第六原子吸收光谱分析法课件.ppt
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1、第六原子吸收光谱分析法第六原子吸收光谱分析法第1页,此课件共111页哦 881 1概述概述利用物质的气态原子对利用物质的气态原子对特定波长的光的吸收特定波长的光的吸收来进行分析的方法。来进行分析的方法。第2页,此课件共111页哦l一、历史l定义:原子吸收光谱法是一种基于气态的待测元素基态原子对特征谱线的吸收而建立的一种分析方法。这一方法的发展经历了3个发展阶段:第3页,此课件共111页哦l1.原子吸收现象的发现l早在19世纪初,人们就发现了原子吸收现象。1802年,W.H.Wollaston在研究太阳连续光谱时,发现太阳光谱的暗线。第4页,此课件共111页哦2、空心阴极灯的发明、空心阴极灯的发
2、明l虽然原子吸收现象早在19世纪初就被发现,但原子吸收现象作为一种分析方法,是1955年的事(1955年以前,一直未用于分析化学,为什么?原子吸收线为锐线吸收,一般单色器无法获得。)。这一年,原子吸收光谱法在分析化学中的应用,解决了原子吸收光谱的光源问题,奠定了原子吸收光谱法的基础,之后迅速发展。第5页,此课件共111页哦如要测定试液中的镁离子如要测定试液中的镁离子P225第6页,此课件共111页哦3、电热原子化技术的提出、电热原子化技术的提出l1959年里沃夫提出电热原子化技术,大大提高了原子吸收的灵敏度。第7页,此课件共111页哦二、原子吸收与分子吸收、原子发二、原子吸收与分子吸收、原子发
3、射的比较射的比较l1原子吸收与分子吸收l相同点:都属吸收光谱,遵守比尔定律l不同点:吸光物质状态不同(分光光度法:溶液中的分子或离子;AAS:气态的基态原子);分子吸收为宽带吸收,而原子吸收为锐线吸收。第8页,此课件共111页哦2原子吸收与原子发射的比较原子吸收与原子发射的比较l原子吸收光谱利用的是原子的吸收现象,而原子发射光谱分析是基于原子的发射现象,二者是两种相反的过程。另测定方法与仪器亦有相同和不同之处。第9页,此课件共111页哦三.原子吸收分光光度法具有以下特点:l(1)灵敏度高l火焰原子吸收分光光度法测定大多数金属元素的相对灵敏度为1.010-81.010-10gmL-1,非火焰原子
4、吸收分光光度法的绝对灵敏度为1.010-121.010-14g。第10页,此课件共111页哦l(2)精密度好l由于温度的变化对测定影响较小,该法具有良好的稳定性和重现性,精密度好。一般仪器的相对标准偏差为12,性能好的仪器可达0.10.5%.第11页,此课件共111页哦l(3)选择性好,方法简便l由光源发出特征性入射光很简单,且基态原子是窄频吸收,元素之间的干扰较小,可不经分离在同一溶液中直接测定多种元素,操作简便。l(4)准确度高,分析速度快l测定微、痕量元素的相对误差可达0.10.5,分析一个元素只需数十秒至数分钟。第12页,此课件共111页哦l(5)应用广泛l可直接测定岩矿、土壤、大气飘
5、尘、水、植物、食品、生物组织等试样中70多种微量金属元素,还能用间接法测度硫、氮、卤素等非金属元素及其化合物。该法已广泛应用于环境保护、化工、生物技术、食品科学、食品质量与安全、地质、国防、卫生检测和农林科学等各部门。l第13页,此课件共111页哦82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。第14页,此课件共111页哦l二、原子吸收光谱的产生及共振线l在一般情况下,原子处于能量最低状态(最稳定态),称为基态(E0=0)。当原子吸收外界能量被激发时,其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上,原子的这
6、种运动状态称为激发态。处于激发态的原子很不稳定,大约在10-810-7s,便返回到基态(或较低能态),此时,原子若以电磁波的形式把能量释放出来,产生发射光谱第15页,此课件共111页哦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,热热热热能能能能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共振共振共振吸收线吸收线吸收线吸收线原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第16页,此课件共111页哦l1共振发射线:共振发射线:电子从基态跃迁到能量
7、最低的激发态时要吸收一定频率的光,它再跃迁回基态时,则发射出同样频率的光(谱线),这种谱线称为共振发射线。l2共振吸收线:共振吸收线:电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线第17页,此课件共111页哦l3共振线:共振发射线和共振吸收线都简称共振线:共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。为共振线。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
8、的谱线统称为共振线。第18页,此课件共111页哦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,即有一定轮廓第19页,此课件共111页哦l一束不同频率强度为I0的平行光通过厚度为L的原子蒸气,一部分光被吸收,透过光的强度Iv服从吸收定律lIv=I0exp(-kvl)l式中kv是基态原子对频率为v的光的吸收系数,表示单位体积内原子对光的吸收值。不同元素原子吸收不同频率的光。第20页,此课件共111页哦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
9、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,用表示第21页,此课件共111页哦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)。l第22页,此课件共111页哦l2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。第23页,此课件共111页哦l3压力变宽:由于同类原子或与其它粒子(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。第24页
10、,此课件共111页哦(三三)原子吸收光谱的测量原子吸收光谱的测量l讨论:能否用连续光源,经单色器分光后得到的单色光为入射光,进行原子吸收的测量?。l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。l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。如图8-5所示。第25页,此课件共111页哦第26页,此课件共111页哦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。第27页,此课件共111
11、页哦l但原子吸收线的半宽度仅为10-3nm,要在这样一个小的范围内,测定K对频率的积分值,分辨率高达50万的的单色器,这实际上是很难达到的。现在的分光装置无法实现。l这就是原子吸收现象早在19世纪初就被发现,但在很长的时间内,原子吸收现象没作为一种分析方法的原因。第28页,此课件共111页哦(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。第29页,此课件共111页哦(3)锐线光源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
12、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。l第30页,此课件共111页哦l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。第31页,此课件共111页哦峰值吸收测量示意图第32页,此课件共111页哦此式表明: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。第33页,此课件共111页哦四四基态原子
13、数与原子吸收定量基础基态原子数与原子吸收定量基础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分布定律第34页,此课件共111页哦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第35页,此课件共111页哦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
14、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。第36页,此课件共111页哦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。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。第37页,此课件共111页哦l8-3原子吸收分光光度计l原子分光光度计由光源、原子化系统、分光系统及检测显示系统四个部分构成。l如果将原
15、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。第38页,此课件共111页哦与分光光度计相比,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)原子化系统第39页,此课件共111页哦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液样品液废液废液切光器切光器助燃气助燃气燃气燃气第40页,此课件共111页哦l一光源:l1作作用用:提供待测元素的特征谱
16、线共振线。获得较高的灵敏度和准确度。l2.光源应满足的条件:l1)能辐射出半宽度比吸收线半宽度还窄的谱线,并且发射线的中心频率应与吸收线的中心频率相同。l2)辐射的强度应足够大。l3)辐射光的强度要稳定,且背景小。第41页,此课件共111页哦l2空心阴极灯:l空心阴极灯是一种气体放电管,其结构如图:第42页,此课件共111页哦第43页,此课件共111页哦第44页,此课件共111页哦l钨棒构成的阳极和一个圆柱形的空心阴极,空心阴极是由待测元素的纯金属或合金构成,或者由空穴内衬有待测元素的其它金属构成。第45页,此课件共111页哦l原理原理:l当在正负电极上施加适当电压(一般为200500伏)时,
17、在正负电极之间便开始放电,这时,电子从阴极内壁射出,经电场加速后向阳极运动。第46页,此课件共111页哦l电子在由阴极射向阳极的过程中,与载气(惰性气体)原子碰撞使其电离成为阳离子。带正电荷的惰性气体离子在电场加速下,以很快的速度轰击阴极表面,使阴极内壁的待测元素的原子溅射出来,在阴极腔内形成待测元素的原子蒸气云。第47页,此课件共111页哦l蒸气云中的待测元素的原子再与电子、惰性气体原子、离子发生碰撞而被激发,从而发射出所需频率的光。阴极发射出的光谱,主要是阴极元素的光谱(待测元素的光谱,另外还杂有内充惰性气体和阴极杂质的光谱)。第48页,此课件共111页哦l工作过程:高压直流电(300V)
18、-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。第49页,此课件共111页哦l用不同待测元素作阴极材料,可制成相应空心阴极灯(有单元素空心阴极灯和多元素空心阴极灯)。l空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。其主要操作参数灯是灯电流。灯电流过低,发射不稳定,且发射强度降低,信噪比下降;但灯电流过大,溅射增强,灯内原子密度增加,压力增大,谱线变宽,甚至引起自吸收,引起测定的灵敏度下降,且灯的寿命缩短。因此在实际工作要选择合适的灯电流。使用前,一般要预热520min。l此外,还有无极放电灯:强度高。但制备困难,价格高
19、。第50页,此课件共111页哦l二.原子化器l作用:将试样中的待测元素转变成气态的基态原子(原子蒸气)。l原子化是原子吸收分光度光法的关键。l实现原子化的方法,可分为:l火焰原子化法和非火焰原子化法。第51页,此课件共111页哦l(一)火焰原子化器:火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的。火焰型的原子化系统我们把它叫做火焰原子化器。l火焰原子化装置包括:雾化器和燃烧器两部分。燃烧器有全消耗型(试液直接喷入火焰)和预混合型(在雾化室将试液雾化,然后导入火焰)两类。目前广泛应用的是后者。l1结构:火焰原子化器的结构如图所示:l第52页,此课件共111页哦第53页,此课件共111页哦第5
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