原子吸收光谱基础原理和分析方法

第八章 原子吸收光谱分析 (Atomic Absorption Spectrometry, AAS) 8-1 原子吸收光谱分析概述 一、原子吸收光谱分析方法的历史发展 18th century， 武郎斯顿和福劳和费就观察到太阳光谱中 的原子吸收谱线。 19th century ， 1929年瑞典农学家 Lwndegardh 用空气 -乙炔火焰，气动喷雾摄谱法进行火焰光度分析。 1955年 由澳大利亚物理学家 Walsh 和 荷兰科学家 Alkemade 发明 了原子吸收光谱分析技术，并用于化学物质的定量分析。 1976以来 ， 由于微电子技术的发展使原子吸收技术的应 用不断进步，衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校 正等先进技术，尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方 面应用广泛。 二、原子吸收光谱分析的常规模式 特点： 测定的是特定谱线 的吸收（由于原子 吸收线的数量大大 少于原子发射线） 所以谱线重叠几率 小，光谱干扰少。 在实验条件下，基 态原子数目大大高 于激发态原子数目 ，因此吸收法灵敏 度比较高。 原子吸收法的选择性高，干扰较少且易于克服 。 由于原于的吸收线比发射线的数目少得多，这样 谱线重叠的几率小得多。而且空心阴极灯一般并 不发射那些邻近波长的辐射线经，因此其它辐射 线干扰较小。 原子吸收具有较高的灵敏度。 在原子吸收法的实验条件下，原子蒸气中基态原 于数比激发态原子数多得多，所以测定的是大部 分原子。 原子吸收法 比发射法具有更佳的信噪比 这是由于激发态原子数的温度系数显著大于基态 原子。Comparison of AAS and AES AAS intrinsically more sensitive than AES Similar atomization techniques to AES Addition of radiation source High temperature for atomization necessary flame and electrothermal atomization Very high temperature for excitation not necessary generally no plasma / arc / spark AAS Atomic absorption spectrometry 从仪器构造来看， 二者还有以下的异同点 8-2 原子吸收光谱分析基本原理 一、原子吸收线和原子发射线 E0 E1 E2 E3 A B A 产生吸收光谱 B 产生发射光谱 E0 基态能级 E1、 E2、 E3、 激发态能级 电子从基态跃迁到能量最 低的激发态 (称为第一激发态 )时要吸收一定频率的光， 这 种谱线称为共振吸收线；当 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 (它们 都简称共振线 )。 二、原子吸收线的形状 原子吸收光谱线线宽 0.001nm 原子发射光谱线线宽 0.0005nm （有谱线展宽现象） 因此，光谱测定的特征谱线 会有区别： 测定元素 吸收分析线波长 发射分析线波长 Al 3093 3961 Co 2407 3453 If applying a continuum light source, a relationship between radiant power passing through the sample (透过光强度 ) and frequency is shown in the figure on lower-left side 所得曲线为吸收线轮廓所得曲线为吸收线轮廓 (line profile)。原子吸收线轮。原子吸收线轮 廓以原子吸收谱线的中心频率（或中心波长）和半宽廓以原子吸收谱线的中心频率（或中心波长）和半宽 度度 (half-width) 表征。表征。 三、引起吸收线变宽的因素 a、自然宽度（ natural width） 用 N 表示。 b、多普勒变宽 (Doppler broadening) 用 D 表示。 c、压力变宽（包括劳伦兹变宽共振变 宽），它们分别用 L 和 R表示。 d、场致变宽等其它因素变宽。 它们之间的关系式为： 四、积分吸收和峰值吸收 从理论上可以得出，积分吸收与原子蒸气中吸收辐 射的原子数成正比。数学表达式为： 在吸收线轮廓内，吸收系数的值会随吸收光子的波 长变化而变化，要表示原子蒸气吸收的全部能量，就必 须在吸收线所在的波长区间进行积分运算，所得结果简 称为积分吸收值。 这以公式表明：积分吸收值与单位原子蒸汽中吸收 辐射的 基态原子数 呈简单的线性关系， 这是原子吸收光 谱分析法的重要理论依据。 K d = e2N0/mc + - (eq.8-4) 前面公式中： 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 振子强度，即能 被入射辐射激发的每个原子的平均电子数，它正 比于原子对特定波长辐射的吸收几率。 若能测定积分吸收，则可求出原子浓度。 但是，测定谱线宽度仅为 10-3nm的积分吸收， 需要分辨率非常高的色散仪器，技术上很难实现 。所以， 1955年瓦尔西提出采用锐线光源来解 决求积分吸收值的难题。参见下图： 由图可见， 在使用锐线光源时，光源发射线半宽 度很小，并且发射线与吸收线的中心频率一致。这时 发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形，即峰值吸收系 数 K 在此轮廓内不随频率而改变，吸收只限于发射线 轮廓内。这样，求出一定的峰值吸收系数即可将求积 分的问题简化。 目前，一般采用测量峰值吸收系数的方法代替测 量积分吸收系数的方法。如果采用发射线半宽度比吸 收线半宽度小得多的锐线光源，并且发射线的中心与 吸收线中心一致（如上图），就不需要用高分辨率的 单色器，而只要简单分光，就能测出峰值吸收系数。 利用锐线光源时峰值吸收与积分吸收之间存在的简单 比例关系即可求出总吸光度 A，再由郎伯 -比尔定律可 求出被测物基态原子的浓度。 五、原子吸收定量公式的推导 若以 I0 和 I 分别代表光源通过原子蒸汽前后的总 光强度： A = lg I0I I = I d De 0 I0 = I0 d De0 由郎伯由郎伯 -比尔定律比尔定律 I = I0 e-KL , I = I0e-KLd De 0 A = lg I0 d De 0 I0e-KLd De 0 对锐线光源，可以认为 K = bK0 为常数： A = lg = lg eK0Lb = 0.4343K0Lb1 e-bK0L Under normal operation condition for AAS, line profile is mainly determined by Doppler broadening, hence, (eq.8-5) 理论与实验业已证明 (自学教材 p232233)， 在原子吸收光 谱分析的实验条件下（火焰温度 3000K， 共振线波长通常 不大于 600nm）， 大多数化合物均已离解，且绝大多数以 基态原子状态存在， 激发态原子不足 0.1%, 因此，可用 N0代 表吸收辐射的原子总数。 实际工作中要求测定的是待测元素的浓度，此浓度与 吸收辐射的原子总数成正比关系 , 所以， 在一定的实验条件下（一定的原子化率和一定的火焰 宽度），吸光度与试样中待测元素的浓度成正比，即 A = k C （ eq.8-7) 上式就是原子吸收分光光度分析的理论基础 8-3 原子吸收光谱分析基本原理 一、原子光谱仪的结构 原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计， 由光源由光源 (radiation source)、 原子化器原子化器 (atomizer)、单色器、单色器 (monochromator)和检测器和检测器 (detector)等四部分组成等四部分组成 。 原子吸收分光光度计，从分光器的构型又分为原子吸收分光光度计，从分光器的构型又分为 单光束型和双光束型两种：单光束型和双光束型两种： 原子吸收分光光度计，从原子化器的构型不同 又分为火焰型和电热型两种： 二、光源（空心阴极灯） 对光源的基本要求：发射的共振辐射的半宽度要明 显小于吸收线的半宽度 (锐线光源 )；辐射的强度大；辐射 光强稳定，背景小，使用寿命长等。空心阴极灯是符合 上述要求的理想光源，应用最广。 空极阴极灯的发光强度与工作电流有关空极阴极灯的发光强度与工作电流有关 。使用灯电流。使用灯电流 过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，原过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，原 子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测 定灵敏度降低，灯寿命缩短。因此在实际工作中应选定灵敏度降低，灯寿命缩短。因此在实际工作中应选 择合适的工作电流。择合适的工作电流。 Anode Cathode M Shield Ne+ M* M + h M Optically transparent window Schematic diagram of a hollow cathode lamp showing mechanism by which atomic emission is obtained 无极放电灯 三、原子化器 （一）火焰原子化器（一）火焰原子化器 (Flame atomizer) 火焰原子化法中，常用的是预混合型原子化器它是由火焰原子化法中，常用的是预混合型原子化器它是由 雾化雾化 器器 (nebulizer)、雾化室、雾化室 (spray chamber)和燃烧器和燃烧器 (burner)三部分三部分 组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将 液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾化室中与气体（燃气液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾化室中与气体（燃气 与助燃气）均匀混合，除去大液滴后，再进入燃烧器形成火焰。与助燃气）均匀混合，除去大液滴后，再进入燃烧器形成火焰。 此时，试液在火焰中产生原子蒸气。此时，试液在火焰中产生原子蒸气。 （挡板、折流板） （ 二）火焰的基本特性 （ a）燃烧速度 (Burning velocity) 燃烧速度 是指由 着火点 向 可燃烧混合气其它点 传播 的速度 。 它影响火焰的安全操作和燃烧的稳定性。要使火 焰稳定，可燃混合气体的供应速度应大于燃烧速度。但供 气速度过大，会使火焰离开燃烧器，变得不稳定，甚至吹 灭火焰；供气速度过小，将会引起回火。 （ b）火焰温度 (flame temperature) 不同类型的火焰，其温度不同 (典型火焰为：乙炔 - 空气 2300度、乙炔 -笑气 2900度 )。 （ c）火焰的燃气和助燃气比例 按火焰燃气 (fuel gas)和助燃气 (oxidant gas)比例的不同， 可将火焰分为三类： 化学计量火焰 (中性火焰 , stoichiometric) 、富燃性火焰 (fuel-rich)和贫燃性火焰 (fuel-lean)。 化学计量火焰 燃气与助燃气之比与化学反应计量关系相 近，又称为中性火焰。此火焰温度高、稳定、干扰小、背景低 富燃火焰 燃气大于化学计量的火焰。又称还原性火焰。 火焰呈黄色，层次模糊，温度稍低，火焰的还原性较强，适合 于易形成难离解氧化物 (refractory oxide)元素的测定。 贫燃火焰 又称氧化性火焰，即助燃比大于化学计量的火 焰。氧化性较强，火焰呈蓝色，温度较低，适于易离解、易电 离元素的原子化，如碱金属等。 乙炔 -空气 火焰 是原子吸收测定中最常用的火 焰，该火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，温度高 ，对大多数元素有足够高的灵敏度，但它在短波紫 外区有较大的吸收。 氢 -空气火焰 是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔 -空气 火焰高，但温度较低，优点是背景发射较弱 ，透射性能好。 乙炔 -一氧化二氮火焰 的优点是火焰温度高， 而燃烧速度并不快，适用于难原子化元素的测定， 用它可测定 70多种元素。 （三）无火焰原子化器（ flameless/non-flame） 火焰原子化器仅有约 10%的试液被原子化，而约 90的 试液由废液管排出。因而灵敏度较低。无火焰原子化装置可以 提高原子比效率，使灵敏度增加 10200倍。 无火焰原于化装置有多种：电热高温石墨管、石墨坩埚 (crucible)、石墨 棒 (rod)、钽舟 (tantalum boat)、镍杯、高频 感应加热炉、空心阴极溅射 (sputtering)、等离子喷焰、激光 等等 。 无火焰原子化器常用的是 石墨炉原子化器（ atomization in graphite furnace） 。 石墨炉原子化法的过程是将试样注入 石墨管中间位置，用大电流通过石墨管以产生高达 2000 3000 的高温使试样经过干燥、蒸发和原子化。 商品仪器的石墨炉结构多样，但实际上用得最多的是 Massmann （马斯曼）炉的 HGA系列和 Varin-Trchtron（瓦里安 - 特克特 朗）公司生产的 CRA系列。 石墨炉的基本结构包括： 石墨管（杯） (graphite tube)、 炉体（保护气系统）、电源等三部分组成。工作是经历干燥 (dryness)、灰化 (incineration)、原子化和净化 (depuration) 等四个阶段，即完成一次分析过程。 为防止石墨的高温氧化作用，减少记忆效应，保护已热解 的原子蒸气不在被氧化，可及时排泄分析过程中的烟雾，因此 在石墨炉加热过程中（除原子化阶段内内气路停气之外）需要 有足量（ 12升 /分）的惰性气体作保护。通常使用的惰性气体 主要是 氩气 、 氮气 。 整个炉体有 水冷却保护 装置，如水温为 200 C时，水的流量 12升 /分，炉子切断电源停止加热，在 2030秒 内，即可冷却到室温。 (四 )其它原子化法 低温原子化法又称 化学原子化法 ，其原子化温度为室温至 摄氏数百度。常用的有汞低温原子化法及氢化法。 汞低温原子化法 汞在室温下，有一定的蒸气压，沸点为 357 C 。 只要对试 样进行化学预处理还原出汞原子，由载气（ Ar或 N2）将汞蒸气 送入吸收池内测定。 氢化物原子化法 适用于 Ge、 Sn、 Pb、 As、 Sb、 Bi、 Se和 Te等元素。在 一定的酸度下，将被测元素还原成极易挥发与分解的氢化物， 如 AsH3 、 SnH4 、 BiH3等。这些氢化物经载气送入石英管后， 进行原子化与测定。 四、分光系统 单光束光路的特点：简单、价廉、维修方便 、用方波供电方式可消除光源波动的影响，满足 一般分析要求。但背景无法进行精确校正。 双光束光路的特点：精密、价高、能较彻底 消除背景的干扰，稳定性好，满足高精度分析要 求，便于接石墨炉原子化或其它原子化器，灵活 性好。 五、检测系统 光电倍增管、微电流放大器、对数转换电路 、数模转换电路及信息采集、显示器组成。 配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，在与试样测 定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸光度 值。绘制吸光度对浓度的校准曲线。测定试样的吸光度， 从校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。 8-4 原子吸收定量分析原子吸收定量分析 一、标准曲线法 A CCx Ax O Calibration curve of AAS Problem: 使用工作曲线时应该考虑 那些因素？ 二、标准加入法 分取几份相同量的被测试液，分别加入不同量的被测元素的标分取几份相同量的被测试液，分别加入不同量的被测元素的标 准溶液，其中一份不加被测元素的标准溶液，最后稀释至相同准溶液，其中一份不加被测元素的标准溶液，最后稀释至相同 体积，使加入的标准溶液浓度体积，使加入的标准溶液浓度 为为 0， CS、 2CS 、 3CS ， 然后分然后分 别测定它们的吸光度别测定它们的吸光度 ，绘制吸光度对浓度的校准曲线，再将该，绘制吸光度对浓度的校准曲线，再将该 曲线外推至与浓度轴相交。交点至坐标原点的距离曲线外推至与浓度轴相交。交点至坐标原点的距离 Cx 即是被即是被 测元素经稀释后的浓度。测元素经稀释后的浓度。 8-5 原子吸收定量分析干扰因素 原子吸收光谱法的主要干扰有物理干扰、 化学干扰、光谱干扰、电离干扰、和背景干扰等。 一、物理干扰 物理干扰 是指 试液与标准溶液 物理性质有 差异而产生的干扰 。如粘度、表面张力或溶液的密度 等的变化，影响样品的雾化和气溶胶到达火焰传送等 引起原子吸收强度的变化而引起的干扰。 消除办法： 配制与被测试样组成相近的标准 溶液或采用标准加入法。若试样溶液的浓度高，还可 采用稀释法。 二、化学干扰（ Chemical interference） 化学干扰是由于 被 测元素原子与共存组份发生化学反应生成 稳定的化合物，影响被测元素的原子化，而引起的干扰。 消除化学干扰的方法： （ 1）选择合适的原子化方法 提高原子化温度，减小化学干扰。使用高温火焰或提高石墨 炉原子化温度，可使难离解的化合物分解。 采用还原性强的火焰与石墨炉原子化法，可使难离解的氧化 物还原、分解。 （ 2）加入释放剂 (releasing agent) 释放剂的作用 是释放剂与干扰物质能生成比被测元素更稳定 的化合物，使被测元素释放出来。 例如，磷酸根干扰钙的测定，可在试液中加入镧、锶盐，镧 、锶与磷酸根首先生成比钙更稳定的磷酸盐，就相当于把钙释放 出来。 （ 3）加入保护剂 (projective agent) 保护剂作用 是它可与被测元素生成易分解的 或更稳定的配合物，防止被测元素与干扰组份生成难 离解的化合物。保护剂一般是有机配合剂。例如， EDTA、 8-羟基喹啉。 （ 4）加入消电离剂 (ionization buffer) 消电离剂 是比被测元素电离电位低的元素， 相同条件下消电离剂首先电离，产生大量的电子，抑 制被测元素的电离。 例如，测钙时可加入过量的 KCl溶液消除电离 干扰。钙的电离电位为 6.1eV， 钾的电离电位为 4.3eV 。 由于 K电离使钙离子得到电子而生成原子。 (5) 缓冲剂 (buffer agent) 于试样与标准溶液中均加入超过缓冲量 (即干扰 不再变化的最低限量 )的干扰元素。如在用乙炔 氧 化亚氮火 焰测钛时，可在试样和标准溶液中均加入 200ppm以上的铝，使铝 对钛的干扰趋于稳定。 （ 6）加入基体改进剂）加入基体改进剂 对于石墨炉原子化法，在试样中加入基体改进对于石墨炉原子化法，在试样中加入基体改进 剂，使其在干燥或灰化阶段与试样发生化学变化，剂，使其在干燥或灰化阶段与试样发生化学变化， 其结果可以增加基体的挥发性或改变被测元素的挥其结果可以增加基体的挥发性或改变被测元素的挥 发性，以消除干扰。发性，以消除干扰。 三、光谱干扰（ spectral interference） 1. 光源在单色器的光谱通带内存在与分析线相邻的其它 谱线， 可能有下述两种情况： 2. 1.1. 与分析线相邻的是待测元素的谱线 。 3. 这种情况常见于多谱线元素 (如 Ni、 Co、 Fe)。 4. 减小狭缝宽度 可改善或消除这种影响。 5. 1.2. 与分析线相邻的是非待测元素的谱线。 6. 如果此谱线是该元素的非吸收线，同样会使欲测元 素的灵敏度下降，工作曲线弯曲；如果此谱线是该元素的吸 收线，而试样中又含有此元素 时，将产生 “ 假吸收 ” ，产生 正误差。这种干扰主要是由于空心阴极灯的阴极材料不纯等 ，且常见于多元素 灯。 若选用具有合适惰性气体，纯度又较 高的单元素灯 即可避免干扰。 1.3 空心阴极灯中有连续背景发射 主要来自灯内杂质气体或阴极上的氧化物。连续 背景的 发射不仅使灵敏度降低，工作曲线弯曲，而且当试样中共存元 素的吸收线处于连续背景的发射区时有可能产生假吸收。因 此不能使用有严重连续背景发射的灯。灯的连续背景发射是由 于 灯的制作不良，或长朗不用而引起的。可 将灯反接，并用 大电流空点，以纯化灯内气体 ，经过这样处理后，情况可能会 改善。否则应更换新灯。 2. 与共存元素的光谱线重叠引起的干扰 参见教材 P250, 表 8-5。可选用待测元素的其它光谱线作 为分析线，或者分离干扰离子来消除干扰。 3. 与原子化器有关的干扰 3.1 原子化器的发射 来自火焰本身或原子蒸气中待测元素的发射。 当仪器 采用调制方式 进行工作时，这一影响可得到减免 。如果干扰仍然存在，则可适当 增加灯电流 ,提高光源发射强 度 来改善倍噪比。 3.2 背景吸收 (分子吸收 ) 来自原于化器 (火焰或 无火焰 )的一种光谱干扰。它 是由 气态分子对光的吸收以及高浓度盐的固体微粒对光的散射所引 起的。它是一种宽频带吸收。 (包括 火焰本体吸收、金