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第八章 原子吸收光谱分析 (Atomic Absorption Spectrometry, AAS) §8-1 原子吸收光谱分析概述 一ã PowerPoint Presentation
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18th century , 武郎斯顿和福劳和费就观察到太阳光谱中的原子吸收谱线。 19th century , 1929 年瑞典农学家 Lwndegardh 用空气 - 乙炔火焰,气动喷雾摄谱法进行火焰光度分析。 1955 年 由澳大利亚物理学家 Walsh 和 荷兰科学家 Alkemade 发明了原子吸收光谱分析技术,并用于化学物质的定量分析。 1976 以来 , 由于微电子技术的发展使原子吸收技术的应用不断进步,衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校正等先进技术,尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方面应用广泛。. 第八章 原子吸收光谱分析

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atomic absorption spectrometry aas 8 1

18th century,武郎斯顿和福劳和费就观察到太阳光谱中的原子吸收谱线。

  • 19th century ,1929年瑞典农学家 Lwndegardh 用空气-乙炔火焰,气动喷雾摄谱法进行火焰光度分析。1955年由澳大利亚物理学家 Walsh 和 荷兰科学家 Alkemade 发明了原子吸收光谱分析技术,并用于化学物质的定量分析。
  • 1976以来, 由于微电子技术的发展使原子吸收技术的应用不断进步,衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校正等先进技术,尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方面应用广泛。

第八章 原子吸收光谱分析

(Atomic Absorption Spectrometry, AAS)

§8-1 原子吸收光谱分析概述

一、原子吸收光谱分析方法的历史发展

slide2

特点:

  • 测定的是特定谱线的吸收(由于原子吸收线的数量大大少于原子发射线)所以谱线重叠几率小,光谱干扰少。
  • 在实验条件下,基态原子数目大大高于激发态原子数目,因此吸收法灵敏度比较高。

二、原子吸收光谱分析的常规模式

slide4

原子吸收法的选择性高,干扰较少且易于克服。原子吸收法的选择性高,干扰较少且易于克服。

由于原于的吸收线比发射线的数目少得多,这样谱线重叠的几率小得多。而且空心阴极灯一般并不发射那些邻近波长的辐射线经,因此其它辐射线干扰较小。

原子吸收具有较高的灵敏度。

在原子吸收法的实验条件下,原子蒸气中基态原于数比激发态原子数多得多,所以测定的是大部分原子。

原子吸收法 比发射法具有更佳的信噪比

这是由于激发态原子数的温度系数显著大于基态原子。

Comparison of AAS and AES

slide5

从仪器构造来看, 二者还有以下的异同点

Atomic absorption spectrometry

● AAS intrinsically more sensitive than AES

● Similar atomization techniques to AES

● Addition of radiation source

● High temperature for atomization necessary

flame and electrothermal atomization

● Very high temperature for excitation not

necessary generally no plasma / arc / spark AAS

slide6

E3

E2

E1

A

B

E0

A 产生吸收光谱

B 产生发射光谱

E0基态能级

E1、E2、E3、激发态能级

电子从基态跃迁到能量最低的激发态(称为第一激发态)时要吸收一定频率的光,这种谱线称为共振吸收线;当它再跃迁回基态时,则发射出同样频率的光(谱线),这种谱线称为共振发射线(它们都简称共振线)。

§8-2 原子吸收光谱分析基本原理

一、原子吸收线和原子发射线

slide7

二、原子吸收线的形状

原子吸收光谱线线宽~0.001nm

原子发射光谱线线宽~0.0005nm

(有谱线展宽现象)

因此,光谱测定的特征谱线会有区别:

测定元素吸收分析线波长 发射分析线波长

Al 3093 3961

Co 2407 3453

If applying a continuum light source, a relationship between radiant power passing through the sample (透过光强度) and frequency is shown in the figure on lower-left side

slide8

所得曲线为吸收线轮廓(line profile)。原子吸收线轮

廓以原子吸收谱线的中心频率(或中心波长)和半宽

度(half-width) 表征。

slide9

三、引起吸收线变宽的因素

a、自然宽度(natural width)

用ΔνN表示。

b、多普勒变宽(Doppler broadening)

用ΔνD表示。

c、压力变宽(包括劳伦兹变宽共振变

宽),它们分别用ΔνL和ΔνR表示。

d、场致变宽等其它因素变宽。

它们之间的关系式为:

slide10

(eq.8-4)

+∞

-∞

∫K d = e2N0ƒ/mc

四、积分吸收和峰值吸收

从理论上可以得出,积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为:

在吸收线轮廓内,吸收系数的值会随吸收光子的波长变化而变化,要表示原子蒸气吸收的全部能量,就必须在吸收线所在的波长区间进行积分运算,所得结果简称为积分吸收值。

这以公式表明:积分吸收值与单位原子蒸汽中吸收辐射的基态原子数呈简单的线性关系,这是原子吸收光谱分析法的重要理论依据。

slide11

前面公式中:

e为电子电荷;m为电子质量;c为光速;N0为单位体积内基态原子数;f 振子强度,即能被入射辐射激发的每个原子的平均电子数,它正比于原子对特定波长辐射的吸收几率。

若能测定积分吸收,则可求出原子浓度。但是,测定谱线宽度仅为10-3nm的积分吸收,需要分辨率非常高的色散仪器,技术上很难实现。所以,1955年瓦尔西提出采用锐线光源来解决求积分吸收值的难题。参见下图:

slide13

由图可见,在使用锐线光源时,光源发射线半宽度很小,并且发射线与吸收线的中心频率一致。这时发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形,即峰值吸收系数K在此轮廓内不随频率而改变,吸收只限于发射线轮廓内。这样,求出一定的峰值吸收系数即可将求积分的问题简化。由图可见,在使用锐线光源时,光源发射线半宽度很小,并且发射线与吸收线的中心频率一致。这时发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形,即峰值吸收系数K在此轮廓内不随频率而改变,吸收只限于发射线轮廓内。这样,求出一定的峰值吸收系数即可将求积分的问题简化。

目前,一般采用测量峰值吸收系数的方法代替测量积分吸收系数的方法。如果采用发射线半宽度比吸收线半宽度小得多的锐线光源,并且发射线的中心与

吸收线中心一致(如上图),就不需要用高分辨率的单色器,而只要简单分光,就能测出峰值吸收系数。利用锐线光源时峰值吸收与积分吸收之间存在的简单比例关系即可求出总吸光度A,再由郎伯-比尔定律可求出被测物基态原子的浓度。

i 0 i

A = lg

A = lg

I0

I

I0ne-KnLdn

I = In dn

I0 = I0n dn

I0n dn

I = I0ne-KnLdn

Dne

0

Dne

0

Dne

0

Dne

0

Dne

0

五、原子吸收定量公式的推导

若以 I0和 I 分别代表光源通过原子蒸汽前后的总光强度:

由郎伯-比尔定律 I = I0n e-KnL ,

k b k 0

(eq.8-5)

A = lg = lg eK0Lb = 0.4343K0Lb

1

e-bK0L

Under normal operation condition for AAS, line profile is mainly determined by Doppler broadening, hence,

对锐线光源,可以认为Kν= b×K0 为常数:

slide16

A = k’C

(eq.8-7)

理论与实验业已证明(自学教材p232~233),在原子吸收光谱分析的实验条件下(火焰温度<3000K, 共振线波长通常不大于600nm),大多数化合物均已离解,且绝大多数以基态原子状态存在,激发态原子不足0.1%, 因此,可用N0代表吸收辐射的原子总数。

实际工作中要求测定的是待测元素的浓度,此浓度与吸收辐射的原子总数成正比关系, 所以,

在一定的实验条件下(一定的原子化率和一定的火焰宽度),吸光度与试样中待测元素的浓度成正比,即

上式就是原子吸收分光光度分析的理论基础

slide17

原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计,由光源原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计,由光源

(radiation source)、原子化器(atomizer)、单色器

(monochromator)和检测器(detector)等四部分组成。

§8-3 原子吸收光谱分析基本原理

一、原子光谱仪的结构

slide21
原子吸收分光光度计,从原子化器的构型不同又分为火焰型和电热型两种:原子吸收分光光度计,从原子化器的构型不同又分为火焰型和电热型两种:
slide22
二、光源(空心阴极灯)

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(锐线光源);辐射的强度大;辐射光强稳定,背景小,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。

slide24

空极阴极灯的发光强度与工作电流有关。使用灯电流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。

slide25

Optically transparent window

Anode

Ne+

Cathode M

M* →M + hn

M

Shield

Schematic diagram of a hollow cathode lamp showing mechanism by which atomic emission is obtained

slide27

(一)火焰原子化器(Flame atomizer)

火焰原子化法中,常用的是预混合型原子化器它是由雾化器(nebulizer)、雾化室(spray chamber)和燃烧器(burner)三部分组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将液体试样经喷雾器形成雾粒,这些雾粒在雾化室中与气体(燃气与助燃气)均匀混合,除去大液滴后,再进入燃烧器形成火焰。此时,试液在火焰中产生原子蒸气。

三、原子化器

slide29

(二)火焰的基本特性

(a)燃烧速度(Burning velocity)

燃烧速度是指由着火点向可燃烧混合气其它点传播的速度。它影响火焰的安全操作和燃烧的稳定性。要使火焰稳定,可燃混合气体的供应速度应大于燃烧速度。但供气速度过大,会使火焰离开燃烧器,变得不稳定,甚至吹灭火焰;供气速度过小,将会引起回火。

(b)火焰温度(flame temperature)

不同类型的火焰,其温度不同(典型火焰为:乙炔-空气2300度、乙炔-笑气2900度)。

(c)火焰的燃气和助燃气比例

slide30

按火焰燃气(fuel gas)和助燃气(oxidant gas)比例的不同,可将火焰分为三类:化学计量火焰(中性火焰, stoichiometric)、富燃性火焰(fuel-rich)和贫燃性火焰(fuel-lean)。

化学计量火焰 燃气与助燃气之比与化学反应计量关系相近,又称为中性火焰。此火焰温度高、稳定、干扰小、背景低

富燃火焰 燃气大于化学计量的火焰。又称还原性火焰。火焰呈黄色,层次模糊,温度稍低,火焰的还原性较强,适合于易形成难离解氧化物(refractory oxide)元素的测定。

贫燃火焰 又称氧化性火焰,即助燃比大于化学计量的火焰。氧化性较强,火焰呈蓝色,温度较低,适于易离解、易电离元素的原子化,如碱金属等。

slide31

乙炔-空气 火焰 是原子吸收测定中最常用的火焰,该火焰燃烧稳定,重现性好,噪声低,温度高,对大多数元素有足够高的灵敏度,但它在短波紫外区有较大的吸收。

氢-空气火焰 是氧化性火焰,燃烧速度较乙炔-空气 火焰高,但温度较低,优点是背景发射较弱,透射性能好。

乙炔-一氧化二氮火焰 的优点是火焰温度高,而燃烧速度并不快,适用于难原子化元素的测定,用它可测定70多种元素。

slide32

(三)无火焰原子化器(flameless/non-flame)

火焰原子化器仅有约 10%的试液被原子化,而约90%的试液由废液管排出。因而灵敏度较低。无火焰原子化装置可以提高原子比效率,使灵敏度增加10~200倍。

无火焰原于化装置有多种:电热高温石墨管、石墨坩埚(crucible)、石墨 棒(rod)、钽舟(tantalum boat)、镍杯、高频感应加热炉、空心阴极溅射(sputtering)、等离子喷焰、激光 等等 。

无火焰原子化器常用的是石墨炉原子化器(atomization in graphite furnace)。石墨炉原子化法的过程是将试样注入石墨管中间位置,用大电流通过石墨管以产生高达2000 ~ 3000℃的高温使试样经过干燥、蒸发和原子化。

slide33

商品仪器的石墨炉结构多样,但实际上用得最多的是Massmann(马斯曼)炉的HGA系列和Varin-Trchtron(瓦里安 - 特克特朗)公司生产的CRA系列。

石墨炉的基本结构包括:石墨管(杯)(graphite tube)、炉体(保护气系统)、电源等三部分组成。工作是经历干燥(dryness)、灰化(incineration)、原子化和净化(depuration)等四个阶段,即完成一次分析过程。

为防止石墨的高温氧化作用,减少记忆效应,保护已热解的原子蒸气不在被氧化,可及时排泄分析过程中的烟雾,因此在石墨炉加热过程中(除原子化阶段内内气路停气之外)需要有足量(1~2升/分)的惰性气体作保护。通常使用的惰性气体主要是氩气、氮气。整个炉体有水冷却保护装置,如水温为200 C时,水的流量1~2升/分,炉子切断电源停止加热,在20~30秒内,即可冷却到室温。

slide36

(四)其它原子化法

低温原子化法又称化学原子化法,其原子化温度为室温至摄氏数百度。常用的有汞低温原子化法及氢化法。

汞低温原子化法

汞在室温下,有一定的蒸气压,沸点为357 C 。只要对试样进行化学预处理还原出汞原子,由载气(Ar或N2)将汞蒸气送入吸收池内测定。

氢化物原子化法

适用于Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te等元素。在一定的酸度下,将被测元素还原成极易挥发与分解的氢化物,如AsH3、SnH4、BiH3等。这些氢化物经载气送入石英管后,进行原子化与测定。

slide37

四、分光系统

单光束光路的特点:简单、价廉、维修方便、用方波供电方式可消除光源波动的影响,满足一般分析要求。但背景无法进行精确校正。

双光束光路的特点:精密、价高、能较彻底消除背景的干扰,稳定性好,满足高精度分析要求,便于接石墨炉原子化或其它原子化器,灵活性好。

五、检测系统

光电倍增管、微电流放大器、对数转换电路、数模转换电路及信息采集、显示器组成。

slide38

A

Ax

Cx

O

C

§8-4 原子吸收定量分析

一、标准曲线法

配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液,在与试样测定完全相同的条件下,按浓度由低到高的顺序测定吸光度值。绘制吸光度对浓度的校准曲线。测定试样的吸光度,从校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。

Calibration curve of AAS

Problem:

使用工作曲线时应该考虑那些因素?

slide39

二、标准加入法

分取几份相同量的被测试液,分别加入不同量的被测元素的标准溶液,其中一份不加被测元素的标准溶液,最后稀释至相同体积,使加入的标准溶液浓度为0,CS、2CS 、3CS… ,然后分别测定它们的吸光度,绘制吸光度对浓度的校准曲线,再将该曲线外推至与浓度轴相交。交点至坐标原点的距离Cx 即是被测元素经稀释后的浓度。

slide40

§8-5 原子吸收定量分析干扰因素

原子吸收光谱法的主要干扰有物理干扰、化学干扰、光谱干扰、电离干扰、和背景干扰等。

一、物理干扰

物理干扰是指试液与标准溶液 物理性质有差异而产生的干扰。如粘度、表面张力或溶液的密度等的变化,影响样品的雾化和气溶胶到达火焰传送等引起原子吸收强度的变化而引起的干扰。

消除办法:配制与被测试样组成相近的标准溶液或采用标准加入法。若试样溶液的浓度高,还可采用稀释法。

slide41

二、化学干扰(Chemical interference)

化学干扰是由于被测元素原子与共存组份发生化学反应生成稳定的化合物,影响被测元素的原子化,而引起的干扰。

消除化学干扰的方法:

(1)选择合适的原子化方法

提高原子化温度,减小化学干扰。使用高温火焰或提高石墨炉原子化温度,可使难离解的化合物分解。

采用还原性强的火焰与石墨炉原子化法,可使难离解的氧化物还原、分解。

(2)加入释放剂(releasing agent)

释放剂的作用是释放剂与干扰物质能生成比被测元素更稳定的化合物,使被测元素释放出来。

例如,磷酸根干扰钙的测定,可在试液中加入镧、锶盐,镧、锶与磷酸根首先生成比钙更稳定的磷酸盐,就相当于把钙释放出来。

slide42

(3)加入保护剂(projective agent)

保护剂作用是它可与被测元素生成易分解的或更稳定的配合物,防止被测元素与干扰组份生成难离解的化合物。保护剂一般是有机配合剂。例如,EDTA、8-羟基喹啉。

(4)加入消电离剂(ionization buffer)

消电离剂是比被测元素电离电位低的元素,相同条件下消电离剂首先电离,产生大量的电子,抑制被测元素的电离。

例如,测钙时可加入过量的KCl溶液消除电离干扰。钙的电离电位为6.1eV,钾的电离电位为4.3eV。由于K电离使钙离子得到电子而生成原子。

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(5) 缓冲剂(buffer agent)

于试样与标准溶液中均加入超过缓冲量(即干扰不再变化的最低限量)的干扰元素。如在用乙炔—氧化亚氮火 焰测钛时,可在试样和标准溶液中均加入200ppm以上的铝,使铝 对钛的干扰趋于稳定。

(6)加入基体改进剂

对于石墨炉原子化法,在试样中加入基体改进剂,使其在干燥或灰化阶段与试样发生化学变化,其结果可以增加基体的挥发性或改变被测元素的挥发性,以消除干扰。

slide44

三、光谱干扰(spectral interference)

  • 光源在单色器的光谱通带内存在与分析线相邻的其它谱线,可能有下述两种情况:
  • 1.1. 与分析线相邻的是待测元素的谱线。
  • 这种情况常见于多谱线元素(如Ni、Co、Fe)。
  • 减小狭缝宽度可改善或消除这种影响。
  • 1.2. 与分析线相邻的是非待测元素的谱线。
  • 如果此谱线是该元素的非吸收线,同样会使欲测元素的灵敏度下降,工作曲线弯曲;如果此谱线是该元素的吸收线,而试样中又含有此元素 时,将产生“假吸收”,产生正误差。这种干扰主要是由于空心阴极灯的阴极材料不纯等,且常见于多元素 灯。若选用具有合适惰性气体,纯度又较高的单元素灯即可避免干扰。
slide45

1.3 空心阴极灯中有连续背景发射

主要来自灯内杂质气体或阴极上的氧化物。连续 背景的发射不仅使灵敏度降低,工作曲线弯曲,而且当试样中共存元素的吸收线处于连续背景的发射区时有可能产生假吸收。因 此不能使用有严重连续背景发射的灯。灯的连续背景发射是由于 灯的制作不良,或长朗不用而引起的。可将灯反接,并用大电流空点,以纯化灯内气体,经过这样处理后,情况可能会改善。否则应更换新灯。

2. 与共存元素的光谱线重叠引起的干扰

参见教材P250, 表8-5。可选用待测元素的其它光谱线作为分析线,或者分离干扰离子来消除干扰。

3. 与原子化器有关的干扰

3.1 原子化器的发射

来自火焰本身或原子蒸气中待测元素的发射。

当仪器采用调制方式进行工作时,这一影响可得到减免。如果干扰仍然存在,则可适当增加灯电流,提高光源发射强度来改善倍噪比。

slide46
3.2 背景吸收(分子吸收)

来自原于化器(火焰或 无火焰)的一种光谱干扰。它是由气态分子对光的吸收以及高浓度盐的固体微粒对光的散射所引起的。它是一种宽频带吸收。(包括 火焰本体吸收、金属盐颗粒吸收、光散射损失)

slide47

D2 lamp background correction

四、背景校正方法

1、氘灯校正法

连续光源用氘灯在紫外区;碘钨灯、

氙灯在可见区扣除背景。

slide48

Zeeman effect background correction

2、塞曼效应校正法

slide51

§8-6 原子吸收测定条件

1、分析线的选择

2、空心阴极灯电流选择

3、火焰类型的选择

4、燃烧器高度的选择

5、狭缝宽度的选择

§8-7 灵敏度、特征浓度及检出限

1. 灵敏度及特征浓度

当待测元素的浓度c 或质量m改变一个单位时。吸光度A的变化量。在AAS中,常用特征浓度或特征质量来表示灵敏度。

slide52

dA

dm

dA

dc

S =

S =

Or

特征浓度:产生1%的吸收或0.0044吸光度值时溶液中待测元素的质量浓度(mg.mL-1/1%)或质量分数(mg.g-1/1%).

C0 = CX×0.0044 / A (g.cm-3)

CX表示待测元素的浓度;A为多次测量的吸光度值。

例如,1mg.g-1的镁溶液,测得其吸光度为 0.55,则镁的特征浓度为:

( 1/0.55)×0.0044= 8ng.g-1/1%

slide53

特征质量:产生1%的吸收或0.0044吸光度值时溶液中待测元素的质量(g/1%),在石墨炉原子化法中应用较为普遍。

m0 = 0.0044/S = 0.0044m/AS(Pg或ng)

检出限:产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号所需要的该元素的最小含量,绝对检出限则用m表示。 检出限比灵敏度具有更明确的意义,它考虑到了噪声的影响,并明确地指出了测定的可靠程度。由此可见,降低噪声,提高 测定精密度是改善捡测极限的有效途径。

slide54

灵敏度的影响因素:

待测元素本身的性质:

如难熔元素的灵敏度比普通元素灵敏

度要低得多。

测定仪器的性能:

如单色器的分辨率、光源的特性、检测

器的灵敏度等有关。

实验因素的影响:

如雾化器效率等

§8-9 Advantages and applications of AAS

Self-study

Teaching book, P262 -263, Figure 8-28

p 268 269 2 3 4 5 13 15
作业:

P268-269

2,3,4,5,13,15 题,