原子吸收光谱法.docx

2 原子吸收光谱法
2.1原子吸收光谱的应用范围
1802年，人类发现原子吸收现象；1955年，沃森将该现象应用于光谱分析，之后原子吸收分光光度法在实际应用中得到了极大的发展。
由于本方法灵敏度高，分析速度快，仪器组成简单，操作方便，因而成为无机或有机化合物中元素定量分析的主要手段，特别适用于微量分析和痕量分析。并且，应用范围广泛，可以测定元素周期表中的70多种元素，除了金属元素之外，还可以通过氢化物发生法测定非金属元素。
原子吸收分光光度法（AAS）的工作原理：当光源发射某一特征波长的光通过原子蒸气时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，由特征谱线辐射强度被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。
AAS的优点：
(1) 灵敏度高：火焰原子化法，达到ppm 级，有时可达ppb 级；石墨炉原子化法，可达10-9—10-14 ，即ppt 级或更低。
(2) 准确度高： RSD 可达1～3%。
(3) 干扰小，选择性极好；
(4) 测定范围广，可测70种元素以上。
AAS的不足：
(1) 多元素同时测定有困难；
(2) 对非金属及难溶元素的测定尚有困难；
(3) 对复杂样品分析干扰也较严重；
(4) 石墨炉原子吸收分析的重现性较差。
当然随着科学技术日新月异的不断发展，原子吸收光谱仪的各种性能也是与时俱进的，灵敏度，准确度以及自动化程度都在不断提高，一些新技术也加入其中，比如现在就出现了连续光源原子吸收光谱仪，不再需要元素灯，这样就解决了传统原子吸收不能进行多元素同时测定的不足。同时，原子吸收光谱仪与气相色谱仪，液相色谱仪等的联用技术也使原子吸收法得到了更好的发挥。总之，原子吸收分光光度法已经在冶金、地质、化工、环境、食品等领域得到了广泛的应用，我们也有理由相信，科技的进步会令原子吸收的应用越来越广泛。

2.2 原子吸收光谱的原理
2.2.1 基态原子数与总原子数的关系
待测元素在进行原子化时，其中必有一部分原子吸收了较多的能量而处于激发态，据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从波尔兹曼分配定律：

可见， Ni/N0 的大小主要与“波长” 及“温度”有关。即
(1) 当温度保持不变时，激发能小或波长长， 则Ni/N0大，即波长长的原子处于激发态的数目多；但在 AAS 中，波长一般不超过 600nm 。换句话说，激发能对 Ni/N0的影响是有限的！
(2) 温度增加，则 Ni/N0大，即处于激发态的原子数增加，且 Ni/N0随温度T增加而呈指数增加。
尽管原子的激发电位和温度 T 使 Ni/N0值有数量级的变化，但 Ni/N0值本身都很小，或者说，处于激发态的原子数远小于处于基态的原子数！
实际工作中，T 通常小于 3000K 、波长小于 600nm ，故对大多数元素来说 Ni/N0均小于 1%， Ni 与 N0 相比可忽略不计， N0 可认为就是原子总数。

2.2.2 原子谱线轮廓
以频率为ν，强度为 I0 的光通过原子蒸气，其中一部分光被吸收，使该入射光的光强降低为 Iν ： 据吸收定律，得

其中 Kν 为一定频率的光吸收系数。
根据吸收定律的表达式，以 Iν~ν和 Kν~ν分别作图得吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。如图所示，可见谱线是有宽度的。

图中：
Kν —吸收系数； K0 —最大吸收系数； ν0 —中心频率或波长 (由原子能级决定) ；
Δν—谱线轮廓半宽度（ K0/2 处的宽度）；

2.2.3 谱线变宽因素
2.2.3.1 自然变宽：无外界因素影响时谱线具有的宽度。原子在激发态的寿命是有限的。电子在基态停留的时间长，在激发态则很短。由海森堡测不准原理，这种情况将导致激发态能量具有不确定的量，该不确定量使谱线具有一定的宽度 (10-5nm) ，即自然宽度。
该宽度比光谱仪本身产生的宽度要小得多，只有极高分辨率的仪器才能测出，故可忽略不计。
2.2.3.2 多普勒变宽：它与原子的无规则热运动有关，又称热变宽。
可见，多普勒变宽与谱线波长、相对原子质量和温度有关，多在 10-3nm 数量级，与自然变宽比较不能忽略。
2.2.3.3 劳伦兹变宽：吸收原子与外界其他粒子之间的相互碰撞作用引起的变宽，又称为压力变宽或碰撞变宽。它是由于碰撞使激发态寿命变短所致。外加压力越大，浓度越大，变宽越显著，多在10-3nm—10-2nm，与自然变宽比较更不能忽略。
温度在 1500-3000℃之间，压力为1.013×10-5Pa 时，热变宽和压力变宽对谱线有相同的变宽程度，总体上，火焰原子化以压力变宽为主要，石墨炉原子化以热变宽为主要。

2.2.4 积分吸收与峰值吸收系数
2.2.4.1 积分吸收
在原子吸收光谱中，无论是光源辐射的发射线还是吸收线都有一定的宽度，亦即吸收定律 (A ＝ KνL) 中用于 Kν 不是常数，而应是一定频率范围内的积分值，或称其为积分吸收：

式中， e 为电子电荷； m 为电子质量； f 为振子强度，为受到激发的每个原子的平均电子数，与吸收几率成正比。
此式说明，在一定条件下，“积分吸收”只与基态原子数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。只要测得积分吸收值，即可求出基态原子数或浓度。因此原子吸收法是一种不需要标准比较的绝对分析方法。
但积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半宽度很小，只有千分之几纳米 。要分辨如此窄的谱线，则要求仪器有高达几万的分辨率才行，这对现代仪器是不可能达到的！
因此，在实际工作中，我们利用“峰值吸收”来代替“积分吸收”。从此，积分吸收难于测量的困难得以间接地解决。
2.2.4.2 峰值吸收
1955 年， Walsh 指出，在温度不太高时，当发射线和吸收线满足以下两个条件，即：
；
当Δνe << Δνa 时，发射线很窄，发射线的轮廓可认为是一个矩形，则在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等，即 Kν ＝ K0 ，因此可以用“峰值吸收”代替“积分吸收”：

通常 K0 与谱线的宽度有关，即

上式表明，当用锐线光源作原子吸收测定时，所得的吸收值A与原子蒸气中待测元素的基态原子数成正比。
2.2.4.3 锐线光源
根据 Walsh 的两点假设，发射线必须是“锐线”（半宽度很小的谱线）。

峰值吸收的测量
1 ）锐线半宽很小，锐线可以看作一个很“窄”的矩形；
2 ）二者中心频率相同，且发射线宽度被吸收线完全“包含”，即在可吸收的范围之内。

2.3 原子吸收光谱仪的基本构成
原子吸收光谱仪基本上由4个单元构成：光源、原子化器、分光系统及检测系统。
2.3.1 光源及光源调制
对原子吸收光源的要求：
(1) 发射稳定的共振线，且为锐线；
(2) 有足够的强度，没有或只有很小的连续背景；
(3) 操作方便，寿命长。
2.3.1.1 空心阴极灯
空心阴极灯是一种特殊的气体放电灯，由一个在钨棒上镶嵌钛或钽的阳极和一个由发射所需特征谱线的金属或合金制成的空心筒状阴极组成，管内充满低压惰性气体。施加300-500V电压于两电极，开始辉光放电，电子从空心阴极射向阳极，并与惰性气体碰撞使之电离出正离子，正离子轰击阴极，使阴极材料溅射出自由原子，再被激发，从而辐射出特征频率的锐线光谱。
评价灯的优劣主要看：发光强度、稳定性、灵敏度、线性以及寿命长短。
2.3.1.2 无极放电灯
工作过程：由于没有电极提供能量，该灯依靠射频或微波作用于低压惰性气体并使之电离，高速带电离子撞击金属原子或其卤化物产生锐线。
特点：无电极，发射的光强度高，是空心阴极灯的几百倍；但可靠性及寿命不如空心阴极灯，只有约 15 种元素可制得该灯。

2.3.2 原子化器
原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。
2.3.2.1 火焰原子化器由四部分组成
(1) 喷雾器：将试样溶液转为雾状。要求稳定、雾粒微细均匀、雾化效率高、适应性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液）。
(2)雾化室：内装撞击球和扰流器，去除大雾滴并使气溶胶均匀。将雾状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧器。大的液滴凝聚后从带有水封的废液排出口排出，雾化室的记忆效应要小，废液排出要快。
(3) 燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。燃烧器火焰的温度要适当，其高度和角度可调，让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收。
燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定，包括光程、回火、堵塞、耗气量等。
(4) 火焰
火焰分焰心（发射强的分子带和自由基，很少用于分析）、内焰（基态原子最多，为分析区）和外焰（火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境）。
燃烧速度：指混合气着火点向其它部分的传播速度。当供气速度大于燃烧速度时，火焰稳定。但过大则导致火焰不稳或吹熄火焰，过小则可能造成回火。

火焰的燃助比：
任何一种火焰均可按燃气与助燃气的比例分为三类具不同性质的火焰：
a. 化学计量型：指燃助比近似于二者反应的计量关系，又称中性火焰。温度高、稳定、干扰小、背景低，适用于大多数元素分析；
b. 富燃火焰：燃气比例较大的火焰（燃助比大于化学计量比）。燃烧不完全、温度略低，具还原性，适于难分解的氧化物的元素分析。但干扰较大、背景高。
c. 贫燃火焰：燃气比例较小的火焰（燃助比小于化学计量比）。温度最低，具氧化性，适于易解离和易电离的元素，如碱金属。
2.3.2.2 石墨炉原子化器
(1) 石墨炉组成，包括电源、保护系统和石墨管三部分。
a. 电源： 10～25V ， 500A ，用于产生高温。
b. 保护系统： 保护气（氮或氩）分成两路：管外气——防止空气进入，保护石墨管不被氧化、烧蚀；管内气——流经石墨管两端及加样口，可排出空气并驱除加热初始阶段样品产生的蒸气；冷却水——金属炉体周围通水，使石墨管在每次分析之后迅速降至室温。
c. 石墨管：多采用石墨炉平台技术。在管内置一放样品的石墨片，当管温度迅速升高时，样品因不直接受热（热辐射），因此原子化时间相应推迟。或者说，原子化温度变化较慢，从而提高重现性。 另外，从经验得知，当石墨管孔隙度小时，基体效应和重现性都得到改善，因此通常使用裂解石墨作石墨的材料。

(2) 石墨炉原子化过程可分为四个阶段，即干燥、灰化、原子化和净化。
a. 干燥：蒸发去除溶剂，防止样品溅射（100℃,30-60s）；
b. 灰化：使有机物和低沸点无机物尽量挥发除去，以减少基体组分对待测元素的干扰（100-1800℃,10-30s）；
c. 原子化：待测物化合物分解为基态原子，此时停止通氩气，延长原子停留时间，提高灵敏度（1800-2900℃,3-5s）；
d. 净化：样品测定完成，维持高温数秒钟，去除样品残渣，净化石墨管（3000℃,5s）。如图
干燥 灰化 原子化 净化 时间/t
温 度 / ℃
实线：斜坡升温
虚线：阶梯升温

图2-3 石墨炉升温过程
2.3.2.3 低温原子化（化学原子化）——包括汞蒸汽原子化和氢化物原子化。
(1) 汞蒸汽原子化（测汞仪）
将试样中汞的化合物以还原剂（如 SnCl2 ）还原为汞蒸气，并通过载气（氮或氩）将其带入吸收池进行测定。
(2) 氢化物原子化
在酸性介质中， 将试样以还原剂（NaBH4）还原为元素的气态氢化物，并通过载气（氮或氩）将其带入热的石英管内原子化并测定 ( 下图 ) 。
低温原子化法可以将被测物从大量基体中分离出来，基本消除了基体的干扰，灵敏度高，选择性好。

2.3.3 分光系统
同其它光学分光系统一样，原子吸收光度计中的分光系统亦包括出射狭缝、入射狭缝、反射镜和色散原件（多用光栅）。
单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。
2.3.4 检测系统：
检测系统主要由检测器，信号放大器，指示显示仪表组成。
使用光倍增管作为检测器，信号放大器将光电倍增管输出的电压信号进行放大，电信号的变化与试样浓度呈线性关系，最终由指示仪表显示出来。

从仪器类型上讲，原子吸收仪有如下几种分类：
单光束：
典型的多元素分析用单光束仪器由光源，斩波器，原子化器和光栅构成。使用时和单光束紫外可见分光光度计相同，通过空白溶液对仪器调零，调节透光度T=100%，然后对样品溶液进行测定。单光束仪器特点是：结构简单，体积小，价格低；但易发生零漂移，空心阴极灯要预热。
双光束：
典型的双光束仪器使用时和双光束紫外可见分光光度计相同，由空心阴极灯发射的光束被斩波器分为两束光，一束通过火焰，另一束作为参比不通过火焰而直接通过单色器，投射到光电元件上。因此，此类仪器零漂移小，空心阴极灯不需预热，可以消除光源强度变化及检测器灵敏度变化的影响，信噪比改善，检测限提高，测定的精密度和准确度都有所提高，但仍然不能消除火焰不稳定和背景吸收的影响。

2.4 原子吸收光谱的辅助设备

2.5光谱原子吸收光谱的操作
2.5.1 首先，介绍原子吸收光谱的干扰及其消除
2.5.1.1 物理干扰
来源：溶质和溶剂的粘度、表面张力的不同使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰，又称为基体效应。
消除：可通过配制与试样具有相同组成的标准溶液或标准加入法来克服。
2.5.1.2 化学干扰
来源：在溶液或火焰气体中发生了对待测元素有影响的化学反应，结果使待测元素不易解离或者与共存物质生成难挥发的化合物所引起的干扰，主要影响原子化效率，使待测元素的吸光度降低。
消除：
1. 改变火焰种类，提高火焰温度来减轻这种干扰
2.加入释放剂或保护剂等：例如SO42-、PO43-对 Ca2+的干扰可通过 加入 LaCl3来释放 Ca2+ ；含氧酸中 Mg 和 Al 形成 MgAl2O4而使吸光度急剧下降可通过加入8-羟基喹啉作保护剂。
3. 采用化学分离：例如有机溶剂萃取，沉淀分离或离子交换分离。
2.5.1.3 电离干扰
来源：高温导致原子电离，从而使基态原子数减少，吸光度下降。火焰温度越高，电离干扰越严重。
消除：
1.选择合适的火焰，降低火焰温度以减轻电离干扰；
2.加入消电离剂（主要为碱金属元素化合物），产生大电子，从而抑制待测原子的电离。如大量 KCl的加入可抑制 Ca 的电离 。
2.5.1.4 光谱干扰
来源：
1. 空心阴极灯发射的灵敏线与次灵敏线十分接近且不易分开，如Ni的灵敏线为232.0nm，次灵敏线为231.6nm和231.1nm。
2.杂质元素发射出与待测元素相近的谱线，如V3082.11nm对 Al 3082.15nm的干扰。
消除：选择其他不受干扰的谱线作为分析线；减小狭缝，选用窄的光谱通带。
2.5.1.5 背景干扰
来源：
(1) 来自燃烧气的背景干扰
宽带吸收：火焰生成物的分子受激产生的宽带光谱对入射光的吸收；
粒子散射：火焰中粒子质对光的散射。
消除：以上两种干扰方式都产生正误差。因干扰主要来自燃烧气，因此可通过空白进行校正。
(2)来自样品基体的背景干扰
宽带吸收：样品基体中分子或其碎片的形成、有机溶剂分子或其碎片对光的吸收。
粒子散射：一些高浓度元素的氧化物具有分馏效应且直径较大，可对光产生散射；有机溶剂的不完全燃烧产生的微粒碳也会对光产生散射。
消除：
(1) 更换燃气，调整燃助比
(2) 加入辐射缓冲剂 (如果知道干扰来源，可在标准溶液和样品中加入大量同样的干扰物质) 。
(3) 进行背景校正，现在仪器通常都自带各种背景校正方式，包括双波长，氘灯，自吸收以及塞曼效应等背景扣除方法。

2.5.2 其次，介绍原子吸收光度法的测量方法
2.5.2.1 标准曲线法
原子吸收光谱分析的标准曲线法和紫外可见分光光度法相似。根据样品的实际情况配制一组浓度适宜的标准溶液，在选定的操作条件下，将标准溶液按浓度由低到高依次测定吸光度，以待测元素的浓度c作横坐标，以吸光度A作纵坐标，绘制工作曲线。然后在相同的实验条件下，测定试样溶液的吸光度，再从工作曲线上查出该吸光度所对应的待测元素浓度。
在测定过程中，要用去离子水或空白溶液来校正基线零点，而且应尽量保证标准溶液和试样溶液的测定条件完全一致。
在实际分析中，当待测元素浓度较高时，工作曲线常常向浓度坐标弯曲，这是因为待测元素含量较高时，吸收线产生了热变宽和压力变宽的缘故，使吸光度减小而导致曲线弯曲。
2.5.2.2 标准加入法：
此法主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的基体效应，适用于少量样品的测定。
具体操作方法是：取4-5份相同体积的被测元素试液，从第二份起再分别加入同一浓度不同体积的被测元素的标准溶液，用溶剂稀释至相同体积，在相同的实验条件下依次测定吸光度，绘制曲线，将曲线向左延伸，与横坐标的交点即为待测元素的浓度。
2.5.2.3 内标法
待测元素m，选择一种试液中不含的元素n作为内标元素，将已知确定浓度的内标元素相同体积的标准溶液，依次加入到待测元素不同浓度的标准溶液系列和待测试液中，然后在相同条件下，依次测定每种溶液中的元素m与n的吸光度Am与An，然后以他们的比值Am/An对m的浓度c作内标工作曲线。由待测试液的比值从内标工作曲线上查出待测元素m的含量。
需要注意的是，内标元素应与待测元素化学性质相似，锐线吸收也要相近，且在试样中不存在。此法可消除气体流量、进样量、火焰湿度、样品雾化率、溶液粘度以及表面张力等的影响，但是只适于双波道和多波道的原子吸收光谱仪 。

2.5.3 最后，介绍对这些分析方法的评价标准
2.5.3.1 灵敏度 (Sensitivity)
国际纯粹和应用化学联合会IUPAC 规定，分析标准函数的一次导数，即标准曲线的斜率。
(1) 特征浓度 (灵敏度 ) ： 产生 1% 吸收 (A=0.00434) 信号所对应的元素浓度。

(2) 特征质量 ( 对非火焰原子吸收) ：

2.5.3.2 检测限 (Detection limit, DL)
IUPAC 规定，检测限是指产生一个能够确定在试样中存在某元素的分析信号所需的该元素的最小量，可测量到的最小信号 Xmin 以下式确定：

K=2，置信度为 98.5% ； K=3，置信度为 99.7%
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。

2.6原子吸收光谱分析的样品制备
原子吸收光谱分析无论是火焰法还是石墨炉法通常以液体状态进样，现代的石墨炉法也支持固体进样，此处只讨论溶液处理方法。按照一般取样原则获得具有代表性的平均试样后，对固体样品应进行溶解、灰化或湿法消化处理，以制备成待测元素的无机盐溶液，再进行原子吸收分析。
2.6.1样品溶解：对无机样品先用去离子水溶解，若不溶可选择用稀酸、浓酸或混合酸溶解，常用的酸包括HCl、H2SO4、HNO3、HClO4和HF等，硫磷混酸可溶解合金试样，含HF的混合酸可溶解含硅酸盐的样品。
2.6.2干法灰化：对于有机样品，干法灰化可以去除有机物基体而保留待测金属元素的简便方法。将样品置于坩埚中，首先低温80-150℃加热，将有机物炭化分解成CO2和H2O，再于高温400-600℃ 灼烧灰化。冷却后用酸溶解定容。此法应注意避免某些元素的挥发损失。
2.6.3湿法消化：此法对含易挥发待测元素的有机样品尤其适用，通常使用混合酸，在高温高压的条件下进行样品分解。现代多采用微波消解仪进行湿法消化，不仅提高了消化效率，也利于微量以及痕量元素的分析。但是，由于采用高温高压，微波消解仪的安全性就不得不成为慎重选择的主要因素。

2.7原子吸收光谱分析参数的选择
2.7.1 分析线
通常选择共振线（最灵敏线）作为分析线，但当共振线吸收受到其他谱线干扰时，则选用不受干扰而吸收值最大的其他谱线作为吸收线。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。
2.7.2 狭缝宽度
调节狭缝宽度，可改变光谱带宽，也可改变检测器接受的能量，在进行测定时，允许使用较宽的狭缝以增加光强，降低检测器的噪声，从而提高信噪比和改善检出限。但在吸收线附近有干扰谱线存在，如谱线复杂的元素Fe 、Co 和 Ni等，则不宜使用较宽的狭缝。一般狭缝宽度选择在通带为 0.4～4.0nm 的范围内，可以通过实验确定。通常不引起吸光度减小的最大狭缝宽度，就是应该选择的最适宜狭缝宽度。
2.7.3 灯电流
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。因此对灯电流的选择原则是：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 1/2～2/3 ），最佳灯电流可以通过实验确定。
2.7.4 原子化条件
火焰原子化：火焰类型和燃气混合物流量是影响原子化效率的主要因素，因此调节燃气与助燃气的流量以及燃烧器的高度，使来自光源的光通过基态原子浓度最大的火焰区，从而获得最高的灵敏度。
石墨炉原子化 : 合理选择干燥、灰化和原子化的条件十分重要。因此升温程序需要进行优化。具体温度及时间可以通过实验确定。
干燥—— 低温除去溶剂，应在稍高于溶剂沸点的温度下进行；
灰化——破坏和蒸发除去试样基体，在不损失待测元素的条件下，使用尽可能高的温度和长的时间；
原子化——通过实验确定何时基态原子浓度达到最大值；
净化——短时间内去除试样残留物，温度应高于原子化温度。
2.7.5 进样量
火焰原子化：一定范围内，喷雾试样量增加，原子蒸气的吸光度也随之增加，但超过一定值之后，吸光度反而下降。因此，应该通过实验测定，选择吸光度随喷雾试样量变化达到最大值的进样量作为最佳进样量。