原子吸收分光光度法

第七章原子吸收分光光度法(atomicabsorptionspectrophotometry，AAS)原子吸收分光光度法是基于蒸气相中被测元素的基态原子对原子共振辐射的吸收来测定式样中该元素含量的一种方法。MgCl2(雾粒)MgCl2(干气溶胶)MgCl2(g)Mg(g)+2Cl(g)脱水热分解气化原子吸收分析示意图空心阴极灯原子化系统单色器检测器原子吸收分析示意图原子吸收分光光度法的优点灵敏度高选择性和重现性好精密度高测量范围广，可测定七十多种元素(1)头发中微量元素的测定—微量元素与健康关系；(2)水中微量元素的测定—环境中重金属污染分布规律；(3)水果、蔬菜中微量元素测定；(4)矿物、合金及各种材料中微量元素的测定；(5)各种生物试样中微量元素的测定。应用第二节基本原理原子吸收光谱电子从基态激发态1.为吸收能量，进入激发态，产生原子吸收光谱。2.为释放能量，回到基态，产生原子发射光谱。12原子光谱的发射和吸收示意图基态能级第一激发态能级较高激发态能级原子吸收线（共振线）共振发射线E0E1E2E3En原子光谱的发射和吸收示意图原子吸收光谱的特点原子光谱是分布于紫外-可见光区的线状光谱。原子吸收光谱比原子发射光谱简单。不同的元素具有不同的原子吸收光谱。共振线c共振线原子在两个能态之间的跃迁伴随着能级的发射和吸收，最外层电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收线称为共振吸收线（简称共振线resonanceline）。各种元素的原子结构和外层电子排布不同，基态第一激发态:跃迁吸收能量不同——具有特征性。各种元素的基态第一激发态最易发生，吸收最强，最灵敏线。共振线是元素的特征谱线，也是元素的灵敏线共振线二、基态原子的激发原子吸收光谱是利用待测元素的原子蒸气中基态原子与共振线吸收之间的关系来测定的。需要考虑原子化过程中，原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间的定量关系。二、基态原子的激发热力学平衡时，两者符合Boltzmann分布定律：kTEexpggNNjjj00上式中gj和gO分别为激发态和基态的统计权重，激发态原子数Nj与基态原子数No之比较小，1%。可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度T外，都是常数。T一定，比值一定。谱线的轮廓若将不同频率的光（强度为I0ν）通过原子蒸汽，有一部分光将被吸收，其透过光的强度（即原子吸收共振线后光的强度）与原子整齐的宽度（即火焰的宽度有关），若原子蒸汽中原子密度一定，则透过光（或吸收光）的强度与原子蒸汽宽度成正比关系，即朗伯定律：Iν=I0e-KvL（Kv为原子蒸汽对频率为ν的光的吸收系数）三、原子吸收谱线谱线的轮廓原子群从基态跃迁到激发态所吸收的谱线并不是绝对单色，而使是具有一定的宽度，通常称为谱线轮廓。It与的关系谱线变宽表征吸收线轮廓特征的值是中心频率ν0和半宽度Δν，ν0由原子的能级分布特征决定，半宽度Δν除谱线本身具有的自然宽度外，还受多种因素的影响，而使峰变宽，变宽效应：1、自然宽度：与原子发生能级间跃迁时激发态原子的有限寿命相关。2、多普勒变宽（温度变宽）一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。3、压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。(1)劳伦兹（Lorentz）变宽：ΔνL待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。(2)赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）：同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略4、自吸变宽场致变宽在一般分析条件下ΔνD、ΔνL为主。谱线变宽谱线的积分吸收与基态原子数目有如下关系:c—光速m—电子质量e—电荷N0—单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数f—振子强度02fNmceKvdv四、峰值吸收的测量常规光源与单色器间的矛盾若测量出谱线下所围面积（积分吸收）。即可得到单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数N0。是一种绝对测量方法，但是由于原子吸收线的半宽度很小，要测量这样一条半宽度很小的吸收线的积分吸收值，需分辨率高达十万的单色器，现在的分光装置无法实现。△λ=10-3，若λ取600nm，单色器分辨率R=λ/△λ=6×105长期以来无法解决的难题！能否提供共振辐射（锐线光源），测定峰值吸收？fNmcevKv02πd四、峰值吸收的测量四、峰值吸收的测量积分吸收若用常规的连续光源如：钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2mm。而原子吸收线半宽度：10-3mm。如图2.锐线光源在原子吸收分析中需要使用锐线光源，测量谱线的峰值吸收，锐线光源需要满足的条件：（1）光源的发射线与吸收线的ν0一致。（2）发射线的Δν1/2小于吸收线的Δν1/2。2.锐线光源提供锐线光源的方法：空心阴极灯IIA0lgeeIIII0000d;d将Iν=I0e-KvL代入上式：eLII0K-0de3.峰值吸收eeLIIA0K-000dedlg采用锐线光源进行测量，则ΔνeΔνa，由图可见，在辐射线宽度范围内，Kν可近似认为不变，并近似等于峰值时的吸收系数K0，则：LKALKLK0-434.0elge1lg0峰值吸收在原子吸收中，谱线变宽主要受多普勒效应影响，则：fNmceK02D02lnπ2002D2lnπ2434.0kLNfLNmceA上式的前提条件：（1）ΔνeΔνa；（2）辐射线与吸收线的中心频率一致。测定时需要使用一个与待测元素同种元素制成的锐线光源原子吸收定量基础LKeII0当使用锐线光源时，可用K0代替Kv，则：LfNmcevLKIIAD02002243404340lnπ..lg峰值吸收系数：fNmcevKD0202lnπ2434.0原子吸收定量基础A=kN0LN0∝N∝c（N0激发态原子数，N基态原子数，c待测元素浓度）所以：A=lg(IO/I)=K'c原子吸收线的形状谱线轮廓谱线强度按频率有一分布值，强度随频率的改变而急剧改变。原子吸收对应的辐射频率为：=ΔE/h吸收线发射线K0I0K0/2I0/2吸收线和发射线的轮廓原子吸收线的形状为什么谱线具有一的宽度主要有两方面的因素：1.原子性质所决定的自然宽度。2.外界影响0vnm00500010.~.anm002000050.~.e吸收线发射线峰值吸收测量示意图峰值吸收测量示意图原子吸收法的定量计算公式设L0.4343KvNIIA000.4343KνKLKNA0KCLA原子吸收仪器（1）原子吸收仪器（2）原子吸收分光光度计流程特点：有单光束型和双光束型两类，由光源、原子化系统、光学系统及检测系统等四部分组成原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计主要由四部分组成：1.光源2.原子化装置3.分光系统4.检测系统作用提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。AAS对光源的基本要求：1.光谱纯度要高；2.发射的共振线必须是锐线；3.结构牢固可靠，使用方便；4.有较长的寿命，价钱便宜。光源空心阴极灯结构如图所示插头空心阴极阳极石英窗空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯的原理•施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极;•与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击;•使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。•用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。•空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点：（1）仅有一个操作参数，辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。（2）每测一种元素需更换相应的灯。空心阴极灯的种类单元素空心阴极灯多元素空心阴极灯原子化系统作用：将试样中待测离子转变成原子蒸气。按照使试样原子化的方法可分为：火焰原子化法石墨炉原子化器低温原子化法原子化器的类型无火焰原子化法火焰原子化器利用火焰的热能使试样原子化的一种装置。火焰原子化器的组成：雾化器、雾化室、燃烧器包括雾化器、雾化室和燃烧器三部分常用的为预混合型：用雾化器将试液雾化，在雾化室内将较大的雾滴除去，使试样的雾滴均匀化后再喷入火焰火焰原子化装置火焰原子化器示意图火焰燃烧器雾化室雾化器撞击球燃气进口助燃气进口试液废液出口火焰原子化器示意图雾化器作用：将样品雾化。要求是：喷雾稳定，产生的雾滴细而均匀，雾化效率（单位时间内被雾化试样的量与吸喷总试液量之比）高。雾化室作用：使微细的雾滴与燃气混合，排除大液滴。燃烧器作用：将试样蒸气转化为基态原子。要求：不易回火，火焰平稳，位置可调。火焰类型：化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。富燃火焰：燃气量大于化学计算量——还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。贫燃火焰：助燃气量大于化学计算量——火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。可燃混合气体供气速度应大于燃烧速度，但不易过大火焰结构及原子化过程火焰划分的四个区域：1.干燥区:燃烧不完全温度不高2.蒸发区:燃烧不充分温度未达到最高点3.原子化区:燃烧完全温度高4.电离化合区:燃烧充分温度达到最高点原子化蒸发干燥电离，化合CaCl2CaCl2ClCaClCl-Ca2+Cl-CaOCa(OH)2预混合火焰结构示意图预混合火焰结构示意图CaCl2溶液CaCl2(雾滴)CaCl2(雾滴分离)CaCl2CaO(固体颗粒)CaCl2(废液排泄)CaCl2CaO(分子蒸气)Ca、Cl(原子气)CaO、Ca(OH)2(分子气)喷雾混合脱水升华熔融原子化还原热解CaCl2原子化过程无火焰原子化装置外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸汽。高温石墨管原子化器结构如图所示：高温石墨管原子化器原子化过程原子化过程分为干燥、灰化（去除基体）、原子化、净化（去除残渣）四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。高温石墨管原子化器优缺点优点：原子化程度高，试样用量少（1-100μL），可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测极限10-12g/L。缺点：取样量少而导致进样量对实验结果影响较大，精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。其他原子化方法a.低温原子化方法主要是氢化物原子化方法，原子化温度700~900゜C；主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等元素原理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物，送入原子化器中检测。特点：原子化温度低；灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；基体干扰和化学干扰小；b.冷原子化法低温原子化方法（一般700～900゜C）；主要应用于：各种试样中Hg元素的测量；原理：将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g汞）；分光系统作用：将所需要的共振线分离出来。分光系统由于采用锐线光源，对分光系统要求不高。狭缝色散元件（棱镜、光栅）准直镜检测系统作用：将分光系统分出的光信号转换为电信号并进行放大的装置。检测系统检测器（光电倍增管）放大器读数装置原子吸收分光光度计的类型单光束型双光束型HCL光源L1L2S1S2D2火焰GMPM单光束原子吸收分光光度计单光束原子吸收分光光度计S1S2GPMHCLM1L2D2M2M3SR切光双光束原子吸收分光光度计双光束原子吸收分光光度计实验技术定量分析方法1.标准曲线法2.直接比较法3.标准加入法配制一系列不同浓度的标准试样，由低到高依次分析，将获得的吸光度A数据对应于浓度作