原子吸收光谱分析培训教材.ppt

原子吸收光谱分析,1 原子吸收光谱的产生2 原子吸收光谱的属性3 原子吸收光谱定量分析基本关系式4 原子吸收光谱定量分析方法5 关于定量分析几个问题的讨论,1 原子吸收光谱法的发展和特点,原子吸收光谱法亦称原子吸收分光光度法,是基于蒸气相中待测元素的基态原子对其共振辐射的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。它是测定痕量和超痕量元素的有效方法，石墨炉原子吸收光谱法、质谱法和中子活化法被公认为测定超痕量元素的三种主要方法。,原子吸收光谱法的发展,原子吸收光谱分析法作为一种化学分析方法，诞生于1955年。澳大利亚科学家瓦尔西(A.Walsh)开创了火焰原子吸收光谱法。鉴于瓦尔西在建立和发展原子吸收光谱分析法方面的历史功勋，1991年在挪威卑尔根召开的第27届国际光谱学大会(CSI)上授予他第一届CSI奖。,原子吸收光谱法的发展,1959年俄罗斯里沃夫(.)开创了石墨炉电热原子吸收光谱法，为表彰里沃夫对开创和发展石墨炉原子吸收光谱分析法方面所做出的杰出贡献,1997年在澳大利亚墨尔本召开的第30届国际光谱学大会上授予他第二届CSI奖。,原子吸收光谱法的发展,美国Perkin-Elmer公司1961年推出了世界上第一台火焰原子吸收分光光度计商品仪，1970年生产了世界上第一台HGA-70型石墨炉原子吸收光谱仪。1976年日本日立公司推出了第一台塞曼效应校正背景的原子吸收光谱仪。1990年美国Perkin-Elmer公司又生产了世界上第一台PE4100ZL型横向加热纵向磁场调制石墨炉原子吸收光谱仪1989年日立公司推出了Z9000型原子吸收光谱仪,采用四通道系统，能同时测定4个元素。,原子吸收光谱法的发展,1994年Perkin-Elmer公司推出SIMAA6000型多元素同时测定原子吸收光谱仪，使用中阶梯光栅和固体检测器，获得了二维色散的光谱图。1987年美国Analyte公司推出第一台带有阴极溅射原子化器的商品仪器，1997年Leeman Labs公司在上海BCEIA多国仪器展览会上展出了用阴极溅射原子化器的A30型原子吸收光谱仪，可快速程序分析30个元素。2004年德国Analytik jena AG公司首先推出ContrAA 300型顺序扫描连续光源原子吸收光谱仪。高聚焦短弧氙灯连续光源，波长覆盖原子吸收全部波长范围；采用石英棱镜高分辨率的大面积中阶梯光栅双单色器,带宽0.003nm；高灵敏度CCD检测器增大量子效率；同时测量样品光束和参考光束，获得分析信号和背景信号,扣除背景效果好。,原子吸收光谱分析在我国的发展,1963年首先是黄本立和张展霞分别著文，向国内同行介绍了原子吸收光谱法。1964年，黄本立等将蔡司型滤光片式火焰光度计改装为一台简易原子吸收光谱装置，测定了溶液中的钠，发表了最早的原子吸收光谱分析的研究论文。吴庭照等1965年利用自制的同心型气动玻璃雾化器、预混合金属层流燃烧器、镁空心阴极灯，英国HilgerH700火焰分光光度计的单色器，10cm长不锈钢平头水冷燃烧器的预混合型火焰原子化器组装了原子吸收光谱仪器。完成了鋰中微量镁的测定。1965年上海复旦大学陈树乔等组装成功了实验室型原子吸收光谱仪器，用于教学实验。,原子吸收光谱分析在我国的发展,1969年北京矿冶研究院、北京有色研究院与北京科学仪器厂合作研制了WFD-Y1型单光束火焰原子吸收分光光度计。1970年WFD-Y1仪器全体设计装调人员转入北京第二光学仪器厂(今北京瑞利仪器公司的前身)，并于当年实现了我国第一台火焰原子吸收分光光度计上市。1971年地质部地矿局南京仪器室与地质部地矿所8室合作生产了单光束火焰原子吸收分光光度计。,原子吸收光谱分析在我国的发展,北京第二光学仪器厂与中国科学院环境化学研究所马怡载、北京矿冶研究院陶继华和于家翘等合作，研制WFD-Y3型仪器。配上马怡载等研制出的石墨原子化器及其控制电源，于1975年开发了WFD-Y3型单光束数字式火焰石墨炉两用原子吸收分光光度计。该仪器荣获了1978年全国科技大会奖。1972年吴廷照等研制完成管式石墨炉原子吸收装置，并用该装置测定了核纯锆中的镉，绝对灵敏度达到10-11g数量级，相对灵敏度达到10-6数量级。1984年,马怡载等研制成了我国第一台ZM-型塞曼效应原子吸收光谱仪。1986年何华焜等研制了交流塞曼原子吸收光谱仪。(日本日立公司推出世界上第一台塞曼效应校正背景的原子吸收光谱仪器是1980年)。,原子吸收光谱分析的特点,检出限低。火焰原子吸收法的检出限可达到ng/mL量级,石墨炉原子吸收光谱法的检出限可达到10-1310-14g。选择性好。精密度高。原子吸收光谱法的相对标准偏差一般达到1%没有困难，最好时可以达到0.3%或更好。抗干扰能力强。原子吸收线数目少，一般不存在共存元素的光谱重叠干扰。干扰主要来自化学干扰。应用范围广。适用分析的元素范围广，可分析周期表中绝大多数的金属与非金属元素。,原子吸收光谱分析的特点,用样量小。FAAS进样量为3 mLmin-16mLmin-1，采 用微量进样时甚至可以小至10L 50L。GFAAS液 体进样量为10L 20L，固体进样量为毫克量级。仪器设备相对比较简单，操作简便，易于掌握。主要用于单元素的定量分析。原子吸收是动态测量，不能用固定校正曲线定 量；光度分析是平衡测量，通常可用固定校正 曲线定量。原子吸收不宜用单点法校正(标准曲线重置,浓度直 读)，光度分析一般是允许这样做的。,原子由原子核和核外电子所组成。原子的能量是量子化的，形成一个一个的能级。在不受到外界扰动的情况下，原子处于稳定的基态。基态原子受到加热、吸收辐射、或与其他粒子进行非弹性碰撞而吸收能量。当辐射频率与原子中的电子由基态跃迁到第一激发态所需要的能量E相匹配时，发生共振吸收，产生该种原子特征的原子吸收光谱。原子吸收光谱通常位于光谱的紫外区和可见区。,2 原子吸收光谱的产生,2 原子吸收光谱的属性,原子吸收光谱的波长原子吸收光谱的波长和频率由产生跃迁的两能级的能量差E决定，-波长,-频率,c-光速,h-普朗克常数。原子光谱波长是进行光谱定性分析的依据。,3 原子吸收光谱的属性,原子吸收光谱的谱线数目,元素谱线的数目直接取决于原子能级的数目n，原子发射谱线的数目 原子吸收光谱只是电子由原子基态向第一激发态跃迁产生的共振吸收，谱线很少，一般不存在谱线重叠干扰。,譜线轮廓,谱线轮廓是指各单色光强度随频率(或波长)的变化曲线。表示吸收线轮廓特征的参数是吸收线的中心频率或中心波长与半宽度中心频率或波长是指极大吸收系数所对应的频率和波长,吸收线的半宽度 是指最大吸收系数一半 处的谱线轮廓上两点 间的频率(或波长)差，以1/2或1/2表示,譜线轮廓,吸收线的宽度包括自然宽度，热变宽、碰撞变宽、场效应变宽。主要是热变宽和碰撞变宽。在通常的原子吸收光谱分析条件下可以不予考虑场效应展宽。碰撞变宽引起谱线轮廓非对称化和分布极大的红移,原子吸收譜线强度,原子吸收是物理过程，以依数性为基础，是基态原子（吸光质点）对辐射吸收。遵循光吸收定律(Lambert定律)。通过分析原子蒸气前入射辐射能量 原子吸收辐射的总能量 分析原子对入射辐射的吸收率可以表示为,譜线的精细结构,谱线的精细结构起因于简并能级的分裂。简并能级是电子自旋和轨道运动的相互作用所形成的。在磁感应强度为零点几个至几个特拉斯的外磁场的作用下，单一的光谱线分裂两条或多条谱线，称为塞曼效应。在正常塞曼效应中，每条谱线分裂为三条，中间的一条称为组分，其频率不受磁场的影响；位于两侧的其他两条称为组分，产生频移。反常塞曼分裂的谱线，由于上、下能级都不是单一能级，每条谱线不只分裂为三条，而是分裂为更多条。,4 原子吸收光谱定量分析关系式,积分吸收系数和峰值吸收系数当吸收层很薄时，入射辐射通过吸收层时被吸收的总能量为c表示单位时间通过吸收层的辐射能量，分析原子在频率范围内的积分吸收系数是,4 原子吸收光谱定量分析关系式,是受激吸收系数。在通常的原子吸收光谱分析条件下，吸收谱线轮廓主要由多普勒变宽效应决定。多普勒线型函数是高斯形曲线，极大值与半宽度的关系是,4 原子吸收光谱定量分析关系式,积分吸收系数乘以多普勒线型函数的极大值，即为峰值吸收系数,原子吸收光谱定量分析的基本关系式,投射到分析原子吸收层的入射辐射强度为 经过厚度为L的原子吸收层吸收之后的透射辐射强度为,原子吸收光谱定量分析的基本关系式,吸光度为将K0 带入上式，得到吸光度与吸收层原子浓度的关系式,吸光度与被测物质含量的关系,实际原子吸收包含两个过程，被测元素原子化转化为吸光形态-自由原子转入气相,这是化学过程；气相中的原子自由原子对特征辐射产生吸收，这是物理过程。原子数N与试样中被测元素的含量c的关系涉及到原子化过程,是化学过程，N与C成正比，NC 是试样中被测元素转化为自由原子的系数,表征被测元素的原子化效率,取决于试样和元素的性质及实验条件。原子化过程是影响原子吸收光谱分析的因素，也是干扰的主要来源。,吸光度与被测物质含量的关系,在实验条件一定时，对于特定的元素测定 吸光度与试样中被测元素含量成正比。,5 原子吸收光谱定量分析方法,重量法、容量法、仪器分析中的中子活化分析、库伦分析是绝对测量方法。原子吸收光谱分析是一种相对分析方法，须用校正曲线进行定量。常用的定量方法有：标准曲线法,标准加入法,浓度直读法,试样稀释标样法，内标法。标准曲线法是最基本的定量方法,是其他定量方法的基础。,标准曲线法（校正曲线法）,校正曲线法的成功应用的基本条件：标准系列与被分析样品的组成的精确匹配；标样浓度的准确标定；吸光度值的准确测量；校正曲线的正确制作和使用。A与C之间是相关关系,非数学上严格函数关系。校正曲线是一组实验点的统计平均结果。其变动性用标准偏差表征。,校正曲线的原理图,校正曲线的建立,用回归分析建立校正曲线，校正曲线由斜率b和截距a决定。,校正曲线的建立,试验点偏离校正曲线的程度用校正曲线的标准偏差量度。在整个校正曲线的线性动态范围内，不浓度点测定吸光度的精密度不同，在校正曲线中央部分精密度最好,校正曲线的变动性校正,校正校正曲线变动性，采用单点校正法:校正曲线平移；斜率重置。校正曲线各实验点的偏移大小不随被测元素含量而改变，是固定的，则引起校正曲线平移；如果各实验点的偏移大小，随被测元素含量而改变，是相对系统误将使校正曲线斜率的发生改变。曲线平移法只能用来校正固定系统误差。斜率重置法只能用来校正相对系统误差。正确的做法是将原有的实验点与新的实验点合并起来，重新建立新的校正曲线。,标准加入法,标准加入法是在几份等量的被分析试样中分别加入等不同量ci 的被测定元素标准溶液，依次在标准条件下测定它们的吸光度值Ai，建立Ai=f(ci)校正曲线。校正曲线不通过原点，将校正曲线外延与横坐标相交，原点至交点的距离，即为试样中被测元素的含量。一般要求c1接近于试样中被测元素含量c0的两倍，c2是c0的34倍,c5必须仍在校正曲线的线性范围内。,标准加入法,标准加入法所依据的原理是吸光度的加和性。校正曲线必须是线性的。自动补偿样品基体的物理和化学干扰,提高测定的准确度。标准加入法不能补偿宽带分子吸收,必须严格校正分子吸收。标准加入法只能应用于固定系统误差场合,不能应用于相对系统误差场合。,试样稀释标样法,依据的原理是吸光度的加和性,校正曲线是线性的。先测定体积为、浓度为 的标准溶液的吸光度。再用一定体积 的样品溶液稀释标准溶液，稀释后试液的浓度为，其中 是被测样品溶液的浓度。测得稀释后试液的吸光度为，,试样稀释标样法,正确选择标准溶液的浓度和稀释比是关键，对于足够低浓度水平的元素，所选择标准溶液的浓度要适当高于样品溶液的浓度，稀释比适当，以便能准确地测定稀释后溶液的吸光度值。试样稀释标样法的优点是，用测定较高浓度溶液的吸光度代替测定低浓度水平溶液的吸光度，有利于提高测定吸光度的准确度和精密度,浓度直读法,浓度直读法的基础是标准曲线法。用仪器内置的校正曲线，将测定的吸光度，算出试样中被测元素的浓度或含量，并显示在仪器上。浓度直读法测定的基本条件：校正曲线是线性的，而且是稳定的试样吸光度值必须落在校正曲线动态范围内浓度直读法的准确度一般要逊于标准曲线法和标准加入法。,6 关于定量分析几个问题的讨论,原子化过程的影响1，原子化过程是化学过程。在确定的实验条件下，蒸气相中的原子数与试样中被测元素的含量C成正比。这一假定成立的基础是：被测元素化合物的原子化效率在确定的实验条件下是一定的。但实际上原子化效率特别是难原子化元素的原子化效率，随样品基体和实验条件波动而有差异，甚至有明显的差异。原子化过程是影响测定准确度与精密度的最主要因素。,6 关于定量分析几个问题的讨论,2 原子吸收光谱分析是动态测量，而非平衡测量，测定数据随机波动性较大，使得测定数据的离散性较大，影响测定结果的精密度。在实际测定时，一定要有重复测量。因此，单点定标的方法都是不可取的，如单次测定值浓度直读，根据单次测定值将校正曲线的斜率重置或平移定位，空白溶液调零扣空白值等。,6 关于定量分析几个问题的讨论,3，商品原子吸收仪器中预先存在资料库内的各元素分析条件通常都是厂商用标准溶液得到的或是从文献上搜集到针对某一特定基体样品的分析条件，一般来说不能作为自己测定实际样品的最优条件使用，只可作为选择分析条的参考。因为测定一种试样中某一元素的最佳条件，未必对另一种试样中同一元素的测定也适用。,辐射吸收过程的影响,辐射吸收过程是一个物理过程。只从吸收过程而言，校正曲线的动态范围应该是较宽的。但实际上并非如此。原因何在？1，空心阴极灯的工作电流增大，自吸和多普勒变宽效应增强，发射线明显变宽，使测得的峰值吸光度明显地降低，导致校正曲线严重弯曲。,辐射吸收过程的影响,2，当不存在非吸收辐射时，如连续背景辐射、空心阴极灯内稀有填充气体与灯支持材料、仪器的杂散光以及其他杂质发射的辐射等进入光谱通带内，吸光度A小于A。i0 在整个入射辐射中所占比例越大，吸收介质内分析原子浓度越高，A越小，校正曲线弯曲趋势越大。,辐射吸收过程的影响,3，共存元素含量高时，洛伦茨效应引起吸收谱线轮廓的频移与非对称化，洛伦茨展宽是碰撞展宽，当局外原子浓度高时，它与多普勒展宽是同一数量级。洛伦茨效应对譜线中心影响较大，导致灵敏度下降，使得测定的吸光度低于正常的 峰值吸光度，导致校正曲线的 非线性化。,谢谢大家,