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1、第一章第一章 光谱分析法光谱分析法2原子吸原子吸收光谱收光谱第1页，共29页，编辑于2022年，星期一一、一、基基本原理本原理1.1.原子的能级与跃迁原子的能级与跃迁 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。产生共振吸收线（也简称共振线）发射光谱2.2.元素的特征谱线元素的特征谱线 1 1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同，）各种元素的原子结构和外层电子排布不同，基态基态第一激发态第一激发态:跃迁吸收能量不同跃迁吸收能量不同具有特征性具有特征性。2 2）各种元素的基态）各种元素的基态第一激发态第一激发态 最易发生，吸收
2、最强，最灵敏线。特征谱线。最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。3 3）利用特征谱线可以进行定量分析。）利用特征谱线可以进行定量分析。第2页，共29页，编辑于2022年，星期一3.3.锐线光源锐线光源 在原子吸收分析中需要使用锐线光源。在原子吸收分析中需要使用锐线光源。何为锐线光源？何为锐线光源？（1）光源的发射线与吸收线的）光源的发射线与吸收线的V0一致。一致。（2）发射线的）发射线的V1/2小于吸收线的小于吸收线的 V1/2。空心阴极灯空心阴极灯:可发射可发射锐线光源。锐线光源。第3页，共29页，编辑于2022年，星期一4.4.基态原子数与原子化温度基态原子数与原子化温度 原子吸收光谱是
3、利用待测元素的原子蒸气中基态原子与共振线吸收之间的关系来测定的。需要考虑原子化过程中，原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间的定量关系。为什么？为什么？热力学平衡时热力学平衡时：上式中Pj和PO分别为激发态和基态的统计权重，激发态原子数Nj与基态原子数No之比较小，1%。可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度T外，都是常数。T 一定，比值一定。第4页，共29页，编辑于2022年，星期一5.5.定量基础定量基础 f 振子强度，常数。峰值吸收系数：当使用锐线光源时，可用当使用锐线光源时，可用K0代替代替Kv，则：A=k N0 b；N0 Nc（N0激发态原子数，N基态原子数，c 待
4、测元素浓度）所以：所以：A=lg(IO/I)=K c第5页，共29页，编辑于2022年，星期一二、仪器构造二、仪器构造第6页，共29页，编辑于2022年，星期一原子吸收仪器原子吸收仪器第7页，共29页，编辑于2022年，星期一原子吸收光谱仪主要部件原子吸收光谱仪主要部件 原原子子吸吸收收分分光光光光度度计计与与紫紫外外可可见见分分光光光光度度计计在仪器结构上的不同点：在仪器结构上的不同点：（1 1）采用锐线光源。）采用锐线光源。（2 2）分光系统在火焰与检测器之间。）分光系统在火焰与检测器之间。第8页，共29页，编辑于2022年，星期一1.1.流程流程第9页，共29页，编辑于2022年，星期一
5、2.2.光源光源（1 1）.作用作用 提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。光源应满足如下要求；（1 1）能发射待测元素的共振线；）能发射待测元素的共振线；（2 2）能发射锐线；）能发射锐线；（3 3）辐射光强度大，）辐射光强度大，稳定性好。稳定性好。（2 2）.空心阴极灯空心阴极灯 结构如图所示第10页，共29页，编辑于2022年，星期一（3 3）.空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理 施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极;与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击;使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离
6、子发生撞碰而被激发，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点：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。第11页，共29页，编辑于2022年，星期一3.3.原子化系统原子化系统（1 1）.作用作用 将试样中离子转变成原子蒸气。（2 2）.原子化方法原子化方法 火焰法 无火焰法电热高温石墨管，激光。（3 3）.火焰原子化装置火焰原子化装置雾化器和燃烧器。a.雾化器：结构如图所示：主要缺点：雾化效率低
7、主要缺点：雾化效率低。（动画）（动画）第12页，共29页，编辑于2022年，星期一b.b.火焰火焰 试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，离解（还原）等过程产生大量基态原子。火焰温度的选择火焰温度的选择：（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，常用空气乙炔，最高温度2600K能测35种元素。火焰类型：火焰类型：化学计量火焰化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。富富燃燃火火焰焰：还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。贫燃火焰贫燃火焰：火焰温度低，氧化性气
8、氛，适用于碱金属测定。第13页，共29页，编辑于2022年，星期一4.4.石墨炉原子化装置石墨炉原子化装置（1）结构）结构，如图所示：外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸汽。缺缺点点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。第14页，共29页，编辑于2022年，星期一（2）原子化过程）原子化过程原原子子化化过过程程：四个阶段，干燥、灰化（去除基体）、原子化、净化（去除残渣），待测元素在高温下生成基态原子。第15页，共29页，编辑于2022年，星期一（3）优缺点）优缺点优优
9、点点：原子化程度高，试样用量少（1100L），可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测限10-12 g/L。缺点：缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。第16页，共29页，编辑于2022年，星期一4.4.单色器单色器(1).(1).作用作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。(2).(2).组件组件 色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等(3).(3).单色器性能参数单色器性能参数 （a）线线色色散散率率（D）：两条谱线间的距离与波长差的比值X/。实际工作中常用其倒数/X （b）分分辨辨率率：仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值/表示。（c）通通带带宽宽度度
10、（W）：指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围。当倒色散率（D）一定时，可通过选择狭缝宽度（S）来确定：W=D S第17页，共29页，编辑于2022年，星期一5.5.检测系统检测系统 主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。(1).1).检测器检测器-将单色器分出的光信号转变成电信号。如：光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。分光后的光照射到光敏阴极K上，轰击出的 光电 子又射向光敏阴极1，轰击出更多的光电子，依次倍增，在最后放出的光电子 比最初多到106倍以上，最大电流可达 10A，电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器。(2).(2).放放大大器器-将光电倍增管输出的较弱信号
11、，经电子线路进一步放大。(3).3).对数变换器对数变换器-光强度与吸光度之间的转换。(4).4).显示、记录显示、记录第18页，共29页，编辑于2022年，星期一三、三、干扰及其抑制干扰及其抑制1.1.光谱干扰光谱干扰 待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全，这类干扰主要来自光源和原子化装置，主要有以下几种：（1 1）.在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线 可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。（2 2）.空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射 换用纯度较高的单元素灯减小干扰。（3 3
12、）.灯的辐射中有连续背景辐射灯的辐射中有连续背景辐射 用较小通带或更换灯第19页，共29页，编辑于2022年，星期一2.2.物理干扰物理干扰 试样在转移、蒸发过程中物理因素变化引起的干扰效应，主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来消除。第20页，共29页，编辑于2022年，星期一3.3.化学干扰化学干扰 指待测元素与其它组分之间的化学作用所引起的干扰效应。主要影响到待测元素的原子化效率，是主要干扰源。（1 1）.化化学学干扰的类型干扰的类型（a）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。例：a、钴、硅、硼、
13、钛、铍在火焰中易生成难熔化合物 b、硫酸盐、硅酸盐与铝生成难挥发物。（b）待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱，电离电位6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重，（如碱及碱土元素）。第21页，共29页，编辑于2022年，星期一(2).(2).化学干扰的抑制化学干扰的抑制 通过在标准溶液和试液中加入某种光谱化学缓冲剂来抑制或减少化学干扰：（a a）释放剂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。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。（b b）保保护护剂剂与与待待测测元元素素形形成成稳稳定定的的络络合合物物，防防
14、止止干干扰扰物物质质与其作用。与其作用。例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根与钙作用。第22页，共29页，编辑于2022年，星期一（c）饱和剂饱和剂加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。例：用N2OC2H2火焰测钛时，在试样和标准溶液中加入300mgL-1以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。（d）电电离离缓缓冲冲剂剂加加入入大大量量易易电电离离的的一一种种缓缓冲冲剂剂以以抑抑制制待待测测元元素素的的电离。电离。例：加入足量的铯盐，抑制K、Na的电离。第23页，共29页，编辑于2022年，星期一四、四、分析条件的选择分析条件的选择1.1.灵敏度灵敏度(
15、1)灵灵敏敏度度（S）指在一定浓度时，测定值（吸光度）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：Sc=A/c 或 Sm=A/m(2)特特征征浓浓度度指对应与1%净吸收（IT-IS）/IT=1/100的待测物浓度（cc），或对应与0.0044吸光度的待测元素浓度.cc=0.0044c/A 单位：g(mol 1%)-1 (3)特征质量特征质量 mc=0.0044m/A 单位：g (mol 1%)-1第24页，共29页，编辑于2022年，星期一2.2.检出极限检出极限 在适当置信度下，能检测出的待测元素的最小浓度或最小量。用接近于空白的溶液，经若干次（10-20次）重复测定所
16、得吸光度的标准偏差的3倍求得。(1)火焰法火焰法 cDL=3Sb/Sc 单位：gml-1 (2)石墨炉法石墨炉法 mDL=3Sb/Sm Sb：标准偏差 Sc（Sm）：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率。第25页，共29页，编辑于2022年，星期一3.3.测定条件的选择测定条件的选择(1)(1)分析线分析线 一般选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线(2)(2)通带（调节狭缝宽度）通带（调节狭缝宽度）无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，反之（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带。(3)(3)空心阴极灯电流空心阴极灯电流 在保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量
17、选较低的电流。(4)(4)火焰火焰 依据不同试样元素选择不同火焰类型。(5)(5)观测高度观测高度 调节观测高度（燃烧器高度），可使元素通过自由原子浓度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。第26页，共29页，编辑于2022年，星期一4 4、应用、应用 1 1头发中微量元素的测定头发中微量元素的测定 2 2水中微量元素的测定水中微量元素的测定 3 3水果、蔬菜中微量元素的测定水果、蔬菜中微量元素的测定第27页，共29页，编辑于2022年，星期一三、三、定量分析方法定量分析方法 1.1.标准曲线法标准曲线法 （略）（略）第28页，共29页，编辑于2022年，星期一2.2.标准加入法标准加入法 取取若若干干份份体体积积相相同同的的试试液液（cX），依依次次按按比比例例加加入入不不同同量量的的待待测物的标准溶液（测物的标准溶液（cO），），定容后浓度依次为：定容后浓度依次为：cX，cX+cO，cX+2cO，cX+3cO，cX+4 cO 分别测得吸光度为：分别测得吸光度为：AX，A1，A2，A3，A4。以以A对对浓浓度度c 做做图图得得一一直直线，图中线，图中cX点即待测溶液浓度。点即待测溶液浓度。第29页，共29页，编辑于2022年，星期一