原子吸收分光光度法.docx

章节第六章 原子吸收分光光度法6.3 原子吸收分光光度法的实验技术课时2教学目的4、掌握原子吸收光分光光度法的实验技术。5、熟悉灵敏度和检出限定义及计算。教学重点及突出方法1、原子吸收光分光光度法的实验技术；2、灵敏度和检出限定义及计算。举例详细讲解教学难点及突破方法1、背景干扰及消除；2、灵敏度和检出限定义及计算；结合原子吸收光谱产生的机理详细讲解相关内容素材6.1 基本原理6.2原子吸收分光光度计第三章分析数据处理与分析工作质量保证：检出限教学过程教师授课思路、设问及讲解要点复习上次课内容：【计划用时10分钟】一、单选题1、原子吸收光谱线的压力变宽中洛伦兹（Lorentz ）变宽是由下列那种原因产生的：A、原子的热运动； B、被测元素激发态原子与其它粒子的碰撞 ； C、原子在激发态时的停留时间；D、被测元素激发态原子与基态原子的碰撞。2、原子吸收光谱线的霍尔兹马克（Holtsmark）展宽是由下列那种原因产生的：A、原子的热运动； B、原子在激发态时的停留时间；C、被测元素激发态原子与其它粒子的碰撞 ； D、被测元素激发态原子与其基态原子的碰撞。3、原子吸收分析中光源的作用是：A、提供试样蒸发和激发所需的能量； B、产生紫外光；C、发射待测元素的特征谱线 ； D、产生具有足够浓度的散射光。4、在火焰原子吸收分析中，影响谱线宽度的最主要因素是:A、多普勒（热）变宽；C、场致变宽；B、洛伦兹（压力）宽； D、自吸变宽。5、在石墨炉原子化器（无火焰原子化器），影响谱线宽度的最主要因素是:A、多普勒（热）变宽；C、场致变宽；B、洛伦兹（压力）宽； D、自吸变宽。6、在原子吸收分光光度法中，吸收线的半宽度是指 :A 、峰值吸收系数的 一 半；B、 吸收线轮廓与峰值吸收系数之交点所对应的频率 的一半；C、中 心 频 率 所 对 应 的 吸 收 系 数 的 一 半;D、在 处，吸收线轮廓上两点间的频率差。7、关于原子吸收分光光度计的单色器位置，正确的说法 是 :A、光源辐射在原子吸收之前，先进入单色器；B、光源辐射在原子吸收之后，再进入单色器；C、光源辐射在检测之后， 再进入检测器；D、可任意放置。8、原子吸收分光光度法实现峰值吸收测量的条件是 :A、光源发射线与吸收线的中心频率重合，且发射线半宽度应小于吸收线半宽度；B、光源发射线频率远大吸收线中心频率，且发射线半 宽度小于吸收线半宽度；C、光源发射线频率等同于吸收线中心频率，且发射线半宽度大于吸收线半宽度 ；D、光源发射线频率略低于吸收线中心频率，且发射线半宽度与吸收线半宽度相同9、原子吸收法所使用的火焰温度 :A、越高越好； B. 越低越好；C、取决于燃气和助燃气的比例；. 取决于待测元素的化学性质。10、火焰原子吸收光谱法中的雾化效率一般为：A、1%10% ； B、5%15%；C、60%70%； D、90%100%。教学过程续11、在原子吸收分光光度法中，T3000K时，可以用基态原子数代替原子总数，其主要原因为：A、基态原子在高温下，不会被激发；B、在高温下，基态原子数远多于激发态原子数；C、在高温下，基态原子数与激发态原子数几乎相等；D、在高温下，基态原子数远少于激发态原子数；二、简答题：（一）原子吸收分光光度法与紫外可见光分光光度法的异同点相同点 ：遵守光吸收基本定律 Lambert-Beer定律 不同点：1、吸收的带宽不同，原子吸收是锐线吸收（窄带吸收）而紫外可见分光光度法是分子的带状吸收。2、原子吸收为气化后的基态原子吸收，而紫外可见光分光光度法为溶液中的分子吸收或离子吸收。3、光源不同，原子吸收为锐线光源而紫外可见光分光光度法是连续光谱。4、设备结构不同。 （二）与火焰原子化法相比，石墨炉原子化法具有哪些优缺点：1、优点：（1）灵敏度高、检测限低； 原子化效率可达。自由原子在石墨管内平均滞留时间长，因此管内自由原子密度高，绝对灵敏度达10-1210-15克。比火焰法高几个数量级。 （2）样品用样量少（3）可直接分析固体样品。（4）可以测定共振吸收线位于真空紫外区的非金属元素I、P、S等。2、缺点：（1）石墨炉原子化法所用设备比较复杂，成本比较高。但石墨炉原子化器在工作中比火焰原子化系统安全。（2）石墨炉产生的总能量比火焰小，因此基体干扰较严重，测量的精密度仅达2%5%，比火焰原子化法差6.3 原子吸收分光光度法的实验技术6.3.1样品的处理与保存 【计划讲解2分钟】 由于原子吸收分光光度法的灵敏度非常高，样品一定要防止污染。污染来自于器皿、空气、实验用水及所用试剂等。无机试样置于聚乙烯容器且保持必要的酸度，避光存放于清洁、低温处；有机试样存放时避免与宜发生变化的塑料、胶木瓶塞等直接接触。特别说明盛放样品的器皿在使用前必须用优级纯的稀硝酸浸泡并用去离子水冲洗干净，所使用的试剂也应为优级纯试剂。6.3.2干扰及其消除【计划讲解30分钟】6.3.2.1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，主要有以下几种：一、空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射。 消除办法：换用纯度较高的单元素灯减小干扰。二、灯的辐射中有连续背景辐射。消除办法：用较小狭缝宽度或更换灯。教学过程续三、在分析线附近有单色器不能分离的非待测元素的邻近线。目前发现了8对元素相互干扰辐射线干扰线辐射线干扰线Cu324.754Fe217.903Si250.690Al308.216Eu324.753Pt217.904V250.691V308.211Mn403.307Hg253.652Sb217.023Ge422.657Ga403.298Co253.654Pb216.996Ga422.673消除办法：是选择无干扰待测元素的其它吸收线（非共振线）作为分析线，或适当减小狭缝的宽度以滤去干扰谱线，或者预先分离试样中的干扰元素。6.3.2.2电离干扰：待测元素在原子化过程中发生电离，使基态原子数减小，而造成吸光度值下降的现象称为电离干扰（ionization interference）。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）。电离干扰的消除方法：加入大量易电离的另一种易电离元素（称为消电离剂），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。或适当降低火焰温度减小电离。 6.3.2.3化学干扰及抑制 指待测元素在溶液或气态中与其它组分之间的化学反应所引起的干扰效应,主要影响到待测元素的原子化效率，是主要干扰源。属选择性干扰。 一、 化学干扰的类型1、待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，使参与吸收的基态原子减少。在空气-乙炔火焰中：铝、钴、硅、硼、钛、铍在火焰中易生成难挥发或难离解的氧化物；在石墨炉原子化过程中：钨、硼、钼等元素容易形成稳定的碳化物；硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等与钙、镁等易生成难挥发的化合物，都可产生化学干扰，使待测元素的原子化效率降低，导致测定灵密度下降。二、化学干扰的抑制 通过在标准溶液和试液中加入某种化学释放剂、保护剂或缓冲剂来抑制或减少化学干扰：（1）释放剂其作用是它能与干扰物生成比被测元素更稳定的化合物，使被测元素从其与干扰物质形成的化合物中释放出来。如上述所说的PO43-干扰Ca的测定，可加入La、Sr盐类，它们与Ca生成更稳定的磷酸盐，把Ca释放出来。释放剂的应用比较广泛；（2）保护剂其作用是它能与被测元素生成稳定且易分解的配合物，以防止被测元素与干扰组分生成难解离的化合物，即起了保护作用。保护剂一般是有机配合剂，用的最多的是EDTA和8-羟基喹啉。例如，PO43-干扰Ca的测定，当加EDTA后，生成EDTA-Cu配合物，且既稳定又易破坏。Al对Ca、Mg的干扰可用8-羟基喹啉作保护剂；（3）缓冲剂（饱和剂）有的干扰在干扰物质达到一定浓度时，干扰趋于稳定，这样，把被测溶液与标准溶液加入同样达到干扰稳定量时，干扰物质对测定就不发生影响。如用乙炔一氧化二氮火焰测定Ti时，Al抑制了Ti的吸收。但是当Al的浓度大于200ug/ml后，吸收就趋于稳定。因此在试样及标样中都加200ug/ml的干扰元素，则可消除其干扰。除以上方法外，还可以适当提高原子化温度、化学分离等来减小或消除化学干扰的影响。教学过程续6.3.2.4物理干扰指试样在转移、蒸发过程中任何物理因素变化而引起的干扰效应。属非选择性干扰。1、试液的粘度:影响试样喷入火焰的速度 2、表面张力:影响雾滴的大小及分布3、溶剂的蒸气压:影响蒸发速度4、雾化气体的压力:影响喷入量的多少消除：可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。若试样浓度较高，可采用稀释法。6.3.2.5背景吸收（背景干扰）及消除 主要是指原子化过程中所产生的连续光谱干扰，主要包括分子吸收干扰、光的散射、光的折射以及火焰气体的吸收等。非原子吸收，即假吸收，使吸光度增加，导致分析结果偏高。一、 分子吸收与光散射分子吸收：原子化过程中，存在或生成的分子对特征辐射产生的吸收。分子光谱是带状光谱，势必在一定波长范围内产生干扰。光散射：原子化过程中，存在或生成的微粒使光产生的散射现象。产生正偏差，石墨炉原子化法比火焰法产生的干扰严重1、火焰背景干扰 来自燃烧气的背景干扰（分子吸收和粒子散射）。主要是指许多未燃烧完全的分子或分子片段而产生的吸收干扰，尤其是富燃火焰中此类干扰较大。如空气-乙炔焰在波长小于250nm时有明显吸收。 消除：因干扰主要来自燃烧气，更换助燃气（如用N2O）；改变燃助比来减小；或通过空白进行校正。2、来自样品基体的背景干扰 例如，碱金属卤化物如KBr、KI、高浓度NaCl在200400nm紫外区有吸收；不同的无机酸会产生不同的影响，在波长小于250nm时，H2SO4 和 H3PO4有很强的吸收带，而HNO3和HCl的吸收很小。因此，原子吸收光谱分析中多用HNO3和HCl配制溶液。这种情况在盐分或酸的浓度较高时出现，一般可在标准溶液中加入相同浓度的盐或酸来解决。 例如：分子吸收：（如碱金属卤化物）波长 250 nm的光吸收更严重些。分子吸收特点带状光谱对于石墨炉原子化法背景吸收要比火焰原子化法大的多，减小石墨炉原子化法高背景吸收常用的办法有：（1）减小进样量；（2）增高灰化温度或延长灰化时间或采用斜坡升温；（3）增加管内气体流量（4）采用基体改进剂和平台石墨炉技术以减小基体组分的干扰。教学过程续二、背景干扰校正方法（一 ）氘灯背景校正：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；因氘灯发出的连续光谱的带宽远远大于待测元素的吸收线，所以待测元素的吸收吸收减弱的光强度可以忽略不计此时测得是背景吸收。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)；背共振线通过时，测定总吸收；原背差值为有效吸收； 原目前多数原子吸收分光光度计都配有氘灯背景校正技术，它只能校正波长在190-350nm范围内的背景吸收。（二）塞曼(Zeeman)效应背景校正法1、Zeeman效应：原子蒸汽在强磁场（10kG）作用下，各个电子能级会进一步分裂，即每条谱线进一步分裂的现象。（1）其中一是分裂成振动方向平行于磁场的 p 线（波长不变，即中心线与分析波长相同，可被待测元素原子吸收）（2）另外是垂直于磁场的+和-线（波长增加或降低，并呈对称分布，即波长偏离了分析线，不产生原子吸收，只有分子吸收）。分裂的谱线间波长差很小，约为0.01nm。2、校正原理：（1）当在原子化器上加磁场时，垂直磁场方向的光束p成分通过原子蒸气时，因中心线与分析波长不同，不产生原子吸收，但与背景产生吸收，因为背景吸收与发射线波长无关。 p为参比光束，A =A背景（2）当在原子化器上加磁场时，平行磁场方向的光束p成分通过原子蒸气时，因中心线与分析波长相同，产生原子吸收和背景吸收。 p为测量光束，A =A原子+ A背景当平行磁场的偏振光原子化器时：原背当垂直磁场的偏振光原子化器时：背差值为有效吸收：=3、Zeeman背景校正的特点 波长范围宽（190nm900nm）； 校正准确度较高，可用于强背景校正（AB可高达1.52.0）； 与非Zeeman效应扣背景相比，灵敏度略有下降（因为入射线分裂，使其光强下降）; 仪器价格昂贵。教学过程续6.3.3分析条件的选择 【计划讲解20分钟】6.3.2.1分析线的选择通常选共振线（最灵敏线或且大多为最后线），但不是绝对的。 如Hg185nm比Hg254nm灵敏50倍，但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生吸收；共振线Ni232nm附近231.98和232.12nm的原子线和231.6nm的离子线，不能将其分开，可选取 341.48nm 作分析线。 此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向试样中引入杂质，可选取次灵敏线！6.3.2.2狭缝（Slit）宽度选择调节 Slit 宽度，可改变光谱带宽也可改变照射在检测器上的光强。一般狭缝宽度选择在通带为0.4nm4.0nm 的范围内，对谱线复杂的元素如Fe、Co 和 Ni，需在通带相当于0.1nm 或更小的狭缝宽度下测定。狭缝（Slit）宽度选择的原则：在无谱线干扰的情况下尽量选择较宽的狭缝，这有利于提高灵敏度和信噪比。一般为无干扰、吸光度大且稳定的最大狭缝宽度即为最适宜的狭缝宽度。6.3.2.3空心阴极灯电流选择 灯电流过小，光强低且不稳定；灯电流过大，发射线变宽，灵敏度下降，且影响光源寿命。选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的1/22/3），最佳灯电流通过实验确定。空极阴极灯使用前一般须预热10 min 30 min。 6.3.2.4原子化条件6.3.2.4.1火焰原子化: 1、火焰类型选择（温度-背景-氧化还原环境）；火焰类型和状态对测定的影响较大，选择合适的火焰可提高测定灵敏度和减小某些干扰因素的影响。在火焰中 易生成难离解或难挥发化合物的元素，可选择高温火焰如氧化亚氮-乙炔；一般元素可选择空气-乙炔。2、燃助比（温度-氧化还原环境)；火焰状态受燃气和助燃气的比值直接影响，可根据不同元素选择合适的配比。3、燃烧器高度（火焰部位-温度）4、调节提液量可以改变和控制进样速度。5、雾化器经常用去离子水清洗以消除记忆效应和防止毛细管堵塞。6.3.2.4.2石墨炉原子化: 升温程序的优化。具体温度及时间通过条件实验确定。干燥80oC-130oC 除溶剂，主要是水；灰化200oC-1300oC基体，尤其是有机质的去除。在不损失待测原子时，使用尽可能高的温度和长的时间；原子化（ 1500oC-2800oC）通过实验确定何时基态原子浓度达最大值净化（ 3000oC）短时间（35s）内去除试样残留物，温度应高于原子化温度。6.3.2.4.3基体改进技术和平台石墨炉技术的应用一、基体改进技术：1、降低元素的挥发性：测定易挥发性元素如镉、铅、硒、砷、碲加进基体改进剂是非常必要的。在硒溶液中加入镍盐，以降低硒的挥发性是应用基体改进技术的一个很好的例子。在石墨炉测定生物样品中硒时，发现硒在300-400灰化时有较多的挥发损失，在硒溶液中加镍盐时1050 也无损失。如Pd-Pb挥发损失也减小。教学过程续2、增加基体成分的挥发性：例如生物材料中的氯化钠浓度较高，氯化钠沸点1413 ，可加入硝酸铵，使氯化钠转变为易挥发的组分，所生成的硝酸钠和氯化铵在石墨炉中的挥发温度都低于500 二、平台石墨炉技术和探针石墨炉技术平台石墨炉技术是向石墨管中放入一个耐高温的金属凹槽（如镍舟），将样品放入凹槽内进行测定。探针石墨炉技术是将数微升的样品液加在一根难溶金属的探针或石墨探针上，将干燥、灰化完成后再将探针插入恒温的石墨炉中原子化。平台石墨炉技术优点 克服了纵向石墨炉温度的不均匀性,使整根石墨管受热温度均匀一致(纵向加热石墨炉,石墨管两端与中间的温差可达400以上）。 由于在石墨管中没有温度梯度和使用小体积Lvov平台，石墨炉升温速率可进一步提高，同时也降低了元素的原子化温度。抗干扰能力强，大大减少了化学干扰。降低基体效应、消除记忆效应。消除峰拖尾。测试灵敏度、精密度好。6.3.4定量分析方法【计划讲解15分钟】6.3.4.1 标准曲线法配制一组合适的标准溶液，由低浓度到高浓度依次喷入火焰，将获得的吸光度A数据对应于浓度c作标准曲线，在相同条件下测定试样的吸光度A，在标准曲线上求出对应的浓度值。标准曲线法适用性：适用于基体组成简单，干扰较少、大批试样的分析。标液配制注意事项：（1）标准溶液的基体组成、酸度和黏度等尽可能与样品溶液相近；（2）标准溶液浓度应在合适的范围（即在线性范围内）；（3）每次测定标准溶液必须重新配置；（4）最大浓度与最小浓度相差一个数量级；（5）标准溶液的配置，尽量选择国家规定的一级标准物质。6.3.4.2标准加入法（计算法）：主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应）。注意事项：必须线性良好，通过原点；至少四个点（在线性范围内可用两点直接计算）；只消除基体效应，不消除背景吸收；斜率小时误差大。Ax =KCx A(x+s)=K（Cs+Cx），Cs+Cx仍在线性范围内 教学过程续6.3.4.3标准加入法（外推法）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。标准加入法能消除基体干扰，不能消背景干扰。使用时，注意要扣除背景干扰。6.3.5分析方法评价6.3.5.1灵敏度(Sensitivity) 【计划讲解8分钟】1、灵敏度（S）IUPAC规定: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：（表示校正曲线的斜率）Sc=A/c 或 Sm=A/m在原子吸收分光光度法中，习惯用低浓度或低含量时标准曲线斜率的倒数即特征浓度来表征其灵密度。2、特征浓度（火焰法）指对应与1%净吸收（ I0 -It）/I0=1/100的待测元素浓度（S），或对应与0.0044吸光度的待测元素浓度（S） 。3、特征质量(石墨炉） 指对应与1%净吸收（ I0 -It）/I0=1/100的待测元素质量（S），或对应与0.0044吸光度的待测元素质量（S） 。C-浓度（g/ml)；V-为进样量（ml）;A-吸光度 。注意：特征浓度或灵密度，由于受测定时噪声的影响，不能直接用来表征某仪器对某种元素能被检出的最小浓度或最小量，但它可用于估算适宜的浓度测量范围和取样量。例如：某生物样品经处理成为溶液，其中Fe和Ca的含量约为0.25mg/L和15mg/L,采用原子吸收分光光度法测定时，试样中待测元素的含量是否在合适的测量范围内？教学过程续又根据原子吸收分析中，吸光度在0.10-0.60范围内的测量误差较小，故Fe的合适测量范围根据下面两式计算： 结论：试样中Fe含量（0.25mg/L）低于适宜测量范围，应将溶液适当浓缩。同样，吸光度在0.10-0.60范围内的测量误差较小，Ca的合适测量范围根据下面两式计算：；结论：试样中Ca（15mg/L）高于适宜测量范围，应适当稀释溶液。6.3.4.2检测限（Detection limit, DL） 【计划讲解7分钟】 在适当置信度下，能检测出的待测元素的最小浓度或最小量。用接近于空白的溶液，经若干次（10-20次）重复测定所得吸光度的标准偏差的3倍求得。（1）火焰法 : CDL=3Sb/Sc 单位：gml-1（2）石墨炉法：mDL=3Sb/Sm 单位：g(或 g） Sb：标准偏差；Sc（Sm）：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率。可以看出，检出限不仅与灵敏度有关，而且还考虑到仪器噪声！因而检测限比灵敏度具有更明确的意义，更能反映仪器的性能。只有同时具有高灵敏度和高稳定性时，才有低的检出限。 例题：0.050g/ml的Co标准溶液，在石墨炉原子化器的原子吸收分光光度计上，每次以5l与去离子水交替连续测定10次，测得的吸光度如下表所示。求该原子吸收分光光度计对Co的检出限。测定次数12345吸光度0.1650.1700.1660.1650.168测定次数678910吸光度0.1670.1680.1660.1700.167 教学过程续6.3.5原子吸收分光光度法的应用(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、蔬菜中微量元素的测定；(4) 矿物、合金及各种材料中微量元素的测定；(5) 各种生物试样中微量元素的测定 教学后记