第六章 原子吸收分光光度法

第六章原子吸收分光光度法AtomicAbsorptionSpectrophotometry(AAS)危麗俊衛(wèi)生化學(xué)教研室原子吸收儀器（1）原子吸收儀器（2）原子吸收儀器（3）原子吸收儀器（4）主要內(nèi)容：概述第一節(jié)基本原理第二節(jié)原子吸收分光光度計第三節(jié)定量分析方法第四節(jié)原子吸收分光光度法的干擾及抑制方法第五節(jié)原子吸收分光光度法的實(shí)驗技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例原子吸收分光光度法又稱為原子吸收光譜法是一種基于光源輻射出待測元素的特征譜線通過樣品的原子蒸汽，被蒸汽中的待測元素的基態(tài)原子所吸收，通過測量基態(tài)原子對特征譜線吸收程度進(jìn)行定量的分析方法。定義：概述1802年Wollaston發(fā)現(xiàn)太陽光譜的暗線；1859年Kirchhoff和Bunson解釋了暗線產(chǎn)生的原因；歷史太陽光暗線發(fā)現(xiàn)太陽光譜的暗線基態(tài)第一激發(fā)態(tài)熱能解釋太陽光譜的暗線暗線是由于大氣層中的鈉原子對太陽光選擇性吸收的結(jié)果1955年Walsh發(fā)表了一篇論文*，解決了原子吸收光譜的光源問題，50年代末PE和Varian公司推出了原子吸收商品儀器?？招年帢O燈火焰棱鏡光電倍增管*A.Walsh,“Applicationofatomicabsorptionspectrometrytoanalyticalchemistry”,Spectrochim.Acta,1955,7,1081959年里沃夫提出電熱原子化技術(shù)，大大提高了原子吸收的靈敏度

電熱石墨管原子蒸汽封閉，無稀釋原子吸收光譜分析的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、靈敏度高（火焰法：1ng/ml，石墨爐100-0.01pg)；2、準(zhǔn)確度高（火焰法：RSD<1%，石墨爐3-5%）3、選擇性高（可測元素達(dá)70個，相互干擾很?。?、操作簡便、分析速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動化缺點(diǎn):(1)不能多元素同時分析需要換不同的元素?zé)?2)對于復(fù)雜樣品干擾嚴(yán)重，需預(yù)處理返回第一節(jié)基本原理原子吸收光譜：當(dāng)原子吸收一定頻率輻射時，其外層電子從基態(tài)躍遷到較高的能級狀態(tài)，原子對輻射能選擇性吸收而產(chǎn)生的光譜：基態(tài)

第一激發(fā)態(tài)原子發(fā)射光譜：激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，可發(fā)射出相同頻率的輻射躍遷回基態(tài)而產(chǎn)生的光譜：激發(fā)態(tài)

基態(tài)

1.原子吸收光譜的特點(diǎn)原子光譜是分布于紫外可見光區(qū)、結(jié)構(gòu)簡單、不連續(xù)的線光譜通常吸收線比發(fā)射線少，譜線重疊的幾率也少2.元素的特征譜線－共振線1）各種元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布不同，基態(tài)

第一激發(fā)態(tài):

躍遷吸收能量不同——具有特征性。2）各種元素的基態(tài)

第一激發(fā)態(tài)

最易發(fā)生，吸收最強(qiáng)，最靈敏線，特征譜線。3）利用特征譜線可以進(jìn)行定量分析。二、原子吸收\原子吸收光譜的輪廓.swf

原子吸收線指強(qiáng)度隨頻率變化的曲線，從理論上講原子吸收線應(yīng)是一條無限窄的線，但實(shí)際上它有一定寬度。I

o

I

o

K

----吸收系數(shù)Ko----峰值吸收系數(shù)、極大吸收系數(shù)

o----中心頻率或特征頻率Δ----半寬度以中心頻率和半寬度表示原子吸收線的輪廓吸收線Δ:10-3～10-2nm發(fā)射線Δ:5×10-4～2×10-3nm表征吸收線輪廓(峰)的參數(shù)：

中心頻率

O(峰值頻率)：最大吸收系數(shù)K0對應(yīng)的頻率；

中心波長：λ0(nm)

半寬度：Δ

譜線變寬原因：（1）自然寬度（2）多普勒變寬（熱變寬）ΔVD（3）壓力變寬（碰撞變寬）ΔVL（4）自吸變寬（5）場致變寬（1）自然變寬在無外界影響下，譜線仍有一定寬度，這種寬度稱為自然寬度。以ΔvN表示10-5nm數(shù)量級根據(jù)量子力學(xué)的Heisenberg測不準(zhǔn)原理，能級的能量有不確定性，ΔE=h/2πττ-激發(fā)態(tài)原子的壽命；τ越小，寬度越寬。（2）多普勒變寬Dopple（熱變寬）ΔVD

這是由于原子在空間作無規(guī)則熱運(yùn)動所導(dǎo)致的，故又稱熱變寬。

D=7.1610-7

oTMT—熱力學(xué)溫度M—吸光原子的相對原子量ν0--為譜線的中心頻率。T

DDopple變寬可達(dá)10-3nm數(shù)量級

（3）壓力變寬（碰撞展寬）ΔVL由于吸光原子與蒸氣中原子或分子相互碰撞而引起的能級發(fā)生稍微變化，使發(fā)射或吸收頻率改變而導(dǎo)致的譜線變。（1）勞倫茲（Lorentz）變寬ΔVL

：10-4～10-3nm待測原子和其他粒子碰撞。隨原子區(qū)壓力和溫度的增加而增大。（2）霍爾茲馬克（Holtsmark）變寬（共振展寬）ΔVR：同種待測原子間碰撞。濃度高時起作用，但在原子吸收中可忽略在一般分析條件下ΔVD為主。譜線的變寬將導(dǎo)致原子吸收分析靈敏度的下降。（4）自吸變寬是指光源空心陰極燈發(fā)射的共振線被燈內(nèi)同種基態(tài)原子所吸收產(chǎn)生自吸現(xiàn)象。（5）場致變寬是指外界電場及磁場的作用使譜線引起的變寬現(xiàn)象綜合上述因素，實(shí)際原子吸收線的寬度約為10-3nm數(shù)量級，多普勒變寬和勞倫茲變寬是原子吸收譜線變寬的兩個主要因素。三、原子吸收光譜的測量1、積分吸收吸光原子數(shù)No越多，吸光曲線面積越大（峰越高），因此，理論上積分吸收與No呈正比：K

OKoK1K2K3K4K5K6

6

5

4

3

2

1

0K

d=Nofe2mc

e-電子電荷m-電子質(zhì)量c-光速No-基態(tài)原子數(shù)f-振子強(qiáng)度由于：No=C,因此：

K

d

c若能獲得積分吸收，即可測得原子濃度。K

d=Cfe2mc

（經(jīng)典色散理論）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1010-3nm

(~10-3nm)需要一個分光系統(tǒng)，譜帶寬度為0.0001nm,且連續(xù)可調(diào)K

0.0001nm關(guān)鍵性難題通常光柵可分開0.1nm，要分開0.01nm的兩束光需要很昂貴的光柵；要分開兩束波長相差0.0001nm的光，目前技術(shù)上仍難以實(shí)現(xiàn)；此外，即使光柵滿足了要求，分出的光也太弱，難以用于實(shí)際測量。2、峰值吸收1955年澳大利亞物理學(xué)家Walsh提出采用銳線光源作為輻射源，用峰值吸收代替積分吸收。所謂銳線光源——發(fā)射線的半寬度比吸收線的半寬度窄的多，并且發(fā)射線的中心頻率與吸收線的中心頻率相一致的光源。銳線光源需要滿足的條件：a.光源的發(fā)射線與吸收線的ν0一致。用一個與待測元素相同的純金屬制成的空心陰極燈b.發(fā)射線的Δν1/2小于吸收線的Δν1/2。燈內(nèi)沖低電壓，消除壓力變寬；燈電流僅幾毫安，溫度很低，消除熱變寬。理想的銳線光源——空心陰極燈2、峰值吸收

峰值吸收法是直接測量吸收線輪廓的中心頻率或中心波長所對應(yīng)的峰值吸收系數(shù)，從而確定蒸汽中原子濃度的方法。a、b均為常數(shù)，△V吸收線的半寬度，N0基態(tài)原子數(shù)即中心吸收與待測物濃度呈正比，因此只要用一個固定波長的光源，在

o處測量峰值吸收，即可定量。3、基態(tài)原子數(shù)（N0）與待測元素原子總數(shù)（N）的關(guān)系

熱力學(xué)平衡時：gj和gO分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重Nj和N0分別表示激發(fā)態(tài)原子數(shù)與基態(tài)原子數(shù)Ej是激發(fā)態(tài)能量，T是絕對溫度，K是波爾茲曼常數(shù)公式右邊除溫度T外，都是常數(shù)。T一定，比值一定。根據(jù)吸收定律，有：

4、定量基礎(chǔ)

實(shí)際測量時，將頻率為

、強(qiáng)度為IO的平行輻射光垂直通過均勻的原子蒸汽，原子蒸汽將對輻射產(chǎn)生吸收，得到透過光的強(qiáng)度IIOIL峰值吸收系數(shù)：當(dāng)使用銳線光源時，可用K0代替Kv，則：K0∝N0N0∝N∝c（N0基態(tài)原子數(shù)，N原子總數(shù)，c待測元素濃度）

A=KC原子吸收光譜分析的基本關(guān)系式：吸光度常數(shù)濃度A=lgIoI第二節(jié)原子吸收分光光度法流程原子吸收光譜儀又叫原子吸收分光光度計。

火焰原子化

原子化方式

非火焰原子化

單光束原子吸收分光光度計雙光束原子吸收分光光度計按入射光束二、光源1.作用提供待測元素的特征光譜。獲得較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。光源應(yīng)滿足如下要求；（1）能發(fā)射待測元素的共振線；（2）能發(fā)射銳線，是一種銳線光源；（3）輻射光強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。2.空心陰極燈結(jié)構(gòu)如圖所示3.空心陰極燈的原理施加適當(dāng)電壓時，電子將從空心陰極內(nèi)壁流向陽極;

與充入的惰性氣體碰撞而使之電離，產(chǎn)生正電荷，其在電場作用下，向陰極內(nèi)壁猛烈轟擊;

使陰極表面的金屬原子濺射出來，濺射出來的金屬原子再與電子、惰性氣體原子及離子發(fā)生撞碰而被激發(fā)，于是陰極內(nèi)輝光中便出現(xiàn)了陰極物質(zhì)和內(nèi)充惰性氣體的光譜。用不同待測元素作陰極材料，可制成相應(yīng)空心陰極燈?？招年帢O燈的輻射強(qiáng)度與燈的工作電流有關(guān)。優(yōu)缺點(diǎn)：（1）輻射光強(qiáng)度大，穩(wěn)定，譜線窄，燈容易更換。（2）每測一種元素需更換相應(yīng)的燈。封閉的氣體放電管空心陰極----被測元素純金屬或合金制成圓柱形陽極--------鎢、鈦或鋯做成內(nèi)充低壓惰性氣體發(fā)射線波長在370.0nm以下的用石英窗口發(fā)射線波長在370.0nm以上的用光學(xué)玻璃窗口Anode

CathodeMShield

Ne+M*→M+hnMOpticallytransparentwindow空心陰極燈通過原子發(fā)射而發(fā)光的原理如何控制△

發(fā)﹤△

吸

1、較少壓力：燈內(nèi)惰性氣體壓力一般只有133-266Pa，壓力變寬小，△

L小2、降低溫度：減少燈電流，燈溫度低，熱變寬小，△

D小

燈電流：1-20mA燈電流過低：放電不穩(wěn)定，光強(qiáng)度減弱。燈電流過高：熱變寬，自吸變寬，燈壽命縮短。在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)情況選擇合適的燈電流，滿足要求的情況下，選用較低的工作電流。4.無極放電燈無極放電燈：是在石英管內(nèi)放進(jìn)數(shù)毫克金屬化合物（多為鹵化物），管內(nèi)充400Pa氬氣后封閉。將放電管置于射頻或微波高頻電場中，氬氣首先被激發(fā)，隨著放電管溫度的升高，金屬鹵化物蒸發(fā)并在放電過程中進(jìn)一步被離解、激發(fā)，從而輻射出金屬元素特征譜線－共振線。由于大多數(shù)金屬元素的蒸汽壓較低，難以制成無極放電燈所以應(yīng)用較少無極放電燈二、原子化器原子化器作用就是將試樣中的待測元素轉(zhuǎn)變成能吸收輻射線的基態(tài)原子原子化過程：待測元素由試樣轉(zhuǎn)入氣相并離解為基態(tài)原子的過程原子化法可分為：（一）火焰原子化（二）無焰原子化（一）火焰原子化器火焰原子化法中，常用的是預(yù)混合型原子化器它是由霧化器(nebulizer)、霧化室(spraychamber)和燃燒器(burner)三部分組成。用火焰使試樣原子化是目前廣泛應(yīng)用的一種方式。它是將液體試樣經(jīng)噴霧器形成霧粒，這些霧粒在霧化室中與氣體（燃?xì)馀c助燃?xì)猓┚鶆蚧旌希ゴ笠旱魏?，再進(jìn)入燃燒器形成火焰。此時，試液在火焰中產(chǎn)生原子蒸氣。結(jié)構(gòu)（擋板、折流板）1.霧化器作用是將試樣溶液霧化影響霧化的主要因素：（1）溶液的物理性質(zhì)（如表面張力、粘度等）（2）毛細(xì)管孔徑的變化（3）助燃?xì)獾膲毫?、溫度、流速?）霧化器的結(jié)構(gòu)2.霧化室霧化室又稱為混合室作用是使細(xì)微的霧滴與燃?xì)狻⒅細(xì)獬浞只旌暇鶆?，以減少它們進(jìn)入火焰時對火焰的擾動，并使大霧滴凝結(jié)為液珠，沿室壁流入泄漏管排出，不再進(jìn)入燃燒器內(nèi)而造成記憶效應(yīng)3.燃燒器作用是形成火焰，并使細(xì)微的待測試液霧滴與燃?xì)庖黄鹪诨鹧嬷腥紵?、蒸汽和原子化。燃燒器中形成火焰的原子化能力取決于溫度及火焰氣體的組成火焰溫度的選擇：

（a）保證待測元素充分離解為基態(tài)原子的前提下，盡量采用低溫火焰；（b）火焰溫度越高，產(chǎn)生的熱激發(fā)態(tài)原子越多；（c）火焰溫度取決于燃?xì)馀c助燃?xì)忸愋?，常用空氣—乙炔，最高溫?600K能測35種元素。火焰類型：

空氣-乙炔最常用空氣-氫氣空氣-丙烷氧化亞氮-乙炔溫度最高（1）結(jié)構(gòu)，如圖所示：外氣路中Ar氣體沿石墨管外壁流動，冷卻保護(hù)石墨管；內(nèi)氣路中Ar氣體由管兩端流向管中心，從中心孔流出，用來保護(hù)原子不被氧化，同時排除干燥和灰化過程中產(chǎn)生的蒸汽。缺點(diǎn)：精密度差，測定速度慢，操作不夠簡便，裝置復(fù)雜。（二）石墨爐原子化器（2）原子化過程原子化過程：四個階段，干燥、灰化（去除基體）、原子化、凈化（去除殘渣），待測元素在高溫下生成基態(tài)原子。原子吸收\管式石墨爐原子化器的工作原理.swf（3）石墨爐原子化法優(yōu)缺點(diǎn)

a.試樣原子化是在惰性氣體保護(hù)下，石墨介質(zhì)中進(jìn)行的，有利于易形成難熔氧化物的元素的原子化。b.試樣用量少。通常固體樣品0.1~10mg，液體樣品5-100μL。c.原子在測定區(qū)的停留時間長（0.1-1s），原子化效率高，幾乎達(dá)100%，幾乎全部樣品參與光吸收，絕對靈敏度高。一般比火焰原子化法提高幾個數(shù)量級。能高1000倍d.能直接進(jìn)行粘度很大的試液、懸浮液和固體樣品的分析。f.化學(xué)干擾小。1.優(yōu)點(diǎn)2.缺點(diǎn)：a.精密度較火焰法差，相對偏差約為3-5%。b.有背景吸收（共存化合物分子吸收），必須有扣除背景裝置，設(shè)備比火焰法復(fù)雜、昂貴。c．分析所需的時間比火焰法要長等。（三）氫化物發(fā)生原子化器是另一種無焰原子化技術(shù)，在測定As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素具有較高的靈敏度可達(dá)10－9g數(shù)量級，原子化的裝置為氫化物發(fā)生器將元素還原成為極易揮發(fā)的氫化物再導(dǎo)入石英吸收管進(jìn)行原子化。特點(diǎn)：基體干擾和化學(xué)干擾小操作簡便快速缺點(diǎn)：精密度比火焰差，毒性較大（四）冷原子化法主要應(yīng)用于：Hg元素的測量原理：

將試樣中汞的化合物以還原劑（如SnCl2）還原為汞蒸汽，并通過Ar或N2將其帶入吸收池進(jìn)行測定。Hg2++Sn2+=Hg+Sn4+三、單色器（分光系統(tǒng)）

1.作用

將待測元素的特征譜線與鄰近的譜線分開

2.組件

出射狹縫、入射狹縫、反射鏡和色散元件（多用光柵）

必須注意：

在原子吸收光度計中，單色器通常位于光焰之后，這樣可分掉火焰的雜散光并防止光電管疲勞。由于銳線光源的譜線簡單，故對單色器的色散率要求不高。原子吸收光譜法應(yīng)用的波長范圍，一般在紫外、可見區(qū)，即從銫852.1nm到砷193.7nm。四、檢測系統(tǒng)主要由檢測器、放大器、對數(shù)變換器、顯示記錄裝置組成。

1.檢測器---將單色器分出的光信號轉(zhuǎn)變成電信號。如：光電池、光電倍增管、光敏晶體管等。分光后的光照射到光敏陰極K上，轟擊出的光電子又射向光敏陰極1，轟擊出更多的光電子，依次倍增，在最后放出的光電子比最初多到106倍以上，最大電流可達(dá)10μA，電流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘査腿敕糯笃鳌?/p>

2.放大器將光電倍增管輸出的較弱信號，經(jīng)電子線路進(jìn)一步放大。

3.對數(shù)變換器光強(qiáng)度與吸光度之間的轉(zhuǎn)換。

4.顯示、記錄五、原子吸收分光光度計的類型（一）單道單光束型：一個單色器和一個檢測器（二）單道雙光束型：一個單色器和一個檢測器（三）雙道雙光束型：兩個光源，兩個單色器和兩個檢測器返回單光束光路的特點(diǎn)：簡單、價廉、維修方便、用方波供電方式可消除光源波動的影響，滿足一般分析要求。但背景無法進(jìn)行精確校正。雙光束光路的特點(diǎn)：精密、價高、能較徹底消除背景的干擾，穩(wěn)定性好，滿足高精度分析要求，便于接石墨爐原子化或其它原子化器，靈活性好。第三節(jié)定量分析法一、標(biāo)準(zhǔn)曲線法配制一組含有不同濃度被測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在與試樣測定完全相同的條件下，按濃度由低到高的順序測定吸光度值。繪制吸光度對濃度的校準(zhǔn)曲線。測定試樣的吸光度，從校準(zhǔn)曲線上用內(nèi)插法求出被測元素的含量。ACCxAxO注意：①.所配標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，應(yīng)在A與c成線性關(guān)系的范圍內(nèi)，c不能太大，一般控制A在0.1~0.6之間；②.標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液應(yīng)用相同的試劑處理；③.由于噴霧效率和火焰狀態(tài)經(jīng)常變動，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率也隨之變動，因此，每次測定前，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)溶液對吸光度進(jìn)行檢查和校正。

適用于組成簡單、干擾較少的試樣。適用于大批量的樣品分析。分取幾份相同量的被測試液，分別加入不同量的被測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，其中一份不加被測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，最后稀釋至相同體積，使加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為0，CS、2CS

、3CS…，然后分別測定它們的吸光度，繪制吸光度對濃度的校準(zhǔn)曲線，再將該曲線外推至與濃度軸相交。交點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)的距離Cx

即是被測元素經(jīng)稀釋后的濃度。二、標(biāo)準(zhǔn)加入法注意：①加入標(biāo)準(zhǔn)與待測物的濃度要在同一數(shù)量級內(nèi)，否則斜率過大或過小將引起很大的誤差；②至少應(yīng)采用四個點(diǎn)來做外推曲線，加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的增量要合適。使第一個加入量產(chǎn)生的吸光度約為試樣原吸光度1/2；③只適合于測定樣品數(shù)目不多的情況。適用于基體干擾較大，成分復(fù)雜的樣品。第五節(jié)原子吸收光譜的干擾與消除物理干擾化學(xué)干擾電離干擾光譜干擾背景干擾一、光譜干擾

單色器的光譜通帶內(nèi)，除了得到元素的分析線之外，還存在與其相連的其他譜線而引起的干擾。吸收線重疊、非吸收線未能被單色器分離、再發(fā)射干擾。1、吸收線重疊：一些元素譜線與其他元素譜線重疊，相互之間會引起干擾。汞------253.652nm，鈷------253.639nm鐵-----271.903nm鉑------271.904nm解決措施：另選分析線或者化學(xué)分離2、非吸收線未能被單色器分離：

空心陰極燈除發(fā)射待測元素的特征譜線外，還發(fā)射出與其相鄰的非吸收線。鉻的空心陰極燈：357.9nm、357.7nm

消除措施：減小狹縫寬度3、再發(fā)射干擾：待測元素在原子化的過程中，基態(tài)原子被激發(fā)，當(dāng)有激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)的時候，就會發(fā)射出待測元素的特征譜線，導(dǎo)致透光度增加，吸光度降低。

消除措施：采用光源與檢測器同步脈沖式供電二、電離干擾

指高溫電離而使基態(tài)原子數(shù)減少，引起原子吸收信號下降的現(xiàn)象。被測元素濃度越大，電離干擾越小。AC消除辦法：選擇合適的火焰溫度、加入消電離劑。常用的消電離劑：CsCl、KCl、NaCl等消電離劑為堿金屬元素。例如Ca測定在高溫下產(chǎn)生電離現(xiàn)象，加入KCl可消除：KK++eCa2++eCa三、化學(xué)干擾待測元素與共存元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難揮發(fā)的化合物所引起的干擾，主要影響原子化效率，使待測元素的吸光度降低。a．待測元素與干擾組分形成更穩(wěn)定的化合物。磷酸根干擾鈣的測定硫酸鹽、硅酸鹽與鋁生成難揮發(fā)物。b．待測元素在火焰中形成穩(wěn)定的氧化物、氮化物、氫氧化