单元一 原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法.ppt
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1、工业分析技术工业分析技术PPT 开封大学化学工程学院开封大学化学工程学院 情景五情景五 有机化工产品分析有机化工产品分析 项目一项目一 工业冰乙酸的分析工业冰乙酸的分析任务三任务三 工业冰乙酸中铁含量的测定工业冰乙酸中铁含量的测定单元一单元一 原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法 单元名称单元名称5-1-3-1原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法授课班级授课班级授课时间授课时间2教学重点、难教学重点、难点解决方案点解决方案重点:重点:原子吸收光谱分析原理,光吸收定律,原子吸收光谱分析原理,光吸收定律,工作曲线工作曲
2、线法原理法原理难点:难点:影响原子吸收谱线轮廓的主要因素,影响原子吸收谱线轮廓的主要因素,工作曲线法工作曲线法定量,定量,标准加入法标准加入法。解决方案:解决方案:问题引入,教师讲解,学生讨论,问题引入,教师讲解,学生讨论,教师指导,教师指导,总结提高,拓展引申总结提高,拓展引申教学目标教学目标知识目标:知识目标:原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理,工作曲线法,工作曲线法,标准加入法定量原理。标准加入法定量原理。技能目标:技能目标:原子吸收法特点;分析流程。原子吸收法特点;分析流程。工作曲线法测工作曲线法测定,标准加入法定,标准加入法课后体会课后体会p天文学研究中经常需要测定各种
3、恒星、行星天文学研究中经常需要测定各种恒星、行星的组成、结构,然而,这些星球距离我们非的组成、结构,然而,这些星球距离我们非常遥远并且恒星表面具有极高的温度使我们常遥远并且恒星表面具有极高的温度使我们无法接近,不可能直接取样进行测定,天文无法接近,不可能直接取样进行测定,天文学家是如何知道天体组成的呢?学家是如何知道天体组成的呢?问题引入p早在早在18021802年,伍朗斯年,伍朗斯顿(顿(W.H.WollastonW.H.Wollaston)在在研究太阳连续光谱时,研究太阳连续光谱时,就发现了太阳连续光谱就发现了太阳连续光谱中出现的暗线中出现的暗线。太阳光谱的暗线p18591859年,克希荷
4、夫(年,克希荷夫(G.KirchhoffG.Kirchhoff)与本生(与本生(R.BunsonR.Bunson)在研究碱金属和在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时,发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时,碱土金属的火焰光谱时,发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时,会引起钠光的吸收,并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实,会引起钠光的吸收,并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实,断定太阳连续光谱中的暗线,正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱断定太阳连续光谱中的暗线,正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。中的钠辐射吸收的结果。原子吸收的发现p19551
5、955年澳大利亚的瓦尔西年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)(A.Walsh)发表了他的著名论文发表了他的著名论文“原子吸收光原子吸收光谱在化学分析中的应用谱在化学分析中的应用”奠定了原子吸收光谱法的基础。之后经过几代奠定了原子吸收光谱法的基础。之后经过几代人的不懈努力,人的不懈努力,衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校正等先进衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校正等先进技术,技术,特别是近年来特别是近年来微电子技术的发展使原子吸收技术的应用不断进步,微电子技术的发展使原子吸收技术的应用不断进步,尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方面应用广泛。尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方面
6、应用广泛。在分析化学中的应用p利用前面的介绍,请讨论原子吸收现象如何应用到分析化学领域利用前面的介绍,请讨论原子吸收现象如何应用到分析化学领域 。p依据原子蒸气对特征谱线的吸收依据原子蒸气对特征谱线的吸收 进行定量分析。进行定量分析。p测定对象:金属元素及少数非金测定对象:金属元素及少数非金属元素。属元素。原子吸收法概述特点(1)灵敏(2)准确,精密(3)选择性好(4)简便(5)设备费用相对低,易普及(6)应用广缺点:(1)一次测定一个元素(2)样品成分复杂时干扰严重(3)对某些高温元素,如稀土元素,钨,硼,铀等灵敏度较低p当有辐射通过自由原子(如镁、铜原子)蒸气,且入射辐射的频率等当有辐射通
7、过自由原子(如镁、铜原子)蒸气,且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量频率时,原子就于原子中的电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量频率时,原子就要从辐射场中吸收能量,产生吸收,电子由基态跃迁到激发态,同时要从辐射场中吸收能量,产生吸收,电子由基态跃迁到激发态,同时伴随着原子吸收光谱的产生。(如镁原子吸收伴随着原子吸收光谱的产生。(如镁原子吸收285.2nm279.6nm285.2nm279.6nm,铜铜原子吸收原子吸收324.8nm327.4nm324.8nm327.4nm的光)的光)基态激发态共振吸收共振发射基本原理p共共振振吸吸收收线线:当当电电子子吸吸收收一一定
8、定能能量量从从基基态态跃跃迁迁到到能能量量最最低低的的激激发发态态时时所产生的吸收谱线,称为共振吸收线,简称共振线。所产生的吸收谱线,称为共振吸收线,简称共振线。p共共振振发发射射线线:当当电电子子从从第第一一激激发发态态跃跃回回基基态态时时,则则发发射射出出同同样样频频率率的光辐射,其对应的谱线称为共振发射线,也简称共振线。的光辐射,其对应的谱线称为共振发射线,也简称共振线。p分分析析线线:用用于于原原子子吸吸收收分分析析的的特特征征波波长长的的辐辐射射称称为为分分析析线线,由由于于共共振线的分析灵敏度高,光强大常作分析线使用。振线的分析灵敏度高,光强大常作分析线使用。几个基本概念p原子吸收
9、谱线并不是严格几何意义上的线,而是具有着一定波原子吸收谱线并不是严格几何意义上的线,而是具有着一定波长范围的谱线,其形状见下图,谱线的形状称为谱线轮廓。长范围的谱线,其形状见下图,谱线的形状称为谱线轮廓。吸收线轮廓0 0:中心频率中心频率;K K0 0:峰值吸收系数峰值吸收系数;:吸收曲线半宽度,吸收曲线半宽度,约为约为1010-3-31010-2-2nmnm原子吸收谱线轮廓p自自然然变变宽宽:谱谱线线本本身身固固有有的的宽宽度度称称为为自自然然宽宽度度 ,与与激激发发态态原原子子的的平均寿命有关,平均寿命越长,则谱线宽度越窄平均寿命有关,平均寿命越长,则谱线宽度越窄 ,一般约,一般约1010
10、-5-5nm nm。p多多普普勒勒变变宽宽 D D:多多普普勒勒变变宽宽是是由由于于原原子子在在空空间间作作无无规规则则热热运运动动而而引引起的起的,所以又称热变宽所以又称热变宽 。式中式中 0 0为中心频率;为中心频率;T T为热力学温度;为热力学温度;A Ar r为相对原子质量。为相对原子质量。多多普普勒勒宽宽度度与与元元素素的的原原子子量量、温温度度和和谱谱线线频频率率有有关关。随随温温度度升升高高和和原原子量减小,多普勒宽度增加子量减小,多普勒宽度增加。多普勒变多普勒变宽可达宽可达1010-3-3 nmnm。谱线变宽1p压压力力变变宽宽:压压力力变变宽宽是是由由被被测测元元素素的的原原
11、子子与与蒸蒸气气中中原原子子或或分分子子相相互互碰碰撞撞而引起谱线的变宽,又称为碰撞变宽,压力变而引起谱线的变宽,又称为碰撞变宽,压力变宽约宽约1010-3-3 nmnm。劳劳伦伦兹兹变变宽宽:被被测测元元素素的的原原子子与与其其他他粒粒子子碰碰撞撞而而引引起起的的谱谱线线变变宽宽。随随原原子子区区内内原原子子蒸蒸气气压压力力增增大大和和温温度度升升高高而而增增大大,中中心心频频率率发发生生位位移移,谱线轮廓不对称。谱线轮廓不对称。赫赫鲁鲁兹兹马马克克变变宽宽:又又称称共共振振变变宽宽,它它是是由由同同种种原原子子之之间间发发生生碰碰撞撞而而引起的谱线变宽。引起的谱线变宽。谱线变宽2p积积分分
12、吸吸收收:在在一一定定条条件件下下,基基态态原原子子数数N N0 0正正比比于于吸吸收收曲曲线线下下面面所所包围的整个面积包围的整个面积 :式式中中e为为电电子子电电荷荷,m为为电电子子质质量量,c为为光光速速,N0为为单单位位体体积积原原子子蒸蒸气气中吸收辐射的基态原子数,亦即基态原子密度;中吸收辐射的基态原子数,亦即基态原子密度;f为振子强度为振子强度 。积分吸收p峰峰值值吸吸收收:基基态态原原子子蒸蒸气气对对入入射射光光中中心心频频率率线线的的吸吸收收。峰峰值值吸吸收收的的大大小小以以峰峰值值吸吸收收系系数数K0表表示示。由由于于在在目目前前的的技技术术条条件件下下无无法法测测量量积积分
13、吸收,可以用峰值吸收代替积分吸收。分吸收,可以用峰值吸收代替积分吸收。p在在一一定定条条件件下下峰峰值值吸吸光光度度与与基基态态原原子子浓浓度度N0成成正正比比,A N0,而而N0 试样中待测元素的浓度试样中待测元素的浓度C,因此:因此:A=KC A A:原子吸收吸光度;原子吸收吸光度;CC:试液中元素的浓度;试液中元素的浓度;这是原子吸收光谱分析的基本关系式。由于在原子吸收测量温度这是原子吸收光谱分析的基本关系式。由于在原子吸收测量温度下基态原子数近似等于原子总数,原子吸收光谱法灵敏度高。下基态原子数近似等于原子总数,原子吸收光谱法灵敏度高。峰值吸收p实实现现峰峰值值吸吸收收测测量量的的条条
14、件件:光光源源发发射射线线的的半半宽宽度度 应应小小于于吸吸收收线线的的半半宽宽度度,且且通通过过原原子子蒸蒸气气的的发发射射线线 的的中中心心频频率率恰恰好好与与吸吸收收线线的的中中心心频频率率 0 0相相重重合合。因因此此在在选选择择光光源源时时不不能能采采用用钨钨灯灯、氘氘灯灯等等连连续续光光源源,而应采用空心阴极灯,无极放电灯等线光源。而应采用空心阴极灯,无极放电灯等线光源。0I吸收线发射线峰值吸收测量条件 与UVVis的比较p 相同点相同点 均属于吸收光谱分析;均属于吸收光谱分析;均服从光吸收定律。均服从光吸收定律。p 不同点不同点 原子吸收光谱分析的吸收物质是基态原子蒸气;原子吸收
15、光谱分析的吸收物质是基态原子蒸气;紫外紫外-可见分光光度分析的吸光物质是溶液中的分子或离子。可见分光光度分析的吸光物质是溶液中的分子或离子。原子吸收光谱是线状光谱;原子吸收光谱是线状光谱;紫外紫外-可见吸收光谱是带状光谱。可见吸收光谱是带状光谱。仪器结构仪器结构光源原子化系统检测系统分光系统光源p 作用:产生原子吸收所需要的特征辐射。作用:产生原子吸收所需要的特征辐射。p 要求:锐线光源;光强大;稳定;背景小;寿命长;价格要求:锐线光源;光强大;稳定;背景小;寿命长;价格 便宜。便宜。p 种类:空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯、激光光源灯。种类:空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯、激光光源灯
16、。空心阴极灯空心阴极灯无极放电灯无极放电灯p 外观:灯脚、玻璃管、石英透光外观:灯脚、玻璃管、石英透光窗;窗;p 阴极阴极:待测元素金属或合金;待测元素金属或合金;p 阳极:钨棒上镶钛丝或钽片;阳极:钨棒上镶钛丝或钽片;p 管内充有几百帕低压惰性气体管内充有几百帕低压惰性气体 (氖或氩(氖或氩)空心阴极灯结构空心阴极灯结构两极间加电压气体辉光放电气体电离阳离子撞击阴极自由原子溅射原子激发发射特征谱线空心阴极灯的工作原理p HCLHCL操作参数:灯电流。操作参数:灯电流。p 为为了了获获得得稳稳定定高高强强度度的的窄窄线线光光谱谱,空空心心阴阴极极灯灯通通常常采采用用脉脉冲冲供供电电方方式式,灯
17、电流的大小是脉冲信号的平均值。灯电流的大小是脉冲信号的平均值。p 灯灯电电流流的的设设置置一一般般在在1 120mA20mA。不不同同的的元元素素灯灯根根据据需需要要选选用用合合适适的的灯灯电电流流。使使用用灯灯电电流流过过小小,放放电电不不稳稳定定;灯灯电电流流过过大大,溅溅射射作作用用增增加加,原原子子蒸蒸气气密密度度增增大大,谱谱线线变变宽宽,甚甚至至引起自吸,导致测定灵敏度降低,灯寿命缩短。引起自吸,导致测定灵敏度降低,灯寿命缩短。灯电流设置灯电流设置p空心阴极灯使用前应预热空心阴极灯使用前应预热20min20min30min30min以上;以上;p灯灯在在点点燃燃后后可可从从灯灯的的
18、阴阴极极辉辉光光的的颜颜色色判判断断灯灯的的工工作作是是否否正正常常;(充充氖氖气气,橙橙红红色色;充充氩氩气气,淡淡紫紫色色;汞汞灯灯是是蓝蓝色色。灯灯内内有有杂杂质质气气体体时时,负负辉辉光光颜颜色色变变淡,如充氖气的灯颜色可变为粉红,发蓝或发白,此时应对灯进行处理。)淡,如充氖气的灯颜色可变为粉红,发蓝或发白,此时应对灯进行处理。)p元元素素灯灯长长期期不不用用,应应定定期期(每每月月或或每每隔隔二二、三三个个月月)点点燃燃处处理理,即即在在工工作作电流下点燃电流下点燃1h1h。若灯内有杂质气体,辉光不正常,可进行反接处理。若灯内有杂质气体,辉光不正常,可进行反接处理。p使用元素灯时,应
19、轻拿轻放。低熔点的灯用完后,要等冷却后才能移动。使用元素灯时,应轻拿轻放。低熔点的灯用完后,要等冷却后才能移动。p为为了了使使空空心心阴阴极极灯灯发发射射强强度度稳稳定定,要要保保持持空空心心阴阴极极灯灯石石英英窗窗口口洁洁净净,点点亮亮后要盖好灯室盖后要盖好灯室盖。空心阴极灯使用空心阴极灯使用p 作用:将试样中待测元素变成气态的基态原子。p 种类:火焰原子化器;无火焰原子化器。火焰原子化器火焰原子化器雾化器燃烧器预混合室无火焰(电热)原子化器无火焰(电热)原子化器原子化系统通入助燃气燃气预混合室混合后点燃试样经雾化后进入火焰产生原子蒸气火焰原子化器工作原理p空空气气-乙乙炔炔火火焰焰:温温度
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