第六章 原子吸收光谱法07.ppt

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,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,*,卫生检验基础,营养与保健医学系,阮国洪,13809502503,第六章,原子吸收光谱分析,基本要点：,1.,了解影响原子吸收谱线轮廓的因素；,2.,理解火焰原子化和高温石墨炉原子化法的基本过程；,3.,了解原子吸收分光光度计主要部件及类型；,4.,了解原子吸收分光光度法干扰及其抑制方法；,5.,掌握原子吸收分光光度法的定量分析方法及实验条件选择原则。,第一节 原子吸收光谱分析概述,一、原子吸收光谱分析 定义：根据物质产生的原子蒸气中待测元素的基态原子对光源特征辐射谱线吸收程度进行定量的分析方法。,原子吸收分光光度法,原子吸收分光光度法,（,Atomic Absorption Spectrophotometry,；,AAS,）又称原子吸收光谱法，或简称原子吸收法。所谓原子吸收就是指：气态自由原子对于同种原子发射出来的特征光谱辐射，具有吸收现象，这是自然界中客观存在的一个事实。,早在,19,世纪初，就有学者发现，太阳光谱中有许多暗线，并证明这些暗线是由于太阳白炽体内温度较高，大气圈中的金属原子吸收了来自白炽体内受激的同种原子所发射的特征光谱线所致。虽然人们早已掌握了原子吸收的现象，但是在分析中的应用，却是,1955,年以后的事，因为此时才有了商品仪器。,70,年代以来，该技术得到迅速发展，并广泛应用于医疗卫生、化工、地质、冶金和农业等领域。,原子吸收光谱法与前面讨论的分光光度法均属于光学分析方法,原子吸收光谱法与前面讨论的分光光度法均属于光学分析方法，两种方法的比较见图,6-1,。,由图,6-1,可见，虽然两种方法的分析原理都是遵循朗伯,比尔定律，但实际上，分子光谱除了分子外层电子能级跃迁外，同时还有振动能级和转动能级的跃迁,故分子光谱比原子光谱的谱带宽得多。,原子吸收法能测定几乎所有金属元素和一些类金属元素。主要优点是：谱线简单，由谱线重叠引起的光谱干扰较少；吸收强度受原子化器温度变化影响小，使得分析灵敏度高、准确度好；而且可以使整个操作自动化，因而具有简便、快速等优点。缺点是每测定一种元素就需要换一种该元素的灯；工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级。,二、原子吸收光谱分析 的特点,（,1,）灵敏度高：其检出限可达,10,-9,g/ml(,某些元素可更高,),；（,2,）选择性好：分析不同元素时，选用不同元素灯，提高分析的选择性；（,3,）具有较高的精密度和准确度：试样处理简单。,第二节 原子吸收光谱分析基本原理,一、原子吸收光谱的产生及共振线 在一般情况下，原子处于能量最低状态（最稳定态），称为基态（,E 0=0,）。当原子吸收外界能量被激发时，其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上，原子的这种运动状态称为激发态。处于激发态。处于激发态电子很不稳定，一般在极短时间（,10,-8,10,-7,s),便跃回基态（或较低激发态），此时，原子以电磁波的形式放出能量：,共振发射线：电子从基态跃迁到能量最低的激发态时要吸收一定频率的光，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。共振吸收线：电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线。共振线：共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。,各种元素的原子结构和外层电子排布不同，不同元素的原子从基态激发至第一激发态,(,或由第一激发态跃迁返回基态,),时，吸收,(,或发射,),的能量不同，因而各种元素的共振线不同而各有其特征性，所以这种共振线是元素的特征谱线。,电子从基态到第一激发态的跃迁又最易发生，对大多数元素来说，共振线是所有的谱线中最灵敏的谱线。而原子吸收光谱是利用处于基态的待测原子蒸气对光的吸收来定量的，因此，共振线又称为分析线。大多数元素共振线在,200,400nm,的紫外区，原子吸收分析研究的波段为,190,900nm,，主要集中于,200,400nm,的紫外区。,第二节 基本原理,二、谱线轮廓与谱线变宽,理论和实验表明，原子吸收线并不是严格几何学意义上的线，也就是说，它不是无限窄的，是占据着有限的相当窄的频率范围，有一定的宽度或称轮廓，其特征是由谱线的频率、半宽度和强度来表征的，无论是吸收线还是发射线,均具有一定的轮廓，如图,6,3,所示。,式中：,Kn,基态原子对频率为的光的吸收系数，它是光源辐射频率的,n,函数 由于外界条件及本身的影响，造成对原子吸收的微扰，使其吸收不可能仅仅对应于一条细线，即原子吸收线并不是一条严格的几何线（单色,l,），而是具有一定的宽度、轮廓，即透射光的强度表现为一个相似于图,8-3,的频率分布,若用原子吸收系数,Kn,随,n,变化的关系作图得到吸收系数轮廓图：,（二）谱线变宽 引起谱线变宽的主要因素有：,1.,自然宽度：在无外界影响下，谱线仍有一定宽度，这种宽度称为自然宽度，以,vN,表示。,vN,约相当于,个“带”。,t,越小，宽度越宽。,2.,多普勒宽度,由于原子在空间作无规则热运动所导致的，故又称为热变宽。当火焰中基态原子向光源方向运动时，由于,Doppler,效应而使光源辐射的波长,n 0,增大（,l0,变短,),，基态原子将吸收较长的波长；反之亦反。因此，原子的无规则运动 就使该吸收谱线变宽。当处于热力学平衡时，,Doppler,变宽可用下式表示：,3,压力变宽,由于吸光原子与蒸气中原子或分子相互碰撞而引起的能级稍微变化，使发射或吸收光量子频率改变而导致的谱线变宽。根据与之碰撞的粒子不同，可分为两类：,(1),因和其它粒子,(,如待测元素的原子与火焰气体粒子,),碰撞而产生的变宽劳伦兹变宽，以,vL,表示。（,2),因和同种原子碰撞而产生的变宽,共振变宽或赫鲁兹马克变宽。共振变宽只有在被测元素浓度较高时才有影响。在通常的条件下，压力变宽起重要作用的主要是劳伦兹变宽，谱线的劳伦兹变宽可由下式决定：,即积分吸收与单位体积原子蒸气中能够吸收辐射的基态原子数成正比，这是原子吸收光谱分析的理论依据。若能测得积分吸收值，则可求得待测元素的浓度。,若采用连续光源时，把半宽度如此窄的原子吸收轮廓叠加在半宽度很宽的光源发射线上，实际被吸收的能量相对于发射线的总能量来说及其微小，在这种条件下要准确记录信噪比十分困难。,1955,年，澳大利亚物理学家,A.Walsh,提出以锐线光源为激发光源，用测量峰值吸收系数（,K0,）的方法代替吸收,锐线光源,发射线的半宽度比吸收线的半宽度窄的多的光源 且 当其发射线中心频率或波长与吸收线中心频率或波长相一致时，可以认为在发射线半宽度的范围内,Kn,为常 理想的锐线光源,空心阴极灯：用一个与待测元素相同的纯金属制成。由于灯内是低电压，压力变宽基本消除；灯电流仅几毫安，温度很低，热变宽也很小。在确定的实验条件下，用空心阴极灯进行峰值吸收,K0,测量时，也遵守,Lamber-Beer,定律：,此式表明：当使用锐线光源时，吸光度,A,与单位体积原子蒸气中待测元素的基态原子数,N0,成正比。四、基态原子数（,N0,）与待测元素原子总数（,N,）的关系 在进行原子吸收测定时，试液应在高温下挥发并解离成原子蒸气,原子化过程，其中有一部分基态原子进一步被激发成激发态原子，在一定温度下，处于热力学平衡时，激发态原子数,Nj,与基态原子数,N0,之比服从波尔兹曼分布定律：,在原子光谱中，一定波长谱线的 若控制条件是进入火焰的试样保持一个恒定的比例，则,A,与溶液中待测元素的浓度正比，因此，在一定浓度范围内：,A=Kc,此式说明：在一定实验条件下，通过测定基态原子（,N0,），的吸光度（,A,），就可求得试样中待测元素的浓度（,c,），此即为原子吸收分光光度法定量基础。,第三节 原子吸收分光光度计,一、仪器的主要部件（一）光源：提供待测元素的特征谱线,共振线 基本要求：辐射的共振线宽度明显小于吸收线宽度,锐线光源,共振辐射强度足够大 稳定性好，背景吸收小,1.,空白阴极灯：低压气体放电管（,Ne,、,Ar,）一个阳极：钨棒（末端焊有钛丝或钽片），一个空心圆柱形阴极：待测元素 一个带有石英窗的玻璃管，管内充入低压惰性气体,此种空心阴极灯中元素在阴极中可多次激发和溅射,激发效率高，谱线强度大，发射强度与灯电流有关（电流增大，发射强度增大；但过大，谱线变宽）,2.,多元素空心阴极灯：发射强度弱,3.,无极放电灯：强度高。但制备困难，价格高。,（二）原子化器：将待测试样转变成基态原子（原子蒸气）的装置。,1.,火焰原子化法 原子化装置包括：雾化器和燃烧器,（,1,）雾化器：使试液雾化，其性能对测定精密度、灵敏度和化学干扰等都有影响。因此，要求雾化器喷雾稳定、雾滴微细均匀和雾化效率高。（,2,）燃烧器：试液雾化后进入预混和室（雾化室），与燃气在室内充分混合。最小的雾滴进入火焰中，较大的雾滴凝结在壁上，然后经废液管排出。燃烧器喷口一般做成狭缝式，这种形状即可获得原子蒸气较长的吸收光程，又可防止回火。,（,3,）火焰：原子吸收所使用的火焰，只要其温度能使待测元素离解成自由的基态原子就可以了。如超过所需温度，则激发态原子增加，电离度增大，基态原子减少，这对原子吸收是很不利的。火焰的组成关系到测定的灵敏度、稳定性和干扰等。常用的火焰有空气,乙炔、氧化亚氮,乙炔、空气,氢气等多种。（,4,）火焰特性：贫燃性空气,乙炔火焰，其燃助比小于,1,：,6,，火焰燃烧高度较低，燃烧充分，温度较高，但范围小，适用于不易氧化的元素。富燃性空气,乙炔火焰，其燃助比大于,1,：,3,，火焰燃烧高度较高，温度较贫然性火焰低，噪声较大，由于燃烧不完全，火焰成强还原性气氛，适用于测定较易形成难熔氧化物的元素。日常分析工作中，较多采用化学计量的空气,乙炔火焰（中性火焰），其然助比为,1,：,4,。这种火焰稳定、温度较高、背景低、噪声小，适用于测定许多元素。,2.,无火焰原子化法 电热高温石墨炉原子化法 原子化效率高，可得到比火焰大数百倍的原子化蒸气浓度。绝对灵敏度可达 ，一般比火焰原子化法提高几个数量级。特点：液体和固体都可直接进样；试样用量一般很少；但精密度差，相对偏差约为,412%,（加样量少）。石墨炉原子化过程一般需要经四部程序升温完成：干燥：在低温（溶剂沸点）下蒸发掉样品中溶剂 灰化：在较高温度下除去低沸点无机物及有机物，减少基体干扰 高温原子化：使以各种形式存在的分析物挥发并离解为中性原子 净化：升至更高的温度，除去石墨管中的残留分析物，以减少和避免记忆效应。,3.,低温原子化法（化学原子化法）,（,1,）冷原子吸收测汞法 将试液中的,Hg,离子用,SnCl,2,还原为,Hg,，在室温下，用水将汞蒸气引入气体吸收管中测定其吸光度。（,2,）氢化物原子化法 对,As,，,Sb,，,Bi,，,Sn,，,Ge,，,Se,，,Pb,和,Te,等元素，将其还原成相应的氢化物，然后引入加热的石英吸收管内，使氢化物分解成气态原子，并测定其吸光度。,（三）分光系统：其作用是将待测元素的特征谱线与邻近谱线分开。光学系统可分为两部分：外光路系统（或称照明系统）和分光系统（单色器）。原子吸收分光光度计中单色器的作用是将待测元素的共振线与邻近谱线分开。为了便于测定，又要有一定的出射光强度。因此若光源强度一定，就需要选用适当的光栅色散率与狭缝宽度配合，构成适于测定的通带是由色散元件的色散率与入射及出射狭缝宽度（二者通常是相等的）决定的，其表示式如下：,（四）检测系统,1,检测器：作用是将单色器分出的光信号进行光电转换。在原子吸收分光光度计中常用光电倍增管作检测器。,2,放大器：其主要是将光电倍增管输出的电压信号放大。,3,对数变换器,4,显示系统：记录器、数字直读装置、电子计算机程序控制等,二、原子吸收分光光度计的类型,（一）单光束原子吸收分光光度计 结构简单、价廉；但易受光源强度变化影响，灯预热时间长，分析速度慢。（二）双光束原子分光光度计 一束光通过火焰，一束光不通过火焰，直接经单色器此类仪器可消除光源强度变化及检测器灵敏度变动影响。,（三）双波道或多波道 原子分光光度计,使用两种或多种空心阴极灯，使光辐射同时通过原子蒸气而被吸收，然后再分别引到不同分光和检测系统，测定各元素的吸光度值。此类仪器准确度高，可采用内标法，并可同时测定两种以上元素。但装置复杂，仪器价格昂贵。,第四节 定量分析方法,一、标准曲线法 配制与试样溶液相同或相近基体的含有不同浓度的待测元素的标准溶液，分别测定,A,样，作,A-c,曲线，测定试样溶液的,A,，从标准曲线上查得,c,样。适用于组成简单、干扰较少的试样。二、直接比较法：样品数量不多，浓度范围小,三、标准加入法,当试样基体影响较大，且又没有纯净的基体空白，或测定纯物质中极微量的元素时采用。先测定一定体积试液（,cx,）的吸光度,Ax,，然后在该试液中加入一定量的与未知试液浓度相近的标准溶液，其浓度为,Cs,，测得的吸光度为,A,，则,Ax=kcx,A=k(cx+cs),整理以上两式得：,掌握！,实际测定时，通常采用作图外推法：在,4,份或,5,份相同体积试样中，分别按比例加入不同量待测元素的标准溶液，并稀释至相同体积，然后分别测定吸光度,A,。以加入待测元素的标准量为横坐标，相应的吸光度为纵坐标作图可得一直线，此直线的延长线在横坐标轴上交点到原点的距离相应的质量即为原始试样中待测元素的量。,第五节 干扰及其抑制,一、光谱干扰 二、电离干扰 三、化学干扰 四、物理干扰 五、背景吸收,六、有机溶剂的影响,一、光谱干扰,1.,在测定波长附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线,减小狭缝宽度,2.,灯内有单色器不能分离的非待测元素的辐射,高纯元素灯,3.,待测元素分析线可能与共存元素吸收线十分接近,另选分析线或化学分离,二、电离干扰,待测元素在高温原子化过程中因电离作用而引起基态原子数减少的干扰（主要存在于火焰原子化中）电离作用大小与：待测元素电离电位大小有关,一般：电离电位,6 eV,，易发生电离 火焰温度有关,火焰温度越高，越易发生电离 消除方法：加入大量消电离剂，如,NaCl,、,KCl,、,CsCl,等；控制原子化温度。,三、化学干扰,待测元素不能从它的化合物中全部离解出来或与共存组分生成难离解的化合物氧化物、氮化物、氢氧化物、碳化物等。抑制方法：加释放剂 与干扰组分形成更稳定的或更难挥发的化合物，使待测元素释放出来。（如：,La,、,Sr,、,Mg,、,Ca,、,Ba,等的盐类及,EDTA,等）加保护剂：与干扰元素或分析元素生成稳定的配合物避免分析元素与共存元素生成难熔化合物。,四、物理干扰,由于溶质或溶剂的性质（粘度、表面张力、蒸汽压等）发生变化使喷雾效率及原子化程度变化的效应（使结果偏低）抑制方法：标准加入法（基体组成一致）；加入表面活性剂。,五、背景吸收,原子化器中非原子吸收的光谱干扰。分子吸收（火焰中难熔盐分子和气体分子）固体或液体微粒对光的散射和折射作用,减小方法：氘灯扣背景（,190350 nm,）氘灯自动背景校正原理：氘灯发射的连续光谱经过单色器的出光狭缝后，出射带宽约为,0.2nm,的光谱通带（带宽取决于狭缝宽度和色散率）；空心阴极灯发射线的宽度一般约为,0.002nm,；测量前调制。在测定时，如果待测元素原子产生一正常吸收，则 从连续光源氘灯发出的辐射,ID,在共振线波长处也被吸收，但由于所观察的谱带宽度至少有,0.2nm,，因此，在相应吸收线处宽度约为,0.002nm,的辐射即使被,100%,吸收最多也只占辐射强度的,1%,左右，故可忽略不计。,塞曼效应校正法,塞曼效应,将光源置于强大的磁场中时，光源发射的谱线在强磁场作用下，因原子中能级发生分裂而引起光谱线分裂的磁光效应（塞曼效应）背景校正比氘灯连续光源背景校正优越，可在各波长范围内进行，背景校正的准确度高。,六、有机溶剂的影响,有机溶剂会改变火焰温度和组成，因而影响原子化效率；溶剂的产物会引起发射及吸收，有机溶剂燃烧不完全将产生微粒碳而引致散射，因而影响背景等。有机溶剂既是干扰因素之一，但也可用来有效地提高测定灵敏度。,第六节 测定条件的选择,一、分析线的选择 通常选择元素的共振线作分析线，可使测定具有较高的灵敏度。,二、空心阴极灯电流 通过测定吸收值随灯电流的变化而选定最适宜的工作电流。三、火焰 选定火焰类型后，应通过试验验进一步确定燃气与助燃气流量的合适比例。,第六节 测定条件的选择,四、燃烧器高度 自由原子浓度随火焰高度的分布是不同的。在测定时必须仔细调节燃烧器的高度，使测量光束从自由原子浓度最大的火焰区通过，以期得到最佳的灵敏度。五、狭缝宽度 合适的狭缝宽度同样应通过试验验确定。,第七节 灵敏度、特征浓度及检出限,一、灵敏度及特征浓度 灵敏度,S,定义为校正曲线的斜率，其表达式为：,“灵敏度”并不能指出可测定元素的最低浓度或最小量（未考虑仪器的噪声），它可用“检出限”表示。,二、检出限 它以被测元素能产生三倍于标准偏差的读数时的浓度来表示：,s,空白溶液吸光度的标准偏差，对空白溶液，至少连续测定,10,次，从所得吸光度值来求标准偏差。,“灵敏度”和“检测限”是衡量分析方法和仪器性能的重要指标，“检测限”考虑了噪声的影响，其意义比灵敏度更明确。同一元素在不同仪器上有时“灵敏度”相同，但由于两台仪器的噪声水平不同，检测限可相差一个数量级以上。因此，降低噪声，如将仪器预热及选择合适的空心阴极灯的工作电流、光电倍增管的工作电压等等，有利于改进“检测限”。,第八节 原子吸收光谱分析法 的特点及其应用,原子吸收分析的主要特点是测定灵敏度高，特效性好，抗干扰能力强，稳定性好，适用范围广，可测定七十多种元素（见图,8-11,）。,应 用 实 例,原子吸收分光光度法在生物检测中的应用已越来越广泛。在生物检测中，由于样品来源困难，含量又低，而钾、钠、钙、镁、锌、铜、铁、铅和 镉等元素又几乎无处不存在，要保证结果的准确性，除了要选择合适的分析条件外，工作场所无污染及所用器皿去沾污同样显得非常重要。因此，采样现场和实验室要保持整洁，所用器皿均需经过酸处理。下面介绍一些实例。,1.,粉尘中锌的测定,将采集在,0.8m,微孔滤膜上的样品,(,流速,1,L/min),置于预先处理过的石英锥形瓶内，加,6ml,浓硝酸后在,140,电热板上消化，直至样品溶解和淡黄色溶液出现。近干涸时，再加少量硝酸，稍加热后溶解残渣，冷却后用去离子水淋洗内壁，并定容至,100ml,，用火焰原子吸收光谱法测定。,2.,尿中镉的测定,取混合均匀并已酸化,(PH2),的尿样,0.5ml,，加入,0.5ml,0.2%,硝酸溶液，摇匀，同时制备空白溶液。按仪器工作条件进样,10,20l,。样品的吸光值经试剂空白校正后，在标准曲线上求得稀释尿样中镉浓度，乘以稀释倍数，即得尿样中镉的浓度。,3.,血清中钙、镁的测定,为抑制磷酸盐对钙的干扰，血清用,0.1%,氯化镧（,LaCl3,）溶液稀释,20,或,50,倍后直接用空气,-,乙炔火焰测定，剩余的溶液用来测定血清镁。如果样品量少，可用火焰脉冲雾化技术（仅限于有此装置的仪器）测定。,4.,粮食中砷的测定,取适当粉碎或整粒粮样（大米、小麦、玉米）,5,克于锥形瓶中，加,20 ml,浓硝酸，于,140,电热板上消化，待消化液的颜色呈黄绿色时，再加,5 ml,硝酸消化至近干后，用去离子水洗涤锥形瓶内壁，并全部转移到,25ml,容量瓶定容。取消化液,5,ml,，加入,2.5ml 20%,硝酸镍，加去离子水至总体积为,10 ml,，混匀后测定。,思 考 题,1.,定量分析方法,？,2,检出限定义及计算公式？,3.,测定条件的选择？,4.,干扰及其抑制？,思 考 题,1.,试比较原子吸收光谱法与分子吸收分光光谱法的异同点。,2.,什么是积分吸收？什么是峰值吸收？为什么原子吸收分析法采用峰值吸收而不用积分吸收？,3.,何为锐线光源？为什么原子吸收分光光度法要用锐线光源？空心阴极灯光源的主要特点是什么？,4.,比较火焰原子化法和石墨炉原子化法的优缺点。它们分别在何种情况下使用？如何选择各自的最佳条件？,5.,原子吸收光谱的主要干扰有几种？如何消除或减少？,6.,测定血清中锌时，取四份血清样品，每份,0.25ml,，第,2,、,3,、,4,份中分别加入,153.00mol/L,的锌标准液,0.01,、,0.03,、,0.05 ml,，最后用纯水稀释至,1.00ml,。测得的吸收值分别为,0.062,、,0.085,、,0.128,、,0.179,，计算该血清中锌的浓度。,健康,从卫生检验开始！,关注食品卫生，保证您的健康！,谢谢！,