第七章-原子吸收光谱分析法讲述.ppt
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1、第七七章 原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry,AAS)7.1 概述7.2 基本理论7.3 AAS仪器及其组成7.4 干扰及其消除方法7.5 原子吸收分析方法7-1 概述AAS 历史:1802 年,发现原子吸收现象;1859 年,G.Kirchhoff 与R.Bunson通过试验解释了原子吸收现象;1955年,Australia 物理学家Walsh A将该现象应用于分析;上世纪60年代中期发展最快。R.Bunsen和G.Kirchhoff研究钠光谱中谱线自蚀的实验装置太阳光暗线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。原子
2、吸收光谱分析利用的是原子吸收现象。(而发射光谱分析则基于原子的发射现象,是相互联系的两种相反的过程)。基于物质产生的原子蒸汽对特定谱线(通常是待测原子的特征谱线)的吸收来进行定量分析的一种方法。由于原子的吸收线比发射线的数目少的多,谱线重叠的概率就小的多,空心阴极灯一般不发射临近波长的辐射线,因而其他辐射线干扰较小,故原子吸收法选择性高,干扰小且易于克服。原子吸收光谱法(也称原子吸收分光光法)与可见、紫外分光光度法基本原理相同,都是基于物质对光选择吸收而建立起来的光学分析法。区别:在可见、紫外分光光度法中,吸光物质是溶液中被测物质的分子或离子对光的选择吸收,原子吸收光谱法吸光物质是待测元素的基
3、态原子对光的选择吸收,这种光是由待测元素制成的空心阴极灯(称元素灯)作光源。原子吸收光谱分析的过程:A元素含量测定-A元素的空心阴极灯发射特征辐射-试样在原子化器中变为气态的基态原子-吸收空心阴极灯发射特征辐射-空心阴极灯发射特征辐射减弱-产生吸光度-元素定量分析以测定Mg2+为例:AAS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 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;
4、石墨炉原子吸收分析的重现性较差。2004 年4 月,德国耶拿分析仪器股份公司(Analytik Jena AG)成功地设计和生产出了连续光源原子吸收光谱仪contrAA,世界第一台商品化连续光源原子吸收诞生了8-2基本原理一原子吸收的过程当适当波长的光通过含有基态原子的蒸气时,基态原子就可以吸收某些波长的光而从基态被激发到激发态,从而产生原子吸收光谱。基态基态基态基态第一激发态第一激发态第一激发态第一激发态基态基态基态基态电电电电,热能热能热能热能h h i ih h i ih h j j原子吸收光谱称为原子吸收光谱称为原子吸收光谱称为原子吸收光谱称为共振吸收线共振吸收线共振吸收线共振吸收线原
5、子发射光谱称原子发射光谱称原子发射光谱称原子发射光谱称共振发射线共振发射线共振发射线共振发射线二、原子吸收光谱的产生及共振线l共振线:共振发射线和共振吸收线都简称为共共振线:共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。振线。l各种元素的原子结构和外层电子排布不同,不同元素的原子从基态激发至第一激发态(或由第一激发态跃迁返回基态)时,吸收(或发射)的能量不同,因而各种元素的共振线不同而各有其特征性,所以这种共振线是元素的特征谱线。对大多数元素来说,共振线也是元素最灵敏的谱线。l说明:广义上说,凡涉及基态跃迁的谱线统称为共振线。三原子吸收光谱的谱线轮廓l(一一)谱线轮廓谱线轮廓l从理论上讲,原子的吸收线
6、是绝对单色的,但实际上原子吸收线并非是单色的几何线,而是有宽度的,大约10-3nm,即有一定轮廓Iv与v的关系 原子吸收光谱轮廓图 K为吸收系数,;为频率;吸收最大处所对应的频率叫中心频率;最大吸收值叫峰值吸收;最大吸收值的一半处所对应的宽度叫谱线宽度,用表示l(二)谱线变宽谱线变宽l原子的吸收光谱线具有一定宽度的原因有以下几个:l1谱线的自然宽度: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。l自然宽度(约在10-5nm数量级)。ll2多普勒变宽(热变宽):l由于多普勒效应而导致的谱线变宽。由于原子热运动引起的。其宽度约为10-3nm数量级。l3压力变宽:由于同类原子或与其它粒子
7、(分子、原子、离子、电子等)相互碰撞而造成的吸收谱线变宽。其宽度也约为10-3nm数量级。4.场致变宽包括Stark变宽(电场)和Zeeman 变宽(磁场)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)而导致的变宽效应,在原子吸收分析中,场变宽不是主要变宽)。5.自吸与自蚀光源(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。l(1)积分吸收积分吸收l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。从理论上可以得出,积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。l只要测得积分吸收值,即
8、可求出基态原子数或浓度。因此AAS 法是一种不需要标准比较的绝对分析方法!(三三)原子吸收光谱的测量原子吸收光谱的测量钨丝灯光源和氘灯,经分光后,光谱通带0.2nm。而原子吸收线的半宽度:10-3nm。若用一般光源照射时,吸收光的强度变化仅为入射光强度0.5%,吸收部分所占的比例很小。灵敏度极差。0.0001 nm 通常光栅可分开0.1 nm,要分开0.01 nm 的两束光需要很昂贵的光栅;要分开两束波长相差0.0001 nm 的光,目前技术上 仍难以实现;此外,即使光栅满足了要求,分出的光也太弱,难以用于实际测量。但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0.001-0.00
9、5nm。要分辨如此窄的谱线,对波长为500 nm,其分辨率应为:这样高的分辨率,对现代仪器不可能达到的!如果用连续光谱作光源,所产生的吸收值将是微不足道的,仪器也不可能提供如此高的信噪比!尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现,但一直未用于分析。直到1955年,Walsh 提出以“峰值吸收”来代替“积分吸收”。从此,积分吸收难于测量的困难得以间接地解决。5000.001=500000R =(2)峰值吸收l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。吸收线中心波长处的吸收系数K0为峰值吸收系数,简称峰值吸收。l为了测定K0值,使用的光源必须是锐线光源。(3)锐线光
10、源l峰值吸收的测定是至关重要的,在分子光谱中光源都是使用连续光谱,连续光谱的光源很难测准峰值吸收,用锐线光源测量峰值吸收,从而解决了原子吸收的实用测量问题。ll锐线光源锐线光源: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。l锐线光源需要满足的条件:l1.光源发射线半宽度小于吸收线半宽度l2.发射线与吸收线的中心频率一致。l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。峰值吸收测量示意图此式表明:当使用锐线光源时,吸光度A与单位体积原子蒸气中待测元素的基态原子数N0成正比。(四)(四)基态原子数与原子吸收定量基础基态原子数与原
11、子吸收定量基础l在通常的原子吸收测定条件下,原子蒸气中基态原子数近似地等于总原子数。在原子蒸气中(包括被测元素原子),可能会有基态与激发态存在。根据热力学原理,在一定温度下达到热平衡时,基态与激发态的原子数的比例遵循Boltzmann分布定律l式中,Ni与N0分别为激发态与基态的原子数;gi与g0为激发态与基态能级的统计权重,它表示能级的简并度;k为Boltzmann常数,其值为1.3810-23JK-1;T为热力学温度;Ei为激发能。l可见,Nj/N0 的大小主要与“波长”及“温度”有关。即la)当温度保持不变时:激发能(h)小或波长长,Nj/N0则大,即波长长的l原子处于激发态的数目多;但
12、在AAS 中,波长不超过600nm。换句l话说,激发能对Nj/N0 的影响有限!lb)温度增加,则Nj/N0 大,即处于激发态的原子数增加;且Nj/N0随温度lT 增加而呈指数增加。l在原子吸收光谱法中,原子化温度一般小于l3 000K,大多数元素的最强共振线都低于600nm,Ni/N0值绝大部分都在10-3以下,激发态和基态原子数之比小于千分之一,激发态原子可以忽略。因此,可以认为,基态原子数N0近似地等于总原子数N。若控制条件使进入火焰的试样保持一个恒定的比例,则A与溶液中待测元素的浓度成正比,因此,在一定浓度范围内:lA=Kcl此式说明:在一定实验条件下,吸光度(A)与浓度(c)成正比。
13、所以通过测定A,就可求得试样中待测元素的浓度(c),此即为原子吸收分光光度法定量基础。l7-3原子吸收分光光度计光源-原子化系统-分光系统-检测显示系统四个部分构成。l如果将原子化器当作分光光度计的比色皿,其仪器的构造与分光光度计很相似。与分光光度计相比,不同点:与分光光度计相比,不同点:l(1)采用锐线光源为什么?l(2)单色器在火焰与检测器之间。如果像分光光度计那样,把单色器置于原子化器之前,火焰本身所发射的连续光谱就会直接照射在检测器上,会导致检测器寿命缩短,甚至不能正常工作l(3)原子化系统检测显检测显示系统示系统光源光源原子化器原子化器单色器单色器原子化系统原子化系统雾化器雾化器样品
14、液样品液废液废液切光器切光器助燃气助燃气燃气燃气一、光源及光源调制对AAS光源的要求:a)发射稳定的共振线,且为锐线;b)强度大,没有或只有很小的连续背景;c)操作方便,寿命长。1.空心阴极灯(Hollow Cathode Lamp,HCL)2010年1月25日1时53分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,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
15、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:(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。组成:阳极(吸气金属)、空心圆筒形(使待测原子集中)阴极(W+待测元素)、低压惰性气体(谱线简单、背景小)。工作过程:高压直流电(300V)-阴极电子-撞击隋性原子-电离(二次电子维持放电)-正离子-轰击阴极-待测原子溅射-聚集空心阴极内被激发-待测元素特征共振发射线。影响谱线性质之因素:电流、充气种类及压力。电流越大,光强越大,但过大则谱线变宽且强度不稳定;充入低压惰性气体可防止与元素反应并减小碰撞变宽。二.原子化器(Atomizer)原子化器是将样品中的
16、待测元素转化为原子蒸汽的装置。1.火焰原子化器由四部分组成:a)喷雾器b)雾化室c)燃烧器d)火焰火焰燃烧器混合室毛细管助燃气入口燃气入口撞击球排液口1)火焰原子化器火焰原子化器图雾化器自动进样器燃烧器混合室雾 化 器:由不锈钢或聚四氟乙烯做成。预混合室:由不锈钢、聚四氟乙烯等材料做成。燃 烧 器:单缝、双缝和三缝。火焰:雾化器混合室燃烧器火焰火焰a)喷雾器:将试样溶液转为雾状。要求稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高(可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液)。b)雾化室:内装撞击球和扰流器(去除大雾滴并使气溶胶均匀)。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。该类
17、雾化器因雾化效率低(进入火焰的溶液量与排出的废液量的比值小),现已少用。目前多用超声波雾化器等新型装置。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(让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收)。燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定(光程、回火、堵塞、耗气量)。火焰分焰心(发射强的分子带和自由基,很少用于分析)、内焰(基态原子最多,为 分析区)和外焰(火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境)。燃烧速度:混合气着火点向其它部分的传播速度。当供气速度大于燃烧速度时,火焰稳定。但过大则导致火焰不稳或吹熄火焰,过小则可造成回火。天然气-空气火焰d)火焰燃气助燃气
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- 第七 原子 吸收光谱 分析 讲述
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