原子吸收分光光度計(jì)課件

本講義分為三節(jié)：第一節(jié)：基本原理第二節(jié)：基本構(gòu)造第三節(jié)：定量分析方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)第一節(jié)

基本原理

一、概述二、基態(tài)原子數(shù)與原子化溫度三、定量基礎(chǔ)AA2610型原子吸收分光光度計(jì)AA2600型原子吸收分光光度計(jì)一、概述1.原子的能級與躍遷

基態(tài)

第一激發(fā)態(tài),吸收一定頻率的輻射能量。產(chǎn)生共振吸收線（簡稱共振線）吸收光譜激發(fā)態(tài)

基態(tài)發(fā)射出一定頻率的輻射。產(chǎn)生共振發(fā)射線（也簡稱共振線）發(fā)射光譜2.元素的特征譜線

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。3.原子吸收光譜

原子吸收分光光度法（AAS）亦稱為原子吸收光譜法，它是基于試樣蒸氣對待測元素特征譜線（共振線）的吸收特性來測定試樣中待測元素含量的分析方法。當(dāng)含有待測元素特征譜線的入射光通過基態(tài)的原子蒸氣時，原子就會與對應(yīng)頻率的光相互作用，產(chǎn)生共振，電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，同時使入射光強(qiáng)度減弱，產(chǎn)生原子吸收光譜，即原子吸收光譜。4.原子吸收分光光度法的分析過程

原子吸收分光光度分析，就是利用處于基態(tài)的待測原子蒸氣對光源發(fā)射的特征譜線光的吸收特性來進(jìn)行分析測定的。

1-銅空心陰極燈；2-火焰；3-氣態(tài)銅原子；4-單色器；5-光電檢測器；6數(shù)據(jù)處理及輸出裝置；

7-原子化系統(tǒng)；8-燃?xì)猓?-助燃?xì)猓?0-含銅試液5.AAS與UV-vis的比較方法不同點(diǎn)相同點(diǎn)吸收機(jī)理光源樣品狀態(tài)儀器排布應(yīng)用定量工作波長/(nm)紫外可見分光法分子吸收帶狀光譜連續(xù)光源分子或離子的溶液光源→單色器→吸收池→檢測器定性分析定量分析結(jié)構(gòu)分析A=κbc190～900原子吸收原子吸收線狀光譜銳線光源原子蒸汽光源→原子化器→單色器→檢測器定量分析A=κc190～9006.原子吸收光譜法的特點(diǎn)及應(yīng)用（1）選擇性高、干擾少。分析不同元素需選擇不同的元素?zé)?，共存元素對被測元素不產(chǎn)生干擾，一般不需要分離共存元素就可以進(jìn)行測定。（2）靈敏度高。用火焰原子吸收分光光度法可測到10-9

g/mL數(shù)量級。用無火焰原子吸收分光光度法可測到10-13g/mL數(shù)量級。（3）測定的范圍廣。它可用來測定70多種元素，既可做痕量組分分析，又可進(jìn)行常量組分測定。應(yīng)用無火焰法，試樣溶液僅需1～100μL。（4）操作簡便、分析速度快、用途很廣。已在冶金、地質(zhì)、采礦、石油、輕工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品及環(huán)境監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用。（5）局限性。測定一些難熔元素，如稀土元素、鋯、鉿、鈮、鉭等以及非金屬元素不能令人滿意；測一種元素就得換一種空心陰極燈，使多元素的同時分析受到限制。6.原子吸收光譜法的特點(diǎn)及應(yīng)用

7.應(yīng)用

可直接測定巖礦、土壤、大氣飄塵、水、植物、食品、生物組織等試樣中70多種微量金屬元素，還能用間接法測度硫、氮、鹵素等非金屬元素及其化合物。該法已廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、化工、生物技術(shù)、食品科學(xué)、食品質(zhì)量與安全、地質(zhì)、國防、衛(wèi)生檢測和農(nóng)林科學(xué)等各部門。

應(yīng)用廣泛的微量金屬元素的首選測定方法(非金屬元素可采用間接法測量)。(1)頭發(fā)中微量元素的測定—微量元素與健康關(guān)系；(2)水中微量元素的測定—環(huán)境中重金屬污染分布規(guī)律；(3)水果、蔬菜中微量元素的測定；(4)礦物、合金及各種材料中微量元素的測定；(5)各種生物試樣中微量元素的測定。

二、基態(tài)原子數(shù)與原子化溫度

原子吸收光譜是利用待測元素的原子蒸氣中基態(tài)原子與共振線吸收之間的關(guān)系來測定的。需要考慮原子化過程中，原子蒸氣中基態(tài)原子與待測元素原子總數(shù)之間的定量關(guān)系。為什么？

熱力學(xué)平衡時：

上式中Pj和PO分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，激發(fā)態(tài)原子數(shù)Nj與基態(tài)原子數(shù)No之比較小，<1%?？梢杂没鶓B(tài)原子數(shù)代表待測元素的原子總數(shù)。公式右邊除溫度T外，都是常數(shù)。T一定，比值一定。三、定量基礎(chǔ)

f振子強(qiáng)度，常數(shù)。峰值吸收系數(shù)：當(dāng)使用銳線光源時，可用K0代替Kv，則：

A=k

N0

b；

N0∝N∝c（N0激發(fā)態(tài)原子數(shù)，N基態(tài)原子數(shù)，c待測元素濃度）

所以：A=lg(IO/I)=K'c第二節(jié)

基本構(gòu)造

一、流程二、光源三、原子化系統(tǒng)四、單色器五、檢測系統(tǒng)六、扣除背景吸收的裝置原子吸收儀器（1）原子吸收儀器（2）原子吸收光譜儀主要部件

原子吸收分光光度計(jì)與紫外可見分光光度計(jì)在儀器結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)：（1）采用銳線光源。（2）分光系統(tǒng)在火焰與檢測器之間。一、流程二、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；（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。無極放電燈

它是在石英管內(nèi)放進(jìn)數(shù)毫克金屬化合物（鹵化物），管內(nèi)充400Pa氬氣后密封。將放電管置于射頻或微波高頻電場中，氬氣首先被激發(fā)，隨著放電管溫度升高，金屬鹵化物蒸發(fā)丙在放電過程中被進(jìn)一步解離、激發(fā)，從而輻射出金屬元素特征譜線－共振線。它的共振線強(qiáng)度比空心陰極燈高100-300倍，是一種理想的銳線光源，但由于大多數(shù)元素的蒸汽壓較低，難以制成無極放電燈，所以現(xiàn)在制成的商品燈僅十幾種。三、原子化系統(tǒng)1.作用

將試樣中離子轉(zhuǎn)變成原子蒸氣。2.原子化方法火焰法

無火焰法—電熱高溫石墨管，激光。3.火焰原子化裝置—霧化器和燃燒器。

(1)霧化器：結(jié)構(gòu)如圖所示：主要缺點(diǎn)：霧化效率低。（2）火焰

試樣霧滴在火焰中，經(jīng)蒸發(fā)，干燥，離解（還原）等過程產(chǎn)生大量基態(tài)原子。

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?/p>

2600K能測35種元素。

火焰類型：

化學(xué)計(jì)量火焰：溫度高，干擾少，穩(wěn)定，背景低，常用。

富燃火焰：還原性火焰，燃燒不完全，測定較易形成難熔氧化物的

元素Mo、Cr稀土等。

貧燃火焰：火焰溫度低，氧化性氣氛，適用于堿金屬測定。常見類型火焰及溫度4.無火焰原子化裝置--石墨爐原子化裝置（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。（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?jiān)郎y元素在高溫下生成基態(tài)原子。（3）優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：原子化程度高，試樣用量少（1～100μL），可測固體及粘稠

試樣，靈敏度高，檢測限10-12g/L。缺點(diǎn)：精密度差，測定速度慢，操作不夠簡便，裝置復(fù)雜。四、單色器1.作用將待測元素的共振線與鄰近線分開。2.組件色散元件（棱鏡、光柵），凹凸鏡、狹縫等。3.單色器性能參數(shù)

（1）線色散率（D）：兩條譜線間的距離與波長差的比值ΔX/Δλ。實(shí)際工作中常用其倒數(shù)Δλ/ΔX

（2）分辨率：儀器分開相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長與其波長差的比值λ/Δλ表示。

（3）通帶寬度（W）：指通過單色器出射狹縫的某標(biāo)稱波長處的輻射范圍。當(dāng)?shù)股⒙剩―）一定時，可通過選擇狹縫寬度（S）來確定：W=D

S五、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?.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

通常用空白校正，氘燈校正、塞曼效應(yīng)校正等方法消除背景吸收。①空白校正法配空白溶液（含除待測元素外的基體元素）A空白（背景）配待測溶液（待測元素＋基體元素）A試(待測元素+背景)A校=A試(待測元素+背景)-A空白(背景)六、扣除背景吸收的裝置

兩次測定吸光度差為待測元素的真實(shí)吸光度。

A待測=A總-A氘=A待+背-A背②氘燈校正法氘燈是連續(xù)光譜（190—360nm），它和空心陰極燈的銳線光源通過切光器交替照射在原子化器上。氘燈的能量被背景和被測元素吸收，但被測元素是線吸收，它占整個連續(xù)光譜的吸收信號很小，可以忽略。因此可以認(rèn)為，氘燈測得的就是背景吸光度。(A氘=A背)

空心陰極燈測得的是被測元素吸光度和背景吸光度，

A空=A總=A待+A背

A待測=A空-A氘=A待+背-A背氘燈校正背景裝置簡單，可校正吸光度為0.5以下的背景干擾提高測定靈敏度許多儀器帶有氘燈校正、自動扣除背景吸收，但只適用于190～350nm波段的背景吸收的扣除，要求兩個光源的輻射必須嚴(yán)格重合。③塞曼效應(yīng)校正法塞曼效應(yīng)扣背景：利用譜線在磁場的分裂（塞曼效應(yīng)）是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，它克服了氘燈法扣背景的局限性，適用波長范圍寬（190—900nm），扣除準(zhǔn)確，扣除能力強(qiáng)，高達(dá)1.7吸光度也可扣除，并且基線穩(wěn)定等。價格貴當(dāng)光源置于足夠的外磁場中時，光源發(fā)出的每一條光譜線都將分裂成幾條波長相差很小的偏振化譜線，這一現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。強(qiáng)磁場中

-

+

可變磁場調(diào)節(jié)方式

一、定量分析方法二、工作條件的選擇三、分析的靈敏度和檢

出限四、干擾及抑制第三節(jié)定量分析方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)一、定量分析方法1.標(biāo)準(zhǔn)曲線法

配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)試樣，由低到高依次分析，將獲得的吸光度A數(shù)據(jù)對應(yīng)于濃度作標(biāo)準(zhǔn)曲線，在相同條件下測定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對應(yīng)的濃度值；

或由標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)獲得線性方程，將測定試樣的吸光度A數(shù)據(jù)帶入計(jì)算。

注意在高濃度時，標(biāo)準(zhǔn)曲線易發(fā)生彎曲，壓力變寬影響所致。2.標(biāo)準(zhǔn)加入法

取若干份體積相同的試液（cX），依次按比例加入不同

量的待測物的標(biāo)準(zhǔn)溶液（cO），定容后濃度依次為：

cX

，cX

+cO

，cX

+2cO

，cX

+3cO

，cX

+4cO

……

分別測得吸光度為：AX，A1，A2，A3，A4……。

以A對濃度c做圖得一直線，圖中cX點(diǎn)即待測溶液濃度。

該法可消除基體干擾；不能消除背景干擾；步驟：討論：（1）標(biāo)準(zhǔn)加入法的基礎(chǔ)是待測元素濃度與其吸光度成正比，因此待測元素的濃度應(yīng)在此線性范圍內(nèi)。

（2）為了得到較為準(zhǔn)確的外推結(jié)果，最少應(yīng)采用4個點(diǎn)來作校準(zhǔn)曲線。加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的量應(yīng)適當(dāng)，以保證曲線的斜率適宜，太大或太小的斜率，會引起較大的誤差。

（3）本法能消除基體效應(yīng)帶來的影響，但不能消除背景吸收的干擾。如存在背景吸收，必須予以扣除，否則將得到偏高的結(jié)果。使用標(biāo)準(zhǔn)加入法應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：3.濃度直讀法濃度直讀法是在標(biāo)準(zhǔn)曲線的直線范圍內(nèi)，應(yīng)用儀器上的標(biāo)尺擴(kuò)展或數(shù)字直讀裝置進(jìn)行測量。吸噴標(biāo)準(zhǔn)溶液，把儀表指示值調(diào)互相應(yīng)的濃度指示值，使待測試樣濃度在儀表上直讀出來。這種方法的實(shí)質(zhì)仍然是標(biāo)準(zhǔn)曲線法，但標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制由儀器完成。

使用時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.儀器必須用標(biāo)準(zhǔn)溶液反復(fù)校正;2.整個測量范圍內(nèi)吸光度應(yīng)與濃度之間有良好的線性關(guān)系;3.保證儀器工作條件的穩(wěn)定;4.標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液應(yīng)在操作條件完全相同的條件下測定。二、工作條件的選擇（一）分析線的選擇

每種元素都有若干條吸收線，通常選用待測元素的共振線作為分析線，因?yàn)檫@樣可使測定具有較高的靈敏度。在光譜干擾、待測元素濃度過高或最靈敏線位于遠(yuǎn)紫外或紅外區(qū)時，也可選用次靈敏線或其它譜線進(jìn)行測定。（二）空心陰極燈的工作電流

空心陰極燈一般需要預(yù)熱15min以上才能有穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出。燈電流過小，放電不穩(wěn)定，光強(qiáng)輸出??；燈電流過大，造成被氣體離子激發(fā)的金屬原子數(shù)增多，由于熱變寬和碰撞變寬的影響，使發(fā)射線明顯變寬，導(dǎo)致靈敏度下降，燈壽命縮短。選用燈電流時應(yīng)通過試驗(yàn)選擇靈敏度高、強(qiáng)度適當(dāng)、穩(wěn)定性好的最小工作電流。通常以空心陰極燈上標(biāo)注的最大工作電流（約

5～10mA）的40％～60％為宜。（三）原子化條件的選擇

用正交試驗(yàn)選擇綜合燃?xì)狻⒅細(xì)夂腿紵鞲叨热蛩氐淖罴阉?，作為最佳工作條件。其它諸如燃?xì)?、助燃?xì)獾姆N類，溶液中陰離子的性質(zhì)，試液導(dǎo)入火焰的速度，試液的粘度等都是影響分析的因素，也應(yīng)加以考慮。（四）狹縫寬度

選擇適宜的狹縫寬度，一方面要保證將共振吸收線與非吸收線分開，另一方面又要考慮適宜的光強(qiáng)度輸出。一般對于譜線較簡單的元素，如堿金屬、堿土金屬等，宜選用較寬的狹縫；而對于譜線復(fù)雜的元素，如過渡元素、稀土元素等，宜選用較窄的狹縫。

三、分析的靈敏度和檢出限（一）靈敏度在原子吸收分析中，將靈敏度定義為工作曲線的斜率S（S=dA

/dc），它表示當(dāng)被測元素濃度或含量改變一個單位時吸光度的變化量。事實(shí)上常用特征濃度和特征含量——能產(chǎn)生1％吸收的被測元素的濃度或含量，來比較在低濃度或含量區(qū)域工作曲線的斜率。影響原子吸收分析靈敏度的主要因素如下：元素性質(zhì)：對一些難熔元素或易形成難解離化合物的元素，用直接法測定的靈敏度比測定普通元素的靈敏度低的多。儀器的性能：光源的特性、單色器的分辨能力、檢測器的靈敏度等都影響分析的靈敏度。

操作條件：包括光源操作條件、原子化條件、吸收時火焰的高度、石墨爐原子化器的溫度、保護(hù)氣體流速等。

（二）檢出限檢出限是原子吸收分光光度計(jì)的綜合性技術(shù)指標(biāo)，它既反映儀器的質(zhì)量和穩(wěn)定性，也反映儀器對某元素在一定條件下的檢出能力。檢出限是表示在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，相應(yīng)于不少于10次空白溶液讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍溶液濃度，以99.7％置信度確定的最低可檢出量的統(tǒng)計(jì)值，這使實(shí)際上是空白溶液但誤認(rèn)為是存在某種元素的概率大大減小。顯然，檢出限比特征濃度有更明確的意義。因?yàn)楫?dāng)試樣測量信號小于3倍儀器噪聲時，將會被噪聲所掩蓋而檢測不出。檢出限越低，說明儀器的性能越好，對元素的檢出能力越強(qiáng)。四、干擾及抑制光譜干擾物理干擾化學(xué)干擾背景干擾1.光譜干擾及抑制

待測元素的共振線與干擾物質(zhì)譜線分離不完全，這類干擾主要來自光源和原子化裝置，主要有以下幾種：1.在分析線附近有單色器不能分離的待測元素的鄰近線。

可以通過調(diào)小狹縫的方法來抑制這種干擾。2.空心陰極燈內(nèi)有單色器不能分離的干擾元素的輻射。

換用純度較高的單元素?zé)魷p小干擾。3.燈的輻射中有連續(xù)背景輻射。

用較小通帶或更換燈。

試樣在轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)過程中物理因素變化引起的干擾效應(yīng)，主要影響試樣噴入火焰的速度、霧化效率、霧滴大小等。

可通過控制試液與標(biāo)準(zhǔn)溶液的組成盡量一致的方法來抑制。2.物理干擾及抑制指待測元素與其它組分之間的化學(xué)作用所引起的干擾效應(yīng),主要影響到待測元素的原子化效率，是主要干擾源。1.化學(xué)干擾的類型（1）待測元素與其共存物質(zhì)作用生成難揮發(fā)的化合物，致使參與吸收的基態(tài)原子減少。例：a、鈷、硅、硼、鈦、鈹在火焰中易生成難熔化合物

b、硫酸鹽、硅酸鹽與鋁生成難揮發(fā)物。（2）待測離子發(fā)生電離反應(yīng)，生成離子，不產(chǎn)生吸收，總吸收強(qiáng)度減弱，電離電位≤6eV的元素易發(fā)生電離，火焰溫度越高，干擾越嚴(yán)重，（如堿及堿土元素）。3.化學(xué)干擾及抑制

化學(xué)干擾的抑制

通過在標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液中加入某種光譜化學(xué)緩沖劑來抑制或減少化學(xué)干擾：（1）釋放劑—與干擾元素生成更穩(wěn)定化合物使待測元素釋放出來。

例：鍶和鑭可有效消除磷酸根對鈣的干擾。（2）保護(hù)劑—與待測元素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，防止干擾物質(zhì)與其作用。

例：加入EDTA生成ED