原子吸收光谱法或原子吸收分光光度法PPT通用课件

,Atomic Absorption Spectrometry(AAS),Atomic Fluorescence Spectometry(AFS),第七章原子吸收与原子荧光光谱法,干 扰 及 消 除 方 法,原子吸收光谱法的仪器,原子吸收光谱定量分析,原 子 荧 光 光 谱 法,概 述,原子吸收光谱法原理,原子吸收光谱仪,第一节 概 述,(,一,),原子吸收光谱法的发展,原子吸收现象在,19,世纪被人们发现，到,1955,年澳大利亚物理学家袄尔什奠定了原子吸收光谱的测量基础。原子吸收光谱法或原子吸收分光光度法,(atomic absorption spectrometry,AAS),是以测量气态基态原子外层电子对共振线的吸收为基础的分析方法。原子吸收光谱法是一种成分分析方法,可对六十多种金属元素及某些非金属元素进行定量测定,限可达,ng/mL,相对偏差约为,12%,。这种方法目前广泛用于低含量元素的定量测定。,(,二,),原子吸收与紫外可见比较,在原理上都是利用物质对辐射的吸收来进行分的,方法吸收机理完全不同,紫外,可见分光光度法测量,的是溶液中分子的吸收,一般为宽带吸收,吸收宽带从,几纳米到几十纳米,使用的是连续光源,;,而原子吸收分,光光度法测量的是气态基态原子的吸收,这种吸收为,窄带吸收,吸收宽带仅为,10,-3,nm,数量级,使用锐线光源。,(,三,),原子吸收光谱的基本过程,原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收，元素的特征辐射因被气态基态原子吸收而减弱，经过色散系统和检测系统后，测得吸光度， 进行元素定量分析。,基态原子吸收其共振辐射,外层电子,由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。,一、原子吸收线,(,一,),原子吸收线的产生,电子从基态跃迁至第一激发态,(,能量最低的激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线,简称共振线。在,AAS,分析中就是利用处于元素的基态原子蒸气对同种元素的原子特征谱线的共振发射线的吸收来进行分析的。,第二节 原子吸收光谱法原理,(,二,),基态原子与激发态原子的关系,在原子吸收光谱法中,使试样原子化的原子化器大都采用火焰作为能源。火焰中气态原子处于热激发状态,其中激发态原子数,Nj,与基态原子数,N,0,之间的关系可用玻兹曼方程式表示：基态原子与激发态原子的比可用,Bottzmannf,分布表示：,N,i,/N,0,= g,i,/g,0,e,-Ej/kT,共振线的波长与它的激发能成反比,所以随着共振线波长的增大,被激发的原子数目按指数关系增加。,图,7.2 2500K,下,不同波长的共振线与激发态原子数,Nj,的关系曲线,(,计算值,),应该指出,从图中可以看出,Nj/N,0,总是很小的,就是说,处于激发态的原子数与处于基态的原子数相比,可以忽略不计。所以,对于原子吸收来说,可以认为处于基态的原子数近似地等于所生成的总原子数,N,。,原子吸收光谱线有相当窄的频率或波长范围,即有一定宽度。,一束不同频率，强度为,I,0,的平行光通过厚度为,l,的原子蒸气时，一部分光被吸收。透过光的强度,I,服从吸收定律。,(,三,),原子吸收线的轮廓和变度,1.,原子吸收线的轮廓和吸收定律,I,= I,0,exp(-,k,l),式中,k,是基态原子对频率为,的光的吸收系数。,由图可知，在频率,0,处透过光强度最小，即吸收最大。若将吸收系数对频率作图，所得曲线为吸收线轮廓。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率,(,或中心波长,),和半宽度,来表征，中心频率由原子能级决定。,半宽度是中心频率位置、吸收系数极大值一半处，谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。,2.,吸收线变宽,谱线具有一定的宽度，主要有两方面的因素：一类是由原子性质所决定的，例如：自然宽度；另一类是外界影响所引起的，例如,:,热变宽、碰撞变宽等。,(1),自然宽度,没有外界影响,谱线仍有一定的宽度称为自然宽度。它与激发态原子的平均寿命有关,平均寿命越长,谱线宽度越窄。不同谱线有不同的自然宽度,多数情况下约为,10,-5,nm,数量级。根据量子力学的计算,自然宽度约为,10,-1,10,-4,nm,。由于自然宽度比其他因素所引起的谱线宽度小得多,所以在大多数情况下可以忽略。,(2),多普勒,(Doppler),变宽,由于辐射原子处于无规则的热运动状态,因此,辐射原子可以看作运动的波源。这一不规则的热运动与观测器两者间形成相对位移运动,从而发生多普勒效应,使谱线变宽。多普勒变宽是由于原子在空间作相对热运动产生的,所以又称为热变宽,一般可达,10,-3,nm,是谱线变宽的主要因素。,(3),压力变宽,由于辐射原子与其它粒子,(,分子、原子、离子、电子等,),间的相互作用而使得谱线变宽,统称为压力变宽。压力变宽通常是随压力的增加而增大。在压力变宽中,凡是同种粒子碰撞引起的变宽叫赫尔兹马克,(Holtzmark),变宽,凡是异种粒子引起的叫洛伦兹,(Lorentz),变宽。,此外,在外界电场或磁场作用下,能引起能级的分裂从而导致谱线变宽，这种变宽称为“场致变宽”。但这种变宽效应一般也不大。,(4),自吸变宽,由自吸现象而引起的谱线变宽称为,自吸变宽,。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，从而使谱线变宽。灯电流越大，自吸变宽越严重。,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。根据热力学的原理,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,Boltzman,分布定律。,N,i,/ N,0,= g,i,/ g,0,exp(- E,i,/,k,T),N,i,与,N,0,分别为激发态与基态的原子数；,g,i,/ g,0,为激发态与基态的统计权重,它表示能级的简并度；,T,为热力学温度；,k,为,Boltzman,常数；,E,i,为激发能。,二、 基态原子数与原子化温度的关系,从上式可知,温度越高, N,i,/ N,0,值越大,即激发态原子数随温度升高而增加,而且按指数关系变化；在相同的温度条件下,激发能越小,吸收线波长越长,N,i,/N,0,值越大。尽管如此,但是在原子吸收光谱中,原子化温度一般小于,3000K,大多数元素的最强共振线都低于,600 nm, N,i,/ N,0,值绝大部分在,10,-3,以下,激发态和基态原子数之比小于千分之一,激发态原子数可以忽略。因此，基态原子数,N,0,可以近似等于总原子数,N,。,三 、 原子吸收的测量,为了测定原子线中吸收原子的浓度,提出了以下方法：,(,一,),积分吸收测量法：,原子吸收是由基态原子对共振线的吸收而得到的。对于一条原子吸收线,由于谱线有一定的宽度,所以可以看成是由极为精细的许多频率相差甚小的光波组成。若按吸收定律,可得各相应的吸收系数等,并可绘制出吸收曲线。见图,图中整条曲线表示这条吸收谱线的轮廓。将这条曲线进行积分,即 代表整个原子线的吸收,称为“积分吸收”。,图,7.5,积分吸收曲线,积分吸收与火焰中基态原子数的关系,由下列方程式表示：,式中,N,为单位体积内自由原子数，,e,为电子电荷,m,为一个电子的质量,f,为振子强度,(,无量纲因子,),它表示被入射光激发的每个原子的平均电子数,用以估计谱线的强度。表中列出了某些元素的振子强度。有关积分吸收系数的公式推导,不予讨论。,= kN,(,二,).,峰值吸收测量法：,如果采用发射线半宽度比吸收线半宽度小得多的锐线光源,并且发射线的中心与吸收线的中心一致,就不需要用高分辨率的单色器,而只要将其与其它谱线分离,就能用测出峰值吸收系数的方法代替积分吸收测定法。,图,7.6,发射线和吸收线,0,在一般原子吸收测量条件下,原子吸收轮廓取决于,Doppler (,热变宽,),宽度,通过运算可得峰值吸收系数：,K,=K,0,将各常数合并后，得,A = Kc,可以看出,峰值吸收系数与原子浓度成正比,只要能测出,K,0,就可得出,N,0,。,原子吸收分光光度计由光源、原子化器、单色器、检测器四个上要部分组成,如图所示：,图,7.7,单光束原子吸收光度计示意图,第三节 原子吸收光谱仪器,实验装置,图,7.8,原子吸收的实验装置,图,7.9,原子吸收分光光度计示意图,一、,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。在使用锐线光源时,光源发射线半宽度很小,并且发射线与吸收线的中心频率一致。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,K,在此轮廓内不随频率,而改变,吸收只限于发射线轮廓内。这样,一定的,K,0,即可测出一定的原子浓度。,原子吸收线的半宽度很窄,因此,要求光源发射出比吸收线半宽度更窄的、强度更大的而且稳定的锐线光谱,才能得到准确的结果。空心阴极灯、蒸气放电灯和高频无极放电灯等光源,均具备上述条件,但目前广泛使用的是空心阴极灯。空心阴极灯是一种阴极呈空心圆柱形的气体放电管。,图,7.10,空心阴极灯,(,一,),空心阴极灯的构造,空心阴极灯是由玻璃管制成的封闭着低压气体的放电管。主要是由一个阳极和一个空心阴极组成。阴极为空心圆柱形,由待测元素的高纯金属和合金直接制成,贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为钨棒,上面装有,钛丝或钽片,作为吸气剂。灯的光窗材料根据所发射的共振线波长而定,在可见波段用硬质玻璃,在紫外波段用石英玻璃。制作时先抽成真空,然后再充入压强约为,267 1333 Pa,的少量氖或氩等惰性气体,其作用是 载带电流、使阴极产生溅射及激发原子发射特征的锐线光谱。,图,7.11,空心阴极灯的构造,(,二,),放电机理,由于受宇宙射线等外界电离源的作用,空心阴极灯中总是存在极少量的带电粒子。当极间加上,300 500V,电压后,管内气体中存在着的极少量阳离子向阴极运动,并轰击阴极表面,使阴极表面的电子获得外加能量而逸出。逸出的电子在电场作用下，向阳极作加速运动，在运动过程中与充气原子发生非弹性碰撞，从而产生能量交换，使惰性气体原子电离产生二次电子和正离子。,在电场作用下，这些质量较重、速度较快的正离子向阴极运动并轰击阴极表面，不但使阴极表面的电子被击出，而且还使阴极表面的原子获得能量从晶格能的束缚中逸出而进入空间，这种现象称为,阴极的“溅射”,。“溅射”出来的阴极元素的原子，在阴极区再与电子、惰性气体原子、离子等相互碰撞，而获得能量被激发发射阴极物质的线光谱。,(,三,),空极阴极灯特性,空心阴极灯发射的光谱，主要是阴极元素的光谱。若阴极物质只含一种元素，则制成的是单元素灯。若阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。多元素灯的发光强度一般都较单元素灯弱。,空心阴极灯的发光强度与工作电流有关。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。因此在实际工作中应选择合适的工作电流。空心阴极灯要求使用稳流电源,灯电流的稳定度在,0.1-0.5%,左右,输出电流为,0-50mA,输出电压约,450-500V,。,空心阴极灯是性能优良的锐线光源。由于元素可以在空心阴极中多次溅射和被激发，气态原子平均停留时间较长，激发效率较高，因而发射的谱线强度较大；由于采用的工作电流一般只有几毫安或几十毫安，灯内温度较低，因此热变宽很小；由于灯内充气压力很低，激发原子与不同气体原子碰撞而引起的压力变宽可忽略不计；由于阴极附近的蒸气相金属原子密度较小，同种原子碰撞而引起的共振变宽也很小。此外，由于蒸气相原子密度低、温度低、自吸变宽几乎不存在，因此，使用空心阴极灯可以得到强度大、谱线很窄的待测元素的特征共振线。,二、原子化器,原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。对,原子化器的基本要求,：必须具有足够高的原子化效率；必须具有良好的稳定性和重现形；操作简单及低的干扰水平等。常用的原子化器有,火焰原子化器和非火焰原子化器。,(,一,),火焰原子化器,火焰原子化法中，常用的是预混合型原子化器，它是由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾化室中与气体,(,燃气与助燃气,),均匀混合，除去大液滴后，再进入燃烧器形成火焰。此时，试液在火焰中产生原子蒸气。,图,7.12,预混合型火焰原子化器,1,、 雾化器,(,喷雾器,),喷雾器是火焰原子化器中的重要部件。它的作用是将试液变成细雾。雾粒越细、越多,在火焰中生成的基态自由原子就越多。目前,应用最广的是气动同心型喷雾器。喷雾器喷出的雾滴碰到玻璃球上,可产生进一步细化作用。生成的雾滴粒度和试液的吸入率影响测定的精密度和化学干扰的大小。目前,喷雾器多采用不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃等制成。,图,7.13,喷雾器,2,、雾化室 雾化室的作用主要是除去大雾滴,并使燃气和助燃气充分混合,以便在燃烧时得到稳定的火焰。雾化室的结构见图。其中的扰流器可使雾粒变细,同时阻挡大的雾滴进入火焰。一般的喷雾装置的雾化效率为,5-15%,。,图,7.14,雾化室,3,、燃烧器 试液的细雾滴进入燃烧器,在火焰中经过干燥、熔化、蒸发和离解等过程产生大量的基态自由原子及少量的激发态原子、离子和分子。通常,要求燃烧器的原子化程度高、火焰稳定、吸收光程长、噪声小等。常用的预混合型燃烧器,一般可达到上述要求。燃烧器有单缝和三缝两种。燃烧器的缝长和缝宽,应根据所用燃料确定。目前,单缝燃烧器应用最广。,单缝燃烧器产生的火焰较窄,使部分光束在火焰周围通过而未被吸收,从而使测量灵敏度降低。,采用三缝燃烧器,由于缝宽较大,产生的原子蒸气能将光源发出的光束完全包围,外侧缝隙还可以起到屏蔽火焰作用,并避免来自大气的污染物。,因此,三缝燃烧器比单缝燃烧器稳定。燃烧器多为不锈钢制造。燃烧器的高度应能上下调节,以便选取适宜的火焰部位测量。为了改变吸收光程,扩大测量浓度范围,燃烧器可旋转一定角度，改变吸收光程。,图,7.15,燃烧器,燃烧器中火焰的作用,是使待测物质分解形成基态自由原子。按照燃料气体与助燃气体的不同比例,可将火焰分为三类。,中性火焰：,这种火焰的燃气与助燃气的比例与它们之间化学反应计量关系相近。它具有温度高、干扰小、背景低及稳定等特点,适用于许多元素的测定。,富燃火焰：,即燃气与助燃气比例大于化学计量。这种火焰燃烧不完全、温度低、火焰呈黄色。富燃火焰的特点是还原性强。背景高、干扰较多、不如中性火焰稳定,但适用于易形成难离解氧化物元素的测定。,4,火焰,(1),火焰的性质和种类,贫燃火焰,：,燃气与助燃气比例小于化学计量。这种火焰的氧化性较强,温度较低,有利于测定易解离、易电离的元素,如碱金属等。,原子吸收中所选用的火焰温度,应使待测元素恰能离解成基态自由原子。温度过高时,会使基态原子减少,激发态原子增加,电离度增大。选择火焰时,还应考虑火焰本身对光的吸收。从图可以看出,火焰可吸收短波区域的共振线,此时,如用,1900,的共振线测定硒,就显然不能选用空气一乙炔火焰,而应采用空气一氢气火焰。,图,7.16,火焰区域划分图,空气,乙炔火焰是原子吸收光谱分析中最常用的一种火焰。它能用于测定三十多种元素,但它在短波紫外区有较大吸收。,一氧化二氮,乙炔火焰也常用于原子吸收光谱分析。它比空气,乙炔火焰温度高,适用于难原子化元素的测定。这种光源使火焰原子吸收光谱分析法可测定的元素增加到,70,多种。,试样在原子化过程中,伴随着一系列反应,如离解、电离、化合、氧化和还原等。它们与火焰的组成、温度以及试液中共存元素等有关,情况十分复杂,此处不作讨论。,图,7.17,不同火焰的吸收,表,7.1,火焰的温度,图,7.18,各种火焰的吸收曲线,空气,-,乙炔焰 空气,-,氢焰 氩,-,氢焰,(,二,),非火焰原子化器：,非火焰原子化器或无火焰原子化器虽然操作简单,但雾化效率低,原子化效率也低。它是利用电热、阴极溅射、等离子体或激光等方法使试样中待测元素形成基态自由原子。目前,广泛应用的非火焰原子化器是石墨炉原子化器。石墨炉原子化法的过程是将试样注入石墨管中间位置,用大电流通过石墨管以产生高达,2000 3000,的高温使试样经过干燥、蒸发和原子化。,与火焰原子化法相比,石墨炉原子化法具有如下特点：,a.,灵敏度高、检测限低,因为试样直接注入石墨管内,样品几乎全部蒸发并参与吸收。试样原子化是在惰性气体保护下,还原性气的石墨管内进行的,有利于难熔氧化物的分解和自由原子的形成,自由原子在石墨管内平均滞留时间长,因此管内自由原子密度高,绝对灵敏度达,10-12,10-15,克。,b.,用样量少,通常固体样品为,0.1,10,毫克,液体试样为,5 50,微升。因此石墨炉原子化特别适用于微量样品的分析,但由于非特征背景吸收的限制,取样量少,相对灵敏度低,样品不均匀性的影响比较严重,方法精密度比火焰原子化法差,通常约为,25%,。,c.,试样直接注入原子化器,从而减少溶液一些物理性质对测定的影响,也可直接分析固体样品。,d.,排除了火焰原子化法中存在的火焰组份与被测组份之间的相互作用,减少了由此引起的化学干扰。,e.,可以测定共振吸收线位于真空紫外区的非金属元素,I,、,P,、,S,等。,f.,石墨炉原子化法所用设备比较复杂,成本比较高。,但石墨炉原子化器在工作中比火焰原子化系统安全。,g.,石墨炉产生的总能量比火焰小,因此基体干扰较严,重,测量的精密度比火焰原子化法差。,石墨炉的基本结构包括：石墨管,(,杯,),、炉体,(,保护气系统,),、电源等三部分组成。工作是经历干燥、灰化、原子化和除残等四个阶段,即完成一次分析过程。,1.,石墨炉原子化器结构,石墨炉原子化器由炉体、石墨管、和电、水、气供给系统三部分组成。,(1),加热电源,图,7.19,石墨炉,石墨炉电源是一种低压,(812,V,),、大电流,(300 600A),而稳定的交流电源。设有能自动完成干燥、灰化、原子化、除残阶段的操作程序。,石墨管温度取决于流过的电流强度。石墨管在使用过程中,石墨管本身的电阻和接触电阻会发生改变,从而导致石墨管温度的变化。因此电路结构应有“稳流”装置。,(2),石墨管：有两种形状。一种是沟纹型,用于有机溶剂,取样可达,50,L,，但其最高温度较低,不适于测定钒、钼等高沸点元素。另一种是广泛使用的标准型,长约,28mm,内径,8mm,管中央有一小孔,用以加入试样。,具有热解石墨涂层的石墨管,有使用寿命长和使难熔元素的分析灵敏度提高等优点。这种石墨管通常使用含,10%,甲烷与,90%,氩气的混合气体。,(3),炉体：炉体具有水冷却套管,内部可通入惰性气体,两端装有石英窗，中间有进样孔,其结构见图。,石墨炉中的水冷却装置,用于保护炉体。当电源切断后,炉子能很快地冷却至室温。惰性气体,(,氩或氮气,),的作用,在于防止石墨管在高温中被氧化,防止或减少被测元素形成氧化物,并排除在分析过程中形成的烟气。,2.,石墨炉原子化器升温程序,石墨炉工作时,要经过干燥、灰化、原子化和除去残渣四个步骤。,(1),干燥,干燥的目的是蒸发样品中的溶剂或水分。通常,干燥温度应稍高于溶剂的沸点。如果分析含有多种溶剂的复杂样品,采用斜坡升温更为有利。干燥时间与样品体积有关。一般为,20s,至,60s,不等。,(2),灰化,灰化的作用是为了在原子化之前,去掉比分析元素化合物容易挥发的样品中的基体物质。很明显,灰化步骤可减少分子吸收的干扰。应该指出,当分析元素与基体在同一温度下挥发时,进行灰化步骤无疑会损失待测元素。此时,可采用下述办法：,利用校正背景方法扣除基体产生的分子吸收光谱,而不采用灰化步骤。,用合适的试剂处理样品,使样品中的基体比分析元素更易挥发,或更难挥发。在选择灰化参数时,必须具体考虑基体和分析元素的性质。,(3),原子化,原子化温度一般为,1800-3200,0,C ,时间为,5-8,秒,在实际工作中通过绘制吸收,原子化温度关系曲线,选择最佳原子化温度,通过绘制吸收,原子化时间关系曲线,选择最佳原子化时间。在原子化过程,应停止载气通过,以延长基态原子在石墨炉中的停留时间,提高分析方法的灵敏度。,(4),除残,在高温下除去留在石墨炉中的基体残留物,消除记忆效应,为下一次做准备。除残温度应高于原子化温度,即在,25003200,0,C,除残时间,35,秒。,适用于,Ge,、,Sn,、,Pb,、,As,、,Sb,、,Bi,、,Se,和,Te,等元素。在一定的酸度下,将被测元素还原成极易挥发与分解的氢化物,如,AsH,3,、,SnH,4,、,BiH,3,等。这些氢化物经载气送入石英管后,进行原子化与测定。,三、分光系统,(,一,),外光路,(,照明系统,),组成：由锐线光源和两个透镜组成。,作用：光源发射的共振发射线能正确地通过或聚焦于,原子化区,并把透过光聚焦于单色器的入射狭缝。,(,二,),单色器,原子吸收光谱法应用的波长范围,一般是紫外、可,见光区,即从铯,852.1nm,至砷,193.7nm,。常用的单色器,为光栅。,组成,：入射狭缝、光栅、凹面反射镜和出射狭缝。,作用,：在原子吸收分光光度计中,单色器的作用主要是将灯发射的被测元素共振线与其它发射线分开。,位置,：在原子化器后边。,作用,：防止原子化时产生的辐射干扰进入检测器，避,免强烈辐射引起光电倍增管的疲劳。,在原子吸收光谱法中,由于采用空心阴极灯作光源,发射的谱线大多为共振线,故比一般光源发射的光谱简单。在实际工作中选择合适的光谱通带来选择狭缝宽度。,光谱通带公式,W=DS,式中, W,：光谱通带, D,：倒线色散率,(/mm), S,：狭缝宽度,(mm),。它可理解为“,仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度,。”在两相邻干扰线间距离小时,光谱通带要小,反之,光谱通带可增大。由于不同元素谱线复杂程度不同,选用的光谱通带亦各不相同,如碱金属、碱土金属,谱线简单、背景干扰,小可选,较大,的光谱通带,而过渡族、稀土族,元素谱线复杂,则应采用,较小,的光谱通带。一般在原子吸光谱法中,光谱通带为,0.2nm,已可满足要求，故采用中等色散率的单色器。,当单色器的色散率一定时,则应选择合适的狭缝宽度来达到谱线既不干扰,吸收又处于大值的最佳工作条件,。,四、检测系统,在火焰原子吸收光谱法中,通常采用光电倍增管为检测器。为了提高测量灵敏度,消除被测元素火焰发射的干扰,需要使用交流放大器。电讯号经放大后,即可用读数装置显示出来。,在非火焰原子吸收法中,由于测量信号具有峰值形状,故宜用峰高法和积分法进行测量,通常使用记录仪来记录测量讯号。,五、原子吸收分光光度计的类型,原子吸收分光光度计的型号繁多。按光束分,有单光束与双光束型；按调制方法分,有直流和交流型；按波道分,有单道、双道和多道型。现仅介绍常用的两种类型。,1.,单道单光束型：,特点,:,只有一个单色器,外光路只有一束光。,优点,:,结构简单,光能集中,辐射损失少,灵敏度较高,能满足一般分析要求。,缺点,:,光源或检测器的不稳定性会引起吸光度读数的零点漂移。,对策,： 使用前要预热光源,并在测量时经常校正零点。,2.,单道双光束型：,特点,:,一个单色器,外光路有两束光。,原理,:,在单道双光束型原子吸收光度计中,光源发射的共振线,被切光器分成两束光,一束通过试样被吸收,(S,束,),另一束作为参比,(R,束,),两束光在半透反射镜,M,处,交替地进入单色器和检测器。,优点,:,由于两光束由同一光源发出,并且所用检测器相同,因此可以消除光源和检测器不稳定的影响。双光束仪器的稳定性和检测限均优于单光束型。,缺点,:,不能消除火焰不稳定的影响。,图,7.20,单道双光束型原子吸收光度计,原子吸收光谱法的主要干扰有物理干扰、化学干扰、电离干扰、光谱干扰和背景干扰等。,一、物理干扰,物理干扰是指,试液与标准溶液,物理性质,有差异而产生的干扰。如粘度、表面张力或溶液的密度等的变化，影响样品的雾化和气溶胶到达火焰传送等引起原子吸收强度的变化而引起的干扰。,消除办法,：,1.,配制与被测试样组成相近的标准溶液或采用标准加入法。,2.,尽可能避免使用粘度较大的硫酸和磷酸,若试样溶液的浓度高,还可采用稀释法。,第四节 干扰及消除方法,二、化学干扰,化学干扰是由于被测元素原子与共存组份发生化学反应生成稳定的化合物，影响被测元素的原子化而引起的干扰。,消除化学干扰的方法,：,(1),选择合适的原子化方法,提高原子化温度，减小化学干扰。使用高温火焰或提高石墨炉原子化温度，可使难离解的化合物分解。,采用还原性强的火焰与石墨炉原子化法，可使难离解的氧化物还原、分解。,(2),释放剂当欲测元素和干扰元素在火焰中形成稳定的化合物时，加入另一种物质和干扰元素化合，生成更稳定或更难挥发的化合物，从而使待测元素从干扰元素的化合物中释放出来。这种加入的物质称为释放剂。,例如：,测定植物中的钙时，加入镁和硫酸，可使钙从磷酸盐和铝的化合物中释放出来。,例如：磷酸根干扰钙的测定，可在试液中加入镧、锶盐，镧、锶与磷酸根首先生成比钙更稳定的磷酸盐，就相当于把钙释放出来。,(3),加入保护剂,保护剂作用是它可与被测元素生成易分解的或更稳定的配合物，防止被测元素与干扰组份生成难离解的化合物。保护剂一般是有机配合剂。例如,加入,EDTA,与钙生成络合物后,可以抑制磷酸对钙的干扰；加入氟离子,可防止铝对铍的干扰等。,(4),加入基体改进剂,对于石墨炉原子化法，在试样中加入基体改进剂，使其在干燥或灰化阶段与试样发生化学变化，其结果可以增加基体的挥发性或改变被测元素的挥发性，以消除干扰。,三、电离干扰及其抑制,在高温条件下,原子会电离,使基态原子数减少,吸光度下降,这种干扰称为电离干扰。,消除电离干扰的方法,是加入过量的消电离剂。消电离剂是比被测元素电离电位低的元素,相同条件下消电离剂首先电离,产生大量的电子,抑制被测元素的电离。,例如,测钙时可加入过量的,KCl,溶液消除电离干扰。钙的电离电位为,6.1eV,钾的电离电位为,4.3eV,。由于,K,电离产生大量电子,使钙离子得到电子而生成原子。,四、光谱干扰及其抑制,(,一,),谱线干扰和抑制,1.,吸收线重叠,共存元素吸收线与被测元素分析线波长很接近时，两谱线重叠或部分重叠，会使结果偏高。,2.,光谱通带内存在的非吸收线,非吸收线可能是被测元素的其它共振线与非共振,线，也可能是光源中杂质的谱线。一般通过减小狭缝宽度与灯电流或另选谱线消除非吸收线干扰。,3.,原子化器内直流发射干扰,(,二,),背景干扰及其抑制,背景干扰也是一种光谱干扰。分子吸收与光散射是形成光谱背景的主要因素。,1.,分子吸收与光散射,分子吸收是指在原子化过程中生成的的气体分子、氧化物、氢氧化物和盐类对辐射的吸收。分子吸收是带状光谱，会在一定的波长范围内形成干扰。,火焰气体空气,-,乙炔焰在波长小于,2500,时,有明显吸收。常,采用零点扣除,(,调零,),方法来消除,。也可采用空气,-,氢或氩,-,氢火焰来测定,As,、,Se,、,Te,、,Sb,、,Zn,、,Cd,等吸收线在短波的元素。,不同的无机酸会产生不同的影响,在波长小于,250nm,时,H,2,SO,4,和,H,3,PO,4,有很强的吸收带,而,HNO,3,和,HCl,的吸收很小。因此,原子吸收光谱分析中多用,HNO,3,和,HCl,配制溶液。,光散射,是指原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光发生散射,造成透过光减小,吸收值增加。,氘灯法,氘灯产生的连续光谱通过火焰时,只产生背景吸收,而空心阴极灯的光束通过火焰时,得到的吸收包括了原子吸收和背景吸收。因此,将此两值相减,即可扣除背景。,偏振,-,蔡曼法,此法是在原子化器上加以磁场,利用蔡曼效应,使吸收的谱线分裂成一条线和两条线。此时,根据线对平行偏振光的吸收,得到原子吸收和背景吸收值，而线对直偏振光的吸收仅为背景吸收。因此,两者的差值即为扣除背景后的原子吸收值。,2.,背景校正方法,连续光源背景校正法,一般采用仪器校正背景方法,有邻近非共振线、连续光源、,Zeeman,效应等校正方法。,目前原子吸收分光光度计上一般都配有连续光源自动扣除背景装备。连续光源用,氘灯,在紫外区；碘钨灯、氙灯 在可见区扣除背景。,原理,:,氘灯产生的连续光谱进入单色器狭缝,通常比原子吸收线,宽度,大一百倍左右。氘灯对原子吸收的信号为空心阴极灯原子信号的,0.5%,以下。由此,可以认为氘灯测出的主要是背景吸收信号,空心阴极灯测的是原子吸收和背景信号,二者相减得原子吸收值。,应用,:,氘灯校正法已广泛应用于商品原子吸收光谱仪器中,氘灯校正的波长和原子吸收波长相同,校正效果显然比非共振线法好。,缺点,:,氘灯,是一种气体放电灯,而,空极阴极灯,属于空极阴极溅射放电灯。两者放电性质不同,能量分布不同,光斑大小不同,再加上不易使两个灯的光斑完全重叠。急剧的原子化,又引起石墨炉中原子和分子浓度在时间和空间上分布不均匀,因而造成背景扣除的误差。,一、定量分析方法,(,一,),标准曲线法,配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液,在与试样测定完全相同的条件下,按浓度由低到高的顺序测定吸光度值。绘制吸光度对浓度的校准曲线。测定试样的吸光度,杂校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。标准曲线法的精密度对火焰法而言约为,0.5-2%(,变异系数,),；最佳分析范围的吸光度应在,0.1-0.5,之间；浓度范围可根据待测元素的灵敏度来估计。,第五节 原子吸收光谱定量分析,注意,:,(1),标准系列的组成与待测定试样组成尽可能相似,配制标准系列时,应加入与试样相同的基体成分。在测定时应该进行背景校正。,(2),所配制的试样浓度应该在,A-c,标准曲线的直线范围内,吸光度在,0.15,0.6,之间测量的准确度较高。,(3),在整个分析过程,测定条件始终保持不变。,在实际工作中,标准曲线可能发生弯曲,其原因有：,1.,非吸收光的影响,当共振线和非吸收线同时进入检测器时,由于非吸收线不遵循比耳定律,与光度法中复合光的影响相似,引起工作曲线上部弯曲。,2.,共振变宽,当待测元素浓度大时,其原子蒸气的分压增大,产生共振变宽,使吸收强度下降,故使标准曲线上部向下弯曲。,3.,发射线与吸收线的相对宽度,通常,当发射线半宽度与吸收线半宽度的比值约小于,1/5,时,标准曲线是直线,否则发生弯曲现象。,4.,电离效应,当元素的电离电位低于约,6,电子伏特时,在火焰中容易发生电离,使基态原子数减小。浓度低时,电离度大,吸光度下降多；浓度增高,电离度逐渐减小,吸光度下降程度也逐渐减小,所以引起标准曲线向浓度轴弯曲,(,下部弯曲,),。,(,二,),、标准加入法,为了减小试液与标准溶液之间的差异,(,如基体、粘度等,),引起的误差,可采用标准加入法进行定量分析。这种方法又称“直线外推法”或“增量法”。,分取几份相同量的被测试液,分别加入不同量的被测元素的标准溶液,其中一份不加被测元素的标准溶液,最后稀释至相同体积,使加入的标准溶液浓度为,0,C,S,、,2,C,S,、3,C,S,然后分别测定它们的吸光度,绘制吸光度对浓度的校准曲线,再将该曲线外推至与浓度轴相交。交点至坐标原点的距离,Cx,即是被测元素经稀释后的浓度。,A,x,=Kc,x,As=K(c,x,+c,s,),注意,:,(1),测定应该在,A-c,s,标准曲线的线性范围内进行。,(2),至少采用,4,个工作点制作标准曲线后外推。,(3),标准加入法只能消除基体干扰和某些化学干扰,但不能消除背景干扰。,(4),标准加入法建立在吸光度与浓度成正比的基础上,因此,要求相应的标准曲线是一根通过原点的直线,被测元素的浓度也应在此线性范围内。,二 灵敏度和检测限,(,一,),灵敏度 原子吸收光谱分析法的灵敏度,是指产生,1%,吸收时水溶液中某元素的浓度,通常以,g/mL/l%,表示,可用下式计算：,灵敏度,S,的定义是分析标准函数,X=f(c),的一次导数,S=dx/dc,。在非火焰法,(,石墨炉法,),中,常用绝对灵敏度表示,即某元素在一定的实验条件下产生吸收时的质量,以,g/l%,表示。其计算公式为,1.,特征浓度,在原子吸收光度法中,习惯于用,1%,吸收灵敏度。特征浓度 定义为能产生,1%,吸收,(,即吸光度值为,0.0044),信号时所对应的被测元素的浓度。,C,0,= C,X,0.0044 / A (,g.cm,-3,),C,X,表示待测元素的浓度；,A,为多次测量的吸光度值。,2.,特征质量,石墨炉原子吸收法常用绝对量表示,特征质量的计算公式为,:,式中,m,c,为分析物质量,s,为试液的质量浓度,(g.mL,-1,), V,为试液进样体积,(mL),A,为试样的吸光度。特征浓度或特征质量越小越好。,二、检出限,(D.L.),检出限的定义为：原子吸收光谱分析法的检测限,它表示能被仪器检测的元素的最低浓度或最低质量。在,IUPAC,的规定中，对各种光学分析法,可测量的最小分析信号以下式确定：,X,min,=X,平均,+KS,0,式中,X,平均,是用空白溶液按同样分析方法多次测量的平均值。,S,0,是空白溶液多次测量的标准偏差；,K,是置信水平决定的系数。,可测量的最小分析信号为空白溶液多次测量平均值与,3,倍空白溶液测量的标准偏差之和,它所对应的被测元素浓度即为检出限。,D,c,=c/A3, D,m,=g/A3,例如：现测定铅时,0.1g/ml,铅的标准溶液产生吸光度为,0.24,置倍度分别,2,、,3,时,检测限为少,?,空白测定,20,次的均方误差,0.012,解,: D = 0.120.012/0.24g/ml,= 0.01g/ml,当置信度为,3,时, D = 0.015g/ml,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作为分析线，可以得到最好的灵敏度。在测定高含量元素时，可以选择元素的次灵敏线作为分析线。,2.,单色器光谱通带的选择 光谱通带的选择以排除光谱干扰和具有一定透光强度为原则。对于谱线简单的元素（如碱金属、碱土金属）通带可以大些，对于富线元素（如过渡金属、稀土金属）要求用较小的通带。,3.,灯电流的选择 灯电流的选择原则是，在保证空心阴极灯有稳定辐射和足够的入射光强度条件下，尽量使用最低的灯电流。一般在,1,6mA,范围内工作。,4.,原子化条件的选择,(1),在火焰原子吸收法中，调整喷雾气至最佳雾化状态；改变燃助气体比，选择最佳火焰类型和状态；调节燃烧器的高度，使入射光束从基态原子密度最大区域通过，这样可以提高分析的灵敏度。,(2),在石墨炉原子吸收法中,原子化程序要经过干燥,灰化,原子化和除残四个阶段。,低温干燥去溶剂时,应该防止试样飞溅。灰化温度尽可能高些。在保证完全原子化条件下,原子化温度应该尽量低些。,原子荧光光谱分析法的主要优点是：,1.,灵敏度较高 特别是对锌、镉等元素的检测限,分别可达,0.5,和,0.04ppb.,由于原子荧光的辐射强度与激发光源强度成比例关系,采用高强度新光源,可进一步提高原子荧光的灵敏度。目前,已有二十多种元素的检测限优于原子吸收光谱法。,2.,谱线较简单 采用日盲光电倍增管和高增益的检测电路,可制作非色散型原子荧光仪,即不需要昂贵精密的分光计。,3.,可同时进行多元素测定 原子荧光是向各个方向发射的,便于制作多道仪。,第六节 原子荧光光谱法,二、原子荧光光谱分析法的基本原理,(,一,),原子荧光的产生,当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后,此原子的外层电子吸收辐射能,从基态或低能态跃迁到高能态,大约在,10,-8,秒又跃回基态或低能态,同时发射出与照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。这是一种光致发光,(,或称二次发光,),当照射光停止照射后,荧光也不再发射。,各种元素都有特定的原子荧光光谱,故可用于定性分析；而根据原子荧光的强度,进行定量分析。,4.,线性范围宽 在低浓度范围内,标准曲线可在三到五个数量级内呈直线关系,而原子吸收光谱法仅有二个数量级。,0,1,2,A,B,若原子受激发处于亚稳态,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。,但目前这种方法,主要用于痕量元素的定量分析。,(,二,),原子荧光的类型,原子荧光可分为共振荧光、非共振荧光与敏化荧光等三种类型。,1.,共振荧光,气态自由原子吸收共振线被激发后,再发射出与原激发辐射波长相同的辐射即为共振荧光。,图,7.21,共振荧光,它的特点是激发线与荧光线的高低能级相同,其产生过程如图,A,；若原子受激发处于亚稳态,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,如图,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、阶跃线荧光和,anti-Stokes,荧光。,(1),直跃线荧光,激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所发射的荧光称为直跃线荧光。由于荧光能级间隔小于激发线的能线间隔,所以荧光的波长,大于,激发线的波长。如果荧光线激发能大于荧光能,即,荧光线的波长大于激发线的波长称为,Stokes,荧光。反之,称为,anti-Stokes,荧光,。直跃线荧光为,Stokes,荧光。,A,B,0,1,2,3,图,7.22,直跃线荧光,(2),阶跃线荧光,阶跃线荧光有两种情况,正常阶跃线荧光为被光照激发的原子,以非辐射形式去激发返回到较低能级,再以辐射形式返回基态而发射的荧光,(A),。其荧光波长大于激发线波长。,B,0,1,2,3,热助阶跃线荧光为被光致激发的原子,跃迁至中间能级,又发生热激发至高能级,然后返回至低能级发射的荧光。,A,图,7.23,阶跃线荧光,A,B,0,1,2,3,anti-Stokes,荧光,图,7.24 anti-Stokes,荧光,热助阶跃线荧光为被光致激发的原子,跃迁至中间能级,又发生热激发至高能级,然后返回至低能级发射的荧光,(B),。,(3)anti-Stokes,荧光,当自由原子跃迁至某一能级,其获得的能量一部分是由光源激发能供给,另一部分是热能供给,然后返回低能级所发射的荧光为,anti-Stokes,荧光。其荧光能大于激发能,荧光波长小于激发线波长。,(4),敏化荧光,受光激发的原子与另一种原子,碰撞,时,把激发能传递给另一个原子使其激发,后者在以辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。,例如,用波长为,2536.5,的光波激发汞原子,然后激发态汞原子与铊原子碰撞,产生铊原子的,3775.7,和,5350.5,的敏化荧光。这类荧光要求,A,原子浓度很高,因此在火焰原子化器中难以实现,在非火焰原子化器中才可以得到。,(,三,),荧光强度,共振荧光,荧光强度,I,f,正比于基态原子对某一频率激发光的吸收强度,I,a,。,I,f,=,I,a,式中,为荧光量子效率,它表示发射荧光光量子数与吸收激发光量子数之比。,若激发光源是稳定的,入射光是平行而均匀的光束,自吸可忽略不计,则基态原子对光吸收强度,I,a,用吸收定律表示,I,a,=,AI,0,(1- e,-,l N,),式中,I,0,为原子化器内单位面积上接受的光源强度,A,为受光源照射在检测器系统中观察到的有效面积,l,为吸收光程长,为峰值吸收系数,N,为单位体积内的基态原子数。,整理可得,I,f,=,AI0,l N,当仪器与操作条件一定时,除,N,外,其它为常数,N,与试样中被测元素浓度,C,成正比,I,f,= Kc,上式为原子荧光定量分析的基础。,(,四,),量子效率与荧光猝灭,受光激发的原子,可能发射共振荧光,也可能发射非共振荧光,还可能无辐射跃迁至低能级,所以量子效率一般小于,1,。,受激原子和其它粒子碰撞,把一部分能量变成热运动与其它形式的能量,因而发生无辐射的去激发过程,这种现象称为荧光猝灭。,荧光猝灭会使荧光的量子效率降低,荧光强度减弱。,三、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。,下面讨论原子荧光光度计与原子吸收光度计的主要区别：,1.,光源,在原子荧光光度计中,需要采用高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光和等离子体等。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.,原子化器,常用的火焰原子化器有预混合型和紊流型两种,3.,分光系统,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。,四、定量分析方法,(,一,),定量分析方法,校准曲线法,根据荧光强度与待测元素的含量成正比关系,可以采用标准曲线法进行定量分析,即以荧光强度为纵坐标,浓度为横坐标制作标准曲线图。在测得试样中各元素的荧光强度后,就可从标准曲线中求得其含量。,(,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避免。,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。,在原子荧光法中由于光源的强度比荧光强度高几个数量级,因此散射光可产生较大的正干扰。减少散射干扰,主要是减少散射微粒。采用预混火焰、增高火焰观测高度和火焰温度,或使用高挥发性的溶剂等,均可以减少散射微粒。也可采用扣除散射光背景的方法消除其干扰。,(,三,),氢化法在原子吸收和原子荧光中的应用,氢化法是原子吸收和原子荧光光度法中的重要分析方法,主要用于易形成氢化物的金属,如砷、碲、铋、硒、锑、锡、锗和铅等,汞生成汞蒸气。,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,在引入原子化器中进行分析。,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,所以在原子吸收和原子荧光光度法中得到广泛的应用。,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。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。,表,7.2,原子荧光光谱法分析实例,1 WDF-Y,2,原子吸收分光光度计的光学参数如下：,光栅刻度：,20 /mm,狭缝宽度：,0.05,，,0.1,，,0.2,，,2mm,四档可调,试问：,此仪器的一级光谱理论分辨率是多少？,欲将,K404.4nm,和,K404.7nm,两线分开，所用狭缝宽度应是多少？,欲将,Mn279.48nm,和,Mn279.84nm,双缝中，前者是最灵敏线，若用,0.1mm,和,0.2mm,的狭缝宽度分别测定,Mn279.48nm,所的灵敏度是否相同？为什么？,解 （,I,）,R,理,= =m.N=1120050=60000,（,2,）,W=DS,已知：,D=20 /mm,K,两线的波长分别为,4044 ,和,4047 ,因此：即分开,K,双线所需狭缝宽度应为,0.15mm,（,3,）所的灵敏度不同，因为：,用,0.1mm,狭缝时，其通带,W=D.S=200.1= 2,（,）,用,0.2mm,狭缝时，其通带,W=D.S=200.2=4,（,）,Mn,双线波长差为,2798.3-2794.8=3.5,（,）,若用,0.2mm,狭缝时，通常为,4,（,），,Mn,双线同时通过狭缝进入检测器监测，但因双线灵敏度不同，所以测到的是双线灵敏度的平均值。若用,0.1mm,狭缝时，通常为,2,（,），此时可将双线分开，只测到最灵敏线,Mn2794.8,（,）。所以其灵敏度高于,0.2mm,。,2.,原子吸收光谱分析的光源应当符合哪些条件？,为什么空心阴极灯能发射半宽度很窄的谱线。,谱线宽度,“,窄,”,（锐性），有利于提高灵敏度和工作曲线的直线性。谱线强度大、背景小，有利于提高信噪比，改善检出线稳定，有利于提高监测精密度。,灯的寿命长。空心阴极灯能发射半宽度很窄的谱线，这与灯本身构