武汉大学分析化学原子吸收光谱法与原子荧光光谱法.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 原子吸收光谱法与原子荧光光谱法,Alan Walsh,(1916-1998)和他原子吸收光谱仪在一起,1/60,原子吸收光谱法（AAS）是基于气态基态原子外层电子对紫外光和可见光范围相对应原子共振辐射线吸收强度来定量被测元素含量为基础分析方法。,它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛应用。,近年来，因为对AAS,创新研究，,有了突破性进展。,4.1 原子吸收光谱法,2/60,Boltzmann分布定律：,在温度较高等离子体火焰中，核外层电子在各个量子化能级上分布遵照Boltzmann分布定律：,4.1.1 原子吸收光谱产生,3/60,4.1.1 原子吸收光谱产生,处于基态原子核外层电子，假如外界所提供特定能量(,E,)光辐射恰好等于核外层电子基态与某一激发态(,i,)之间能量差(,E,i,)时，核外层电子将吸收特征能量光辐射由基态跃迁到对应激发态，从而产生原子吸收光谱。,4/60,4.1.2 原子吸收谱线轮廓,原子吸收和发射谱线并非是严格几何线，其谱线强度随频率(,v,)分布急剧改变，通常以吸收系数(,K,v,)为纵坐标和频率(,v,)为横坐标,K,v,v,曲线描述。,K,v,v,曲线图中,K,v,极大值处称为峰值吸收系数(,K,0,)，与其相对应,v,称为中心频率(,v,0,)，吸收谱线轮廓宽度以半宽度(,v,)表示。,K,v,v,曲线反应出原子核外层电子对不一样频率光辐射含有选择性吸收特征。,5/60,4.1.2 原子吸收谱线轮廓,.自然宽度N,它与原子发生能级间路迂时激发态原子有限寿命相关。,普通情况下约相当于10,-4,.多普勤（Doppler）宽度D,这是由原子在空间作无规热运动所引致。故又称热变宽。,M原子量，T 绝对温度，0谱线中频率,普通情况:D =10,-2,6/60,碰撞变宽：,原子核蒸气压力愈大，谱线愈宽。,同种粒子碰撞赫尔兹马克(Holtzmank)变宽,异种粒子碰撞称罗论兹（Lorentz）变宽。10,-2,场致变宽：在外界电场或磁场作用下，引发原子核外层电子能级分裂而使谱线变宽现象称为场致变宽。因为磁场作用引发谱线变宽，称为Zeeman(塞曼)变宽。,自吸变宽：光源空心阴极灯发射共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。,4.1.2 原子吸收谱线轮廓,7/60,积分吸收,f-振子强度,N-单位体积内原子数,e-为电子电荷,m-个电子质量.,4.1.3 积分吸收与峰值吸收,8/60,积分吸收限制,要对半宽度(,v,)约为10-3 nm吸收谱线进行积分，需要极高分辨率光学系统和极高灵敏度检测器，当前还难以做到。,这就是早在19世纪初就发觉了原子吸收现象，却难以用于分析化学原因。,4.1.3 积分吸收与峰值吸收,9/60,峰值吸收,1955年Walsh 提出，在温度不太高稳定火焰条件下，,峰值吸收系数与火焰中被测元素原子浓度也正比,。,4.1.3 积分吸收与峰值吸收,10/60,4.1.3 积分吸收与峰值吸收,11/60,4.1.3 积分吸收与峰值吸收,锐线光源：,所发射谱线与原子化器中待测元素所吸收谱线中心频率(,v,0,)一致，而发射谱线半宽度(,v,E,)远小于吸收谱线半宽度(,v,A,)。,此时，吸收就是在,K,0,(,v,0,)附近，即相当于峰值吸收。,12/60,4.1.4 原子吸收光谱法特点,选择性好：,谱线比原子发射少，谱线重合概率小。,灵敏度高：,适合用于微量和痕量金属与类金属元素定量分析。,精密度(RSD%)高：,普通都能控制在5%左右。,操作方便和快速：,无需显色反应。,应用范围广。,不足：,不适合用于多元素混合物定性分析；对于高熔点、形成氧化物、形成复合物或形成碳化物后难以原子化元素分析灵敏度低。,13/60,4.2 原子吸收分光光度计,14/60,4.2.1 仪器结构与工作原理,15/60,空心阴极灯(Hollow Cathode Lamp，HCL),由待测元素金属或合金制成空心阴极圈和钨或其它高熔点金属制成；阳极由金属钨或金属钛制成。,4.2.1.1 空心阴极灯,16/60,在高压电场下,阴极向正极高速飞溅放电,与载气原子碰撞,使之电离放出二次电子,而使场内正离子和电子增加以维持电流。载气离子在电场中大大加速,取得足够能量,轰击阴极表面时,可将被测元素原子从晶格中轰击出来,即谓溅射,溅射出原子大量聚集在空心阴极内,与其它粒子碰撞而被激发,发射出对应元素特征谱线-,共振谱线,。,4.2.1.1 空心阴极灯,17/60,HCL,电源调制,为了提升HCL发射谱线强度、降低谱线半宽度和自吸现象，HCL普遍采取矩形窄脉冲调制电源供电。,普通采取200 Hz调制电源，占空比为1:3，矩形窄脉冲电流为1020 mA，平均电流为25 mA。,4.2.1.1 空心阴极灯,18/60,单光束光学系统,4.2.1.2 光学系统,19/60,双光束光学系统,4.2.1.2 光学系统,20/60,单色器,由入射狭缝、反射镜、准直镜、平面衍射光栅、聚焦镜和出射狭缝组成。,平面衍射光栅是主要色散部件，其性能指标为：分辨率、倒线色散率、聚光本事、闪耀特征以及杂散光水平等。,当前，还有采取中阶梯光栅与石英棱镜组成二维色散系统，全封闭外光路与二维色散系统确保了较少杂散光水平和较高分辨率。,4.2.1.2 光学系统,21/60,检测系统,光电倍增管(PMT)是原子吸收分光光度计主要检测器，要求在200900 nm波长范围内含有较高灵敏度和较小暗电流。,数据处理与控制系统,计算机光谱工作站对所采集数字信号进行数据处理与显示，并对原子吸收分光光度计各种仪器参数进行自动控制。,4.2.1.3 检测系统和数据处理与控制系统,22/60,火焰原子化系统,4.2.2 原子化系统,23/60,火焰类型与特征,4.2.2 原子化系统,24/60,火焰氧化-还原特征,中性火焰：,燃烧充分、温度高、干扰小、背景低，适合于大多数元素分析。,贫燃火焰：,燃烧充分，温度比中性火焰低，氧化性较强，适合用于易电离碱金属和碱土金属元素分析，分析重现性较差。,富燃火焰：,火焰燃烧不完全，含有强还原性，即火焰中含有大量CH、C、CO、CN、NH等组分，干扰较大，背景吸收高，适合用于形成氧化物后难以原子化元素分析。,4.2.2 原子化系统,25/60,火焰原子化特点与不足,特点：简单，火焰稳定，重现性好，精密度高，应用范围广。,缺点：原子化效率低、只能液体进样,4.2.2 原子化系统,26/60,石墨炉原子化法(GFAAS),4.2.2 原子化系统,27/60,特点,：,采取直接进样和程序升温方式，原子化温度曲线是一条含有峰值曲线。,可达3500高温，且升温速度快。,绝对灵敏度高，普通元素可达10,-9,10,-12,g。,可分析70各种金属和类金属元素。,所用样品量少(1100 mL)。,不过石墨炉原子化法分析速度较慢，分析成本高，背景吸收、光辐射和基体干扰比较大。,4.2.2 原子化系统,28/60,低温原子化法,：低温原子化法也称为化学原子化法，包含冷原子化法和氢化物发生法。,普通冷原子化法与氢化物发生法能够使用同一装置。,冷原子化法：,直接测量Hg,氢化物发生法：,氢化物发生器生成金属或类金属元素氢化物，进入原子化器。,4.2.2 原子化系统,29/60,光学系统波长显示值误差,光学系统分辨率,基线稳定性,吸收灵敏度(S,1,%),精密度,检出限,4.2.3 原子吸收分光光度计性能指标,30/60,4.3 干扰及其消除,31/60,物理干扰,：指样品溶液物理性质改变而引发吸收信号强度改变，物理干扰属,非选择性干扰,。,物理干扰普通都是负干扰。,消除方法：,配制与待测样品溶液基体相一致标准溶液。,采取标准加入法。,被测样品溶液中元素浓度较高时，采取稀释方法来降低或消除物理干扰。,4.3.1 物理干扰及其消除方法,32/60,化学干扰,：待测元素在原子化过程中，与基体组分原子或分子之间产生化学作用而引发干扰。,消除方法：,改变火焰类型、改变火焰特征、加入释放剂、加入保护剂、加入缓冲剂、采取标准加入法。,4.3.2 化学干扰及其消除方法,33/60,背景干扰也是光谱干扰，主要指分子吸与光散射造成光谱背景。分子吸收是指在原子化过程中生成分子对辐射吸收，分子吸收是带光谱。光散射是指原子化过程中产生微小固体颗粒使光产生散射，造成透过光减小，吸收值增加。,背景干扰，普通使吸收值增加，产生正误差。,4.3.5 背景吸收与校正,34/60,氘灯背景校正技术,4.3.5 背景吸收与校正,35/60,Zeeman效应背景校正技术,：,该法是在磁场作用下，简并谱线发生分裂现象。,Zeeman方法：,光源调制磁场加在光源上。,吸收线调制磁场加在原子化器上使用广泛。,磁场调制方式：,交变磁场调制方式与恒定磁场调制方式。,4.3.5 背景吸收与校正,36/60,交变磁场调制方式：,磁场改变 零磁 激磁,零磁时：原子+背景吸收；,激磁时：仅背景吸收，他们之差为原子吸收。,4.3.5 背景吸收与校正,37/60,恒定磁场调制方式：,光源发射线经过起偏器后变为偏振光，某时刻平行于磁场方向偏振光经过时，吸收线组分和背景产生吸收，得到原子吸收和背景吸收总吸光度；另一时刻垂直于磁场偏振光经过原子能器时只有背景吸收，没有原子吸收，二者之差即为原子吸收。,4.3.5 背景吸收与校正,38/60,4.4.1.仪器操作条件选择,HCL电流选择：,HCL电流小，HCL所发射谱线半宽度窄，自吸效应小，灵敏度增高；,但HCL电流太小，HCL放电不稳定，影响分析灵敏度和精密度。,吸收谱线选择：,首选最灵敏共振吸收线。,共振吸收线存在光谱干扰或分析较高含量元素时，可选取其它分析线,。,4.4 原子吸收光谱法分析,39/60,光谱通带选择,光学系统指是狭缝宽度(,S,/mm)选择。,光谱通带主要取决于单色器倒线色散率(,D,，nm.mm,-1,)。,光谱通带计算式为：,W,=,D,S,。光谱通带宽窄直接影响分析检出限、灵敏度和线性范围。,对于碱金属、碱土金属，可用较宽光谱通带，而对于如铁族、稀有元素和连续背景较强情况下，要用较小光谱通带。,4.4.1 仪器操作条件选择,40/60,火焰类型与特征选择,燃烧器高度选择,火焰原子化器吸喷速率,也称为待测溶液提升量。提升量过大，对火焰产生冷却效应，影响原子化效率；而提升量过小，影响分析方法灵敏度和检出限。,4.4.2 火焰原子化法最正确条件选择,41/60,石墨管类型选择：,普通石墨管、热解涂层石墨管、,L,vov,平台石墨管,升温程序选择：,依据分析元素种类、进样量大小和基体效应影响选择适宜升温程序，是石墨炉原子化法分析检出限、灵敏度、精密度和准确度主要确保。,基体改进剂选择,进样量选择：,与升温程序亲密相关。普通进样量控制在,5100,L,。,4.4.3 石墨炉原子化法最正确条件选择,42/60,标准曲线法,最惯用分析方法。标准曲线法最主要是绘制一条标准曲线。,配制一组含有不一样浓度被测元素标准标准溶液,在与试样测定完全相同条件下，依浓度由低到高次序测定吸光度。绘制吸光度A对浓度c校准曲线。,测定试样吸光度值，在标准曲线上用内插法求出被测元素含量。,4.4.4 原子吸收光谱定量分析方法,43/60,标准加入曲线法,4.4.4 原子吸收光谱定量分析方法,A,x,=k C,A,0,=k（C,0,+C,x,）,C,x,=A,x,C,0,/（A,0,-A,x,）,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。,44/60,原子荧光光谱法是1964年以后发展起来分析方法。,原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下发射荧光强度进行定量分析发射光谱分析法。,所用仪器与原子吸收光谱法相近。,4.5 原子荧光光谱法,45/60,4.5.1.1 原子荧光光谱产生,气态自由原子吸收特征辐射后跃迁到较高能级，然后又跃迁回到基态或较低能级。同时发射出与原激发辐射波长相同或不一样辐射即原子荧光。,原子荧光为,光致发光,，,二次发光,，激发光源停顿时，再发射过程马上停顿。,4.5.1 原子荧光光谱法基本原理,46/60,共振荧光、非共振荧光、,敏化荧光,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,47/60,共振荧光,气态原子吸收共振线被激发后，再发射与原吸收线波长相同荧光即是共振荧光。,它特点是激发线与荧光线高低能级相同。,如锌原子吸收213.86nm光，它发射荧光波长也为213.86nm。若原子受热激发处于亚稳态，再吸收辐射深入激发，然后再发射相同波长共振荧光，此种原子荧光称为热助共振荧光。,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,48/60,非共振荧光,当荧光与激发光波长不相同时，产生非共振荧光。,非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、anti Stokes（反斯托克斯）荧光。,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,49/60,直跃线荧光,激发态原子跃迁回至高于基态亚稳态时所发射荧光称为直跃线荧光。,因为荧光能级间隔小于激发线能线间隔，所以荧光波长大于激发线波长。,假如荧光线激发能大于荧光能，即荧光线波长大于激发线波长称为Stokes荧光；反之，称为antiStokes荧光。直跃线荧光为Stokes荧光。,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,50/60,阶跃线荧光,正常阶跃荧光为被光照激发原子，以非辐射形式去激发返回到较低能级，再以辐射形式返回基态而发射荧光。,很显然，荧光波长大于激发线波长。非辐射形式为在原子化器中原子与其它粒子碰撞去激发过程。,热助阶跃线荧光为被光照激发原子，跃迁至中间能级，又发生热激发至高能级，然后返回至低能级发射荧光。,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,51/60,敏化荧光,受光激发原子与另一个原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再以辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。,火焰原子化器中观察不到敏化荧光，在非火焰原子化器中才能观察到。,在以上各种类型原子荧光中，共振荧光强度最大，最为惯用。,4.5.1.2 原子荧光光谱类型,52/60,气态和基态原子核外层电子对特定频率(,v,0,)光辐射吸收强度(,I,a,),、发射出荧光强度(,I,f,),和荧光量子效率(,)关系为：,I,f,=I,a,展开，得到,4.5.1.3 荧光强度与浓度关系,53/60,处于激发态原子核外层电子除了以光辐射形式释放激发能量外，还可能产生非辐射形式释放激发能量，所发生非辐射释放能量过程使光辐射强度减弱或消失，称为,荧光猝灭,。,A,*,+B=A+B+H,可用氩气来稀释火焰，减小猝灭现象,4.5.1.4 荧光猝灭,54/60,荧光猝灭程度能够采取荧光量子效率(,)表示：,=,f,/,A,f,单位时间时内发射荧光光子数,A,单位时间内吸收激发光光子数,普通小于1,4.5.1.5 荧光量子效率,55/60,原子荧光分光光度计组成,原子荧光分光光度计与原子吸收分光光度计结构相同。,为了防止锐线光源所发射强光辐射对弱原子荧光信号检测影响，单色器和检测器位置与激发光源位置呈90,o,角。,原子荧光分光光度计都配置了氢化物(冷原子)发生器。,4.5.2 原子荧光分光光度计,56/60,原子荧光分光光度计分为色散型和非色散型两类：,4.5.2 原子荧光分光光度计,57/60,氢化物发生法,：氢化物发生法是依据8种元素,As,、,Bi,、,Ge,、,Pb,、,Sb,、,Se,、,Sn,和,Te,氢化物在常温下为气态，利用一些能产生初生态还原剂(H,)或一些化学反应，与样品中这些元素形成挥发性共价氢化物。,氢化物发生器：,氢化物发生器普通包含进样系统、混合反应器、气液分离器和载气系统。依据不一样蠕动泵进样法，能够分为：连续流动法,、流动注射法、断续流动法和间歇泵进样法等。,4.5.2 原子荧光分光光度计,58/60,氢化物发生法特点：,分析元素在混合反应器中产生氢化物与基体元素分离，消除基体效应所产生各种干扰。,与火焰原子化法雾化器进样相比，氢化物发生法含有预富集和浓缩效能，进样效率高。,连续流动式氢化物发生器易于实现自动化。,不一样价态元素氢化物发生条件不一样，能够进行该元素价态分析。,无法分析不能形成氢化物或挥发性化合物元素，氢化物发生法存在液相和气相等干扰。,4.5.2 原子荧光分光光度计,59/60,原子荧光光谱法含有较低检出限,、较高灵敏度、较少干扰、吸收谱线与发射谱线比较单一、标准曲线线性范围宽(35个数量级)等特点。,仪器结构简单且价格廉价，因为原子荧光是向空间各个方向发射，比较轻易设计多元素同时分析多通道原子荧光分光光度计。,原子荧光光谱法定量分析主要采取,标准曲线法,，也能够采取标准加入法。,4.5.3 原子荧光光谱定量分析,60/60,