原子吸收分光光度法.ppt

第十三章 原子吸收分光光度法,药物分析教研室,原子吸收分光光度法 (atomic absorption spectrophotometry),根据蒸气相中被测元素的基态原子对特征辐射的吸收来测定试样中该元素含量的方法。,选择性高，干扰少。,原子吸收分光光度法特点：,2.灵敏度高。 火焰原子化法：10-9g/mL；石墨炉：10-13g/mL 。,3.测定的范围广，测定70多种元素。,4.操作简便、分析速度快。,5.准确度高。火焰法误差1% ，石墨炉法3%-5。,局限性：,工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级范围； 使用不方便，一种元素对应一个空心阴极灯； 某些元素检出能力差，干扰严重,原子吸收分光光度法与 紫外可见吸收光度法异同点,相同点：,1）都是依据样品对入射光的吸收进行测量的。,2）两种方法都遵循朗伯-比耳定律。,3）就设备而言，均由四大部分组成，即光源、单 色器、吸收池（或原子化器）、检测器。,不同点：,1）吸收物质的状态不同。,紫外可见光谱：溶液中分子、离子，宽带分子光谱，可以使用连续光源。,原子吸收光谱：基态原子，窄带原子光谱，必须使用锐线光源。,2）单色器与吸收池的位置不同。,紫外可见：光源单色器比色皿。,原子吸收：光源原子化器单色器。,第一节 原子吸收分光光度法的基本原理,光谱项(spectral term) 描述核外原子量子能级的形式,n M LJ,主量子数 （价电子所处电子层）,总角量子数 （电子的轨道形状，相应的符号： S、P、D等）,内量子数（光谱支项）,光谱项的多重性 （分裂能级数目）,一、原子的量子能级和能级图,原子能级图,光谱学中将原子所有各种可能的能级 状态用图解形式表示。 纵坐标 表示原子的能量E，单位是电子伏特(eV) 或波数(cm-1)。 横线 用光谱支项表示原子实际所处的能级。,原子的价电子在不同能级间的跃迁就产生了原子谱线。,原子从基态激发到能量最低的激发态（称为第一激发态），为共振激发，产生的谱线称为共振吸收线。,共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。常用元素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。,元素的特征谱线,（1）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。 （2）各种元素的基态第一激发态 最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。 （3） 利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析（符合朗伯比尔定律）,二、原子在各能级的分布,理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子数Nj与基态原子数No的关系可用玻尔兹曼 （Boltzmann）方程表示,一般在原子化温度（3000K）大多数元素的最强共振线都低于600nm， Nj/ No值绝大部分在10-3（1%）即Nj 与No相比，激发态原子数可以忽略 。,三、原子吸收线的轮廓和变宽,若将吸收系数Kv 对频率v 作图，称为原子吸收线的轮廓。 若将透过光强 (I0) 对频率v 作图由图可见在中心频率处透过光强度最小。（红线表示部分）,半宽度(half width),指中心频率( )的吸收系数一半处谱线轮廓上两点之间的频率差。吸收线的半宽度主要受下列因素的影响。,分两类： 由原子本身的性质决定,如谱线的自然宽度和同位素效应。 由外界影响引起，如热变宽、压力变宽、电场变宽、磁场变宽、自吸变宽等。,自然宽度（natural width ， ） 在无外界影响下，谱线固有的宽度。激发态原子的寿命愈短，吸收线的自然宽度愈宽。 多数情况下，可忽略不计。 多普勒变宽（Doppler broadening， ） 由无规则的热运动产生，所以又称为热变宽，是谱线变宽的主要因素。 测定的温度越高，被测元素的原子质量越小，原子的相对热运动越剧烈，热变宽越大。,赫鲁茲马克变宽（Holtsmark broadening， ） 又称共振变宽，同种原子间碰撞引起的谱线变宽，它随试样原子蒸气浓度增加而增加。,压力变宽(pressure broadening) 由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级稍微变化，发射或吸收光量子频率改变而导致的变宽。,劳沦茨变宽（Lorentz broadening， ） 吸光原子与蒸气中其它原子或分子等相互碰撞而引起的谱线变宽。随原子区内气体压力的增加和温度升高而增大。,四、原子吸收值与原子浓度的关系,积分吸收(integrated absorption),透过光强度服从Lambert定律，数学表达式为,在原子吸收光谱分析中，把测量气态原子吸收共振线的总能量称为积分吸收。 是指在原子吸收光谱中,原子蒸气所吸收的全部能量,即一条吸收曲线下面所包括的整个面积。积分吸收与基态原子数的关系式为：,这是原子吸收法的重要理论基础，如能准确测量积分吸收，即可求得原子浓度。,积分吸收系数Kv 基态原子数N,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,10-3 nm, (10-3 nm),需要一个分光系统，谱带宽度为 0.0001 nm, 且连续可调,K ,通常光栅分开0.1nm, 分开0.01nm的两束光需要很昂贵的光栅 要分开两束波长相差0.0001nm的光，目前技术上仍难以实现。 此外，即使光栅满足要求，分出的光也太弱，难以用于实际测量,关键性难题,峰值吸收法 (peak absorption),采用锐线光源，通过测定吸收线中心频率的峰值吸收系数计算待测元素的原子数。,K0N,峰值吸收测量的吸光度与试样中被测组分的浓度呈线性,用峰值吸收代替积分吸收进行定量的必要条件,锐线光源的发射线与原子吸收线的中心频率完全一致。 锐线光源发射线的半宽度比吸收线的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的1/51/10 。,普析TAS990原子吸收光谱仪,第二节 原子吸收分光光度计,原子吸收线,原子吸收过程,一、原子吸收分光光度计的主要部件,锐线光源、原子化器、单色器和检测系统,作用： 发射被测元素基态原子所吸收的特征共振线，称为锐线光源（narrow-line source）。 光源的基本要求： 发射辐射波长的半宽度要明显小于吸收线的半宽度，辐射强度大，稳定性好，背景信号低，使用寿命长等。,光源,空心阴极灯 （hollow cathode lamp，HCL）,空心阴极灯发射的光谱主要是阴极元素的光谱，因此用不同的被测元素作阴极材料，可制成各种被测元素的空心阴极灯。 缺点是测一种元素换一个灯，使用不便。,原子化器 (atomizer),作用： 提供能量，使试样干燥，蒸发并转化为所需的基态原子蒸气。被测元素由试样转入气相，并转化为基态原子的过程，称为原子化过程。,火焰原子化法 （flame atomization）,由化学火焰提供能量，使被测元素原子化。常用的是预混合型原子化器，它包括雾化器、雾化室和燃烧器三部分。,雾化器（nebulizer） 将试液雾化。并使雾滴均匀化。雾滴越小，火焰中生成的基态原子就越多。 雾化室的作用，一是使较大雾粒沉降，凝聚从废液口排除；二是使雾粒与燃气，助燃气均匀混合形成气溶胶，再进入火焰原子化；三是起缓冲稳定混合气气压的作用，以便使燃烧气产生稳定的火焰。 燃烧器（burner）的作用是产生火焰，使进入火焰的试样气溶胶蒸发和原子化，常用的是单缝燃烧器。,石墨炉原子化器 （graphite furnace atomizer）,它是一个电加热器，利用电能加热盛放试样的石墨容器，使之达到高温以实现试样的蒸发和原子化。,氢化物发生原子化器 （hydrogen generation atomizer）,一定酸度下，用强还原剂KBH4或NaBH4将As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti元素还原成极易挥发与易受热分解的氢化物。,载气将这些氢化物送入石英管后，在低温下即可进行原子化检测。,特点：原子化温度低，基体干扰和化学干扰小。,冷蒸气发生器原子化器 （cold atom atomizer）,低温原子化方法（一般700900C）；专门用于汞的测定 酸性溶液中， SnCl2将无机汞化物还原为金属汞，它在常温常压下易形成汞原子蒸气。用载气将汞蒸气导入石英吸收管中进行测定。,特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g）,作用：将所需的共振吸收线与邻近干扰线分离。 为了防止原子化时产生的辐射不加选择地都进入检测器以及避免光电倍增管的疲劳，单色器通常配置在原子化器后。 单色器中的关键部件是色散元件，现多用光栅。,单色器,主要由检测器、放大器、对数变换器、显示装置所组成。 检测器的作用是将单色器分出的光信号进行光电转换，常用光电倍增管。,检测系统,原子吸收分光光度计的类型,2双光束原子吸收分光光度计,1单光束原子吸收分光光度计,第三节 实验方法,试样取样及处理 分析线(analytical line) 通常选择共振吸收线作为分析线，因共振吸收线是最灵敏的吸收线。 狭缝宽度 在原子吸收分光光度法中，谱线重叠干扰的几率小，因此，允许使用较宽的狭缝，有利于增加灵敏度，提高信噪比。,一、测定条件的选择,空心阴极灯的工作电流 在保证放电稳定和足够光强的条件下，尽量选用低的工作电流。 原子化条件的选择 在火焰原子化法中，火焰的选择和调节是保证原子化效率的关键之一。 石墨炉原子化法中，原子化程序要经过干燥、灰化、原子化和净化几个阶段，各阶段的温度与持续时间，均要通过实验选择。,原子吸收光谱分析的干扰有光谱干扰、物理干扰、化学干扰、电离干扰和背景吸收等。,二、干扰及其抑制,电离干扰 （ionization interference）,现象： 待测元素在原子化过程中发生电离，使参与吸收的基态原子数减少而造成吸光度下降。 消除方法： 加入消电离剂（易电离元素）,基体干扰 （mareix interference）,现象： 试样在处理、转移、蒸发和原子化过程中，由于试样物理特性的变化引起吸光度下降。 消除方法： 可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。,光学干扰 （optical interference）,原子光谱对分析线的干扰。包括光谱线干扰和非吸收线干扰。 现象 光谱线干扰是试样中共存元素的吸收线与待测元素的分析线相近（吸收线重叠）而产生的干扰。 消除方法： 另选波长或用化学方法分离干扰元素。,非吸收线干扰是一种背景吸收（background absorption）。,现象： 原子化过程中生成的气体分子、氧化物、盐类等对共振线的吸收及微小固体颗粒使光产生散射而引起的干扰。 消除方法： 邻近线法、连续光源（在紫外光区通常用氘灯）法、塞曼（Zeeman）效应法等。,化学干扰 （chemical interference）,现象： 在溶液或气相中由于待测元素与其他共存组分之间发生化学反应而影响待测元素化合物的离解和原子化。 消除方法： 加入释放剂、加保护剂、适当提高火焰温度等。,被测元素浓度含量或改变一个单位，吸光度的变化量。 火焰原子吸收法中常用“特征浓度”表达式：,灵敏度 （sensitivity）,非火焰法(石墨炉)中常用“特征质量”表示 ：,三、灵敏度和检出限,信号等于空白溶液的测量信号的标准偏差3倍时所对应的的浓度（ug/ml）或质量（g或ug）来表示。 计算公式为：,检出限 （detection limit）,四、定量分析方法,标准曲线法： （Ac ）( 同分光光度法 ) 标准加入法：（增量法） 当试样基体影响较大，又没有纯净的基体空白，或测定纯物质中极微量的元素时，可以采用此法。 待测溶液的浓度可用计算法和作图法,cx+0， cx+cs ， cx +2cs ， cx +3cs ， cx +4cs 分别测得吸光度为：A0，A1，A2，A3，A4。 如将直线外推至与横坐标相交，此时浓度cx即为试样中被测元素的浓度。,外推作图法,内标法,对照品溶液和试样溶液中分别加入一定量的内标，同时测定这两种溶液的吸光度比值，As/A内，Ax/A内。绘制As/A内 c标准曲线。 根据试样溶液的Ax/A内，从标准曲线上即可求出试样中待测元素的浓度。,小 结,基本概念,光谱项、原子能级图、共振吸收线、半宽度、热变宽、压力变宽、积分吸收、峰值吸收、空心阴极灯、原子化器、特征浓度、特征质量,吸收线轮廓,具有一定频率范围和形状的谱线，它可用谱线的半宽度来表征。 吸收线轮廓是由自