原子吸收分光光度法ppt课件.ppt

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1、第七章 原子吸收分光光度法 (atomic absorption spectrophotometry，AAS),原子吸收分光光度法是基于蒸气相中被测元素的基态原子对原子共振辐射的吸收来测定式样中该元素含量的一种方法。 MgCl2(雾粒) MgCl2(干气溶胶) MgCl2(g) Mg(g)+2Cl(g),脱水,原子吸收分析示意图,原子吸收分光光度法的优点,灵敏度高选择性和重现性好精密度高测量范围广，可测定七十多种元素,(1)头发中微量元素的测定微量元素与健康关系； (2)水中微量元素的测定环境中重金属污染分布规律； (3)水果、蔬菜中微量元素测定； (4)矿物、合金及各种材料中微量元素的测定；

2、 (5)各种生物试样中微量元素的测定。,应用,第二节 基本原理,原子吸收光谱电子从 基态 激发态1. 为吸收能量，进入激发态，产生原子吸收光谱。2. 为释放能量，回到基态，产生原子发射光谱。,原子吸收光谱的特点,原子光谱是分布于紫外-可见光区的线状光谱。原子吸收光谱比原子发射光谱简单。不同的元素具有不同的原子吸收光谱。,共振线c,共振线 原子在两个能态之间的跃迁伴随着能级的发射和吸收，最 外层电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收线称为共振吸收线（简称共振线resonance line）。,各种元素的原子结构和外层电子排布不同，基态第一激发态: 跃迁吸收能量不同具有特征性。各种元素的基态第一激

3、发态最易发生，吸收最强，最灵敏线。 共振线是元素的特征谱线，也是元素的灵敏线,共振线,二、基态原子的激发,原子吸收光谱是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。,二、基态原子的激发,热力学平衡时，两者符合Boltzmann分布定律：,上式中gj和gO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。,谱线的轮廓,若将不同频率的光（强度为I 0）通过原子蒸汽，有一部分光将被吸收，其透

4、过光的强度（即原子吸收共振线后光的强度）与原子整齐的宽度（即火焰的宽度有关），若原子蒸汽中原子密度一定，则透过光（或吸收光）的强度与原子蒸汽宽度成正比关系，即朗伯定律： I=I0 e-KvL （Kv 为原子蒸汽对频率为的光的吸收系数）,三、原子吸收谱线,谱线的轮廓,原子群从基态跃迁到激发态所吸收的谱线并不是绝对单色，而使是具有一定的宽度，通常称为谱线轮廓。,It与的关系,谱线变宽,表征吸收线轮廓特征的值是中心频率0 和半宽度， 0 由原子的能级分布特征决定， 半宽度除谱线本身具有的自然宽度外，还受多种因素的影响，而使峰变宽，变宽效应：,1、自然宽度：与原子发生能级间跃迁时激发态原子的有限寿命相

5、关。 2、多普勒变宽（温度变宽）一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。,3、压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽） 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。 (1)劳伦兹（Lorentz）变宽： L 待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。 (2)赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）： 同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略4、自吸变宽场致变宽 在一般分析条件下D、 L为主。,谱线变宽,谱线的积分吸收与基态原子数目有如下关系: c 光速 m 电子质量 e 电荷 N0 单位体积原子蒸气中吸收辐

6、射的基态原子数 f 振子强度,四、峰值吸收的测量,常规光源与单色器间的矛盾,若测量出谱线下所围面积（积分吸收）。即可得到单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数N0。是一种绝对测量方法，但是由于原子吸收线的半宽度很小，要测量这样一条半宽度很小的吸收线的积分吸收值，需分辨率高达十万的单色器，现在的分光装置无法实现。 =10-3，若取600nm，单色器分辨率R=/=6105 长期以来无法解决的难题！能否提供共振辐射（锐线光源），测定峰值吸收？,四、峰值吸收的测量,四、峰值吸收的测量,积分吸收 若用常规的连续光源如：钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2mm。而原子吸收线半宽度：10-3mm。如图

7、,2.锐线光源,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。,2.锐线光源,提供锐线光源的方法：空心阴极灯,将 I=I0e-KvL 代入上式：,3.峰值吸收,采用锐线光源进行测量，则ea ，由图可见，在辐射线宽度范围内，K可近似认为不变，并近似等于峰值时的吸收系数K0，则：,峰值吸收,在原子吸收中，谱线变宽主要受多普勒效应影响，则：,上式的前提条件：（1） ea ；（2）辐射线与吸收线的中心频率一致。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,原子吸收定量基础,当使用锐线

8、光源时，可用K0代替Kv，则：,峰值吸收系数：,原子吸收定量基础,A = k N0 L N0 Nc（ N0激发态原子数，N基态原子数，c 待测元素浓度）所以：A=lg(IO/I)=K c,原子吸收线的形状,谱线轮廓 谱线强度按频率有一分布值，强度随频率的改变而急剧改变。 原子吸收对应的辐射频率为： =E/ h,原子吸收线的形状,为什么谱线具有一的宽度主要有两方面的因素： 1. 原子性质所决定的自然宽度。 2. 外界影响,峰值吸收测量示意图,原子吸收法的定量计算公式,设,原子吸收仪器（1）,原子吸收仪器（2）,原子吸收分光光度计流程,特点： 有单光束型和双光束型两类，由光源、原子化系统、光学系统

9、及检测系统等四部分组成,原子吸收分光光度计,原子吸收分光光度计主要由四部分组成： 1. 光源 2. 原子化装置 3. 分光系统 4. 检测系统,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。AAS 对光源的基本要求： 1. 光谱纯度要高； 2. 发射的共振线必须是锐线； 3. 结构牢固可靠，使用方便； 4. 有较长的寿命，价钱便宜。,光源,空心阴极灯,结构如图所示,空心阴极灯,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

10、原子及离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。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。,优缺点： （1）仅有一个操作参数，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。,空心阴极灯的种类,单元素空心阴极灯多元素空心阴极灯,原子化系统,作用：将试样中待测离子转变成原子蒸气。按照使试样原子化的方法可分为：,火焰原子化器,利用火焰的热能使试样原子化的一种装置。火焰原子化器的组成： 雾化器、雾化室、燃烧器,包括雾化器、雾化室和燃烧器三部分常用的为预混合型：用雾化器将试液雾化，在雾化室内将较

11、大的雾滴除去，使试样的雾滴均匀化后再喷入火焰,火焰原子化装置,火焰原子化器示意图,雾化器,作用：将样品雾化。要求是：喷雾稳定，产生的雾滴细而均匀，雾化 效率（单位时间内被雾化试样的量与 吸喷总试液量之比）高。,雾化室,作用：使微细的雾滴与燃气混合，排除大液滴。燃烧器作用：将试样蒸气转化为基态原子。要求：不易回火，火焰平稳，位置可调。,火焰类型：,化学计量火焰： 温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。富燃火焰： 燃气量大于化学计算量还原性火焰，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： 助燃气量大于化学计算量火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。可燃混合气体供气速度应

12、大于燃烧速度，但不易过大,火焰结构及原子化过程,火焰划分的四个区域： 1.干燥区: 燃烧不完全 温度不高 2. 蒸发区: 燃烧不充分 温度未达到最高点 3. 原子化区: 燃烧完全 温度高 4.电离化合区: 燃烧充分 温度达到最高点,预混合火焰结构示意图,CaCl2原子化过程,无火焰原子化装置,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。,高温石墨管原子化器结构 如图所示：,高温石墨管原子化器原子化过程,原子化过程分为干燥、灰化（去除基体）、原子化、净化（去除残渣） 四个阶段，待测元

13、素在高温下生成基态原子。,高温石墨管原子化器优缺点,优点：原子化程度高，试样用量少（1-100L），可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测极限10-12 g/L。缺点：取样量少而导致进样量对实验结果影响较大，精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。,其他原子化方法,a. 低温原子化方法 主要是氢化物原子化方法，原子化温度700900 C ； 主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等元素 原理： 在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例 AsCl3 +4NaBH4 + HCl +8H2O = AsH3 +4NaCl +4HBO2+13H2 将待测试样在专门的氢

14、化物生成器中产生氢化物，送入原子化器中检测。 特点：原子化温度低 ； 灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；基体干扰和化学干扰小；,b. 冷原子化法,低温原子化方法（一般700900C）； 主要应用于：各种试样中Hg元素的测量；原理： 将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g汞）；,分光系统,作用：将所需要的共振线分离出来。 分光系统由于采用锐线光源，对分光系统要求不高。,检测系统,作用：将分光系统分出的光信号转换为电信号并进行放大的装置。 检测系统,原子吸收分光光度计的

15、类型,单光束型双光束型,单光束原子吸收分光光度计,双光束原子吸收分光光度计,实验技术,定量分析方法 1. 标准曲线法 2. 直接比较法 3. 标准加入法,配制一系列不同浓度的标准试样，由低到高依次分析，将获得的吸光度A数据对应于浓度作标准曲线，在相同条件下测定试样的吸光度A数据，在标准曲线上查出对应的浓度值；或由标准试样数据获得线性方程，将测定试样吸光度A数据带入计算。注意在高浓度时，标准曲线易发生弯曲，压力变宽影响所致；,1.标准曲线法,2.直接比较法,Ax = KCx As = KCs,2.标准加入法,标准加入法又称为直线外推法。 分别测得吸光度为：AX，A1，A2，A3，A4。,以A对浓

16、度c做图得一直线，图中cX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；,配制标准加入法标准溶液示意图,取若干份体积相同的试液（cX），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（cO），定容后浓度依次为： cX cX +cO cX +2cO cX +3cO cX +4 cO ,标准加入法工作曲线,电离干扰物理干扰化学干扰光谱干扰,干扰的类型及其抑制,原子吸收分光光度计的特点： 使用的是锐线光源，应用的是共振吸收线，吸收线的数目比发射线数目少的多，谱线相互重叠的几率较小吸收光谱干扰小的重要原因。 原子吸收跃迁的起始态是基态，基态的原子数目受温度波动影响很小，除了易电离元素的电离效应之

17、外，基态原子数近似等于总原子数原子吸收分光光度法干扰比较小的一个基本原因。 但在实际工作中仍不可忽视干扰的问题，主要有光谱干扰、物理干扰和化学干扰三类。,干扰的类型及其抑制,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1. 与光源相关的干扰： 1）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）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）灯的辐射中有连续背景辐射。 用较小通带或更换灯,光谱干扰,光谱线干扰 光谱线重叠引起的干扰。 Co 253.649nm Hg 253

18、.652nm背景干扰 是一种非原子吸收信号，其中包括分子吸收的干扰、固体微粒对光的散射作用所引起的干扰。,电离干扰,易电离的元素在火焰中电离，使参与原子吸收的基态原子数减少，从而使吸光度下降，还会影响工作曲线。,物理干扰,是指试样溶液在转移、蒸发和原子化过程中由于试样物理特性的变化引起吸光度下降的效应。主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。 例粘度、表面张力、 可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。,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。,三、化学干扰及抑制,（1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，

19、致使参与吸收的基态原子减少。 例：a、钴、硅、硼、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。 （2）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）。,1. 化学干扰的类型,2.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： （1）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。例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。 （2）保护剂与待测元素形成稳定的络合物，防止干扰物质与其作用。 例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根与钙作用。,2.

20、化学干扰的抑制,（3）饱和剂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。 （4）电离缓冲剂加入大量易电离的一种缓冲剂以抑制待测元素的电离。例：加入足量的铯盐，抑制K、Na的电离。,2.与原子化器有关的干扰,a. 来自原子化器的发射和背景吸收 1）原子化器的发射 来自火焰本身或原子蒸汽中待测元素的发射，可采用调制方式进行工作，但会增加信号噪声（可适当增加灯电流，提高光源发射强度来改善信噪比）,2.与原子化器有关的干扰,2）背景吸收（分子吸收）：来自原子化器（火焰或无火焰）的一种光谱干扰。由气态分子

21、（火焰中OH、CH、CO等分子或基团、金属的盐类）对光的吸收以及固体微粒（进行低含量或痕量分析时，大量基体成分进入原子化器，在原子化过程中形成烟雾或固体颗粒在光路中阻挡光束）对光的散射引起的，是一种宽频带吸收。引起部分共振发射线的损失而产生误差，随波长缩短而增大，同时随基体元素浓度的增加而增大，并与火焰条件有关（无火焰原子化器较严重）。,b.背景干扰校正方法,氘灯连续光谱背景校正 旋转斩光器交替使氘灯提供的连续光谱和空心阴极灯提供的共振线通过火焰； 连续光谱通过时：测定的为背景吸收(此时的共振线吸收相对于总吸收可忽略)； 共振线通过时，测定总吸收；差值为有效吸收；,（2）塞曼(Zeeman)效

22、应背景校正法,Zeeman效应：在磁场作用下简并的谱线发生裂分的现象；校正原理：原子化器加磁场后，随旋转偏振器的转动，当平行磁场的偏振光通过火焰时，产生总吸收；当垂直磁场的偏振光通过火焰时，只产生背景吸收；,（2）塞曼(Zeeman)效应背景校正法,方式：光源调制法和共振线调制法（应用较多），后者又分为恒定磁场调制方式和可变磁场调制方式。优点：校正能力强（可校正背景A1.22.0）；可校正波长范围宽：190 900nm ；,分析条件的选择,分析线 通常选择共振线作为吸收线。狭缝的宽度 通过实验确定合适的宽度，最佳的狭缝宽度是不引起吸光度减小的最大狭缝宽度。灯电流的选择 保证稳定和合适光强的输出

23、情况下，尽量选用最低的工作电流。原子化条件的选择,灵敏度和检测线,灵敏度 定义为校正曲线A=f(c)的斜率 它表示当被测元素浓度改变一个单位时吸光度的变化量。,灵敏度、特征浓度及检测极限,灵敏度及特征浓度 (1)灵敏度（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(待测元素的浓度或质量改变一个单位时吸光度A的变化量)： Sc=A/c 或 Sm=A/m (2)特征浓度指对应与1%净吸收的待测物浓度（cc），或对应与0.0044吸光度的待测元素浓度.单位： 质量浓度g(mL 1%)-1或质量分数g(g 1%)-1,检测限（D） 检测限是指能以适当的置信度被检出的元素的最小浓度或最小量。 空白溶液进行10次以上吸光度测定计算得到的标准差。 C 标准溶液的浓度 A 标准溶液的吸光度,