原子吸收光谱分析AAS教学课件市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

4.2 原子吸收光谱分析（原子吸收光谱分析（AAS）第1页4.2.1 概述概述 原子吸收光谱分析（Atomic Absorption Spectrometry,AAS）又称原子吸收分光光度分析。原子吸收光谱分析是基于试样蒸气相中被测元素基态原子对由光源发出该原子特征性窄频辐射产生共振吸收，其吸光度在一定范围内与蒸气相中被测元素基态原子浓度成正比，以此测定试样中该元素含量一个仪器分析方法。第2页原子吸收分光光度法含有以下特点：原子吸收分光光度法含有以下特点：（1）灵敏度高 火焰原子吸收分光光度法测定大多数金属元素相对灵敏度为1.010-81.010-10gmL-1,非火焰原子吸收分光光度法绝对灵敏度为1.010-121.010-14g。这是因为原子吸收分光光度法测定是占原子总数99以上基态原子，而原子发射光谱测定是占原子总数不到1激发态原子，所以前者灵敏度和准确度比后者高多。（2）精密度好 因为温度改变对测定影响较小，该法含有良好稳定性和重现性，精密度好。普通仪器相对标准偏差为12，性能好仪器可达0.10.5%.第3页 （3）选择性好，方法简便 由光源发出特征性入射光很简单，且基态原子是窄频吸收，元素之间干扰较小，可不经分离在同一溶液中直接测定各种元素，操作简便。（4）准确度高，分析速度快 测定微、痕量元素相对误差可达0.10.5，分析一个元素只需数十秒至数分钟。第4页（5）应用广泛 可直接测定岩矿、土壤、大气飘尘、水、植物、食品、生物组织等试样中70各种微量金属元素，还能用间接法测度硫、氮、卤素等非金属元素及其化合物。该法已广泛应用于环境保护、化工、生物技术、食品科学、食品质量与安全、地质、国防、卫生检测和农林科学等各部门。对原子吸收分析法基本理论讨论，主要是处理两个方面问题：基态原子产生以及它浓度与试样中该元素含量之间定量关系；基态原子产生以及它浓度与试样中该元素含量之间定量关系；基态原子吸收光谱特征及基态原子浓度与吸光度之间关系基态原子吸收光谱特征及基态原子浓度与吸光度之间关系 第5页4.2.2 原子吸收光谱分析基本原理原子吸收光谱分析基本原理 1 原子吸收光谱产生原子吸收光谱产生 基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。原子吸收光谱位于光谱紫外区和可见区。第6页2 原子吸收光谱谱线轮廓原子吸收光谱谱线轮廓 原子吸收光谱线并不是严格地几何意义上线（几何线无宽度），而是有相当窄频率或波长范围，即有一定宽度。一束不一样频率强度为I0平行光经过厚度为l原子蒸气，一部分光被吸收，透过光强度Iv服从吸收定律 Iv=I0exp(-kvl)(4.34)式中kv是基态原子对频率为v光吸收系数。不一样元素原子吸收不一样频率光，透过光强度对吸收光频率作图，第7页 图 4.15 Iv与v关系 图 4.16 原子吸收光谱轮廓图 第8页半宽度受到很多原因影响半宽度受到很多原因影响 （1）自然宽度 没有外界影响，谱线仍有一定宽度称为自然宽度。它与激发态原子平均寿命相关，平均寿命愈长，谱线宽度愈窄。不一样谱线有不一样自然宽度，在多数情况下约为105nm数量级。第9页（2）Doppler（多普勒）变宽 通常在原子吸收光谱法测定条件下，Doppler变宽是影响原子吸收光谱线宽度主要原因。Doppler宽度是因为原子热运动引发，又称为热变宽。从物理学中可知，无规则热运动发光原子运动方向背离检测器，则检测器接收到光频率较静止原子所发光频率低。反之，发光原子向着检测器运动，检测器接收光频率较静止原子发光频率高，这就是Doppler效应。(4.35)第10页（3）压力变宽压力变宽 当原子吸收区气体压力变大时，相互碰撞引发变宽是不可忽略。原子之间相互碰撞造成激发态原子平均寿命缩短，引发谱线变宽。依据与其碰撞原子不一样，又可分为Lorentz变宽及Holtsmark变宽两种。Lorentz（劳伦茨）变宽是指被测元素原子和其它种粒子碰撞引发变宽，它随原子区内气体压力增大和温度升高而增大。Holtsmark（赫鲁兹马克）变宽是指和同种原子碰撞而引发变宽，也称为共振变宽。只有在被测元素浓度高时才起作用，在原子吸收法中可忽略不计。Lorentz变宽与Doppler变宽有相同数量级，也可达10-3nm。第11页（4）自吸变宽自吸变宽 由自吸现象而引发谱线变宽称为自吸变宽。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，从而使谱线变宽。灯电流愈大，自吸变宽愈严重。另外，因为外界电场或带电粒子、离子形成电场及磁场作用，使谱线变宽称为场致变宽。这种变宽影响不大。第12页3 原子吸收光谱测量（1）积分吸收积分吸收 在吸收线轮廓内，吸收系数积分称为积分吸收系数，简称为积分吸收，它表示吸收全部能量。从理论上能够得出，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射原子数成正比。数学表示式为 (4.38)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为振子强度，即能被入射辐射激发每个原子平均电子数，它正比于原子对特定波长辐射吸收几率。式4.38）是原子吸收光谱法主要理论依据 第13页（2）峰值吸收峰值吸收 1955年Walsh A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成正比。吸收线中心波优点吸收系数K0为峰值吸收系数，简称峰值吸收。前面指出，在通常原子吸收测定条件下，原子吸收线轮廓取决于Doppler宽度，吸收系数为 (4.39)第14页积分式（4.39），得将式（4.38）代入，得 峰值吸收系数与原子浓度成正比，只要能测出K0就可得到N0。(4.40)(4.41)第15页（3）锐线光源锐线光源 峰值吸收测定是至关主要，在分子光谱中光源都是使用连续光谱，连续光谱光源极难测准峰值吸收，Walsh还提出用锐线光源测量峰值吸收，从而处理了原子吸收实用测量问题。锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度光源，如空心阴极灯。在使用锐线光源时，光源发射线半宽度很小，而且发射线与吸收线中心频率一致。这时发射线轮廓可看作一个很窄矩形，即峰值吸收系数Kv在此轮廓内不随频率而改变，吸收只限于发射线轮廓内。这么，一定K0即可测出一定原子浓度，见图4.17。第16页图4.17 峰值吸收测量示意图第17页（4）实际测量实际测量 强度为I0某一波长辐射经过均匀原子蒸气时，依据吸收定律，有 II0exp(-Kvl)式中，I0与I分别为入射光与透射光强度，Kv为峰值吸收系数，l为原子蒸气吸收层厚度。当在原子吸收线中心频率附近一定频率范围v测量，则 (4.42)(4.43)第18页 使用锐线光源，v很小，用中心频率处峰值吸收系数K0来表示原子对辐射吸收。吸光度A为(4.44)第19页将（4.41）式代入（4.44）式，得到(4.55)第20页 在原子吸收测定条件下，如前所述原子蒸气中基态原子数N0近似地等于原子总数N。在实际测量中，要测定是试样中某元素含量而不是蒸气中原子总数。不过，试验条件一定，被测元素浓度c与原子蒸气中原子总数保持一定百分比关系，即 N0=a c (4.56)第21页 式中a为百分比常数 代入式（4.55）中，则 试验条件一定，各相关参数都是常数，吸光度为 A=kc (4.58)式中k为常数。（4.58）式为原子吸收测量基本关系式。4.57)第22页4 基态原子数与原子吸收定量基础 在通常原子吸收测定条件下，原子蒸气中基态原子数近似地等于总原子数。在原子蒸气中（包含被测元素原子），可能会有基态与激发态存在。依据热力学原理，在一定温度下到达热平衡时，基态与激发态原子数百分比遵照Boltzmann分布定律 第23页 式中，Ni与N0分别为激发态与基态原子数；gi与g0为激发态与基态能级统计权重，它表示能级简并度；k为Boltzmann常数，其值为1.3810-23JK-1；T为热力学温度；Ei为激发能。在原子吸收光谱法中，原子化温度普通小于3 000K，大多数元素最强共振线都低于600nm，Ni/N0值绝大部分都在10-3以下，激发态和基态原子数之比小于千分之一，激发态原子能够忽略。所以，能够认为，基态原子数N0近似地等于总原子数N。第24页 4.2.3原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光器、检测系统等几部分组成。基本结构见图4.18图4.18 原子吸收分光光度计基本结构示意图第25页1 光源 光源功效是发射被测元素特征共振辐射。对光源基本要求是：发射共振辐射半宽度要显著小于吸收线半宽度；辐射强度大；背景低，低于特征共振辐射强度1%；稳定性好，30min之内漂移不超出1；噪声小于0.1；使用寿命长于5Ah。第26页 空心阴极灯放电是一个特殊形式低压辉光放电，放电集中于阴极空腔内。当两极之间施加几百伏电压时，便产生辉光放电。在电场作用下，电子在飞向阳极途中，与载气原子碰撞并使之电离，放出二次电子，使电子与正离子数目增加，以维持放电。正离子从电场取得动能。假如正离子动能足以克服金属阴极表面晶格能，当其撞击在阴极表面时，就能够将原子从晶格中溅射出来。除溅射作用之外，阴极受热也要造成阴极表面元素热蒸发。溅射与蒸发出来原子进入空腔内，再与电子、原子、离子等发生第二类碰撞而受到激发，发射出对应元素特征共振辐射。第27页2 原子化器 原子化器功效是提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。在原子吸收光谱分析中，试样中被测元素原子化是整个分析过程关键步骤。实现原子化方法，最惯用有两种：一个是火焰原子化法，是原子光谱分析中最早使用原子化方法，至今仍在广泛地被应用；另一个是非火焰原子化法，其中应用最广是石墨炉电热原子化法。第28页（1）火焰原子化器火焰原子化器 火焰原子化法中惯用预混合型原子化器，其结构如图4.20所表示。这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成。图4.20 预混合型火焰原子化器示意图第29页（2）非火焰原子化器非火焰原子化器 非火焰原子化器中，惯用是管式石墨炉原子化器，其结构如图4.21所表示。图4.21 管式石墨炉原子化器示意图第30页石墨炉原子化器操作分为干燥、灰化、原子化和净化4步，由微机控制实施程序升温。图4.22为一程序升温过程示意图。图4.22 无火焰原子化器程序升温过程第31页（3）低温原子化器低温原子化器 低温原子化是利用一些元素（如Hg）本身或元素氢化物（如AsH3）在低温下易挥发性，将其导入气体流动吸收池内进行原子化。当前经过该原子化方式测定元素有Hg，As，Sb，Se，Sn，Bi，Ge，Pb，Te等。生成氢化物是一个氧化还原过程，所生成氢化物是共价分子型化合物，沸点低，易挥发分离分解。以As为例，反应过程可表示以下：AsCl34NaBH4HCl8H2OAsH34KCI4HBO213H2AsH3在热力学上是不稳定，在900温度下就能分解出自由As原子，实现快速原子化。第32页3 分光器 分光器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成，其作用是将所需要共振吸收线分离出来。分光器关键部件是色散元件，现在商品仪器都是使用光栅。原子吸收光谱仪对分光器分辨率要求不高，曾以能分辨开镍三线Ni230.003，Ni231.603，Ni231.096nm为标准，后采取Mn279.5和Mn279.8nm代替Ni三线来检定分辨率。光栅放置在原子化器之后，以阻止来自原子化器内全部不需要辐射进入检测器。第33页4 检测系统 原子吸收光谱仪中广泛使用检测器是光电倍增管，最近一些仪器也采取CCD作为检测器。第34页4.2.4 干扰及其消除方法干扰及其消除方法 1 物理干扰 物理干扰是指试样在转移、蒸发过程中任何物理原因改变而引发干扰效应。属于这类干扰原因有：试液粘度、溶剂蒸汽压、雾化气体压力等。物理干扰是非选择性干扰，对试样各元素影响基本是相同。配制与被测试样相同标准样品，是消除物理干扰惯用方法。在不知道试样组成或无法匹配试样时，可采取标准加入法或稀释法来减小和消除物理干扰。第35页2 化学干扰 化学干扰是指待测元素与其它组分之间化学作用所引发干扰效应，它主要影响待测元素原子化效率，是原子吸收分光光度法中主要干扰起源。它是因为液相或气相中被测元素原子与干扰物质组成之间形成热力学更稳定化合物，从而影响被测元素化合物解离及其原子化。消除化学干扰方法有：化学分离；使用高温火焰；加入释放剂和保护剂；使用基体改进剂等。第36页3 电离干扰 在高温下原子电离，使基态原子浓度降低，引发原子吸收信号降低，此种干扰称为电离干扰。电离效应随温度升高、电离平衡常数增大而增大，随被测元素浓度增高而减小。加入更易电离碱金属元素，能够有效地消除电离干扰。第37页4 光谱干扰 光谱干扰包含谱线重合、光谱通带内存在非吸收线、原子化池内直流发射、分子吸收、光散射等。当采取锐线光源和交流调制技术时，前3种原因普通能够不予考虑，主要考虑分子吸收和光散射地影响，它们是形成光谱背景主要原因。分子吸收干扰分子吸收干扰是指在原子化过程中生成气体分子、氧化物及盐类分子对辐射吸收而引发干扰。光散射光散射是指在原子化过程中产生固体微粒对光产生散射，使被散射光偏离光路而不为检测器所检测，造成吸光度值偏高。第38页 在石墨炉原子吸收法中，背景吸收影响比火焰原子吸收法严重，若不扣除背景，有时根本无法进行测定，测量时必须给予校正。第39页（1）用邻近非共振线校正背景）用邻近非共振线校正背景 先用分析线测量原子吸收与背景吸收总吸光度，再用邻近线测量背景吸收吸光度，两次测量值相减即得到校正了背景之后原子吸收吸光度。非共振线与分析线波长相近，能够模拟分析线背景吸收，但这种方法只适合用于分析线附近背景分布比较均匀场所。先用分析线测量原子吸收与背景吸收总吸光度，再用邻近线测量背景吸收吸光度，两次测量值相减即得到校正了背景之后原子吸收吸光度。非共振线与分析线波长相近，能够模拟分析线背景吸收，但这种方法只适合用于分析线附近背景分布比较均匀场所。第40页（2）连续光源校正背景）连续光源校正背景 先用锐线光源测量分析线原子吸收和背景吸收总吸光度，再用氘灯（紫外区）或碘钨灯、氙灯（可见区）测量同一波优点背景吸收，因为原子吸收谱线波长范围仅10-310-2nm，所以原子吸收能够忽略。计算两次测量吸光度之差，即得到校正了背景原子吸收。因为商品仪器多采取氘灯为连续光源扣除背景，故此法亦常称为氘灯扣除背景法。第41页（3）塞曼效应校正背景 塞曼效应校正背景是基于光偏振特征，分为光源调制法和吸收线调制法两大类，后者应用较广。调制吸收线方式有恒定磁场调制方式和可变磁场调制方式。两种调制方式仪器光路如图4-23和图4-24所表示。第42页图4-23 恒定磁场调制方式光路图 第43页图4-24 可变磁场调制方式光路图第44页 塞曼效应校正背景不受波长限制，可校正吸光度高达1.52.0背景，而氘灯只能校正吸光度小于1背景，背景校正准确度较高。恒定磁场调制方式，测量灵敏度比常规原子吸收法有所降低，可变磁场调制方式测量灵敏度与常规原子吸收法相当。第45页（4）自吸效应校正背景）自吸效应校正背景 低电流脉冲供电时，空心阴极灯发射锐线光谱，测定是原子吸收和背景吸收总吸光度。高电流脉冲供电时，空心阴极灯发射线变宽，当空心阴极灯内积聚原子浓度足够高时，发射线产生自吸，在极端情况下出现谱线自蚀，这是测得是背景吸收吸光度。上述两种脉冲供电条件下测得吸光度之差，即为校正了背景吸收原子吸收吸光度。第46页4.2.5 原子吸收光谱分析试验技术原子吸收光谱分析试验技术 1 测量条件选择（1）分析线 通常选取共振吸收线为分析线，测定高含量元素时，能够选取灵敏度较低非共振吸收线为分析线。第47页（2）狭缝宽度）狭缝宽度 狭缝宽度影响光谱通带宽度与检测器接收能量。原子吸收光谱分析中，光谱重合干扰几率小，能够允许使用较宽狭缝。调整不一样狭缝宽度，测定吸光度随狭缝宽度而改变，当有其它谱线或非吸收光进入光谱通带内，吸光度将马上减小。不引发吸光度减小最大狭缝宽度，即为应选取适当狭缝宽度。第48页（3）空心阴极灯工作电流）空心阴极灯工作电流 空心阴极灯普通需要预热1030min才能到达稳定输出。灯电流过小，放电不稳定，故光谱输出不稳定，且光谱输出强度小；灯电流过大，发射谱线变宽，造成灵敏度下降，校正曲线弯曲，灯寿命缩短。选取灯电流普通标准是，在确保有足够强且稳定光强输出条件下，尽可能使用较低工作电流。通常以空心阴极灯上标明最大电流1/22/3作为工作电流。在详细分析场所，最适宜工作电流由试验确定。第49页（4）原子化条件选择）原子化条件选择 在火焰原子化法中，火焰类型和特征是影响原子化效率主要原因。对低、中温元素，使用空气乙炔火焰；对高温元素，采取氧化亚氮乙炔高温火焰；对分析线位于短波区（200nm以下）元素，使用空气氢火焰是适当。第50页（5）进样量）进样量 进样量过小，吸收信号弱，不便于测量；进样量过大，在火焰原子化法中，对火焰产生冷却效应，在石墨炉原子化法中，会增加除残困难。在实际工作中，应测定吸光度随进样量改变，到达最满意吸光度进样量，即为应选择进样量。第51页2 定量分析方法定量分析方法（1）标准曲线法 配制一组适当标准溶液，由低浓度到高浓度，依次喷入火焰，分别测定其吸光度A。以测得吸光度为纵坐标，待测元素含量或浓度c为横坐标，绘制A c标准曲线。在相同试验条件下，喷入待测试样溶液，依据测得吸光度，由标准曲线求出试样中待测元素含量。第52页 在使用本法时要注意以下几点。所配制标准溶液浓度，应在吸光度与浓度呈直线关系范围内；1）标准溶液与试样溶液都应用相同试剂处理；2）应该扣除空白值；3）在整个分析过程中操作条件应保持不变；4）因为喷雾效率和火焰状态经常变动，标准曲线斜率也随之变动，所以，每次测定前应用标准溶液对吸光度进行检验和校正。第53页（2）标准加入法）标准加入法 取相同体积试样溶液两份，分别移入容量瓶A及B中，另取一定量标准溶液加入B中，然后将两份溶液稀释至刻度，测出A及B两溶液吸光度。设试样中待测元素（容量瓶A中）浓度为cx，加入标准溶液（容量瓶B中）浓度为c0，A溶液吸光度为Ax，B溶液吸光度为A0，则可得：Axkcx A0k（c0cx）由上两式得：cx c0 第54页 实际测定中，都采取下述作图法：取若干份（比如四份）体积相同试样溶液，从第二份开始按百分比加入不一样量待测元素标准溶液，然后用溶剂稀释至一定体积（设试样中待测元素浓度为cx，加入标准溶液后浓度分别为cxc0、cx2c0、cx4c0），分别测得其吸光度（Ax，A1，A2及A3），以A对加入量作图，得图4.25所表示直线。这时曲线并不经过原点。显然，对应截距所反应吸收值正是试样中待测元素所引发效应。假如外延此曲线使与横坐标相交，对应于原点与交点距离，即为所求试样中待测元素浓度cx 第55页图4.25 标准加入法第56页使用标准加入法时应注意以下几点:1）待测元素浓度与其对应吸光度应呈直线关系；2）为了得到较为准确外推结果，最少应采取4个点（包含试样溶液本身）来作外推曲线，而且第一份加入标准溶液与试样溶液浓度之比应适当，这可经过试喷试样溶液和标准溶液，比较二者吸光度来判断。增量值大小可这么选择，使第一个加入量产生吸收值约为试样原吸收值二分之一；3）本法能消除基体效应带来影响，但不能消除背景吸收影响，这是因为相同信号，既加到试样测定值上，也加到增量后试样测定值上，所以只有扣除了背景之后，才能得到待测元素真实含量，不然将得到偏高结果；4）对于斜率太小曲线（灵敏度差），轻易引进较大误差。第57页 3 灵敏度与检出限（1）灵敏度及特征浓度 在原子吸收分光光度分析中，灵敏度S定义为校正曲线斜率，其表示式为：S=或 S=即当待测元素浓度c或质量m改变一个单位时，吸光度A改变量。第58页 在火焰原子化法中惯用特征浓度（charaterisitic concentration）来表征灵敏度，所谓特征浓度是指能产生1吸收或0.004 4吸光度值时溶液中待测元素质量浓度（g mL-1/1%）或质量分数（g g-1/1%）。比如1g g-1镁溶液，测得其吸光度为0.55，则镁特征浓度为：0.004 4 8ngg-1/1%第59页 对于石墨炉原子化法，因为测定灵敏度取决于加到原子化器中试样质量，此时采取特征质量（以g/1表示）更为适宜。显然，特征浓度或特征质量愈小，测定灵敏度愈高。第60页（2）检出限 检出限是指产生一个能够确证在试样中存在某元素分析信号所需要该元素最小含量。亦即待测元素所产生信号强度等于其噪声强度标准偏差三倍时所对应质量浓度或质量分数，用g mL-1或g g-1表示。绝对检出限则用m表示；Dc=(4.63)或 Dm=（4.64）第61页4.2.6 原子吸收光谱分析应用和进展原子吸收光谱分析应用和进展返返 回回第62页