原子吸收光谱法-AAS-and-AFS

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 原子吸收光谱法,(Atomic Absorption Spectrometry,AAS),4-1,概述,4-2,原子吸收光谱法基本原理,4-3,原子吸收光谱仪,4-4,定量分析方法,4-5,干扰及其抑制,4-6,灵敏度、检出极限、测定条件的选择,4-7,方法特点及应用,4-1,概述,原子吸收光谱分析 原子吸收分光光度法 原子吸收法,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,进行元素定量分析,的一种方法。,如图,:,测定试液中,Mg,2+,的含量,原于吸收分析示意图,原子吸收法和分光光度法在基本原理上是相同的，都是基于物质对光的吸收。,但吸光物质的状态不同，一个是基态原子的吸收，一个是溶液中分子或离子的吸收。,原子蒸气对光的吸收程度也是符合朗伯比耳定律的。,仪器的基本结构也与一般光度计类似。,4-2,原子吸收光谱法基本原理,一、共振发射线与共振吸收线,原子在两个能态之间的跃迁伴随着能量的发射和吸收。,最外层电子由基态跃迁到第一激发态时，所产生的吸收谱线称为,共振吸收线,。,跃回到基态时，则发射出同样频率的光，称为,共振发射线,。,发射,吸收,E,0,E,1,共振线：,共振发射线和共振吸收线的波长相同，简称为共振线。,各种元素的原子结构和外层电子排布不同，各能级的能量不同，不同元素的原子在基态和第一激发态间,跃迁能量不同,共振线具有特征性。,各种元素的基态和第一激发态间跃迁,最易发生,最灵敏线。,h,在原子吸收分析中，就是利用处于基态的待测原子蒸汽对从光源发射的共振发射线的吸收来进行分析的。,共振线的特点：,是元素的特征谱线,;,一般是元素所有谱线中最灵敏的谱线。,二、热激发时基态原子数与激发态原子数之间的分配,原子化过程：,MO,M,n,+,Mj,在适当条件下，基本不发生，且应尽量防止发生。,在适当条件下，基本不发生，且应尽量防止发生。,热力学平衡时，,激发态与基态原子数之比服从玻尔兹曼（,Boltzmann,）分布定律,：,式中：,N,j,和,N,0,激发态和,基态原子数；,P,j,和,P,O,激发态和基态的统计权重；,k,玻尔兹曼常数；,T,热力学温度。,T,一定，比值一定。,温度升高或共振线的波长越长，比值越大。通常比值,1%,，,N,j,10nm,时就不能使用），因背景吸收随波长而变。例如,Ni,的测定，共振线为,232.0nm,，非吸收线,231.6nm,。非吸收线可来自同一灯的发射线，也可用另一灯的发射线。,用背景校正器,A.,氘灯背景校正,旋转斩光器交替使空心阴极灯提供的共振线和氘灯提供的连续光谱（,190350nm,）通过火焰。,连续光谱通过时：,测定的为背景吸收（此时的共振线吸收相对于总吸收可忽略）；,共振线通过时：,测定总吸收；,差值,为有效吸收。,不足：,氘灯测的是整个通带内的平均背景，与分析线处的真实背景有差异，校正有可能过度或不足，且有波段限制，两灯光束在原子化器中严格重迭才能使两光源测得的背景一致。,B.,塞曼（,Zeeman,）效应背景校正,塞曼效应是指在强磁场中（光源发射线或）吸收线发生分裂的现象。一条谱线分裂为三条（均为偏振光），一条叫,线，平行于磁场方向，中心线与原吸收线波长相同，另两条叫,+,、,-,线，垂直于磁场方向，波长偏离原吸收线波长。,光源发射线通过起偏器后变为偏振光，随着起偏器的旋转，某一时刻有平行于磁场方向的偏振光通过原子化器，吸收线,和背景均产生吸收，测得原子吸收和背景吸收的总和。在另一时刻有垂直于磁场的偏振光通过原子化器，不产生原子吸收，测得的只是中心波长处背景的吸光度，两次吸光度之差，便校正了背景吸收。,优点：,可在全波段范围内进行；可校正较高吸光度（高达,1.52.0,）的背景，校正准确度较高，比氘灯校正优越得多。,C.,用自吸效应校正背景,特点：,校正范围大（紫外区和可见光区）；校正能力强,(,能扣除背景吸收值达,2.0,以上,),；仪器结构简单；影响空心阴极灯的寿命。,原理：,利用空心阴极灯在大电流时将产生自吸收这一效应，使灯的供电方式改为两种：一种是大电流的背景电流,(,几十毫安,),，这时测得的吸光度值为背景吸收值；另一种是小电流的信号电流,(,几毫安,),，这时的吸光度值为背景吸收和被测元素吸收之和。若调节两种电流的入射光强相等，则在两种电流下测得吸光度之差即与被测元素的含量成线性关系。,二、物理干扰（基体效应）,物理干扰,是指试样的物理性质改变（溶液的粘,度、表面张力、溶剂蒸气压等）所引起的干扰。,主要影响试样喷入火焰速度、雾化效率、雾滴大,小、溶剂的蒸发速度等，从而影响基态原子数。大,量基体元素的存在，总含盐量的增加，在火焰中蒸,发和离解时，必然要消耗大量热量，使火焰温度发,生变化，因而也会影响原子化效率，影响结果。,消除的办法是,:,配制相似组成的标液,使用标准加入法,如待测元素含量不太低，稀释试液。,三、电离干扰,电离干扰,是指待测元素的原子发生了电离反,应，使基态原子数减少，吸收强度减弱。这种干,扰多发生在易电离（电离电位,6ev,）的元素如,碱金属、碱土金属的测定中，温度越高，干扰越,严重。,消除的办法：,控制温度,加消电离剂,加入较大量的更易电离元素的盐，如,CsCl,等。,四、化学干扰,化学干扰,是指待测元素与其它组分发生了化学反应所引起的干扰效应。,典型的化学干扰是待测元素与共存组分作用生成稳定难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子数减少。有些元素（,Al,、,Si,、,B,、,Ti,）在火焰中易生成难离解的氧化物，使这些元素很难完全从化合物中解离出来，这也是常见的化学干扰。这种形成稳定化合物而引起干扰（原子化效率降低）的大小，在很大程度上取决于火焰温度，使用高温火焰可降低这种干扰。,消除的办法：,加,释放剂,与干扰元素生成更稳定化合物使待测元素释放出来。,例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。,加,保护剂,与待测元素形成稳定的络合物，防止干扰物质与其作用。,例：加入,EDTA,生成,EDTA-Ca,，避免磷酸根与钙作用。,加,饱和剂,加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。,例：用,N,2,OC,2,H,2,火焰测钛时，在试样和标准溶液中加入,300mg/L,以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。,加入基体改进剂,在石墨炉法中，加入基体改进剂可以使待测元素转变成更难挥发的化合物，或者使干扰组分转变为易挥发的化合物。,比如，,Se,在,300400,时便开始挥发，如果加入,Ni,盐，反应后生成,NiSe,，灰化温度可提高至,1200,，这样既有利于将干扰组分在灰化阶段除去，又不会造成,Se,的损失。又如，,NaCl,对测,Cd,有干扰，加入基体改进剂,NH,4,NO,3,，使其转变为易挥发的,NH,4,Cl,和,NaNO,3,，在灰化阶段便可除去。,采用标准加入法,该法中，由于试样和加标试样的基体基本相同，在比较测定结果时能将干扰因素部分扣除。,分离干扰,以有机溶剂萃取法用得多,，既分离了干扰物质又富集了低含量的待测元素。,有机溶剂对试样雾化及火焰燃烧过程有影响。,含氯的有机溶剂如氯仿、四氯化碳和苯、环已烷、正庚烷、石油醚等，燃烧不完全，生成的微粒碳引起散射，且这些溶剂本身也呈现很强的吸收，故不宜采用。而,酯类、酮类,燃烧完全，火焰稳定，溶剂本身也不呈现强吸收，,是比较合适的溶剂,，如甲基异丁基酮。,4-6,灵敏度、检出极限、测定条件的选择,一、灵敏度,灵敏度（,S,）,指在一定浓度时，测定值的,增量（,A,）与相应的待测元素浓度（或质量）,的增量（,c,或,m,）的比值（待测元素的浓度或,质量改变一个单位时吸光度,A,的变化量）：,S,c,=,A,/,c,或,S,m,=,A,/,m,火焰法中，用特征浓度来表征灵敏度。,所谓特征浓度是指能产生,1%,吸收或吸光度为,0.0044,时，溶液中待测元素的浓度。,单位：,g/(mL1%),例如：,0.4g/mL,镁溶液，用空气一乙炔焰原子吸收光度计测得其吸光度为,0.225,，测得溶剂空白的吸光度为,0.005,，求镁元素的特征浓度。,Cc,越小，则分析灵敏度越高。,石墨炉法中，用特征质量,m,c,来表征灵敏度。其定义为,:,能产生,1%,吸收信号时所对应的待测元素的质量。单位：,g/1%,对一定元素来讲，决定灵敏度的因素包括仪器性能和使用条件两个方面。,二、检测限,检测限是指能以适当的置信度检出的待测元素的最小浓度或最小量。,火焰法中，用相对检测限表示：,石墨炉法，用绝对检测限表示：,用空白溶液，经多次重复测定所得吸光度的标准偏差,工作曲线斜率,置信因子,检测限指出了测定的可靠程度，是灵敏度与精密度的综合。只有具有高的灵敏度和精密度时，才有低的检测限。降低噪声，提高测定精密度，是改善检测限的有效途径。,三、测定条件的选择,1,、分析线的选择,通常选择元素的共振线,（灵敏而特征）,作分析线。,如测微量,Na,用,589.0nm,，较高浓度时则用次灵敏线,330.3nm,。,2,、灯电流,电流过大，灯本身发生自吸现象反而减弱发射光强度；加快灯内气体的消耗而缩短寿命；多普勒变宽，工作曲线弯曲；灯光强度不稳定等。,电流过低，光强度小、稳定性及信噪比下降。,通过实验选定适宜的工作电流。,在保证稳定和合适光强输出的情况下，尽量选用较低的工作电流。,空心阴极灯标有允许使用的最大工作电流值。,3,、原子化条件,火焰原子化：,火焰类型（温度,-,背景,-,氧还环境）；燃助比（温度,-,氧还环境,),；,对于易生成难离解化合物的元素，如,Al,、,V,、,Mo,、,Ti,、,W,等，应选择温度高的乙炔一氧化亚氮火焰；,对于易电离、易挥发的元素，如,Pb,、,Cd,、,Zn,、碱金属、碱土金属等，应选用低温火焰。,石墨炉原子化：,升温程序的优化。具体温度及时间通过实验确定。,4,、观测高度,调节观测高度（燃烧器高度），可使光束通过自由原子浓度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。,高度不同，化学干扰可能不同。,5,、通带宽度,无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，,如,Na,+,0.5nm,；反之（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带，如,Fe,3+,0.2nm,。,6,、进样量,进样量过小，信号太弱；过大，对火焰会产生冷却效应，雾化效率降低，在,GFAAS,中，会使除残产生困难。在实际工作中，通过实验测定吸光度值与进样量的变化，选择合适的进样量。,4-7,原子吸收光谱法特点及应用,特点：,灵敏度高；干扰少，或易于克服；分析速度快；可测定七十多种元素。,不足之处：,不同元素要换用不同的灯；对于成分复杂的样品，干扰仍较严重；对某些元素如稀土等，测定灵敏度较低；仪器比较复杂，价格较贵。,原子吸收法,吸光光度法,定量依据,L,一,B,定律,同左,仪器组成,光源,原子化器,单色器,检测器,光源,单色器,吸收池,检测器,吸收实质,基态原子,分子或离子,对光源要求,锐线光源,连续光源、单色器分光,吸收质点的分布,不均匀,均匀,灵敏度,高,低,精密度,略差,稍好,干扰,小,大,应用范围,小,广,仪器结构和操作,复杂、价高,简单、价廉,分析速度,快,慢,原 子 荧 光 光 谱 法,Atomic Fluorescence Spectrometry,（,AFS,）,一、原理,1.,原子荧光光谱的产生,气态自由原子吸收特征辐射后跃迂到较高能级，然后又跃迁回到基态或较低能级。同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。,原子荧光为,光致发光,，,二次发光,，激发光源停止时，再发射过程立即停止。,2,原子荧光的类型 原子荧光分为,共振荧光,，,非共振荧光,与,敏化荧光,等三种类型。,（,1,）,共振荧光,气态原子吸收共振线被激发后，再发射与原吸收线波长相同的荧光即是共振荧光。,它的特点是激发线与荧光线的高低能级相同，其产生过程见图（,a,）,中之,A,。,如锌原子吸收,213.86nm,的光，它发射荧光的波长也为,213.86nm,。,若原子受热激发处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射相同波长的共振荧光，此种原子荧光称为热助共振荧光见图,（,a,）,中之,B,。,（,2,）,非共振荧光,当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光。非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、,anti Stokes,荧光。,（,3,）,敏化荧光,受光激发的原子,A,与另一种原子,B,碰撞时，把激发能传递给,B,原子使其激发，后者再以辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏化荧光（要求,A,原子浓度很高），在非火焰原子化器中才能观察到。,在以上各种类型的原子荧光中，,共振荧光强度最大，最为常用。,3.,荧光强度,I,f,=,I,a,I,f,荧光强度,为荧光量子效率,I,a,吸收光的强度,.,A,为有效面积,I,0,为单位面积上光的强度,l,为吸收光程长,N,为基态原子数,为峰值吸收系数,.,展开方程,忽略高次时,可得：,I,f,=AI,0,N,I,f,=,kC,增加,光源强度,I,0,可以提高原子荧光分析的灵敏度。,4,量子效率与荧光猝灭,量子效率,：,=,f,/,A,f,单位时间时内发射的荧光光子数,A,单位时间内吸收激发光的光子数,一般小于,1,。,荧光猝灭,受激原子和其他粒子碰撞，把一部分能量变成热运动与其他形式的能量，因而发生无辐射的去激发过程。,可用氩气来稀释火焰，减小猝灭现象。最好采用氢火焰，并以氩气,-,氧气代替空气,（,N,2,、,CO,2,、,CO,、,H,2,O,、,OH,都是荧光猝灭剂）。,二、仪器,原子荧光光度计分为,非色散型,和,色散型,。这两类仪器的结构基本相似，只是单色器不同。,原子荧光光度计与原子吸收光度计在很多组件上是相同的。如原子化器（火焰和石墨炉）；用切光器及交流放大器来消除原子化器中直流发射信号的干扰；检测器为光电倍增管等。,光源,也可以是连续光源如高压,Xe,弧灯,原子化器,反光镜,单色器,检测器,原子荧光光度计与原子吸收光度计的主要区别：,1.,光源,需要采用强光源。商品仪器中多采用高强度空心阴极灯、无极放电灯两种。,（,1,）高强度空心阴极灯,高强度空心阴极灯特点是在普通空极阴极灯中，加上一对辅助电极。辅助电极的作用是产生第二次放电，从而大大提高金属元素的共振线强度（对其它谱线的强度增加不大）。,（,2,）无极放电灯,无极放电灯比高强度空心阴极灯的亮度高，自吸小寿命长。特别适用于在短波区内有共振线的易挥发元素的测定。,2.,光路,在原子荧光中，为了检测荧光信号，避免待测元素本身发射的谱线，要求光源、原子化器和检测器三者处于直角状态。而原子吸收光度计中，这三者是处于一条直线上。,3.,色散系统 色散型。色散元件是光栅。非色散型。非色散型用滤光器来分离分析线和邻近谱线，可降低背景。,4,、原子吸收光谱法常用缝式火焰，以增大原子蒸气的厚度；而原子荧光光谱法则用方形或圆形截面火焰，以便更容易被激发辐射照射。,三、定量分析方法,（一）定量分析方法,标准曲线法,（二）干扰及消除,原子荧光的主要干扰是猝灭效应。这种干扰可采用减少溶液中其它干扰离子的浓度。,其它干扰因素如光谱干扰、化学干扰、物理干扰等与原子吸收光谱法相似。,四、原子荧光光谱法的特点,（,1,）高灵敏度、低检出限。,特别对,Cd,、,Zn,等元素有相当低的检出限，,Cd,可,达,0.001ng.cm,-3,、,Zn,为,0.04ng.cm,-3,。,由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，采用新的高强度光源可进一步降低其检出限。,（,2,）谱线简单、干扰少。,可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。,（,3,）标准曲线线性范围宽，可达,3-5,个数量级。,（,4,）多元素同时测定。,因为原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。,虽然原子荧光法有许多优点，但由于荧光猝灭效应，以致在测定复杂基体的试样及高含量样品时，尚有一定的困难。此外，散射光的干扰也是原子荧光分析中的一个麻烦问题,（,由于光源的强度比荧光强度高几个数量级）,。,因此，原子荧光光谱法在应用方面不及原子吸收光谱法和原子发射光谱法广泛，但可作为这两种方法的补充。目前主要用于,Cd,、,Zn,、,Hg,、,As,、,Sb,、,Sn,、,Pb,、,Ga,、,In,、,Tl,等元素分析。,五、化学蒸气发生原子荧光分析技术 （,CVG-AFS,),将氢化物进样技术和原子荧光光谱技术相结合（,HG-AFS,），如砷的测定。,氢化法是原子荧光光谱法中的重要分析方法，主要用于易形成氢化物的金属，如砷、锑、铋、硒、碲、锡、锗和铅等。,氢化法是以,强还原剂硼氢化钠,在,酸性介质,中与待测元素反应，生成,气态的氢化物,后，再引入原子化器中进行分析。,汞和镉生成冷蒸气也可用该测试系统进行测定,氯化物,发生体系可进行,Ge,等的测定。从此该技术由原来的,HG-,AFS,拓展为,CVG-AFS,。,由于硼氢化钠在弱碱性溶液中易于保存，使用方便，,反应速度快，且很容易地将待测元素转化为气体，所以,在原子荧光光谱法中得到广泛的应用，成为食品、环,境、医药、农业产品、轻工产品及矿产品中,As,、,Pb,、,Hg,、,Se,、,Cd,等元素分析的国家标准方法。,CVG-AFS,技术的特点,灵敏度高、检出限低。被测定的,11,个元素的检出限可达到,10,-10,10,-13,水平。,精密度好，一般,RSD1%,。,线性范围宽，可达到,34,个数量级。,分析元素与基体有效分离，光谱和化学干扰少。,适用于,As,、,Sb,、,Bi,、,Hg,、,Se,、,Te,、,Sn,、,Ge,、,Pb,、,Zn,、,Cd,11,个元素的测定。,可以进行两个,/34,个元素同时测定。,易于和,HPLC,、,GC,、,FIA,等技术联用，实现在线和形态分析。,完全实现了自动化。,仪器结构简单，不需要额外的燃气，仪器成本及运行费用低。,CVG-AFS,分析过程中的影响因素,（,1,）酸度；,（,2,）还原剂浓度；,（,3,）价态的影响；,（,4,）载气流速；,（,5,）屏蔽气流速；,（,6,）炉高。,（,1,）酸种类及酸度的影响,不同的酸种类和酸的浓度有很大的影响，因此在实际样品分析中首先要考虑每个元素测定的最佳酸类型和酸度。下表列出了,11,个可用,CVG-AFS,法测定元素的最适宜酸浓度。,各元素的可选择酸及酸度范围,元素,酸种类,浓度,mol/L,元素,酸种类,浓度,mol/L,As,HCl,H,2,SO,4,0.56,Pb,HCl,HClO,4,0.2,Sb,HCl,H,2,SO,4,0.56,Sn,H,2,SO,4,酒石酸,0.4/PH=1.3,Bi,HCl,HNO,3,0.56,Zn,HCl,0.12,Se,HCl,0.56,Cd,HCl,0.20.3,Te,HCl,0.56,Hg,HNO,3,HCl,0.21,Ge,H,3,PO,4,+H,2,SO,4,3.5P+1S,考虑样品酸浓度时要注意的事项,:,(1),首先明确样品的基体,如果样品基体特别简单,则在分析过程中在,各元素允许酸度范围内选择较低的酸浓度,这样有利于降低试剂,空白,节约成本及减小对仪器的腐蚀,;,(2),如果分析元素的成份复杂,特别是含有对氢化反应构成干扰的元,素,Cu,Co,Ni,等时,则适当增大样品酸度,有利于降低干扰,.,当然也,可更换酸的种类,例如测定镍基合金中的,Se,As,等元素时,用酒石酸,柠檬酸等有机酸,可以使干扰元素的量明显提高。,（,2,）,还原剂的影响,还原剂在氢化物发生原子荧光分析中扮演三重角色,:,(1),作为还原剂,为元素发生氢化反应提供新生态氢,(H);,(2),与酸反应生成氢气,在石英炉原子化器出口形成,Ar-H,2,-O,2,火焰,提供原子化阶段的能量,;,(3),提供充分的氢自由基,促使氢化物的原子化,.,因此,:,如果在测定过程中还原剂的浓度太低,则,(1),(3),不完全,测定灵敏度低,;,如果,还原剂浓度太大,则生成大量,H,2,炉口的火焰很大,稀释了原子化区的分析元素,原子的浓度,使测定灵敏度下降,.,选择还原剂浓度时要考虑的几点,还原剂必需在碱性溶液中配制,;,还原剂最好现用现配,;,还原剂浓度不宜过高,浓度太高时,:,(1),过渡金属的干扰会明显增加,;,(2),测定灵敏度下降,;,(3),仪器背景波动明显,;,(4),造成不必要的浪费,.,（,3,）,各元素价态对测定的影响,元素,最佳价态,元素,最佳价态,As,+3,Sn,+4,Sb,+3,Pb,+4,Se,+4,Hg,+2,Te,+4,Cd,+2,Bi,+3,Zn,+2,Ge,+4,（,4,）,载气流速对测定的影响,在,HG-AFS,测定时，通常以高纯,Ar,气作为载气。,主要,作用是将产生的气态氢化物或冷原子带入原子化器。载,气流速太小，会使氢化物在传输过程中发生吸附、分解,等现象而导致测定灵敏度下降；相反，载气流速太大，,则会将分析元素的原子迅速带出原子化器，冲稀了原子,化区的原子浓度，使测定灵敏度下降。其中,Sb,的最佳载,气流速为,200 300 ml/min,；,Cd,为,600 800 ml/min,；,As,、,Se,、,Te,、,Bi,等其它元素为,400 500 ml/min,。,（,5,）,屏蔽气流速对测定的影响,在,HG-AFS,测定时，通常以高纯,Ar,气作为屏蔽气。,主要作用是在原子化区将周围的空气隔离，降低原子荧光猝灭现象。,屏蔽载气流速太小，荧光猝灭效应显著，测定灵敏度下降；屏蔽气流速太大，冲稀了原子化区的原子浓度，使测定灵敏度下降。其中,Sb,的最佳载气流速为,400ml/min,；其它元素在,900 1000 ml/min,。,（,6,）,炉高对测定的影响,炉高太高或太低，荧光的激发区在火焰根部或顶部，会使测定噪音增大，信噪比下降，测定精密度和灵敏度下降。,通常情况下选择观测高度为,68 mm,。,