原子吸收光谱分析法(火焰或石墨炉)

第四章原子吸收光谱分析法利用物质的气态原子对特定波长的光的吸收来进行分析的方法。§4—1基本原理一．原子吸收的过程当适当波长的光通过含有基态原子的蒸气时，基态原子就可以吸收某些波长的光而从基态被激发到激发态，从而产生原子吸收光谱。二．原子吸收线的形状（或轮廓）若将吸收系数对频率作图，所得曲线为吸收线轮廓。K0/2KK00K~（谱线轮廓）K为吸收系数，表示单位体积内原子对光的吸收值；γ为频率；吸收最大处所对应的频率叫中心频率；最大吸收值叫峰值吸收；最大吸收值的一半处所对应的宽度叫谱线宽度，用△γ表示；原子的吸收光谱线具有一定宽度的原因有以下几个：1．谱线的自然宽度：自然宽度（约在10-5nm数量级）。2．多普勒变宽（热变宽）：由于多普勒效应而导致的谱线变宽。其宽度约为10-3nm数量级。3．压力变宽：由于同类原子或与其它粒子（分子、原子、离子、电子等）相互碰撞而造成的吸收谱线变宽。其宽度也约为10-3nm数量级。三．原子的吸收与原子浓度的关系：1、积分吸收与原子浓度的关系：某一频率的吸收不能代表所有原子的总吸收，因此要准确测定原子吸收值，必须测定图中曲线和横坐标轴所包围的总面积。用积分吸收表示：KdkN积分吸收与被测原子总数成正比，只要求得积分吸收，就能确定原子总数N，但求积分吸收十分困难。尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现，但一直未用于分析。2、峰值吸收与原子浓度的关系：在一定条件下：0KkN四．原子吸收的测量：需测量的是原子的峰值吸收。为了测定K0值，使用的光源必须是锐线光源。（一）锐线光源：光源发射线的中心频率与吸收线的中心频率一致，而且发射线的半宽度比吸收线的半宽度小得多时，则发射线光源叫做锐线光源。0I吸收线发射线1、光源的能量能被原子充分吸收，测定的灵敏度较高。如果用连续光源，则吸收的光的强度只占入射光强度的极小部分，使测定的灵敏度极差：如图所示2、在锐线光源半宽度范围内，可以认为原子的吸收系数为常数，并等于中心波长处的吸收系数。（二）原子吸收的测量：在使用锐线光源的条件下原子蒸气的吸光度与峰值吸收有如下关系：A=lgI0/I=0.4343K0L式中A为中心频率处的吸光度；L为原子蒸气的厚度；由此式可知，只要测定吸光度并固定L，就可求得K0，而K0与原子蒸气中原子的浓度成正比。并且在稳定的测定条件下，被测定试液中待测元素的浓度与原子蒸气中的原子浓度也成正比。所以，吸光度与试液中待测元素的C也成正比，可简单的用下式表示：A=KCK包含了所有的常数。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础。§4—2原子吸收分光光度计原子分光光度计由光源、原子化系统、分光系统及检测显示系统四个部分构成。检测显示系统光源原子化器单色器原子化系统雾化器样品液废液切光器助燃气燃气一．光源：1．光源应满足的条件：1）能辐射出半宽度比吸收线半宽度还窄的谱线，并且发射线的中心频率应与吸收线的中心频率相同。2）辐射的强度应足够大。3）辐射光的强度要稳定，且背景小。2．空心阴极灯：空心阴极灯是一种气体放电管，其结构如图：钨棒构成的阳极和一个圆柱形的空心阴极，空心阴极是由待测元素的纯金属或合金构成，或者由空穴内衬有待测元素的其它金属构成。当在正负电极上施加适当电压（一般为200～500伏）时，在正负电极之间便开始放电，这时，电子从阴极内壁射出，经电场加速后向阳极运动。电子在由阴极射向阳极的过程中，与载气（惰性气体）原子碰撞使其电离成为阳离子。带正电荷的惰性气体离子在电场加速下，以很快的速度轰击阴极表面，使阴极内壁的待测元素的原子溅射出来，在阴极腔内形成待测元素的原子蒸气云。蒸气云中的待测元素的原子再与电子、惰性气体原子、离子发生碰撞而被激发，从而发射出所需频率的光。阴极发射出的光谱，主要是阴极元素的光谱（待测元素的光谱，另外还杂有内充惰性气体和阴极杂质的光谱）。工作过程：高压直流电（300V）---阴极电子---撞击隋性原子---电离(二次电子维持放电)---正离子---轰击阴击---待测原子溅射----聚集空心阴极内被激发----待测元素特征共振发射线。二.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。（一）火焰原子化器：火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的。火焰型的原子化系统我们把它叫做火焰原子化器。1．结构：火焰原子化器的结构如图所示：a）喷雾器：将试样溶液转为雾状。b）雾化室：内装撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀）。c）燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。2．原子化过程：MeX脱水MeX蒸发MeX分解（溶液）（固体微粒）（气态分子）Me＋X(基态原子)3．火焰：火焰的作用是将试液中的待测元素原子化。1）火焰的组成：空气——乙炔火焰：温度在2500K左右；N2O——乙炔火焰：温度可达到3000K左右；空气——氢气火焰：最高温度2300K左右。2）火焰的类型：贪燃：燃气较少，（燃助比小于化学计量，约为1比6），燃烧完全，温度较高富燃焰：燃气较多。燃烧不完全，温度较低。但具有还原性。化学计量焰：（二）非火焰原子化法：常用的非火焰原子化法主要有电热高温石墨管原子化法和化学原子化法。1.石墨炉原子化器包括电源、保护系统和石墨管三部分。电源：10~25V，500A。用于产生高温。保护系统：保护气（Ar）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汽冷却水——金属炉体周围通水，以保护炉体。石墨管：多采用石墨炉平台技术。原子化过程可分为四个阶段，即干燥、灰化、原子化和净化。干燥：去除溶剂，防样品溅射；灰化：使基体和有机物尽量挥发除去；原子化：待测物化合物分解为基态原子，此时停止通Ar，延长原子停留时间，提高灵敏度；净化：样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管。石墨炉原子化器与火焰原子化器比较有如下优点：1）原子化效率高，可达到90%以上，而后者只有10%左右。2）绝对灵敏度高（可达到10-12～10-14），试样用量少。适合于低含量及痕量组分的测定。3）温度高，在惰性气氛中进行且有还原性C存在，有利于易形成难离解氧化物的元素的离解和原子化。2.化学原子化（低温原子化）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）还原为汞蒸汽，并通过Ar或N2将其带入吸收池进行测定。2）氢化物原子化特点：可将待测物从在一定酸度条件下，将试样以还原剂（NaBH4）还原为元素的气态氢化物，并通过Ar或N2将其带入热的石英管内原子化并测定。三．光学系统：分光系统一般用光栅来进行分光。光谱通带：W=D×S×10-3其中：W为光谱通带（单位nm）；D为光栅的倒线色散率（单位nm/mm-1）；S为狭缝宽度（单位μm）。四．检测系统：检测系统包括检测器、放大器、对数转换器、显示器几部分。原子吸收光谱法的分析过程：原子吸收光谱法.swf五．原子吸收分光光度计的主要性能参数：1．灵敏度：有相对灵敏度和绝对灵敏度两种。1）相对灵敏度火焰原子吸收法采用相对灵敏度，其定义为：能产生1%吸收或0.0044吸光度时，试液中待测元素的浓度（以μg/mL/1%吸收为单位），也叫特征浓度：式中：S为相对灵敏度；C为试液中待测元素的浓度（μg/mL）；A为试液的吸光度。0.0044(//1%)CSgmLA吸收2）绝对灵敏度石墨炉原子吸收法采用绝对灵敏度，其定义为：能产生1%吸收或0.0044吸光度时，所对应的待测元素的质量（以g/1%吸收为单位），也叫特征质量，其计算式为：式中：S为绝对灵敏度；C为试液中待测元素的浓度（g/mL）；V为试液的体积mL；A为吸光度。0.0044(/1%)CVSgA吸收2．检测极限：指仪器所能检出的元素的最低浓度或最小质量。定义为：能给出信号强度等于3倍噪声信号强度标准偏差时所对应的元素浓度或质量。计算式为：3(/)3()cDgmLAgDgA或式中D为检出极限（μg/mL或g）；σ为对空白溶液进行不少于10次测量时的标准偏差；A为吸光度；g为质量（g）。§4—3原子吸收光谱法定量分析原子吸收光谱法是一种元素定量分析方法，它可以用于测定60多种金属元素和一些非金属元素的含量。一．定量分析方法：（一）标准曲线法：配制一系列不同浓度的待测元素标准溶液，在选定的条件下分别测定其吸光度，以测得的吸光度A为纵坐标，浓度为横坐标作图，得到标准曲线。再在相同条件下测定试液的吸光度，由标准曲线上就可求得待测元素的浓度或含量。1．配制标准溶液时，应尽量选用与试样组成接近的标准样品，并用相同的方法处理。如用纯待测元素溶液作标准溶液时，为提高测定的准确度。可放入定量的基体元素。2．应尽量使得测定范围在T=30～90%之间（即A=0.05～0.5），此时的测量误差较小。3．每次测定前必须用标准溶液检查，并保持测定条件的稳定。4．应扣除空白值，为此可选用空白溶液调零。2.标准加入法：取两份体积相同的试样溶液，设为A和B，在B中加入一定量的待测元素，然后分别将A和B稀释到相同体积，再分别测定其吸光度。设A中待测元素的浓度为Cx吸光度为Ax，B中的待测元素浓度为Cx+Co(Co为加入的标准样品的浓度)，吸光度为A，则：Ax=KCxA=K(Cx+Co)两式相比得：Cx=Co×Ax/(A－Ax)由此式就可得到待测元素的含量。作图的方法：取四份以上的体积相同的试液，从第二份开始，分别按比例加入不同量的待测元素，将这些溶液全部稀释到相同体积，此时，各溶液中待测元素的浓度分别为：Cx，Cx+Co，Cx+2Co，Cx+3Co等。测定各溶液的吸光度，并以吸光度对加入的待测元素的浓度（增量）作图，得如下曲线：将直线延长至与横坐标相交，交点与原点之间的距离所代表的浓度值就是试液中待测元素的浓度。注意事项：须线性良好；至少四个点；只消除基体效应，不消除分子和背景吸收；斜率小时误差大。二．干扰及其消除（一）谱线干扰：如：在Ni的分析线232.0nm附近还存在231.6nm的谱线，如：用308.22nm的谱线测定铝时，如果存在钒，钒对308.21nm的谱线要产生吸收，（二）背景吸收：由于原子化器（火焰和石墨炉）中存在的气体分子和盐类所产生的吸收以及存在的固体颗粒对光的散射引起的干扰，叫背景吸收。1）邻近线背景校正用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度，因非共振线（邻近线）不产生原子吸收用它来测量背景吸收的吸光度。两者之差值即为原子吸收的吸光度。因为共振线（此时为分析线）的总吸光度AT包括基态原子的吸收A和背景吸收AB，即AT=A+AB通过测量共振线旁的“邻近线”的吸收，得到AB此时得到净吸收度A=AT-AB2）连续光源背景校正（氘灯或氢灯校正法）先用锐线光源测定分析线的原子吸收和背景吸收的总和。再用氘灯在同一波长测定背景吸收（这时原子吸收可忽略不计）计算两次测定吸光度之差，即为原子的吸光度。（三）化学干扰：化学干扰是指在溶液中或气相中由于待测元素与其它组分之间的化学反应而引起的干扰。1．加入释放剂：在测定时加入一种能与干扰组分生成更稳定或更难挥发化合物的试剂，而使待测元素释放出来，从而消除干扰。如：在测定钙时，加入锶，它能与磷酸根形成更稳定的化合物而使钙释放出来。2．加入保护剂：加入一种能与待测元素生成稳定增长化合物的试剂，使得待测元素不与干扰组分反应。而生成的化合物又很容易挥发和原子化，对测定不干扰。如：测定钙时，加入EDTA使其生成稳定化合物CaY，CaY又很容易挥发和原子化，从而消除了磷酸根对钙测定的干扰。3．化学分离：将待测组分和干扰组分分离。4．提高火焰温度也可以抑制或避免某些干扰。（四）物理干扰：是指试样在转移、蒸发和原子化过程中由于试样任何物理因素的变化而引起的吸光度下降的效应。如：试液的粘度影响取样速度，表面张力影响雾滴的大小等。对于物理干扰，最好的消除方法就是配制与试样溶液组成相似的标准溶液。也可用标准加入法来进行测定。（五）电离干扰：电离干扰是指待测元素的原子电离而