生物仪器分析第3讲(原子发射光谱法).ppt

第三章 原子发射光谱法(AES) A Atomic tomic E Emission mission S Spectroscopypectroscopy 本章讲授要点 原子发射光谱的产生原子发射光谱的产生 原子发射光谱线原子发射光谱线 谱线强度及其影响因素谱线强度及其影响因素（重点重点） 原子发射光谱仪原子发射光谱仪 原子发射光谱摄谱法的定性分析原子发射光谱摄谱法的定性分析（重点重点） 原子发射光谱摄谱法的定量分析原子发射光谱摄谱法的定量分析（重点重点） 原子荧光分析法原子荧光分析法 原子发射光谱法的应用原子发射光谱法的应用 一、何谓发射光谱分析法？ 物质通过电致激发、热致激发或光 致激发等激发过程获得能量，变为激发 态原子或分子M* ，当从激发态过渡到低 能态或基态时产生发射光谱。 M* M + hv 通过测量物质的激发态原子发射光 谱线的波长和强度进行定性和定量分析 的方法叫发射光谱分析法。 E E2 2 E E0 0 E E1 1 E E3 3 二二. . 原子发射光谱的产生原子发射光谱的产生 气态激发态原子、离气态激发态原子、离 子的子的核外层电子核外层电子，迅，迅 速回到低能态时以光速回到低能态时以光 辐射的形式释放能量辐射的形式释放能量 。原子发射光谱原子发射光谱 E2 E0 E1 E3 电能、热能、光电能、热能、光 能等激发能等激发气态原气态原 子、离子的子、离子的核外核外 层电子层电子跃迁至高跃迁至高 能态。能态。 hi （一）（一）原子发射光谱线原子发射光谱线 1 1. . 激发电位激发电位 低能态电子被激发到高能态需要的能量低能态电子被激发到高能态需要的能量 。 2. 共振线、主共振线共振线、主共振线 由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线 称为共振线。由第一激发态直接跃迁至基 态的谱线称为主共振线（第一共振线 ） 3.3.分析线、灵敏线、最后线分析线、灵敏线、最后线 用来定性或定量分析的特征谱线称用来定性或定量分析的特征谱线称分析线分析线。 每种元素的原子光谱线中，凡每种元素的原子光谱线中，凡具有一定强度具有一定强度 、能标记某元素存在的特征谱线、能标记某元素存在的特征谱线，称为该，称为该 元素的元素的灵敏线灵敏线。 当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能 坚持出现的最后一条谱线，称坚持出现的最后一条谱线，称最后线最后线，也，也 是最灵敏线。是最灵敏线。 最后线不一定是最强的谱线。最后线不一定是最强的谱线。 （主共振线通常是最强的谱线）（主共振线通常是最强的谱线） 4. 4. 原子线、离子线原子线、离子线 原子线原子线() () ：原子原子核外激发态电子核外激发态电子跃迁跃迁 回基态所发射出的谱线。回基态所发射出的谱线。 M * M * M M (I) (I) 离子线离子线(,) (,) ：离子离子核外激发态电子核外激发态电子 跃迁回基态所发射出的谱线。跃迁回基态所发射出的谱线。 M M+ + * * M M + + () () M M2+* 2+* M M2+ 2+ () () （二）（二） 谱线强度及其影响因素（谱线强度及其影响因素（重点重点） 谱线的强度是原子发射光谱的定量定性依据谱线的强度是原子发射光谱的定量定性依据 。 I I qp qp = A = Aqp qp N N 0 0 (g(g q q /g/g 0 0 ) ) hhqp qp e e -Eq/kT-Eq/kT 谱线强度的基本公式。 A A qpqp 为原子 为原子由q能态向p能态跃迁的概率 Iqp qp为 为谱线强度 N N 0基态原子数 基态原子数 N Nq q 激发态原子数激发态原子数 gq 、g0 激发态和基态的统计权重（粒子在某 一能级下可能具有的几种不同的状态数） Eq 激发电位 k Boltzmann常数 T 温度K 谱线强度与激发能的关系： 当N0和T一定时，Eq越低，Nq越多，Apq越大 ，谱线强度越强； Ipq与Eq呈反比关系。 每种元素的主共振线激发能最小，是原子中最易 激发的谱线，因此主共振线通常是最强的谱线。 谱线强度与温度的关系： 每一条谱线都有一个最合适的 温度，此温度下谱线强度最大 。 谱线强度与试样中元素含量的关系： I a c （a为与谱线性质、试验条件有关的常数） 即在一定的分析条件下，谱线强度与该元素 在试样中的浓度成正比。因浓度大时发生自吸， 所以上式修正为： I a cb 或 lgI=blgc+lga 原子发射光谱法定量分析的基本公式（记住！ ） （三）谱线的自吸和自蚀 自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外 围的基态或低能态的原子所吸收，从而降 低了谱线的强度。（P25） 自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线将被 吸收很多，从而使原来的一条谱线分裂成 两条谱线。 基态原子对共振线的自吸最严重。 对于自吸和自蚀可用下图表示： 三、原子发射光谱仪 低压交流电弧低压交流电弧 ICPICP 平面衍射光栅平面衍射光栅 摄谱仪摄谱仪 感光板感光板 中阶梯光栅交叉色中阶梯光栅交叉色 散光学系统散光学系统 全谱直读全谱直读 CIDCID电荷注入电荷注入 式检测器式检测器 激发源激发源( ( 光源光源) ) 单色单色 器器 检测检测 器器 数据处理数据处理 与显示与显示 原子发射光谱法的分析过程原子发射光谱法的分析过程 （一）激发源（光源）一）激发源（光源） 1.激发源(光源)的作用: 2. 激发源的性能要求： 灵敏度高灵敏度高 稳定性和再现性强稳定性和再现性强 谱线背景低谱线背景低 适应范围广。适应范围广。 3 3 . .激发源的类型：激发源的类型： A.直流电弧（DCA） B.低压交流电弧（ACA） C.ICP(Inductively Coupled Plasma) 电感耦合等离子体 D.高压火花 E.微波等离子体 . ICP应用应用： 7070多种无机元素多种无机元素的定性、定量分析的定性、定量分析 环境化学、生物化学、海洋化学、材料化学环境化学、生物化学、海洋化学、材料化学 一般只能测定液体一般只能测定液体 ICPMS可进行超痕量分析 HPLC与ICPMS联用可测定一些金属的有 机态（有机汞、有机锡） （二）分光系统 作用： 将样品中待测元素的激发态原子或离子所 发射的特征光经分光后，得到按波长顺序 排列的光谱。 类型： a、棱镜分光系统（折射） b、光栅分光系统（衍射和干涉） （三）检测器（三）检测器 1.1. 摄谱检测系统摄谱检测系统 1.1 1.1 摄谱步骤摄谱步骤： a.a.安装感光板安装感光板在摄谱仪的焦面上在摄谱仪的焦面上 b.b.激发试样激发试样，产生光谱而感光，产生光谱而感光 c.c.显影显影，定影定影，制成谱板，制成谱板 d.d.特征波长，特征波长，定性分析定性分析 e.e.特征波长下的谱线强度，特征波长下的谱线强度，定量分析定量分析 1.2感光板乳剂特性曲线 A曝光量(H) 与曝光强度(I)的关系 B. B. 黑度黑度( (S S) ) C C黑度黑度( (S S) )与曝光量与曝光量( (H H) ) 的关系的关系 对比度对比度：曝光量改变：曝光量改变 时，黑度改时，黑度改 变的程度变的程度 定量分析定量分析: :采用采用 较高的感光板较高的感光板-紫紫 外外 型感光板。型感光板。 定性分析定性分析: :采用采用H H i i 较小即灵敏度较高较小即灵敏度较高 的感光板的感光板-紫外紫外 型感光板型感光板 。 i i 0 0 i i i i 0 0 未曝光部分的透光强度未曝光部分的透光强度 i i 曝光部分的透光强度曝光部分的透光强度 2.光电检测系统 光电转换器（光电倍增管）将光信号变为电信号 。 特点：检测速度快，准确度较高； 适用于较宽的波长范围； 线性范围宽； 受固定的出口狭缝限制，全定性分析较难 。 3.阵列检测器 光电二极管阵列检测器，电荷耦合和电荷注 入式检测器 1、结构：火焰激发源、单色 器和光电检测器 2、类型：按单色器和检测器 组成分： a)火焰光度计：滤光片、硒 光电池及检流计 b)火焰分光光度计：光栅（ 或棱镜）和光电管 3、应用：碱金属、钙等几种 谱线简单的元素测定 （四）火焰光度计 FP6410火焰光度计 参考价格：RMB 9800 四、原子发射光谱摄谱法的四、原子发射光谱摄谱法的定性分析定性分析 1.1.定性分析的基本原理定性分析的基本原理 原子的原子的核外电子能级核外电子能级不同时，跃迁产生不同时，跃迁产生不同不同 波长的光谱线波长的光谱线，通过检测特征光谱线存在与否，通过检测特征光谱线存在与否， 确证某元素可否存在。确证某元素可否存在。 一般利用一般利用2 2 3 3根根原子线、离子线的原子线、离子线的第一共振线、第一共振线、 最灵敏线、最后线、分析线最灵敏线、最后线、分析线进行定性分析进行定性分析 。 2.2.定性分析的方法定性分析的方法 A标准样品与试样光谱比较法 v用标准样品与试样在相同的条件下摄谱 v比较标准样品与试样所出现的特征谱线 v若试样光谱中出现标准样品所含元素的23条 特征谱线（一般看最后线），就可以证实试 样中含有该元素，否则不含有该元素。 B.B.标准铁光谱图比较法标准铁光谱图比较法 以铁光谱作为波长标尺以铁光谱作为波长标尺 标有标有6565种元素的种元素的480480条特征谱线条特征谱线 上标：上标：谱线的强度级（谱线的强度级（1 1 1010级）级） 下标：下标：原子线原子线()()与离子线与离子线( +( +、 2+ 2+、 3+ ) 3+ ) 底标：底标：波长十位后尾数，波长十位后尾数，12.32712.312.32712.3埃、埃、47.3 2747.347.3 2747.3埃埃 标准铁光谱比较法操作：标准铁光谱比较法操作： 摄制试样光谱时，在感光板上摄制摄制试样光谱时，在感光板上摄制1212条铁光谱条铁光谱 在在8W-8W-光谱投影仪上将感光板上光谱放大光谱投影仪上将感光板上光谱放大2020倍倍 以铁光谱作为波长标尺，使感光板上的铁光谱与以铁光谱作为波长标尺，使感光板上的铁光谱与 标准铁光谱上的铁光谱对齐且平行标准铁光谱上的铁光谱对齐且平行 找出标准铁光谱上所标有各元素的特征谱线在试找出标准铁光谱上所标有各元素的特征谱线在试 样光谱中是否出现样光谱中是否出现 若某元素的若某元素的2323条特征谱线出现，该元素就存在条特征谱线出现，该元素就存在 再根据所出现的谱线相对强度级，估计相再根据所出现的谱线相对强度级，估计相 对含量对含量 五、原子发射光谱摄谱法的半定量分析 1.1.谱线强度（黑度）比较法谱线强度（黑度）比较法 v 将试样与已知不同含量的系列标准 样品在一定条件下摄谱于同一光谱 感光板上 v 在映谱仪上用目视法直接比较被测 试样与标样光谱中分析线黑度 v 根据黑度，估计欲测元素的近似含 量 2.2.谱线强度（黑度）比较法的应用谱线强度（黑度）比较法的应用 vv 地质普查地质普查vv 地质勘探地质勘探 vv 矿物品位矿物品位 标样-1：0.001% 标样-2：0.003% 标样-3：0.01% 标样-4：0.03% 标样-5：0.1% 未知样-1 未知样-2 六、原子发射光谱摄谱法的定量分析 1. 定量分析的基本关系式： I = AI = AC C b b 求对数，得：求对数，得： log I = b log C + log Alog I = b log C + log A 式中：式中：b b=1 =1 没有自吸没有自吸, , b b1, 1, 有自吸有自吸 A A： g g i i /g/g 0 0 e e -Ei/kT-Ei/kT(1- (1- )k/)k/ A A i i hh i i 与跃迁几率、统计权重、激发电位、激发温度与跃迁几率、统计权重、激发电位、激发温度 、逸出速率常数、逸出速率常数、蒸发速率常数、蒸发速率常数、电离度有关电离度有关 2.2.内标法内标法 A. A. 内标法的原理内标法的原理 在待测元素的谱线中选一条谱线作为在待测元素的谱线中选一条谱线作为分析线分析线。 选择一种元素的一条特征谱线选择一种元素的一条特征谱线-称为：称为：内标线内标线 可以是人为加入特定含量的元素，也可以是试样可以是人为加入特定含量的元素，也可以是试样 中的基体成份中的基体成份-称为：内标元素称为：内标元素 以分析线与内标线强度比进行定量分析以分析线与内标线强度比进行定量分析-内标法内标法 所选用的分析线与内标线的组合称为所选用的分析线与内标线的组合称为分析线对分析线对。 loglogR=R=log(log(I I分 分 / / I I 内内)= )= b bloglogC C+log +log K K B. B. 内标法的公式内标法的公式 设分析线和内标线的强度分别为设分析线和内标线的强度分别为I I分 分和 和I I内 内，则 ，则: : I I 分分= a = a分 分 C C 分分 b b 分分 I I 内内= a = a内 内 C C 内内 b b 内内 分析线和内标线的相对强度比：分析线和内标线的相对强度比： R=IR=I分 分/ I / I内 内= a = a分 分 C C 分分 b b 分分 / a/ a内 内 C C 内内 b b 内内 当内标元素的含量固定时，C内为常数；无自吸时，b内=1 内标元素与分析元素的内标元素与分析元素的逸出速率、逸出速率、蒸发速率、蒸发速率、电离度、电离度、跃迁几跃迁几 率、统计权重、激发电位、激发温度相近时：率、统计权重、激发电位、激发温度相近时：a a分 分=a =a内 内 因此：因此：R=IR=I分 分 / / I I 内内= = KCKC分 分 b b 分分 ，式中：，式中： K K = = a a分 分 / ( / (a a内 内 C C 内内 b b 内内 ) ) 取对数后得到 : loglogR=R=log(log(I I分 分 / / I I 内内)= )= b b分 分log logC C分 分+log +log K K 简化后得到简化后得到 : : loglogR=R=log(log(I I分 分 / / I I 内内)= )= b bloglogC C+log +log K K 此为内标法定量分析的基本公式，请记住！此为内标法定量分析的基本公式，请记住！ 分析线对应具有相同或相近的激发电位和 电离电位 内标元素与分析元素应具有相近的沸点， 化学活性及相近的原子量 内标元素的含量，应不随分析元素的含量 变化而变化 内标线及分析线自吸要小 分析线和内标线附近的背景应尽量小 分析线对的波长、强度及宽度也尽量接近 C.使用内标法必须具备下列条件 D. 摄谱法定量分析的基本关系式 I I = = A A C C b b HH = = I I t t 摄谱法系以光谱感光板作为检测器，故此时应考虑谱线黑度 与被测定元素含量的关系.当分析线对的谱线所产生的黑度均落 在乳剂特性曲线的直线部分时，对于分析线和内标线分别得到: S S 分分 = =分 分log logHH分 分 i i分 分= =分 分log logI I分 分 t t 分分 -i -i 分分 S S 内内 = =内 内log logHH内 内 i i内 内= =内 内log logI I内 内 t t 内内 -i -i 内内 在同一块的同一条谱带上，曝光时间相等，即: t分 分= t内内 两条谱线的波长一般要求很接近，且其黑度都落在乳剂特性 曲线的直线部分: i分 分=i内内 , , 分 分=内内= = 故将S1减S2，得到黑度差: S S = = S S分 分 S S 内内 = = 分 分log logI I分 分 内内log logI I内 内= = lg( lg(I I分 分 / /I I 内内 ) ) 将内标法定量分析的基本公式将内标法定量分析的基本公式 loglogR=R=log(log(I I分 分 / / I I 内内)= )= b bloglogC C+log +log K K 代入前式（即左下式）得下列右式：代入前式（即左下式）得下列右式： S S = = S S分 分 S S 内内 = = 分 分log logI I分 分 内内log logI I内 内 = = lg( lg(I I分 分 / /I I 内内 ) ) S S = = S S分 分 S S 内内 = = loglogR R = = log(log(I I分 分 / / I I 内内 ) ) = = b bloglogC C+ + log log K K 此即基于内标法原理的以摄谱法进 行光谱定量分析的基本关系式。 E、基体效应的影响 试样组份影响弧焰温度，弧焰温度又直接影响待测 元素的谱线强度，由于其它元素共存而影响待测元 素谱线强度的作用称为第三元素的影响或基体效应 ，对于成分复杂的样品来说，第三元素的影响往往 是很显著的同并引起较大的分析误差。 为了减少试样成分对弧焰温度的影响，稳定弧焰温 度，经常加入一些光谱添加剂（如缓冲剂）。 3、AES定量分析方法 a.工作曲线法：三标准试样法 log log I I log log C C log log I I = = b b log log C C + log + log A A S S loglogC C S S = = bbloglogCC+ + log log AA loglogC C loglogR R loglogR=R=log(log( I I 分分/ / I I 内内)= )= b b loglog C C +log +log A A b.标准加入法（增量法） 当测定低含量元素，无合适的基体配制 标准样品时采用此法。见P35 此法在火焰光度法中有应用，此外还有 标准加入比较法。 特征谱线 E3=hc/3 E2=hc/2不同 E1=hc/1 不同原子自己独特的特征谱线 分析依据 定性 定量 某物质特征谱线存在与否 应用：元素/特别是金属分析 仪器 光源试样原子蒸气激发态 特征谱线单色器检测器 原子发射光谱法特点及适用范围 （1）操作简单、分析快速 （2）灵敏度高 （3）选择性好 （4）试样用量较少 （5）微量分析准确度高 （6）只能确定物质的元素组成与含量， 不能给出物质分子及其结构的信息。 原子发射光谱法的应用 生物、食品、环境样品的分析 植物灰分组成测定 土壤常量和微量组分的分析 元素的价态分析 原子发射光谱法的应用举例 潮州草药、凉茶中的微量元素 分析垃圾焚烧飞灰中重金属元素 血液中铁铜镁钙的快速测定 山药、人参不同部位、不同产地贝母中多种微量元素 原油中的微量金属元素 测定CPU导热硅脂中的铅和镉 饮用水中微量钼 聚氯乙烯塑料中的重金属元素 玩具涂层可迁移重金属含量 木材及木制品中的铜铬砷 MPT-AES法测定乳胶手套中的铁、镍、镁、钙、锌 汽车气门合金中8种元素 ICP-AES测定口香糖中的Ti 桂皮和小茴香中砷、铅、镉和汞的测定 六、原子荧光光谱法（AFS） 原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的 分析方法。该法是以原子在辐射能激发下 发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱 分析法。所用仪器与原子吸收光谱法相近 。 （一）原子荧光光谱法的原理 1. 原子荧光光谱的产生：气态自由原子吸 收特征辐射后跃迁到较高能级，然后又跃迁 回到基态或较低能级。同时发射出与原激发 辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。 原子荧光为光致发光，二次发光，激发光 源停止时，再发射过程立即停止。 2原子荧光的类型（了解部分）：共振荧 光、非共振荧光、敏化荧光。 （1）共振荧光 发射与原吸收线波长相同的荧 光为共振荧光。 （2）非共振荧光 荧光的波长与激发光不同时 ，称非共振