原子吸收光谱(VARIAN陪训材料)——基本原理ppt课件.ppt
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1、Basic Principles基本原理,SpectrAA,目 的, 原子吸收理论基础 原子吸收的原理 火焰与石墨炉原子吸收,第一节 基本原理,第一节 基本原理,基本原理,原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收 进行元素定量分析的方法。 基态原子吸收其共振辐射,外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。 在通常的原子吸收测定条件下,原子蒸气中基态原子数近似等于总原子数。在原子蒸气中(包括被测元素原子),可能会有基态与激发态存在。根据热力学的原理,在一定温度下达到热平衡时,基态与激发态的原子数的比例遵循Boltzman分布定
2、律。,第一节 基本原理,AA 之父- 阿兰.沃什(Alan Walsh),第一节 基本原理,Mn,Tc,Re,Fe,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,Sn,Pb,N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te,Po,F,Cl,Br,I,At,He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn,H,Li,Na,K,Rb,Cs,Fr,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,La,Ac,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,w,火焰分析火焰与石墨炉分析,周期表Periodic Table,Ce,Pr,Nd,Pm
3、,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr,第一节 基本原理,第一节 基本原理,主要用于金属元素分析 碱金属 Li Na K 易电离 采用低温火焰 加消电离剂 碱土金属 Be Mg Ca 灵敏度高 存在阴离子干扰 有色金属 Cu Zn Pb 灵敏度高 波长短 背景干扰较重 黑色金属 Fe Co Ni 谱线复杂 选择窄光谱通带 贵金属 Ag Au Pt 易原子化 贫燃火焰 难原子化元素 稀土元素 Si Ta W 灵敏度差 高温火焰 金属涂层石墨管,历史演变 光谱的早期历史, Sir Isaac N
4、ewton discovers the solar spectrum in the late 1600s,Sunlight,Prism,第一节 基本原理, 牛顿17世纪末期发现了太阳光谱, 1802 Wollaston 注意到了太阳光谱中的暗线 1814 Fraunhofer仔细研究了这些线 由于太阳表层大气的吸收导致了暗线的产生,Fraunhofer线,第一节 基本原理,1859- Kirchhoff & Bunsen 试验 (1),第一节 基本原理,第一节 基本原理,1859- Kirchhoff & Bunsen 试验 (2),Burner,Prism,WhiteCard,Place S
5、alt on Wire Loopand Hold in Flame,Lens,Used to Discover the Elements Rb and Cs,EmissionLines,第一节 基本原理,第一节 基本原理,吸收 vs 发射光譜,Ba,Na,K,Fraunhofer发现的吸收线,相应元素的发射线,元素的定性分析,190 nm,900 nm,Cu,第一节 基本原理,第一节 基本原理,基态原子,中子,质子,电子,运行轨道,第一节 基本原理,原子对能量的吸收和发射,基态原子,激发态原子,h,能量吸收,Valence (Outer)Electrons,h,能量发射,第一节 基本原理,第一
6、节 基本原理,能量提供方式,碰撞 Collision 热 Heat 光 Light,第一节 基本原理,能级图Energy Level Diagram,Electron Energy Transitions,Eo,E2,E3,E1,1,2,3,4,E4,5,6,Resonance lines originate from ground state (Eo),第一节 基本原理,原子吸收过程Atomic Absorption Process,Resonance lines must originate from ground state,Energy Transitions,Eo,E2,E3,E1,
7、Sun Atmosphere,Sunlight,1,2,3,4,1,2,3,4,第一节 基本原理,第一节 基本原理,Pb的能级图,Electron Energy Transitions,Eo,E2,E3,E1,202.2,E4,217.0,261.4,283.3,Wavelength in Nanometers,第一节 基本原理,能量吸收过程(Few Lines/Element),a b c d,Eo Ground State,ExcitedStates,Excitation,Energy,b,a,c,E3,E2,E1,E,Ionization,第一节 基本原理,发射过程能级图(Many Li
8、nes/Element),a b c d,Eo Ground State,ExcitedStates,Emission,Energy,b,a,c,E3,E2,E1,E,Ionization,第一节 基本原理,AA 的“真理”,所有原子(Atom)均可以吸收光(Light)特定原子只能吸收特定波长 所被吸收光之量随光路中原子数量增加而增加,并与吸收原子的浓度成正比,第一节 基本原理,原子吸收光谱技术,使用特定光源。 (使用Cu灯,则分析物是Cu)2. 以火焰或石墨管形成并保持原子于光路中。3. 原子暴露于共振波长形成之光线中。4. 检测光线的透过率并换算成吸收度以进行定量。,第一节 基本原理,1
9、952-53瓦里安终生顾问 Alan Walsh先生提出了原子吸收分析理论1960世界上第一台商品化的原子吸收问世1966第一次采用氧化亚氮/乙炔火焰原子吸收1971世界上第一台纵向加热石墨炉1971首先发展Zeeman 背景校正技术,并获专利1981 首家实现操作自动化1984第一台连续氢化物发生器1990推出世界上最先进的Mark VI 火焰燃烧头1992Varian-OSI 获得 ISO-9001 质量认证证书1995独家推出在线火焰自动进样器(SIPS8)1998世界上第一台快速分析火焰原子吸收220FS2002世界上第一套实现火焰和石墨炉同时分析的原子吸收光谱仪,Varian AAS
10、 的发展史,第一节 基本原理,原子吸收光谱仪设计,Resonance,ResonanceNon-resonanceFill Gas,Io,It,第一节 基本原理,石墨炉法原子吸收,ResonanceNon-resonanceFill Gas,Resonance,第一节 基本原理,原子吸收光谱仪设计,火焰法原子吸收,吸光度计算(Beer-Lambert 定律),A = log ( ) = abc,IoIt,A,说明:A = 吸光度a = 吸光系数Io = 入射光强度b = 光路长度path lengthIt = 透过光强度c = 样品浓度,c,第一节 基本原理,比尔定律 Beer-Lambert
11、 Law,第一节 基本原理,比尔定律 Beer-Lambert Law,实际,理论,ABS,CONC,A = abc,第一节 基本原理,透过率 vs 吸光度% Transmittance vs ABS,透过Transmittance 吸光度Absorbance 100 % 0 10 % 1 1 % 2 0.1 % 3,第一节 基本原理,定义: 灵敏度 产生1%的光吸收所对应的样品浓度,将1% 吸收转换为吸光度:,A = Log = Log = 0.0044 ABS,特征质量 Characteristic Mass (1),第一节 基本原理,特征质量 Characteristic Mass (2
12、),计算公式CM Calculation:,第一节 基本原理,典型特征质量(pg),元素D2ZeemanAg1.00.7As*8.0 10.0Cd*0.30.2Cr2.51.5Cu2.56.0Fe2.01.2Mo8.07.0Ni10.04.8Pb*6.05.5Sb*9.010.0,元素 D2ZeemanSe*25.014.0Sn*22.010.0Tl*25.015.0V28.022.0Zn0.250.15,Note:Peak Height Wall Atomization*Indicates Modifier Used,第一节 基本原理,检出限 Detection Limit, ?.deter
13、mined by multiplying by 3, the average of the standard deviations obtained on three nonconsecutive days from the analysis of a standard solution at a concentration 3x-5x the instrument manufacturer suggested IDL, with seven consecutive measurements per day.EPA Equation:,说明: = ave SD of absc = concen
14、trationx = ave abs,第一节 基本原理,检出限的计算,计算七次读数的标准偏差,第一节 基本原理,影响检出限和特征质量的因素, Analyte分析物 Wavelength波长 Optical path length光路长 Slit width隙缝宽度 Light source type光源类型 Matrix (including modifiers)基体 Background correction背景校正 Detector type检测器类型 Method parameters方法参数,第一节 基本原理,只影响检出限之因素, 原子化过程的波动 石墨管壁的发射 周围环境的吸收 大气
15、 惰性气体 分析物 光源噪声 检测器噪声 光学元件的沾污,第一节 基本原理,特征质量和检出限的意义, 特征质量(浓度)性能检查可以在较小的吸光度 (0.100-0.200 abs)下测定确定最佳工作范围(20-200 x)特征质量越小则灵敏度越好读出性更好精度更好更低检出限, 检出限测定整体噪声最小可检出量MDQ= 10 x DL并不能保证良好的准确度更依赖于基体及方法优化,第一节 基本原理,小结, 原子吸收理论 激发 发射 吸收 朗伯-比尔定律,第一节 基本原理,原子吸收光谱仪又称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。,第二节 仪器,原子吸收光谱仪组成,光源的作用
16、是发射被测元素的特征共振辐射。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。空心阴极灯是符合上述要求的理想光源,应用最广。 空心阴极灯是由玻璃管制成的封闭着低压气体的放电管。主要是由一个阳极和一个空心阴极组成。阴极为圆柱形,由待测元素的高纯金属和合金直接制成,贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为钨棒,上面装有钛丝或钽片作为吸气剂。 灯的光窗材料根据所发射的共振线波长而定,在可见波段用硬质玻璃,在紫外波段通常用石英玻璃。制作时先抽成真空,然后再充入压强约为267 1333 Pa的少量氖或氩等惰性气体,其作用是 载带电流、使阴极产生溅射及
17、激发原子发射特征的锐线光谱。,一、光源,第二节 仪器,由于受宇宙射线等外界电离源的作用,空心阴极灯中总是存在极少量的带电粒子。当极间加上300 500V电压后,管内气体中存在着的、极少量阳离子向阴极运动,并轰击阴极表面,使阴极表面的电子获得外加能量而逸出。 逸出的电子在电场作用下,向阳极作加速运动,在运动过程中与充气原子发生非弹性碰撞,产生能量交换,使惰性气体原子电离产生二次电子和正离子。在电场作用下,这些质量较重、速度较快的正离子向阴极运动并轰击阴极表面,不但使阴极表面的电子被击出,而且还使阴极表面的原子获得能量从晶格能的束缚中逸出而进入空间,这种现象称为 阴极的“溅射” 。“溅射”出来的阴
18、极元素的原子,在阴极区再与电子、惰性气体原子、离子等相互碰撞,而获得能量被激发发射阴极物质的线光谱。 空极阴极灯发射的光谱,主要是阴极元素的光谱。,第二节 仪器,若阴极物质只含一种元素,则制成的是单元素灯。若阴极物质含多种元素,则可制成多元素灯。多元素灯的发光强度一般都较单元素灯弱。 空极阴极灯的发光强度与工作电流有关。使用灯电流过小,放电不稳定;灯电流过大,溅射作用增强,原子蒸气密度增大,谱线变宽,甚至引起自吸,导致测定灵敏度降低,灯寿命缩短。因此在实际工作中应选择合适的工作电流。 空极阴极灯是性能优良的锐线光源。由于元素可以在空心阴极中多次溅射和被激发,气态原子平均停留时间较长,激发效率较
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