第十三章 原子吸收分光光度法.ppt

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1、第十三章 原子吸收分光光度法,原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrophotometry;AAS）是根据蒸汽相中被测元素的基态原子对特征辐射的吸收来测定试样中该元素含量的方法。在20世纪60年代后，原子吸收分光光度法发展迅速。在测定矿物、金属、化工产品、土壤、食品、药物、生物试样、环境试样中的金属元素含量时，原子分光光度法往往是一种首选的定量方法。,原子吸收分光光度法的特点,1.准确度高：火焰原子吸收分光光度法的相对误差1%，石墨炉原子吸收分光光度法约为3%5%。2.灵敏度高：大多数元素测定的灵敏度均为 10-6g/ml数量级。3.选择性好，抗干扰能力强。4.适

2、用范围广：目前，可采用原子分光光度法测定的元素达70多种。,原子分光光度法的局限性,工作曲线的线性范围窄通常每测一种元素使用一种元素灯，使用不便。对某些元素检出能力差，对难溶元素如W、Nb、Ta、稀土等和非金属元素的分析，目前尚有一定的困难。,第一节 原子吸收分光光度法的基本原理,一、原子的量子能级和能级图 原子光谱是由原子最外层电子的跃迁所产生的，因此在原子光谱中，用原子的价电子表征整个原子的状态。 光谱项（spectral term）N2S+1LJ是描述这些量子能级的形式。,N2S+1LJ N是主量子数，表示核外电子分布的层次。取值1，2，3L是总角量子数，表示电子的轨道形状，取值0，1，

3、2，3符号S,P,D,FS是总自旋量子数，表示价电子自旋量子数的矢量和。J是内量子数，表示价电子组合得到的L与S的矢量和。取值为L+S,L+S1,|LS|。若LS,则J可有(2S+1)个数值，若LS,则J可有(2L+1)个数值。,光谱项符号L左上角的（2S+1）称为光谱项的多重性。J值不同的光谱项称为光谱支项。原子的能级图：用图解的形式表示原子中各种可能存在的光谱项能级状态及能级跃迁。原子谱线：由原子的价电子在不同能级间跃迁所产生。共振线：原子在基态与第一激发态之间跃迁产生的谱线。特征谱线，最灵敏谱线。,二、 原子在各能级的分布 波尔兹曼(Boltzmann)方程 Nj/No=gj/goexp

4、(Eo-Ej/KT) 表示在热平衡状态激发态原子数Nj与基态原子数No的关系。 gj和go分别是激发态和基态的统计权重，Ej是激发能，T是绝对温度，K是波尔兹曼常数。,波尔兹曼(Boltzmann)方程,从方程可知，温度越高， Nj / N0值越大。在相同的温度下，激发能越小，吸收线波长越长，Ni /N0值越大。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， Ni / N0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N0可以近似等于总原子数N。,三、原子吸收线的轮廓和变宽 原子吸收线的产生 当

5、辐射投射到原子蒸汽上时，如果辐射频率相应的的能量等于原子由基态跃迁到激发态所需的能量，则引起原子对辐射的吸收，产生原子吸收光谱。 共振激发：原子由基态激发到能量最低的激发态。产生的谱线为共振吸收线。,（一）原子吸收线的轮廓和变宽 一束不同频率强度为I0的平行光通过厚度为l的原子蒸气，一部分光被吸收，透过光的强度I服从吸收定律 I = I0 exp(-kl) 式中k是基态原子对频率为的光的吸收系数。,不同元素原子吸收不同频率的光，透过光强度对吸收光频率作图，如下图：,I,I与 的关系,I0, 0,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。峰值

6、吸收系数：吸收系数的极大值。半宽度：是中心频率的吸收系数一半处谱线轮廓上两点之间的频率差。原子吸收线的特点是由吸收线的频率、半宽度和强度来表征的。,（二）影响半宽度的因素： 1.自然宽度 在无外界影响下，谱线固有的宽度。 2.多普勒变宽 是由无规则的热运动产生的变化，又称为热变宽。 3.压力变宽 由于吸光原子与蒸汽原子相互碰撞而引起能级的微小变化，使发射或吸收的光量子频率改变而导致的变宽。在压力变宽中，凡是同种粒子碰撞引起的变宽叫Holtzmark（赫尔兹马克）变宽；凡是由异种粒子引起的变宽叫Lorentz（罗伦兹）变宽。 此外，在外电场或磁场作用下，能引起能级的分裂，从而导致谱线变宽，这种变

7、宽称为场致变宽。,四 原子吸收值与原子浓度的关系（一）积分吸收 与分子吸收不同的是，原子吸收线轮廓是同种基态原子在吸收其共振辐射时被展宽了的吸收带，原子吸收线轮廓上的各点都与相同的能级跃迁联系。因此，原子吸收分析光谱中，是测量气态原子吸收共振线的总能量，即积分吸收（Kv）。即吸收系数对频率的积分。,从理论上可以得出，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为： K d = e2N0/mc 式中e为电子电荷；m为电子质量；c为光速；N0为单位体积内基态原子数；f 振子强度，即能被入射辐射激发的每个原子的平均电子数。 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

8、nm的积分吸收，需要分辨率非常高的色散仪器。,（二）峰值吸收 峰值吸收（K0）法代替积分吸收法，可以采用锐线光源，可降低对单色器分辨率的要求。 峰值系数代替积分吸收的必要条件：1.锐线光源的发射线与原子吸收线的中心频率完全一致。2.锐线光源的半宽度比吸收线的半宽度更窄，一般为吸收线的1/51/10 。,峰值吸收代替积分吸收的必要条件：1.锐线光源的发射线与原子吸收线的中心频率完全一致。2.锐线光源的发射线的半峰宽比吸收线的半峰宽更窄,K0,v0,吸收线,发射线,在一定测量条件下，根据经典理论， K0与吸收线的半宽度成反比，与积分吸收Kv成正比。通过运算可得峰值吸收系数： K0 = 2/(ln2

9、/)1/2 K d 代入得： K0 = 2/(ln2/)1/2 KN 可以看出，峰值吸收系数与原子总数成正比，只要能测出K0 就可得出N0。 A = K N l 在一定条件下，试样中某组分的浓度C与蒸汽中原子的总数 N成正比。 A = K C,一 、原子吸收分光光度计的主要部件 原子吸收分光光度计由光源、原子化器、单色器和检测器等四部分组成。 （一）光源 发射被测元素基态原子所吸收的特征共振线，故称为锐线光源。对光源的基本要求：发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；辐射的强度大；辐射光强稳定，使用寿命长等。常用： 1.空心阴极灯 2.多元素空心阴极灯,第二节 原子吸收分光光度计,（二

10、）原子化器 提供能量，使试样干燥、蒸发并转化为所需的基态原子蒸汽。 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。 分为:火焰原子化器 、非火焰原子化器。,1. 火焰原子化法 组成：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。 原理：火焰原子化法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，试液在火焰中产生原子蒸气。,雾化器 喷雾器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

11、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。,雾化室 雾化室的作用主要是除大雾滴，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。其中的扰流器可使雾滴变细，同时可以阻挡大的雾滴进入火焰。,燃烧器 试液的细雾滴进入燃烧器，在火焰中经过干燥、熔化、蒸发和离解等过程后，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。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

12、烧器应用最广。,2. 非火焰原子化器,非火焰原子化器常用的是石墨炉原子化器。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。 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。 分析过程:干燥、灰化、原子化和净化等四个阶段，即完成一次分析过程。,与火焰原子化法相比，石墨炉原子化法具有如下特点：灵敏度高、检测限低 用样量少，通常固体样品为0.110毫克，液体试样为 5 50微升。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。排除了火焰原子化法中存在的火焰

13、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。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。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。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。,（三）单色器 单色器的作用是将共振吸收线与邻近干扰线分离。单色器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成,其关键部件是色散元件，现多用光栅。（四）检测系统 主要由检测器、放大器、对数变换器、显示装置所组成。,二、原子吸收分光光度计的类型,按光束分为 单光束与双光束型原子吸收分光光度计； 按调制方法分为 直流与交流型原

14、子吸收分光光度计； 按波道分为 单道、双道和多道型原子吸收分光光度计。,1. 单光束原子吸收分光光度计 只有一个空心阴极灯，外光路只有一束光，一个单色器和检测器。 优点：结构简单，灵敏度较高，价格低，便于维护。 缺点：由于光源不稳定引起基线漂移。,2.双光束原子吸收分光光度计,由光源发射的共振线被分成两束光，一束通过原子化器，一束作为参比不通过原子化器，两束光交替进入单色器和检测器。 优点：光源的任何漂移及检测器灵敏度的变动，都 将由于参比光束得到补偿。 缺点：仪器复杂，价格较贵，不能消除原子化系统不稳定和背景吸收的影响。,一、测定条件的选择1.试样的取量及处理 原子吸收分光光度法的取样量应根

15、据待测元素的性质、含量、分析方法及要求的精确来确定。在火焰原子化法中，在保持燃气和助燃气一定比例与一定的总气体流量的条件下，达到最大吸光度的试剂喷雾量。使用石墨炉式原子化器，取样量的大小依赖于石墨管内容积的大小。2.分析线 通常选择元素的共振线作为分析线。在分析被测元素浓度较高试样时，可选用灵敏度较低的非共振线作为分析线。,第三节 实验方法,3.狭缝宽度 狭缝宽度的选择要能使吸收线与邻近干扰线分开。吸光度大且平稳的最大狭缝宽度为应选择的合适的狭缝宽。原子吸收分析中，谱线重叠的几率较小，因此，可以使用较宽的狭缝，以增加光强与降低检出限。在实验中，也要考虑被测元素谱线复杂程度，碱金属、碱土金属谱线

16、简单，可选择较大的狭缝宽度；过度元素与稀土元素等谱线比较复杂，要选择较小的狭缝宽度。,4.空心阴极灯的工作电流 空心阴极灯的辐射强度取决于工作电流。灯电流过小，放电不稳定，光输出的强度小；灯电流过大，发射谱线变宽，导致灵敏度下降，灯寿命缩短。选择灯电流时，应在保持稳定和有合适的光强输出的情况下，尽量选用较低的工作电流。一般商品的空极阴极灯都标有允许使用的最大电流与可使用的电流范围，通常选用最大电流的1/2 2/3为工作电流。实际工作中，最合适的电流应通过实验确定。空极阴极灯使用前一般须预热10 30 min。,5.原子化条件的选择（1）火焰原子化法 火焰的选择与调节是影响原子化效率的重要因素。

17、 对于低温、中温火焰，适合的元素可使用乙炔-空气火焰；在火焰中易生成难离解的化合物及难溶氧化物的元素，宜用乙炔-氧化亚氮高温火焰；分析线在220nm以下的元素，可选用氢气-空气火焰。,（2）石墨炉原子化法,石墨炉原子化法要合理选择干燥、灰化、原子化及净化等阶段的温度和时间。 干燥一般在105 125的条件下进行。 灰化要选择能除去试样中基体与其它组分而被测元素不损失的情况下，尽可能高的温度。 原子化温度选择可达到原子吸收最大吸光度值的最低温度。 净化或称清除阶段，温度应高于原子化温度，时间仅为 3 5s，以便消除试样的残留物产生的记忆效应。,二、干扰及其抑制 1.电离干扰 由于原子的电离而引起

18、的干扰效应。 抑制方法:加入消电离剂 2.物理干扰 是指试样在转移、蒸发、和原子化过程中 ，试样物理特性变化引起的吸光度下降的效应。 抑制方法：配制与被测试样组成相近的对照品或采用标准加入法。,3.光学干扰 光谱线干扰 指在所选光谱带内，试样的共存元素的吸收线与被测元素的分析线相近而产生的干扰，使分析结果偏高。 消除办法：另选波长或用化学方法分离干扰元素。 非吸收线干扰 指原子化过程中生成的气体分子、氧化物、盐类等对共振线的吸收及微小固体颗粒使光产生散射而引起的干扰。 消除办法：仪器调零吸收、邻近非共振线校正、连续光源背景校正、塞曼效应背景校正等。,4.化学干扰 是在溶液或气相中由于被测元素与

19、其他共存组分之间发生化学反应而生成难挥发或难离解的化合物而产生的干扰。化学干扰是原子吸收分析的主要干扰源。 抑制方法：加入释放剂、加入保护剂、适当提高火焰温度。,三、灵敏度和检出限 1.灵敏度（sensitivity; S） S = dA/dc。表示当被测元素浓度或含量改变一个单位时，吸光度的变化量。特征浓度：在火焰原子吸收法中，采用相对灵敏度即特征浓度。其定义为产生1吸收（吸光度为0.0044）时所对应的被测元素的浓度（g/ml）。 C0 = CX0.0044 / A （g/ml） CX表示待测元素的浓度；A为多次测量的吸光度值。,特征质量：在石墨炉原子吸收法中，采用绝对灵敏度即特征质量。其

20、定义为产生1吸收（吸光度为0.0044）时所对应的被测元素的质量（ug或g）。 sm = 0.0044mx/A（g或g） 式中sm为分析物质量，A为多次测量的吸光度值。,2. 检出限（detection limit,D） 指在一定置信度下被检出的最小浓度或量。 一般以给出信号为空白溶液信号的标准差（ ）的三倍时所对应的待测元素的浓度或质量来表示。 DC= CX3/A(g/ml)或 DM= mx/A= CX V3/A(g或g）,四、定量分析方法 原子吸收分光光度法常用的定量分析方法： 1、校正曲线法 2、标准加入法 3、内标法,1. 校正曲线法 配置一组浓度C合适的对照品溶液，分别测定吸光度A，

21、绘制A-C校正曲线。在相同条件下，测定被测试样的吸光度，由校正曲线求的被测元素的浓度或含量。,使用校正曲线法应注意: （1）对照品溶液的组成应尽可能接近实际试样的组成。（2）所配试样的浓度应在校正曲线的范围内，并使产生的吸光度在0.20.7之间。（3）所有操作条件在整个分析过程中保持不变。（4）每次测定前应用对照品溶液对吸光度进行检查和校正。,2.标准加入法 取数份等量试样，其中一份不加被测元素的对照品，其余各加不同量的对照品溶液，使其浓度分别为CX+0,CX+CS, CX+2CS, CX+nCS。相同条件下分别测得吸光度为A0 ,A1 ,A2 ,An。以A对加入量C作图。纵坐标的截距是试样中

22、待测元素产生的吸光度，将直线外推至与横坐标相交，此时浓度CX即为试样中被测元素的浓度。,使用标准加入法应注意: 试样中被测元素的浓度应在A-CS校正曲线的线性范围内； 外推法的测量点不得少于四个； 该方法只是消除分析中的基本干扰，而不能消除其他干扰，如分子吸收、背景吸收等； 对斜率太小的曲线，容易引起较大的误差。,3、内标法 在对照品溶液和试样溶液中分别加入一定量的试样中不存在的第二元素作为内标，同时测定这两种溶液的吸光度比值AS/A内,AX/A内。绘制AS/A内-C校正曲线。根据校正曲线求AX/A内。,使用内标法应注意: 内标元素应与被测元素在原子化过程中具有相似的特性； 内标法的应用需要使用双波道型原子吸收分光光度计； 该方法可消除在原子化过程中由于实验条件变化而引起的误差。,