原子吸收分光光度法.ppt

原子吸收分光光度法,第 一節(jié) 概 述,一、定義,原子吸收分光光度法（AAS）亦稱為原子吸收光譜法，它是基于試樣蒸氣對(duì)待測(cè)元素特征譜線（共振線）的吸收特性來測(cè)定試樣中待測(cè)元素含量的分析方法。當(dāng)含有待測(cè)元素特征譜線的入射光通過基態(tài)的原子蒸氣時(shí)，原子就會(huì)與對(duì)應(yīng)頻率的光相互作用，產(chǎn)生共振，電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，同時(shí)使入射光強(qiáng)度減弱，產(chǎn)生原子吸收光譜，即原子吸收光譜。 原子吸收分光光度分析，就是利用處于基態(tài)的待測(cè)原子蒸氣對(duì)光源發(fā)射的特征譜線光的吸收特性來進(jìn)行分析測(cè)定的。,二、分析過程,1.銅空心陰極燈 2.火焰 3.氣態(tài)銅原子 4.單色器 5.光電檢測(cè)器 6.數(shù)據(jù)處理及輸出裝置 7.原子化系統(tǒng) 8.燃?xì)?9.助燃?xì)?10.含銅試液,原子吸收分析示意圖,三、比色法與原子吸收分光光度,四、特點(diǎn),1. 選擇性高、干擾少。分析不同元素需選擇不同的元素?zé)?，共存元素?duì)被測(cè)元素不產(chǎn)生干擾，一般不需要分離共存元素就可以進(jìn)行測(cè)定。 2. 靈敏度高。用火焰原子吸收分光光度法可測(cè)到10-9 g/mL數(shù)量級(jí)。用無火焰原子吸收分光光度法可測(cè)到10-13 g/mL數(shù)量級(jí)。 3. 測(cè)定的范圍廣。它可用來測(cè)定70多種元素，既可做痕量組分分析，又可進(jìn)行常量組分測(cè)定。應(yīng)用無火焰法，試樣溶液僅需1100 L。 4. 操作簡便、分析速度快、用途很廣。已在冶金、地質(zhì)、采礦、石油、輕工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。 5. 局限性。測(cè)定一些難熔元素，如稀土元素、鋯、鉿、鈮、鉭等以及非金屬元素不能令人滿意；測(cè)一種元素就得換一種空心陰極燈，使多元素的同時(shí)分析受到限制。,第二節(jié) 原子吸收分光光度法基本原理,一、共振線和吸收線,當(dāng)有入射光通過基態(tài)的原子蒸氣時(shí)，如果入射光的頻率等于原子中外層電子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需要的能量頻率，原子就會(huì)與對(duì)應(yīng)頻率的光相互作用，產(chǎn)生共振，電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，同時(shí)使入射光強(qiáng)度減弱，產(chǎn)生原子吸收光譜。電子從基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)所需能量最低，最易發(fā)生，所產(chǎn)生的吸收譜線稱為共振吸收線，當(dāng)它再返回基態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)射出相同頻率的譜線，稱為共振發(fā)射線。共振吸收線和共振發(fā)射線統(tǒng)稱為共振線。 各種元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布各不相同，因而它們的共振線各有特征，所以這種共振線稱為元素的特征譜線。對(duì)大多數(shù)元素來說，共振線是元素的分析靈敏線，又稱為分析線。,二、基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子的分配,在一定溫度下，當(dāng)處于熱力學(xué)平衡時(shí)，激發(fā)態(tài)原子數(shù) Nj 與基態(tài)原子數(shù) N0 之比服從玻耳茲曼分布定律。 常用的火焰溫度多低于 3000 K，對(duì)于大多數(shù)元素來說，Nj / N0 值都很小（小于1），即火焰中激發(fā)態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)小于基態(tài)原子數(shù)，Nj 與 N0 相比， Nj 可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為基態(tài)原子數(shù) N0 與火焰中待測(cè)元素的原子總數(shù) N 相等。,三、原子吸收分光光度法的定量基礎(chǔ),原子對(duì)不同頻率的光有不同程度的吸收，故透過光的強(qiáng)度I隨著光的頻率 而有所變化，其變化規(guī)律如圖所示，稱為吸收線。原子的吸收線并不是一條嚴(yán)格的幾何意義上的線，而是占據(jù)著有限的、相當(dāng)窄的頻率或波長范圍，即譜線具有一定寬度和輪廓。,1. 吸收線,2.定量基礎(chǔ),從理論上講，積分吸收即峰面積,與單位體積原子蒸氣中的基態(tài)原子數(shù)成正比，在一定條件下即與試液的濃度成正比。但是由于原子吸收線的半寬度僅為 10-3 nm 數(shù)量級(jí)，在目前的技術(shù)條件下還無法通過測(cè)量積分吸收來確定被測(cè)元素的濃度。,研究證明 K0 與 單位體積原子蒸氣中的基態(tài)原子數(shù)成正比。K0 的測(cè)定，需要使用銳線光源。實(shí)際上，目前原子吸收光譜分析都是用測(cè)定吸收線中心頻率處的峰值吸收系數(shù)，來計(jì)算待測(cè)元素的含量，這種方法稱為稱為峰值吸收法。A 與K0成正比，設(shè) b 為光通過的原子蒸汽的厚度，c 為樣品溶液的濃度，則有（其中 K,K 在一定實(shí)驗(yàn)條件下為常數(shù)）,銳線光源：能發(fā)射出譜線半寬度很窄的光源,吸收線,發(fā)射線,第三節(jié) 原子吸收分光光度計(jì),原子吸收儀器（1）,原子吸收儀器（2）,一、流程,二、光源,1.作用 提供待測(cè)元素的特征光譜。獲得較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。 光源應(yīng)滿足如下要求； （1）能發(fā)射待測(cè)元素的共振線； （2）能發(fā)射銳線； （3）輻射光強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。 2.空心陰極燈：結(jié)構(gòu)如圖所示,3.空心陰極燈的原理,施加適當(dāng)電壓時(shí)，電子將從空心陰極內(nèi)壁流向陽極; 與充入的惰性氣體碰撞而使之電離，產(chǎn)生正電荷，其在電場作用下，向陰極內(nèi)壁猛烈轟擊; 使陰極表面的金屬原子濺射出來，濺射出來的金屬原子再與電子、惰性氣體原子及離子發(fā)生撞碰而被激發(fā)，于是陰極內(nèi)輝光中便出現(xiàn)了陰極物質(zhì)和內(nèi)充惰性氣體的光譜。 用不同待測(cè)元素作陰極材料，可制成相應(yīng)空心陰極燈。 空心陰極燈的輻射強(qiáng)度與燈的工作電流有關(guān)。,優(yōu)缺點(diǎn)： （1）輻射光強(qiáng)度大，穩(wěn)定，譜線窄，燈容易更換。 （2）每測(cè)一種元素需更換相應(yīng)的燈。,三、原子化系統(tǒng),1.作用 將試樣中離子轉(zhuǎn)變成原子蒸氣,2.原子化方法,火焰法,火焰原子化裝置,主要缺點(diǎn)：霧化效率低。,火焰,試樣霧滴在火焰中，經(jīng)蒸發(fā)，干燥，離解（還原）等過程產(chǎn)生大量基態(tài)原子。 火焰溫度的選擇： （a）保證待測(cè)元素充分離解為基態(tài)原子的前提下，盡量采用低溫火焰； （b）火焰溫度越高，產(chǎn)生的熱激發(fā)態(tài)原子越多； （c）火焰溫度取決于燃?xì)馀c助燃?xì)忸愋?，常用空?乙炔最高溫度2600K，能測(cè)35種元素。,火焰類型：,化學(xué)計(jì)量火焰： 溫度高，干擾少，穩(wěn)定，背景低，常用。,富燃火焰： 還原性火焰，燃燒不完全，測(cè)定較易形成難熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。 貧燃火焰： 火焰溫度低，氧化性氣氛，適用于堿金屬測(cè)定。,火焰種類及對(duì)光的吸收：,選擇火焰時(shí)，還應(yīng)考慮火焰本身對(duì)光的吸收。根據(jù)待測(cè)元素的共振線，選擇不同的火焰，可避開干擾：,例：As的共振線193.7nm 由圖可見，采用空氣-乙炔火焰時(shí)，火焰產(chǎn)生吸收，而選氫-空氣火焰則較好； 空氣-乙炔火焰：最常用；可測(cè)定30多種元素； N2O-乙炔火焰：火焰溫度高，可測(cè)定的增加到70多種。,無火焰法-電熱高溫石墨管，激光,石墨爐原子化裝置,（1）結(jié)構(gòu)：外氣路中Ar氣體沿石墨管外壁流動(dòng)，冷卻保護(hù)石墨管；內(nèi)氣路中Ar氣體由管兩端流向管中心，從中心孔流出，用來保護(hù)原子不被氧化，同時(shí)排除干燥和灰化過程中產(chǎn)生的蒸汽。,（2）原子化過程,原子化過程分為干燥、灰化（去除基體）、原子化、凈化（去除殘?jiān)?四個(gè)階段，待測(cè)元素在高溫下生成基態(tài)原子。,（3）優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：原子化程度高，試樣用量少（1-100L），可測(cè)固體及粘稠試樣，靈敏度高，檢測(cè)極限10-12 g/L。 缺點(diǎn)：精密度差，測(cè)定速度慢，操作不夠簡便，裝置復(fù)雜。,其他原子化方法,（1）低溫原子化方法 主要是氫化物原子化方法，原子化溫度700900 C ； 主要應(yīng)用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等元素 原理：在酸性介質(zhì)中，與強(qiáng)還原劑硼氫化鈉反應(yīng)生成氣態(tài)氫化物。例 AsCl3 +4NaBH4 + HCl +8H2O = AsH3 +4NaCl +4HBO2+13H2 將待測(cè)試樣在專門的氫化物生成器中產(chǎn)生氫化物，送入原子化器中檢測(cè)。特點(diǎn)：原子化溫度低 ；靈敏度高（對(duì)砷、硒可達(dá)10-9g）；基體干擾和化學(xué)干擾??；,（2）冷原子化法,低溫原子化方法（一般700900C） 主要應(yīng)用于：各種試樣中Hg元素的測(cè)量 原理：將試樣中的汞離子用SnCl2或鹽酸羥胺完全還原為金屬汞后，用氣流將汞蒸氣帶入具有石英窗的氣體測(cè)量管中進(jìn)行吸光度測(cè)量。 特點(diǎn)：常溫測(cè)量；靈敏度、準(zhǔn)確度較高（汞可達(dá)10-8g）,四、分光系統(tǒng)：單色器,1.作用 將待測(cè)元素的共振線與鄰近線分開。 2.組件 色散元件（棱鏡、光柵），凹凸鏡、狹縫等。 3.單色器性能參數(shù) （1）線色散率（D）兩條譜線間的距離與波長差的比值X/。實(shí)際工作中常用其倒數(shù) /X （2）分辨率 儀器分開相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長與其波長差的比值/表示。 （3）通帶寬度（W）指通過單色器出射狹縫的某標(biāo)稱波長處的輻射范圍。當(dāng)?shù)股⒙剩―）一定時(shí)，可通過選擇狹縫寬度（S）來確定： W=DS,五、檢測(cè)系統(tǒng),主要由檢測(cè)器、放大器、對(duì)數(shù)變換器等裝置組成。 1.檢測(cè)器-將單色器分出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 如：光電池、光電倍增管、光敏晶體管等。 分光后的光照射到光敏陰極K上，轟擊出的光電子又射向光敏陰極1，轟擊出更多的光電子，依次倍增，在最后放出的光電子比最初多到106倍以上，最大電流可達(dá) 10A，電流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)送入放大器。 2.放大器-將光電倍增管輸出的較弱信號(hào)，經(jīng)電子線路進(jìn)一步放大。 3.對(duì)數(shù)變換器-光強(qiáng)度與吸光度之間的轉(zhuǎn)換。,第四節(jié) 定量分析方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù),一、定量分析方法,1.標(biāo)準(zhǔn)曲線法 配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)試樣，由低到高依次分析，將獲得的吸光度A數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于濃度作標(biāo)準(zhǔn)曲線，在相同條件下測(cè)定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對(duì)應(yīng)的濃度值；,或由標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)獲得線性方程，將測(cè)定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)帶入計(jì)算。 注意在高濃度時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線易發(fā)生彎曲，壓力變寬影響所致；,2.標(biāo)準(zhǔn)加入法,取若干份體積相同的試液（cX），依次按比例加入不同量的待測(cè)物的標(biāo)準(zhǔn)溶液（cO），定容后濃度依次為： cX ， cX +cO ， cX +2cO ， cX +3cO ， cX +4 cO 分別測(cè)得吸光度為：AX，A1，A2，A3，A4。 以A對(duì)濃度c做圖得一直線，圖中cX點(diǎn)即待測(cè)溶液濃度。,該法可消除基體干擾；不能消除背景干擾；,使用標(biāo)準(zhǔn)加入法應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）標(biāo)準(zhǔn)加入法的基礎(chǔ)是待測(cè)元素濃度與其吸光度成正比，因此待測(cè)元素的濃度應(yīng)在此線性范圍內(nèi)。 （2）為了得到較為準(zhǔn)確的外推結(jié)果，最少應(yīng)采用4個(gè)點(diǎn)來作校準(zhǔn)曲線。加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的量應(yīng)適當(dāng)，以保證曲線的斜率適宜，太大或太小的斜率，會(huì)引起較大的誤差。 （3）本法能消除基體效應(yīng)帶來的影響，但不能消除背景吸收的干擾。如存在背景吸收，必須予以扣除，否則將得到偏高的結(jié)果。,二、工作條件的選擇,（一）分析線的選擇 每種元素都有若干條吸收線，通常選用待測(cè)元素的共振線作為分析線，因?yàn)檫@樣可使測(cè)定具有較高的靈敏度。在光譜干擾、待測(cè)元素濃度過高或最靈敏線位于遠(yuǎn)紫外或紅外區(qū)時(shí)，也可選用次靈敏線或其它譜線進(jìn)行測(cè)定。 （二）空心陰極燈的工作電流 空心陰極燈一般需要預(yù)熱 15 min 以上才能有穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出。燈電流過小，放電不穩(wěn)定，光強(qiáng)輸出??；燈電流過大，造成被氣體離子激發(fā)的金屬原子數(shù)增多，由于熱變寬和碰撞變寬的影響，使發(fā)射線明顯變寬，導(dǎo)致靈敏度下降，燈壽命縮短。選用燈電流時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)選擇靈敏度高、強(qiáng)度適當(dāng)、穩(wěn)定性好的最小工作電流。通常以空心陰極燈上標(biāo)注的最大工作電流（約 510 mA）的 4060 為宜。,（三）原子化條件的選擇 用正交試驗(yàn)選擇綜合燃?xì)?、助燃?xì)夂腿紵鞲叨热蛩氐淖罴阉?，作為最佳工作條件。其它諸如燃?xì)?、助燃?xì)獾姆N類，溶液中陰離子的性質(zhì)，試液導(dǎo)入火焰的速度，試液的粘度等都是影響分析的因素，也應(yīng)加以考慮。 （四）狹縫寬度 選擇適宜的狹縫寬度，一方面要保證將共振吸收線與非吸收線分開，另一方面又要考慮適宜的光強(qiáng)度輸出。一般對(duì)于譜線較簡單的元素，如堿金屬、堿土金屬等，宜選用較寬的狹縫；而對(duì)于譜線復(fù)雜的元素，如過渡元素、稀土元素等，宜選用較窄的狹縫。,三、分析的靈敏度和檢出限,（一）靈敏度 在原子吸收分析中，將靈敏度定義為工作曲線的斜率S（S = dA /dc），它表示當(dāng)被測(cè)元素濃度或含量改變一個(gè)單位時(shí)吸光度的變化量。事實(shí)上常用特征濃度和特征含量能產(chǎn)生1 吸收的被測(cè)元素的濃度或含量，來比較在低濃度或含量區(qū)域工作曲線的斜率。影響原子吸收分析靈敏度的主要因素如下： 元素性質(zhì)：對(duì)一些難熔元素或易形成難解離化合物的元素，用直接法測(cè)定的靈敏度比測(cè)定普通元素的靈敏度低的多。 儀器的性能 ：光源的特性、單色器的分辨能力、檢測(cè)器的靈敏度等都影響分析的靈敏度。 操作條件 ：包括光源操作條件、原子化條件、吸收時(shí)火焰的高度、石墨爐原子化器的溫度、保護(hù)氣體流速等。,（二）檢出限 檢出限是原子吸收分光光度計(jì)的綜合性技術(shù)指標(biāo)，它既反映儀器的質(zhì)量和穩(wěn)定性，也反映儀器對(duì)某元素在一定條件下的檢出能力。 檢出限是表示在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，相應(yīng)于不少于10 次空白溶液讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍溶液濃度，以99.7 置信度確定的最低可檢出量的統(tǒng)計(jì)值，這使實(shí)際上是空白溶液但誤認(rèn)為是存在某種元素的概率大大減小。 顯然，檢出限比特征濃度有更明確的意義。因?yàn)楫?dāng)試樣測(cè)量信號(hào)小于3倍儀器噪聲時(shí)，將會(huì)被噪聲所掩蓋而檢測(cè)不出。檢出限越低，說明儀器的性能越好，對(duì)元素的檢出能力越強(qiáng)。,四、干擾及抑制,光譜干擾 物理干擾 化學(xué)干擾 背景干擾,1.光譜干擾及抑制,待測(cè)元素的共振線與干擾物質(zhì)譜線分離不完全，這類干擾主要來自光源和原子化裝置，主要有以下幾種： 1.在分析線附近有單色器不能分離的待測(cè)元素的鄰近線。 可以通過調(diào)小狹縫的方法來抑制這種干擾。 2.空心陰極燈內(nèi)有單色器不能分離的干擾元素的輻射。 換用純度較高的單元素?zé)魷p小干擾。 3.燈的輻射中有連續(xù)背景輻射。 用較小通帶或更換燈,試樣在轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)過程中物理因素變化引起的干擾效應(yīng)，主要影響試樣噴入火焰的速度、霧化效率、霧滴大小等。 可通過控制試液與標(biāo)準(zhǔn)溶液的組成盡量一致的方法來抑制。,2.物理干擾及抑制,指待測(cè)元素與其它組分之間的化學(xué)作用所引起的干擾效應(yīng),主要影響到待測(cè)元素的原子化效率，是主要干擾源。 1. 化學(xué)干擾的類型 （1）待測(cè)元素與其共存物質(zhì)作用生成難揮發(fā)的化合物，致使參與吸收的基態(tài)原子減少。 例：a、鈷、硅、硼、鈦、鈹在火焰中易生成難熔化合物 b、硫酸鹽、硅酸鹽與鋁生成難揮發(fā)物。 （2）待測(cè)離子發(fā)生電離反應(yīng)，生成離子，不產(chǎn)生吸收，總吸收強(qiáng)度減弱，電離電位6eV的元素易發(fā)生電離，火焰溫度越高，干擾越嚴(yán)重，（如堿及堿土元素）。,3.化學(xué)干擾及抑制,化學(xué)干擾的抑制,通過在標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液中加入某種光譜化學(xué)緩沖劑來抑制或減少化學(xué)干擾： （1）釋放劑與干擾元素生成更穩(wěn)定化合物使待測(cè)元素釋放出來。 例：鍶和鑭可有效消除磷酸根對(duì)鈣的干擾。 （2）保護(hù)劑與待測(cè)元素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，防止干擾物質(zhì)與其作用。 例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根與鈣作用。 （3）飽和劑加入足夠的干擾元素，使干擾趨于穩(wěn)定。 例：用N2OC2H2火焰測(cè)鈦時(shí)，在試樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入300mgL-1以上的鋁鹽，使鋁對(duì)鈦的干擾趨于穩(wěn)定。 （4）電離緩沖劑加入大量易電離的一種緩沖劑以抑制待測(cè)元素的電離。 例：加入足量的銫鹽，抑制K、Na的電離。,背景干擾主要是指原子化過程中所產(chǎn)生的光譜干擾，主要有分子吸收干擾和散射干擾，干擾嚴(yán)重時(shí)，不能進(jìn)行測(cè)定。 （1）分子吸收與光散射 分子吸收：原子化過程中，存在或生成的分子對(duì)特征輻射產(chǎn)生的吸收。分子光譜是帶狀光譜，勢(shì)必在一定波長范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾。 光散射：原子化過程中，存在或生成的微粒使光產(chǎn)生的散射現(xiàn)象。 產(chǎn)生正偏差，石墨爐原子化法比火焰法產(chǎn)生的干擾嚴(yán)重,4.背景干擾及抑制,(2) 氘燈連續(xù)光譜背景校正,旋轉(zhuǎn)斬光器交替使氘燈提供的連續(xù)光譜和空心陰極燈提供的共振線通過火焰； 連續(xù)光譜通過時(shí)：測(cè)定的為背景吸收(此時(shí)的共振線吸收相對(duì)于總吸收可忽略)； 共振線通過時(shí)， 測(cè)定總吸收； 差值為有效吸收；,（3）塞曼(Zeeman)效應(yīng)背景校正法,Zeeman效應(yīng)：在磁場作用下簡并的譜線發(fā)生裂分的現(xiàn)象； 校正原理：原子化器加磁場后，隨旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)平行磁場的偏振光通過火焰時(shí)，產(chǎn)生總吸收；當(dāng)垂直磁場的偏振光通過火焰時(shí)，只產(chǎn)生背景吸收； 見下頁圖示： 方式：光源調(diào)制法和共振線調(diào)制法（應(yīng)用較多），后者又分為恒定磁場調(diào)制方式和可變磁場調(diào)制方式。 優(yōu)點(diǎn)：校正能力強(qiáng)（可校正背景A 1.22.0）； 可校正波長范圍寬：190 900nm ；,五.應(yīng)用,應(yīng)用廣泛的微量金屬元素的首選測(cè)定方法(非金屬元素可采用間接法測(cè)量)。 (1)頭發(fā)中微量元素的測(cè)定微量元素與健康關(guān)系； (2)水中微量元素的測(cè)定環(huán)境中重金屬污染分布規(guī)律；,(3)水果、蔬菜中微量元素的測(cè)定； (4)礦物、合金及各種材料中微量元素的測(cè)定； (5)各種生物試樣中微量元素的測(cè)定。,