第五章原子吸收光谱法.

,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,甘肃农业大学资源与环境学院,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences , GAU,仪器分析,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,仪器分析,原子吸收仪器（1）,原子吸收仪器（2）,原子吸收仪器（3）,原子吸收仪器（4）,原子吸收光谱法,原子吸收光谱法 (AAS)是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。,4.1概述,原子吸收现象在,1802,年被人们发现；但,1955,年以前，一直未用于分析化学！,1955,年澳大利亚物理学家,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法的基础 ！,Alan Walsh (1916-1998),和他的原子吸收光谱仪在一起,如果要测定试液中镁离子的含量，先将试液喷射成雾状进入燃烧火焰中，含镁盐的雾滴在火焰温度下，挥发并离解成,镁原子蒸汽。,再用镁空心阴极灯作光源，它辐射出具有波长为185.2nm的镁的的特征谱线的光，当通过一定厚度的镁原子蒸汽时，部分光被蒸汽中基态镁原子吸收而减弱。通过单色器和检测器测得镁特征光谱线光被减弱的程度，即可求得试样中镁的含量。,一、原子吸收分析过程,原子吸收分析示意图,数据处理和仪器控制,火焰原子化器,单色器,光电倍增管,原子雾化室,空心阴极灯,单道单光束,试液,燃气,助燃气,空心阴极灯,原子化器,单色器,检测器,处理与控制,1、原子吸收光谱法的优点：,(1) 检出限低，灵敏度高。,(2) 精密度高。,(3) 选择性高，干扰少。,(4) 分析速度快，应用范围广。,(5)该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。,2、局限性：,(1)难熔元素（W、Ta、Zr）；,(2)非金属元素测定困难；,(3)不能同时多元素。,4.2基本原理,一、原子的能级与跃迁,基态,第一激发态 吸收一定频率的辐射能量。,产生共振吸收线（简称共振线）,吸收光谱,激发态,基态 发射出一定频率的辐射。,产生共振发射线（也简称共振线）,发射光谱,二、谱线的轮廓与谱线变宽,原子结构较分子结构简单，理论上应产生线状光谱吸收线。但实际上并不是严格几何意义上的线（几何线无宽度），而是有相当窄的频率或波长范围，即有一定宽度。实际上用特征吸收频率辐射光照射时，获得一峰形吸收。,1.,谱线轮廓概念,谱线轮廓,是谱线强度随频率（或波长）的变化曲线。,一般习惯用吸收系数,K,随频率的变化来描述。,原子吸收光谱的轮廓以原子吸收谱线的,中心频率（中心波长）和半宽度,来表征。,中心频率（中心波长）,是指吸收系数最大值,K,0,对应的频率（波长），由原子能级决定。,半宽度,是指在中心频率（波长）位于极大吸收系数一半处，吸收光谱线轮廓上两点之间的频率或波长的距离，以,1/2,或,1/2,表示。,表征吸收线轮廓,(,峰,),的参数：,中心频率,O,(,峰值频率,),：,最大吸收系数对应的频率；,中心波长：,(nm),；,半 宽 度：,O,2. 吸收峰变宽原因,（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。,（2）温度变宽（多普勒Doppler变宽） ,D,多普勒宽度是影响原子吸收光谱线宽度的主要因素。多普勒宽度是由于原子热运动引起的，又称热变宽。,从物理学中已知，从一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观测者，则在观测者看来，其频率较静止原子所发的光的频率低；反之，如原子向着观测者运动，则其频率较静止原子发出的光的频率为高，这就是多普勒效应。,多普勒宽度与元素的原子量、温度和谱线频率有关。随温度升高和原子量减小，多普勒宽度增加。多普勒（Doppler）变宽的数量级可达10,-3,nm。,M,为原子量；,T,为热力学温度（,K,）；,0,为谱线的中心频率。,（3）压力变宽（碰撞变宽）,当原子吸收区的原子浓度足够高时（气体压力变大时），相互碰撞引起的变宽是不可忽略的。因为基态原子是稳定的，其寿命可视为无限长，因此对原子吸收测定所常用的共振吸收线而言，谱线宽度仅与激发态原子的平均寿命有关，,平均寿命越长，则谱线宽度越窄。,原子之间相互碰撞导致激发态原子平均寿命缩短，引起谱线变宽。,劳伦兹（Lorentz）变宽：是指,被测元素原子与其它元素的原子,相互碰撞引起的变宽。劳伦兹变宽随原子区内原子蒸气压力增大和温度升高而增大。,赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽：是指,被测元素激发态原子与基态原子,相互碰撞引起的变宽，称为共振变宽。在通常的原子吸收测定条件下，一般情况下，共振变宽效应可以不予考虑，而当蒸气压力达到0.1mmHg时，共振变宽效应则明显地表现出来。 在原子吸收法中可以忽略不计。,三、原子吸收光谱的测量,1.,积分吸收,在吸收轮廓内，吸收系数的积分称为积分吸收系数，,简称积分吸收,，它表示吸收的全部能量。从理论上可以得出，,积分吸收与原子蒸汽中吸收辐射的原子数呈正比。,数学表达式为：,N-,单位体积内基态原子数；,c-,光速；,m-,电子质量；,e-,电子电荷；,f-,振子强度，是指被入射辐射激发的原子数与总原子数之比，表示吸收跃迁的概率。,若能测定积分吸收，则可求出原子浓度。但是，测定谱线宽度仅为,10,-3,nm,的积分吸收，需要分辨率很高的色散仪器，这是难以做到的。这也是,100,多年前就已发现原子吸收现象，却一直未能用于分析化学的原因。,2.峰值吸收,1955,年,Walsh,提出，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,K,0,为峰值吸收系数，简称峰值吸收。,前面指出，在通常原子吸收测定条件下，原子吸收轮廓取决于多普勒（,Doppler,）宽度，吸收系数为：,可以看出，峰值吸收系数与原子浓度呈正比，只要能,测出,K,0,，就可以得到,N,0,。,3.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,1/2,小于,吸收线的,1/2,。,4、原子吸收光谱分析的基本关系式,在实际分析中，既不直接测量峰值吸收,K,0,，也不测量原子数，而是,测量吸光度,来求出试样中被测元素的含量。,强度为,I,0,的某一波长的辐射通过均匀的原子蒸气时，根据吸收定律，有,式中,I,t,、,I,0,分别为透射光和入射光的强度, K,v,为峰值吸收, l,为蒸气厚度。,当使用锐线光源时，可用,K,0,代替,K,v,，根据吸光度的定义，有：,将峰值吸收系数,代人上式得：,在原子吸收测定条件下，如前所述原子蒸气中基态原子数,N,0,近似地等于原子总数,N,0,，,在实际测量中，要测定的是试样中某元素的含量，而不是蒸气中的原子总数。但是，实验条件一定，被测元素的浓度,c,与原子蒸气中原子总数保持一定的比例关系，,即,N,0,=ac,式中,a,为比例常数，代入上式得：,实验条件一定，各有关的参数都是常数，吸光度为,A=Kc,式中,K,为比例常数。上式表明，吸光度与试样中被测元素的含量成正比。这是原子吸收光谱法定量分析的基本关系式。,思考题：何谓锐线光源？在原子吸收光谱分析中为什 么要用锐线光源？,答：所谓锐线光源就是能发射出谱线半宽度很窄（远小于吸收线半宽度）的发射线的光源。,原子吸收线，若以通常在分光光度分析中所使用的连续光源来进行吸收测量是很困难的。因为原子吸收的半宽度很小，要测量这样一条半宽度很小的吸收线的积分吸收值，就需要有分辨率高达五十万的单色器，这在目前的技术情况下还难以做到。这个困难直到,1955,年瓦尔西提出的采用锐线光源测量谱线峰值吸收的办法才加以解决。当使用很窄的锐线光源作原子吸收测量时，测得的吸光度与原子蒸汽中待测元素的基态原子数呈线性关系。,为了实现峰值吸收的测量，除了要求光源发射线的半宽度应小于吸收线半宽度外，还必须使通过原子蒸汽的发射线中心频率恰好与吸收线的中心频率,0,相重合，这就是为什么在测定时需要使用一个与待测元素同种元素制成的锐线光源的原因。,4.3原子吸收光谱仪,原子吸收光谱仪依次由,光源、原子化器、单色器、检测器、信号处理与显示记录,等部件组成,。,按光束形式分类：单光束和双光束型。,按通道数目分：单道和双道。,单道：是指仪器只有一个单色器和一个检测器，只能同时测定一种元素。,双道：是由两个光源，两套独立的单色器和检测系统能同时测定两种元素。,1、单道单光束型,来自光源的特征辐射通过火焰原子化器，部分辐射被基态原子吸收，透过部分经分光系统，使所需的辐射通向检测器，将光信号变成电信号并经放大而读出。,单光束型仪器，结构简单，但它会因光源不稳定而引起基线漂移。但目前采取了一下措施，使仪器有足够的稳定性。它仍然是发展与市场销售的主要商品仪器。,2、单道双光束型,光源发出经过调制的光被切光器分成两束光：一束测量光；一束参比光（不经过原子化器）。两束光交替进入单色器，然后进行检测。由于两束光来自同一光源，可以通过参比光束的作用，克服光源不稳定造成的漂移的影响。但引起的光的能量损失严重。,检测器系统将按接收到的信号进行同步检测放大，最后在显示器或记录仪上读出两光束信号比。由于参比光束不通过原子化器，原子化器不稳定，无法校正。,一、光源,1,、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、空心阴极灯,阴极:,钨棒作成圆筒形筒内熔入被测元素,阳极:,钨棒装有钛, 锆, 钽金属作成的阳极,管内充气：,氩或氖称载气极间加压500-300伏要求稳流电源供电。,空心阴极灯结构图,空心阴极灯,优缺点：,（1）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。,（2）每测一种元素需更换相应的灯。,3、 高强度空心阴极灯,普通空心阴极灯的原子溅射效率高，而光谱激发效率并不高，只有一部分原子被激发发光。,高强度空心阴极灯是在普通空心阴极灯内增加一对涂有电子敏化材料的辅助电极，分别控制原子溅射和光谱激发过程。它可以使溅射出来的原子二次被激发，这样可以提高光谱的激发效率，提高谱线强度。,4、无极放电灯,将数毫克的被测元素卤化物封在一个长30-100mm、内径为3-15mm的真空石英管内，管内充几百帕压力的氩气。石英管被牢固地放在一个高频发生器线圈内。灯内没有电极，由高频电场作用激发出被测元素的原子发射光谱。,二、原子化系统,原子化器的作用 ：提供能量，使试样干燥、并将试样中离子转变成原子蒸气。,原子化器可分为：火焰原子化器和非火焰原子化器 。,1、火焰原子化器,火焰原子化器是由化学火焰的燃烧热提供能量，使被测元素原子化。,在火焰原子吸收光谱分析中，火焰可按燃料气体的混合方式分为,预混合型火焰和非预混合型火焰,两种。预混合型燃料气和助燃气在未进入燃烧器前已得到充分混合。非预混合型是燃烧器和助燃气分开引入火焰，在刚进入火焰前的瞬间进行混合。由于非预混合型火焰噪声大，火焰不稳定，现在市售的火焰原子吸收光谱仪均采用预混合型原子化器。,火焰原子化器有三部分：,喷雾器，雾化室，燃烧器。,、喷雾器 喷雾器的作用是将分析样品雾化。,、雾化室 雾化室的作用是使试液雾滴进一步细化并与燃气均匀混合，以获得稳定的层流火焰。,、燃烧器 燃烧器的作用是产生火焰并使样品原子化。,对火焰的基本要求：,() 燃烧速度，是指火焰由着火点向可燃混合气其他点传播的速度，供气速度过大，导致吹灭，供气速度不足将会引起回火。,（）火焰温度。,a、保证待测元素充分离解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。,（）火焰的燃气与助燃气比例,可将火焰分为三类：,化学计量火焰，富燃火焰，贫燃火焰。,化学计量火焰,由于燃气与助燃气之比与化学计量反应关系相近，又称为中性火焰 ，这类火焰温度高、稳定、干扰小背景低，适合于许多元素的测定。,富燃火焰,指燃气大于化学元素计量的火焰。其特点是燃烧不完全，温度略低于化学火焰，具有还原性，适合于易形成难解离氧化物的元素测定；干扰较多，背景高。,贫燃火焰,指助燃气大于化学计量的火焰，它的温度较低，有较强的氧化性，有利于测定易解离，易电离元素,如碱金属。,（）火焰的光谱特征,（）火焰原子化器特点,优点：简单，火焰稳定，重现性好，精密度高，应用范围广。,缺点：原子化效率低只能液体进样。,2、非火焰原子化器,非火焰原子化器也称炉原子化器，分为两类：电加热石墨炉原子化器和电加热石英原子化器。常用的是石墨炉原子化器。,工作原理：大电流通过石墨管产生高热、高温，使试样原子化。,石墨管构造：管长28mm，内径不超过8mm，中间的小孔为进样孔，直径小于2mm,操作程序,使用石墨炉时，样品通常以溶液形式引入石墨管中，在惰性气体气氛中分几个升温程序进行加热。这个程序包括干燥、灰化（或分解）、原子化及净化（除残）四步。主要控制温度和时间。,优缺点,优点：原子化程度高，试样用量少，可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测限低10,-12,g/L。,缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。,三、单色器,1、作用：将待测元素的共振线与邻近线分开。,2、组件：色散元件（棱镜、光栅），反射镜、入射和出射狭缝等。,四、检测器,光电倍增管,4.4干扰及消除,1、,物理干扰,指试液与标准溶液物理性质有差别而产生的干扰。粘度、表面张力或溶液密度等变化，影响样品雾化和气溶胶到达火焰的传递等会引起的原子吸收强度的变化。,消除方法,：配制被测试样组成相近溶液，或用标准化加入法。浓度高可用稀释法。,2、 化学干扰,化学干扰是指被测元原子与共存组分发生化学反应生成稳定的化合物，影响被测元素原子化。,例如：,PO,-3,4,Ca,2+,的反应，干扰Ca的测定。,Al，Si在空气-乙炔中形成的稳定化合物。,W、B、La、Zr、Mo在石墨炉形成的碳化物。,一般消除方法有：,（1）选择合适的原子化方法,提高原子化温度，化学干扰会减小，例高温火焰中P0,4,3-,不干扰钙测定。,（2）加入释放剂,其作用是它能与干扰物生成比被测元素更稳定的化合物，使被测元素从其与干扰物质形成的化合物中释放出来。,（3）加入保护剂,其作用是它能与被测元素生成稳定且易分解的配合物，以防止被测元素与干扰组分生成难解离的化合物，即起了保护作用。,EDTA、8,羟基喹啉等，即有强的络合作用，又易于被破坏掉。,3. 电离干扰,在高温下原子会电离使基态原子数减少, 吸收下降，称电离干扰。消除的方法是加入过量消电离剂, 所谓的消电离剂, 是电离电位较低的元素, 加入时, 产生大量电子, 抑制被测元素电离,K - K,+,+ e,Ca,+,+ e - Ca,4. 光谱干扰,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，会使分析结果偏高。幸运的是这种谱线重叠不是很多，另选分析线即可克服。,光谱通带内存在的非吸收线：这些非吸收线可能是被测元素的其他共振线与非共振线，也可能是光源中杂志的谱线等干扰。这时可减小狭缝宽度与灯电流，或另选谱线。,5、背景干扰,背景干扰也是光谱干扰，主要指分子吸收与光散射造成光谱背景。分子吸收是指在原子化过程中生成的分子对辐射吸收，分子吸收是带光谱。光散射是指原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光产生散射，造成透过光减小，吸收值增加。,背景干扰，一般使吸收值增加。产生正误差。,4.5分析方法,一、测量条件的选择,1分析线,2通带（可调节狭缝宽度改变）,3空心阴极灯电流,4火焰,5进样量,二、 定量分析方法,1、标准曲线法,绘制A-C工作曲线,在高浓度时，标准曲线易发生弯曲，压力变宽影响所致,2、标准加入法,取若干份体积相同的试液（,c,X,），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（,c,O,），定容后浓度依次为：,c,X,，,c,X,+,c,O,，,c,X,+2,c,O,， c,X,+3,c,O,，,c,X,+4c,O,分别测得吸光度为：,A,X,，,A,1,，,A,2,，,A,3,，,A,4,。,以,A,对浓度,c,做图得一直线，图中,c,X,点即待测溶液浓度。,该法可消除基体干扰；不能消除背景干扰；,瓦尔西(Walsh)与原子吸收法 (A.Walsh 19161998）,原子吸收光谱法实际上正式诞生于,1955,年，,Walsh,发表了一篇论文,“,The application of atomic absorption spectra to chemical analysis,”,在他的论文中指出可以用简单的仪器作原子吸收分析，提出了峰值吸收测量原理,通过测量峰值吸收系数来代替积分吸收系数的测定。峰值吸收系数与待测原子浓度存在线性关系。他还提出，采用锐线光源是可以准确测定峰值吸收系数的。空心阴极灯是一种实用的锐线光源。这就解决了实际测量的困难。从而使在二十世纪五十年代提出的原子吸收分析的蜂值吸收测量，有了实际可能。,1953,年，澳大利亚物理学家瓦尔西，建议采用原子吸收光谱作为一种化学分析法。,