原子吸收光谱法.ppt

第三章原子吸收光谱法Atomicabsorptionspectrometry AAS AlanWalsh 1916 1998 和他的原子吸收光谱仪在一起 3 1概述1802年 发现原子吸收现象 1955年 Australia物理学家AlanWalsh成功的将该现象应用于了分析 60年代中期发展最快 原子吸收光谱法 AAS 是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法 它在地质 冶金 机械 化工 农业 食品 轻工 生物医药 环境保护 材料科学等各个领域有广泛的应用 近年来 由于对AAS的创新研究 有了突破性进展 3 2基本原理 4 2 1原子吸收光谱的产生当有辐射通过自由原子蒸气 且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态 一般情况下都是第一激发态 所需要的能量频率时 原子就要从辐射场中吸收能量 产生共振吸收 电子由基态跃迁到激发态 同时伴随着原子吸收光谱的产生 3 2 2原子吸收光谱与原子结构 由于原子能级是量子化的 因此 在所有的情况下 原子对辐射的吸收都是有选择性的 由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同 元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同 因而各元素的共振吸收线具有不同的特征 原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区 1 吸收光谱与发射光谱的关系共振线与吸收线 基态第一激发态 又回到基态 发射出光谱线 称共振发射线 同样从基态跃迂至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线 简称为共振线 吸收线能量与波长关系 hc E 基态原子与激发态原子的比可用Bottzmann分布表示 Ni N0 gi g0 e Ei kTNi 激发态原子 N0 基态原子 gi g0 统计权重 Ei 激发原子需要能量 T 绝对温度 k Bottzmann常数 吸收线的特点表征 1 波长 2 形状 强度 4 峰宽波长 吸收线半宽 强度由两能级之间的路迂几率来决定 吸收线半宽度一般在0 01 发射线半宽度一般在0 005 0 02 2 原子吸收线的宽度 原子吸收光谱线并不是严格几何意义上的线 而是占据着有限的相当窄的频率或波长范围 即有一定的宽度 原子吸收光谱的轮廓以原子吸收谱线的中心波长和半宽度来表征 中心波长由原子能级决定 半宽度是指在中心波长的地方 极大吸收系数一半处 吸收光谱线轮廓上两点之间的频率差或波长差 半宽度受到很多实验因素的影响 原子吸收光谱的轮廓如图所示 3 影响原子吸收谱线轮廓的主要因素 自然宽度 N它与原子发生能级间路迂时激发态原子的有限寿命有关 一般情况下约相当于10 4 多普勤 Doppler 宽度 D这是由原子在空间作无规热运动所引致的 故又称热变宽 M的原子量 T绝对温度 0谱线中频率一般情况 D 10 2 动画 压力变宽 碰撞变宽 原子核蒸气压力愈大 谱线愈宽 同种粒子碰撞 称赫尔兹马克 Holtzmank 变宽 异种粒子碰撞 称罗论兹 Lorentz 变宽 10 2 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 动画 3 2 3原子吸收的测量 积分吸收f 振子强度 N 单位体积内的原子数 e 为电子电荷 m 个电子的质量 如果我们测量 Krd 就可求出原子核浓度 但是谱线宽度为10 2 左右 需要用高分辨率的分光仪器 这是难以达到的 一百多年前已发现 但一直难以使用 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正比 3 发射线与吸收线 实际测量 I I0 exp K l 上式为吸收定律I 透射光 I0 入射光 K 吸收系数 l 蒸气厚度 当用线光源时 可用K0代替K 用吸光度表示 A lg 1 exp K0l 0 43K0ll 蒸气厚度 A kNl A K C 因为N C l测量时为常数 所以 3 3仪器装置 类型 单道单光束和单道双光束 中国北京生产的AA2610型原子吸收光谱仪 3 3 1原子吸收光谱仪原理示意图 3 3 2光源 空心阴极灯构造阴极 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 空心阴极灯动画 锐线光产生原理 在高压电场下 阴极向正极高速飞溅放电 与载气原子碰撞 使之电离放出二次电子 而使场内正离子和电子增加以维持电流 载气离子在电场中大大加速 获得足够的能量 轰击阴极表面时 可将被测元素原子从晶格中轰击出来 即谓溅射 溅射出的原子大量聚集在空心阴极内 与其它粒子碰撞而被激发 发射出相应元素的特征谱线 共振谱线 动画 对光源的要求 辐射强度大 稳定性高 锐线性 背景小等 要用被测元素做阴极材料所以有些物质无法实现 4 3 3原子化器火焰原子化器和非火焰原子化器 1 火焰原子化器 火焰原子化器构造 三部分 喷雾器 雾化器 燃烧器 喷雾器由不锈钢或聚四氟乙烯做成 见图4 5 雾化室由不锈钢作成燃烧器构造单缝和三缝 动画 对火焰的基本要求 燃烧速度 是指火焰由着火点向可燃混凝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 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 简单 火焰稳定 重现性好 精密度高 应用范围广 缺 原子化效率低只能液体进样 非火焰原子化器 就是常说的石墨炉电热原子化器构造见下图电源低压 10v 大电流 500A 炉体 金属套 绝缘套圈 石黑管 外层水冷却 石墨管 现两种形状 标准型与沟纹型 石墨炉电热原子化器 动画演示 标准型长28mm内径8mm有小孔为加试样 水冷却外层 情性气体保护石黑管在高温中免被氧化 优点 绝对灵敏度高 检出达10 12 10 14g原子核化效率高 缺点 基体效应 背景大 化学干扰多 重现性比火焰差 低温原子核化器又称化学原子化器例 测汞仪 3 3 4单色器 比发射光谱简单光谱通带 W D SS 缝宽度 mm 倒线色散率D d dl被测元素共振吸收线与干扰线近 选用W要小 干扰线较远 可用大的W 一般单色器色散率一定 仅调狭缝确定W 3 3 5检测器使用光电倍增管放大光电流方法 3 4原子吸收光谱法实验技术 4 4 1测量条件选择 分析线 查手册 随空心阴极灯确定 狭缝光度W DS没有干扰情况下 尽量增加W 增强辐射能 灯电流 按灯制造说明书要求使用 原子条件 进样量 主要指非火焰方法 最好能控制吸光度在0 1 0 5 以免工作曲线发生弯曲 3 4 2干扰及其消除方法 1 物理干扰 是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 非选择性干扰 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 34Ca2 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 这些是选择性干扰 分不同情况采取不同方法 如 磷酸盐干扰Ca 当加入La或Sr时 可释放出Ca来 EDTA与Ca Mg形成螯合物 从而抑制磷酸根的干扰 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 在高温火焰中P043 不干扰钙的测定 2 加入释放剂 广泛应用 3 加入保护剂EDTA 8 羟基喹啉等 即有强的络合作用 又易于被破坏掉 4 加基体改进剂 5 分离法 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 如上述所说的PO43 干扰Ca的测定 可加入La Sr盐类 它们与Ca生成更稳定的磷酸盐 把Ca释放出来 释放剂的应用比较广泛 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 保护剂一般是有机配合剂 用的最多的是EDTA和8 羟基喹啉 例如 PO43 干扰Ca的测定 当加EDTA后 生成EDTA Cu配合物 且既稳定又易破坏 Al对Ca Mg的干扰可用8 羟基喹啉作保护剂 缓冲剂 有的干扰当干扰物质达到一定浓度时 干扰趋于稳定 这样 把被测溶液与标准溶液加入同样达到干扰稳定量时 干扰物质对测定就不发生影响 如用乙炔 一氧化二氮火焰测定Ti时 Al抑制了Ti的吸收 但是当Al的浓度大于200ug ml后 吸收就趋于稳定 因此在试样及标样中都加200ug ml的干扰元素 则可消除其干扰 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 eBa e Ba 4 光谱干扰 吸收线重叠待测元素分析线与共存元素的吸收线重叠消除方法 减小狭缝 降低灯电流 或换其它分析线 5 背景干扰 背景干扰也是光谱干扰 主要指分子吸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 背景干扰的的校正方法 1 用邻近非共振线校正背景用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度 因非共振线不产生原子吸收用它来测量背景吸收的吸光度 两者之差值即为原子吸收的吸光度 例分析线非共振线Ag328 07Ag312 30Ca422 67Ne430 40Hg253 63Al266 92 2 连续光源校正背景 先用锐线光源测定分析线的原子吸收和背景吸收的总和 再用氘灯 紫外区 或碘钨灯 氙灯 可见区 在同一波长测定背景吸收 这时原子吸收可忽略不计 计算两次测定吸光度之差 即为原子吸收光度 氘灯光源背景扣除装置示意图 3 Zeaman效应校正背景 该法是在磁场作用下 简并的谱线发生分裂的现象 Zeeman方法 光源调制 磁场加在光源上 吸收线调制 磁场加在原子化器上 使用广泛 a 恒磁场调制方式 吸收线分裂为 和两个 组分平行于磁场方向波长不变 组分垂直于磁场方向 波长分别向长波和短波方向移动 光源发射线通过起偏器后变为偏振光 某时刻平行于磁场方向的偏振光通过时 吸收线组分和背景产生吸收 得到原子吸收和背景吸收总吸光度 另一时刻垂直于磁场的偏振光通过原子能器时只有背景吸收 没有原子吸收 两者之差即为原子吸收 b 可变磁场调节方式 磁场变化零磁激磁零磁时 原子 背景吸收 激磁时 仅背景吸收 他们之差为原子吸收 4 自吸效应校正背景 1982提出 在空心阴极内 积聚的原子浓度足够高时 产生自吸 在极端情况下 图 这时测出的是背景吸收 锐线光谱 低电流脉冲供电自蚀光谱 高电流脉冲供电要求供电为脉冲电流光源 3 6定量分析方法 1 标准曲线法这是最常用的分析方法 校准曲线法最重要的是绘制一条校准曲线 配制一组含有不同浓度被测元素的标准的标准溶液 在与试样测定完全相同的条件下 依浓度由低到高的顺序测定吸光度 绘制吸光度A对浓度c的校准曲线 测定试样的吸光度值 在标准曲线上用内插法求出被测元素的含量 标准加入法 Ax kCA0 k C0 Cx Cx AxC0 A0 Ax 标准加入法能消除基体干扰 不能消背景干扰 使用时 注意要扣除背景干扰 3 灵敏度与检出限 I 灵敏度定量方程 X f C 灵敏度为 S dX dC旧习惯灵敏度 现定义 特征浓度 是指产生1 吸收时 水溶液中某元素的浓度 通常用mg ml 1 表示 特征浓度c0 C0 0 0044Cx A g ml 1 CX为试液浓度 g ml A为其吸光度 0 0044即为1 时的吸光度 特征质量m0m0 0 0044 S 0 0044M A S pgorng A S为峰面积积分吸光度 M为分析物质量 S为校正曲线直线部分斜率 石墨炉法常用绝对量表示m0 pgorng II 检出限D 通常以产生空白溶液讯号的标准偏差2倍时的测量讯号的浓度来表示 Am kC2 kDD 2C Am g ml Am为平均吸光度 空白溶液吸光度标准偏差 C为浓度 按IUPAC规定 D 3C Am 例如 现测定铅时 0 1 g ml铅的标准溶液产生吸光度为0 24 置倍度分别2 3时 检测限为多少 空白测定20次的均方误差0 012解 D 0 1 2 0 012 0 24 g ml 0 01 g ml当置信度为3时 D 0 015 g ml 3 7原子吸收光谱的新进展 连续光源原子吸收光谱仪原子吸收使用的光源主要是空心阴极灯 即锐线光源原子吸收 锐线光源有着众所周知的诸多优点 但因每分析一个元素就要更换一个元素灯 再加上灯工作电流 波长等参数的选择和调节 使原子吸收分析的速度 信息量和使用的方便性等方面受到了限制 分析速度慢和依赖空心阴极灯的固有特性成了原吸收光谱的致命弱点 克服这些缺点的最有效的方法 就是采用连续光源进行多元素测定 连续光源原子吸收成为分析工作者的一个长期梦想 2004年4月 德国耶拿分析仪器股份公司 AnalytikJenaAG 成功地设计和生产出了连光源原子吸收光谱仪contrAA 世界第一台商品化连续光源原子吸收诞生了 连续光源原子吸收仪 ContrAA 德国 1 高聚焦短弧氙灯 可满足全波长 189 900nm 所有元素的原子吸收测定需求 并可以选择任何一条谱线进行分析 可测量元素周期表中七十余个元素 2 连续光源原子吸收光路原理图 德国耶拿公司技术资料 沃尔什 Walsh 与原子吸收法 A Walsh1916 1998 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 Theapplicationofatomicabsorptionspectratochemicalanalysis 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 澳大利亚物理学家沃尔什 A Walsh 建议采用原子吸收光谱作为一种化学分析法