收线都有一定的宽度，亦即吸收定律线都有一定的宽度，亦即吸收定律(A AK Kl)l)中的中的K K不是不是常数，而是一定频率范围内的积分值，或称其为积分吸常数，而是一定频率范围内的积分值，或称其为积分吸收：收：式中，式中，e e为电子电荷；为电子电荷；m m为电子质量；为电子质量；f f为振子强度，它是受到激发的为振子强度，它是受到激发的每个原子的平均电子数，与吸收几率成正比。每个原子的平均电子数，与吸收几率成正比。上式表明：在一定条件下，上式表明：在一定条件下，“积分吸收积分吸收”只与基态原子数只与基态原子数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。只要测

15、得积分吸只要测得积分吸收值，即可求出基态原子数或浓度。因此收值，即可求出基态原子数或浓度。因此AAS AAS 法是一种不需法是一种不需要标准比较的绝对分析方法！要标准比较的绝对分析方法！12/20/202215吴永江药物分析I但是，但是，积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半宽积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半宽度很小，只有度很小，只有0.001-0.005 0.001-0.005 nmnm。要分辨如此窄的谱线，现要分辨如此窄的谱线，现代仪器无法做到。代仪器无法做到。因此，尽管原子吸收现象早在因此，尽管原子吸收现象早在1818世纪就被发现，但一直未世纪就被发现，但一直未用于分析。直

16、到用于分析。直到19551955年，年，Alan WalshAlan Walsh提出以提出以“峰值吸收峰值吸收”来代替来代替“积分吸收积分吸收”。从此，积分吸收难于测量的困难得。从此，积分吸收难于测量的困难得以以“间接间接”地解决。地解决。12/20/202216吴永江药物分析I2.峰值吸收 1955年，Walsh指出，在温度不太高时，当发射线和吸收线满足以下两个条件:；e=a ，即发射线和吸收线中心频率相同且发射线宽度远小于吸收线宽度时，在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等，即KK0，此时，可以“峰值吸收”代替“积分吸收”:”:A0.434K0l而：12/20/202217吴永江药物分析

17、I在一定条件下，为常数，N0N，则：AKNl对于给定的实验条件，l一定，故：AKc上式表明：当用锐线光源作原子吸收测定时，所得吸收度A A与试样中待测元素的浓度成正比。12/20/202218吴永江药物分析I第三节 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、单色器和检测器组成。12/20/202219吴永江药物分析I单光束和双光束AAS仪12/20/202220吴永江药物分析I一.光源 空心阴极灯（Hollow Cathode Lamp,HCL）。12/20/202221吴永江药物分析I二.原子化器（atomizer）将样品中的待测组分转化为基态原子的装置，有火焰原子化器和石墨炉两

18、种。1.火焰原子化器 组成：喷雾器 雾化室 燃烧器 火焰12/20/202222吴永江药物分析Ia a）喷雾器：将试样溶液转为雾状。b b）雾化室：将雾状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧器。c c）燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。有单缝和三缝两种形式，其高度和角度可调。d）火焰：12/20/202223吴永江药物分析I2.石墨炉原子化器（Graphite furnace Atomizer）组成：电源 保护系统 石墨管12/20/202224吴永江药物分析I3.低温原子化原理：在一定酸度条件下，可将待测物以还原剂（NaBH4）还原为元素的气态氢化物，并通过Ar或N2

19、将其带入热的石英管内原子化并测定(右图)。可用于As，Pb，Hg，Sb,Se等元素的测定。优点：大量基体中分离出来，该法比火焰法低1-3个数量级，选择性好且干扰也小。12/20/202225吴永江药物分析I三、分光系统 包括出射、入射狭缝、反射镜和色散原件（多用光栅）。单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。注意：在原子吸收光度计中，单色器通常位于光焰之后，这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳。由于锐线光源的谱线简单，故对单色器的色散率要求不高。四、检测器 常用光电倍增管。其他：电感耦合检测器（CCD）,电荷注入器件（CI

20、D），光电二极管阵列（PDA）等。12/20/202226吴永江药物分析I第四节干扰及其消除一、物理干扰来源：试样粘度、表面张力的不同使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰。消除：可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。12/20/202227吴永江药物分析I二、化学干扰来源：待测元素与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰，主要影响原子化效率，使待测元素吸光度的降低。消除：1.1.加入释放剂：SO42-、PO43-对Ca2+的干扰-加入La(III)、Sr(II)-释放Ca2+；2.加入保护剂（配合剂）:（1）PO43-对Ca2+的干扰-加入EDTA-CaY

21、(稳定但易破坏)。（2）含氧酸中Mg 和Al 形成MgAl2O4-使A急剧下降-加8-羟基喹啉作保护剂。3.加入缓冲剂或基体改进剂：主要对GFAAS（石墨炉原子吸收法）石墨炉原子吸收法）。例如加入EDTA可使Cd的原子化温度降低。4.化学分离：溶剂萃取、离子交换、沉淀分离等12/20/202228吴永江药物分析I三、电离干扰 高温导致原子电离，从而使基态原子数减少，吸光度下降。四、光谱干扰1.谱线重叠干扰：如发生重叠干扰，则要求仪器可分辨两条波长相差0.10.1 的谱线。2.2.2.2.非吸收线干扰：来自被测元素自身的其它谱线或光源中杂质的谱线。3.3.3.3.火焰的直流发射：火焰的连续背景发

22、射，可通过光源调制消除。4.4.4.4.火焰背景干扰：来自燃烧气的背景干扰。5.5.非火焰背景干扰：非火焰的电热原子化（石墨炉）中产生的背景干扰。12/20/202229吴永江药物分析I一、测量条件优化1.分析线的选择：通常选共振线，但不是绝对的。2.（1）如Hg185nmHg185nm比Hg254nmHg254nm灵敏5050倍，但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生吸收；3.（2）共振线Ni232nmNi232nm附近231.98231.98和232.12232.12nmnm的原子线和231.6231.6nmnm的离子线，不能将其分开，可选取341.48341.48nmnm作分析线。4

23、.（3）此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向试样中引入杂质，可选取次灵敏线！5.Slit 宽度选择：一般狭缝宽度选择在通带为0.4-4.00.4-4.0nm nm 的范围内，对谱线复杂的元素如FeFe、CoCo和NiNi，需在通带相当于1 1 或更小的狭缝宽度下测定。第五节 原子吸收分析方法12/20/202230吴永江药物分析I3.灯电流选择选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的1/21/22/32/3），最佳灯电流通过实验确定。4.原子化条件火焰原子化:火焰类型（温度-背景-氧/还环境）；燃助比（温度-氧/还环境)；燃烧器高度（火焰部位-温度）

24、；石墨炉原子化:升温程序的优化。具体温度及时间通过实验确定。12/20/202231吴永江药物分析I二、测量方法1.1.标准曲线法注意事项：合适的浓度范围；扣除空白；标样和试样的测定条件相同；每次测定重配标准系列。2.内标法优点：消除气体流量、进样量、火焰湿度、样品雾化率、溶液粘度以及表面张力等的影响，适于双波道和多波道的AASAAS。12/20/202232吴永江药物分析I3.标准加入法优点：该法可克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应）。注意事项：线性良好；至少四个点（在线性范围内可用两点直接计算）；只消除基体效应，不消除分子和背景吸收；斜率小时误差大。12/20/202233吴永

25、江药物分析I三、分析方法评价1.灵敏度(Sensitivity)2.1）特征浓度(1%1%吸收灵敏度)：产生1%1%吸收(A=0.00434A=0.00434)信号所对应的元素浓度。2）特征质量（对石墨炉AAS）12/20/202234吴永江药物分析I2.检出限（limit of detection,LOD）定义：在给定条件和一定置信度下，可被检出的最低浓度或最小量。注意：检出限不仅与灵敏度有关，而且还考虑到仪器噪声！因而检出限比灵敏度更能反映仪器的性能。只有同时具有高灵敏度和高稳定性时，才有低的检出限。12/20/202235吴永江药物分析I本章要求1.基本概念：共振线，积分吸收，峰值吸收，灵敏度，检出限2.原子吸收分光光度法的基本原理3.空心阴极等的原理4.AAS仪器组成5.AAS分析的干扰有哪些？6.定量分析方法12/20/202236吴永江药物分析I