原子吸收光谱法课件

第六章第六章 原子光谱法原子光谱法6.2.1 概述概述6.2.2 原子吸收光谱分原子吸收光谱分析的基本原理析的基本原理6.2.3 仪器类型与结构仪器类型与结构6.2.4 干扰及其抑制干扰及其抑制6.2.5 操作条件选择与操作条件选择与应用应用第二节 原子吸收光谱法Atomic spectrometryAtomic absorption spectrometry,AAS2024/6/18第六章 原子光谱法6.2.1 概述第二节 原子吸收光6.2.1 概述概述 原子吸收现象：原子蒸气对其原子共振辐射吸收的现象。1802年人们已发现原子吸收现象；1955年以前，一直未用于分析化学，为什么？澳大利亚物理学家 Walsh A（瓦尔西）发表了著名论文：原子吸收光谱法在分析化学中的应用 奠定了原子吸收光谱分析法的基础，之后迅速发展。2024/6/186.2.1 概述 原子吸收现象：原子蒸气对其原子共振辐原子吸收光谱分析法的特点原子吸收光谱分析法的特点特点：特点：(1)检出限低，10-910-12 gmL-1。(2)准确度高，1%5%。(3)选择性高，一般情况下共存元素不干扰。(4)应用广，可测定70多个元素（各种试样中）。局限性局限性：难熔元素、非金属测定困难，不能同时测多元素。2024/6/18原子吸收光谱分析法的特点特点：2023/8/96.2.2 原子吸收光谱分析的基本原理原子吸收光谱分析的基本原理 基态基态第一激发态第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。吸收一定频率的辐射能量。产生共振吸收线（简称共振线）产生共振吸收线（简称共振线）吸收光谱吸收光谱 激发态激发态基态基态 发射出一定频率的辐射。发射出一定频率的辐射。产生共振吸收线（也简称共振线）产生共振吸收线（也简称共振线）发射光谱发射光谱特征辐射基态元素基态元素M激发态激发态M*特征吸收E2024/6/186.2.2 原子吸收光谱分析的基本原理 基态第一激发态,吸1.1.原子吸收与原子发射法的对比原子吸收与原子发射法的对比 （1）吸收辐射后基态的原子数减少，辐射吸收值与基态原子的数量有关，也即由吸收前后辐射光强度的变化可确定待测元素的浓度。符合吸收定律。（2）AAS法具有高灵敏度。原子化温度在5000 K以下，绝大多数原子仍处于基态，辐射吸收正比于基态原子数。（3）吸收光谱远比发射光谱简单，由谱线重叠引起光谱干扰的可能性很小。2024/6/181.原子吸收与原子发射法的对比（1）吸收辐射后基态的原子数2.2.谱线变宽与谱线轮廓表征谱线变宽与谱线轮廓表征原子结构较分子结构简单，理论上应产生线状光谱吸收线。实际上用特征吸收频率辐射光照射时，获得一峰形吸收(具有一定宽度)。原子吸收线半宽度：10-3nm.由：It=I0e-KvL，透射光强度 It和吸收系数及辐射频率有关。以Kv与 作图。2024/6/182.谱线变宽与谱线轮廓表征原子结构较分子结构简单，理论上应谱线变宽与谱线轮廓表征谱线变宽与谱线轮廓表征表征吸收线轮廓(峰)的参数：中心频率0 (峰值频率)，最大吸收系数对应的频率；中心波长：(nm)半 宽 度：02024/6/18谱线变宽与谱线轮廓表征表征吸收线轮廓(峰)的参数：2023吸收峰变宽原因：吸收峰变宽原因：（1 1）自然宽度）自然宽度 照射光具有一定的宽度。（2）温度变宽温度变宽（多普勒变宽多普勒变宽）vD 多多普普勒勒效效应应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。2024/6/18吸收峰变宽原因：（1）自然宽度2023/8/9（3）压力变宽压力变宽 （劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）vL 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。劳伦兹（Lorentz）变宽：待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）：同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略。2024/6/18（3）压力变宽 （劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）vL（4）自吸变宽自吸变宽 光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。（5）场致变宽场致变宽 外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象。影响较小。在一般分析条件下vD为主。2024/6/18（4）自吸变宽 光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基3.3.锐线光源锐线光源（1 1）锐线光源）锐线光源 在原子吸收分析中需要使用锐线光源，测量谱线的峰值吸收，锐线光源需要满足的条件：（1）光源的发射线与吸收线的0一致。（2）发射线的v1/2小于吸收线的 v1/2。提供锐线光源的方法：空心阴极灯。2024/6/183.锐线光源（1）锐线光源2023/8/94.4.定量基础定量基础 A=k N0 L N0 Nc（N0激发态原子数，激发态原子数，N基态原子数，基态原子数，c 待测元素浓度）待测元素浓度）所以：A=lg(I0/I)=K c2024/6/184.定量基础 A=k N0 L26.2.3 仪器类型与结构仪器类型与结构一、仪器类型一、仪器类型 2024/6/186.2.3 仪器类型与结构一、仪器类型 2023/8/9原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪2024/6/18原子吸收光谱仪2023/8/92024/6/182023/8/9二、仪器结构流程二、仪器结构流程1.1.特点特点(1)(1)采用锐线光源采用锐线光源;(2)(2)单单色色器器在在火火焰焰与与检检测器之间测器之间;(3)(3)原子化系统原子化系统.2024/6/18二、仪器结构流程1.特点2023/8/92.2.原子吸收中的原子发射现象原子吸收中的原子发射现象 在原子化过程中，原子受到辐射跃迁到激发态后，将再跃迁至基态，故既存在原子吸收，也有原子发射。但返回释放出的能量可能有多种形式，产生的辐射也不在一个方向上，但对测量仍将产生一定干扰。消除干扰的措施：消除干扰的措施：将发射的光调制成一定频率；检测器只接受该频率的光信号。原子化过程发射的非调频干扰信号不被检测。2024/6/182.原子吸收中的原子发射现象 在原子化过程中，原子受到辐三、光源三、光源1.1.作用作用 提供待测元素的特征光谱。获得较高灵敏度和准确度。光源应满足如下要求；（1）能发射待测元素的共振线；（2）能发射锐线；（3）辐射光强度大，稳定性好。2.2.空心阴极灯空心阴极灯（动画动画）2024/6/18三、光源1.作用（动画）2023/8/93.3.空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理用用不不同同待待测测元元素素作作阴阴极极材材料料可制成相应空心阴极灯。可制成相应空心阴极灯。空空心心阴阴极极灯灯的的辐辐射射强强度度与与灯灯的工作电流有关。的工作电流有关。优缺点：优缺点：（1 1）辐辐射射光光强强度度大大，稳稳定定，谱线窄，灯容易更换。谱线窄，灯容易更换。（2 2）每每测测一一种种元元素素需需更更换换相相应的灯。应的灯。2024/6/183.空心阴极灯的原理用不同待测元素作阴极材料可制成相应空心阴四、原子化系统四、原子化系统1.1.作用作用 将试样中离子转变成原子蒸气。（动画）动画）2024/6/18四、原子化系统1.作用（动画）2023/8/92.2.原子化方法原子化方法 火焰法火焰法;（动画）动画）无火焰法：无火焰法：电热高温石墨管，激光。2024/6/182.原子化方法 火焰法;（动画）无火焰法：2023/8/93.3.火焰原子化装置火焰原子化装置 雾化器和燃烧器。雾化器和燃烧器。（1）雾化器）雾化器 结构如图所示 主要缺点：雾化效率低主要缺点：雾化效率低。（动画）动画）2024/6/183.火焰原子化装置 雾化器和燃烧器。主要缺2024/6/182023/8/9（2 2）火焰）火焰 试样雾滴在火焰中，经蒸发、干燥、解离（还原）等过程产生大量基态原子。火焰温度的选择：（a）保证待测元素充分解离为基态原子的前提下，尽量采用低温火焰。（b）火焰温度越高，产生的热激发态原子越多。（c）火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用空气-乙炔最高温度2600 K能测35种元素。2024/6/18（2）火焰 试样雾滴在火焰中，经蒸发、干燥、解离（还原 火焰类型：火焰类型：化学计量火焰化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。富燃火焰：富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。贫燃火焰：贫燃火焰：火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。2024/6/18 火焰类型：化学计量火焰：富燃火焰：2023/8/92024/6/182023/8/9火焰种类及对光的吸收：火焰种类及对光的吸收：选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素的共振线，选择不同的火焰，可避开干扰。例：例：As的共振线的共振线193.7 nm由图可见，采用空气-乙炔火焰时，火焰产生吸收，而选N2O-乙炔火焰则较好。空空气气-乙乙炔炔火火焰焰：最常用，可测定30多种元素。N2O-乙乙炔炔火火焰焰：火焰温度高，可测定的增加到70多种。2024/6/18火焰种类及对光的吸收：选择火焰时，还应考虑火焰本4.4.石墨炉原子化装置石墨炉原子化装置（1）结构）结构 外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸气。（动画动画）2024/6/184.石墨炉原子化装置（1）结构（动画）2023/8/9（2）原子化过程）原子化过程原原子子化化过过程程分分为为干干燥燥、灰灰化化(去去除除基基体体)、原原子子化化、净净化化(去去除残渣除残渣)四个阶段四个阶段，待测元素在，待测元素在高温下生成基态原子高温下生成基态原子。（动画动画）2024/6/18（2）原子化过程原子化过程分为干燥、灰化(去除基体)、原子化（3）优缺点）优缺点 优优点点：原子化程度高，试样用量少（1100L），可测固体及黏稠试样，灵敏度高，检出限10-12 g L-1。缺点：缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。2024/6/18（3）优缺点 优点：原子化程度高，试样用量少（115.5.其他原子化方法其他原子化方法（1）低温原子化方法）低温原子化方法 主要是氢化物原子化方法，原子化温度700900。主要应用于主要应用于：As，Sb，Bi，Sn，Ge，Se，Pb，Ti。原原理理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例：AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2 将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物，送入原子化器中检测。特特点点：原子化温度低，灵敏度高(对砷、硒可达10-9 g)，基体干扰和化学干扰小。2024/6/185.其他原子化方法（1）低温原子化方法2023/8/9（2 2）冷原子化法）冷原子化法 低温原子化方法（一般700900）。主要应用于主要应用于：各种试样中Hg元素的测量。原原理理：将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8 g汞）。2024/6/18（2）冷原子化法 低温原子化方法（一般7009五、单色器五、单色器 1.作用作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。2.组件组件 色散元件（棱镜、光栅）、凹凸镜、狭缝等。2024/6/18五、单色器 1.作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。六、检测系统六、检测系统主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。1.1.检测器检测器 将单色器分出的光信号转变成电信号。2.2.放大器放大器 将光电倍增管输出的弱信号，经电子线路进一步放大。3.对数变换器对数变换器光强度与吸光度之间的转换。4.显示、记录显示、记录 原子吸收计算机工作站2024/6/18六、检测系统主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组6.2.4 干扰及其抑制干扰及其抑制一、光谱干扰一、光谱干扰 待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全，这类干扰主要来自光源和原子化装置，主要有以下几种。（1）在分析线附近有单色器不能分离的待测元素邻近线，可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。（2）空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射，换用纯度较高的单元素灯减小干扰。（3）灯的辐射中有连续背景辐射，用较小通带或更换灯。2024/6/186.2.4 干扰及其抑制一、光谱干扰2023/8/9二、物理干扰及抑制二、物理干扰及抑制 试样在转移、蒸发过程中物理因素变化引起的干扰效应，主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。2024/6/18二、物理干扰及抑制 试样在转移、蒸发过程中物理因素变化三、化学干扰及抑制三、化学干扰及抑制 待测元素与其他组分间的化学作用，影响原子化效率，主要干扰源。1.1.化学干扰的类型化学干扰的类型（1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。例：a、钴、硅、硼、钛在火焰中易生成难熔化合物。b、硫酸盐、硅酸盐与铝生成难挥发物。（2）待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱，电离能6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重。例：碱及碱土元素。2024/6/18三、化学干扰及抑制 待测元素与其他组分间的化学作用，2.2.化学干扰的抑制化学干扰的抑制 标液和试液中加入光谱化学缓冲剂来抑制。（1）释放剂）释放剂与干扰元素生成更稳定化合物，释放。例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。（2）保护剂）保护剂与待测元素形成稳定的络合物，防止。例：加EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根与钙作用。（3）饱和剂）饱和剂加入足够的干扰元素，干扰稳定。例：用N2O-C2H2火焰测钛时，在试样和标液中加入300 mgL-1以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。（4）电离缓冲剂）电离缓冲剂加入大量易电离的一种缓冲剂，抑制。例：加入足量的铯盐，抑制K，Na的电离。2024/6/18 2.化学干扰的抑制 标液和试液中加入光谱化学缓冲剂来抑四、背景干扰及校正方法四、背景干扰及校正方法 原子化过程中所产生的光谱干扰：分子吸收干扰和散射干扰。干扰严重时，不能进行测定。1.1.分子吸收与光散射分子吸收与光散射 分分子子吸吸收收：原子化中，存在或生成的分子对特征辐射产生吸收。分子光谱是带状，一定波长范围内产生干扰。光光散散射射：原子化过程中，存在或生成的微粒使光产生的散射现象。产生正偏差，石墨炉原子化法产生的干扰严重。如何消除？如何消除？2024/6/18四、背景干扰及校正方法 原子化过程中所产生的光6.2.5 操作条件选择与应用操作条件选择与应用一、一、特征参数特征参数1.1.灵敏度灵敏度(1)灵敏度（灵敏度（S）Sc=A/c 或 Sm=A/m(2)特特征征浓浓度度对应于1%净吸收(It Is)/IT=1/100的待测物质量浓度(0)，或对应与0.0044吸光度的待测元素质量浓度。0=0.0044x/Ax 单位：g(L 1%)-1(3)特征质量特征质量 m0=0.0044mx/Ax 单位：g (1%)-12024/6/186.2.5 操作条件选择与应用一、特征参数2023/8/92.2.检出限检出限 在适当置信度下，能检测出的待测元素的最小质量浓度或最小质量。用接近于空白的溶液，经若干次（1020次）重复测定所得吸光度的标准偏差的3倍求得。(1)火焰法火焰法 DL=3Sb/Sc 单位：gmL-1 (2)石墨炉法石墨炉法 mDL=3Sb/Sm Sb：标准偏差；Sc(或Sm)：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率。2024/6/182.检出限 在适当置信度下，能检测出的待测元素的最小质二、测定条件的选择二、测定条件的选择1 1分析线分析线 一般选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线。2 2通带（可调节狭缝宽度改变）通带（可调节狭缝宽度改变）无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，反之（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带。3 3空心阴极灯电流空心阴极灯电流 在保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量选较低的电流。2024/6/18二、测定条件的选择1分析线2023/8/9测定条件的选择测定条件的选择4 4火焰火焰 依据不同试样元素选择不同火焰类型。5 5观测高度观测高度 调节观测高度（燃烧器高度），可使元素通过自由原子浓度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。2024/6/18测定条件的选择4火焰5观测高度2023/8/92024/6/182023/8/9三、三、定量分析方法定量分析方法1.1.标准曲线法标准曲线法 配制一系列不同浓度的标准试样，由低到高依次分析，将获得的吸光度A数据对应于浓度作标准曲线，在相同条件下测定试样的吸光度A数据，在标准曲线上查出对应的浓度值。或由标准试样数据获得线性方程，将测定试样的吸光度A数据带入计算。注意在高浓度时，标准曲线易发生弯曲，压力变宽影响所致。2024/6/18三、定量分析方法1.标准曲线法 或由标准试样数据获得线2.2.标准加入法标准加入法 取若干份体积相同的试液，依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液，定容后浓度依次为 cx，cx+c0，cx+2c0，cx+3c0，cx+4 c0，分别测得吸光度为：AX，A1，A2，A3，A4，。以A对浓度c做图得一直线，图中cx点即为稀释后的待测溶液浓度。该法可消除基体干扰，不能消除背景干扰。2024/6/182.标准加入法 取若干份体积相同的试液，依次按比例加入不四、应用四、应用 应用广泛的微量金属元素的首选测定方法(非金属元素可采用间接法测量)。(1)头发中微量元素的测定微量元素与健康关系。(2)水中微量元素的测定环境中重金属污染分布规律。(3)水果、蔬菜中微量元素的测定。(4)矿物、合金及各种材料中微量元素的测定。(5)各种生物试样中微量元素测定。2024/6/18四、应用 应用广泛的微量金属元素的首选测定方法(非金属元素2024/6/182023/8/9内容选择：内容选择：结束结束6.1 原子发射光谱法原子发射光谱法 6.2 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 6.3 原子荧光光谱法原子荧光光谱法2024/6/18内容选择：结束6.1 原子发射光谱法2023/8/9