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原子吸收分光光度法 基本原理由于各种元素的原子结构和核外电子排布不同 因此不同元素的原子从基态跃迁至第一激发态 或由第一激发态跃迁回基态 时 吸收 或辐射 的能量不同 因而各种元素的共振线具有不同的波长 所以元素的共振线又称为元素的特征谱线 因为从基态到第一激发态的跃迁最容易发生 所以对于大多数元素来说 共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线 在原子吸收分光光度分析中 就是利用处于基态的待测定原子蒸气 对从光源发射出的待测元素的共振线的吸收来进行定量分析的 因而 元素的共振线又称为分析线 1 原子吸收分光光度法 图9 1原子能量的吸收和发射图9 2原子吸收示意图 2 原子吸收分光光度法 原子蒸气对共振辐射的吸收程度是和蒸气中的基态原子数成正比 也即同原子浓度成正比 当一束强度为Io 频率为 的入射光通过原子蒸气后 有一部分光被吸收 其透过光的强度I 与原子蒸气的厚度L 即火焰的宽度 及原子蒸气的浓度C的关系 同有色溶液吸收光的情况完全类似 是服从朗伯比尔定律的 即I Io e K CL 9 1 式中 Io 入射光的强度 I 透过光的强度 K 原子蒸气对频率为 的入射光的吸收系数 L 原子蒸气的厚度 C 原子蒸气的浓度 3 原子吸收分光光度法 仪器装置原子吸收光谱分析所用的仪器称为原子吸收分光光度计 或称原子吸收光谱仪 原子吸收分光光度计分单光束型原子吸收分光光度计和双光束型原子吸收分光光度计两种 单光束原子吸收分光光度计结构如图9 5所示 图9 5单光束原子吸收分光光度计示意图 4 原子吸收分光光度法 一 原子吸收分光光度计的组成1 光源光源的作用是辐射待测元素的共振线 作为原子吸收分析的入射光 光源必须具备以下性能 光源要能发射待测元素的共振线 而且强度要足够大 光源发射的谱线的半宽度要很窄 是锐线光源 应小于吸收线的半宽度 以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量 辐射光的强度要稳定 而且背景发射要小 在原子吸收分光分析中 能作为光源的有空心阴极灯 无极放电灯和蒸气放电灯 应用最广泛的是空心阴极灯 5 原子吸收分光光度法 2 原子化系统原子化系统的作用是提供一定的能量 将试样中待测元素由化合态转变为基态原子蒸气 并使其进入空心阴极灯的辐射光程 1 火焰原子化器火焰原子化是由燃烧气体如乙炔 空气 氢气 空气等提供足够高的温度 有效地使试样蒸发 分解 并使待测元素原子化 雾化器雾化器的作用是将样品雾化产生粒径微细均匀的气溶胶 混合室混合室的作用是将由雾化器来的粒径较大的气溶胶凝结为大液珠 沿泄液管排走 余下的气溶胶与燃气 助燃气预先混合均匀进入燃烧器 以减少火焰的扰动 6 原子吸收分光光度法 燃烧室燃烧室的作用是将进入火焰的气溶胶原子化 产生待测元素的基态原子 当采用不同的燃烧器时 注意调整燃烧器的狭缝宽度和长度 以适应不同的燃烧气的燃烧速率 防止回火爆炸 火焰原子化法的优点是火焰稳定 燃烧安全 背景噪音低 操作简便 应用范围广 不足之处是火焰起稀释作用 样品利用率较低 相对无火焰原子化法灵敏度较低 2 无火焰原子化无火焰原子化的方法很多 目前应用较多的原子化装置是高温石墨炉原子化器 高温石墨炉原子化法是将样品夹在内径为4mm 外径为6mm 长约53mm的石墨管中 使样品发生蒸发 热解 还原及生成碳化物等化学反应 最终生成原子化的蒸气 7 原子吸收分光光度法 3 光学系统光学系统又称分光系统或单色器 原子吸收分光光度计的光学系统主要由色散元件 狭缝及凹面反射镜组成 图9 7是常用的分光系统的光路图之一 图9 7分光系统示意图 8 原子吸收分光光度法 4 检测系统 1 检测器检测器的作用是将单色器分出的光讯号进行光点转换 在原子吸收分光光度计中常用光电倍增管做检测器 2 放大器放大器的作用是将光电倍增管输出的电压信号进行放大 3 对数变换器对数变换器的作用是使信号在进入指示仪表之前 进行对数变换 使给出的电压信号变化与试样浓度呈线性关系 在指示仪表上显示出与试样浓度成正比例的数值 4 指示仪表测定值最终由指示仪表表示出来 9 原子吸收分光光度法 二 原子吸收分光光度计的操作 1 安放待测元素的空心阴极灯 调至适当的灯电流 仪器要充分预热到正常的工作状态才能开始使用 2 调节狭缝和燃烧器高度 3 选择并调整好待测元素的特征波长 4 调节燃气如空气 乙炔流量 点火 并调整火焰至所需的工作状态 5 用电表或记录器指示吸光度 喷入蒸馏水 调零 吸入试液 数秒种后吸光度读数达到平衡位置 读数 6 取下试液 换上蒸馏水记录零线 10 原子吸收分光光度法 7 吸入与试液浓度相近似的标准溶液 待吸光度读数平衡后读数 再换上蒸馏水记录零线 这样就完成一份未知试液的简单测定 8 记录如下条件 空心阴极灯的种类 灯电流 狭缝宽度 火焰的测定位置 测定波长 燃气气压或流量 助燃气气压或流量 单位时间内对试液的吸入量等 对于同一份试液重复测定的次数 可根据所需的准确度及仪器的稳定性来决定 一般测定四 五份未知试液后 重复测定标准溶液一次 以检查仪器测定过程中的稳定情况 如果待测元素浓度太高 吸光度大于1 0时 可转动燃烧器减少吸收光路的长度 从而降低灵敏度 如果待测元素浓度太低 可采用标尺扩展装置 11 原子吸收分光光度法 定量方法 1 工作曲线法原子吸收光谱分析的工作曲线法 与紫外 可见分光光度分析法中的工作曲线法相似 根据样品的实际情况 配制一系列不同浓度的与样品溶液基本组成相近的标准溶液 在选定的实验条件下 用空白溶液 参比液 调零后 将所配制的标准溶液由低浓度到高浓度依次喷入原子化装置 分别测定其吸光度A 以待测元素的浓度C 或所取标准溶液的体积V 为横坐标 以吸光度A为纵坐标绘制A C标准工作曲线 如图9 8所示 然后在完全相同的实验条件下 喷入待测试样溶液 根据测得的吸光度Ax 由标准工作曲线求出试样中待测元素的含量Cx 12 原子吸收分光光度法 吸光度A 溶液浓度C 待测元素吸光度待测元素浓度 图9 8吸光度 浓度标准工作曲线 标准工作曲线法具有简单 快速的特点 可用于同类大批量样品的分析 但是它只适用于样品组成简单或共存元素没有干扰的试样 它的主要缺点是基体的影响较大 13 原子吸收分光光度法 为保证测定的准确度 采用工作曲线法时应注意以下几点 标准溶液的浓度所配标准溶液的浓度 应在吸光度与浓度成直线关系的范围内 其吸光度值应在0 2 0 8之间 以减少读数误差 标准溶液的基体组成标准溶液的基体的组成应与待测试样尽可能一致 以减少因基体不同而产生的误差 操作条件整个测定过程中 光源 喷雾 火焰 单色器通带 检测器等仪器的操作条件应当保持恒定 空白调零将含有与试样相似组分 而不含待测元素的空白溶液预先喷雾 用于仪器调零 以扣除本底空白 或测量其吸光度 从试样的吸光度中扣除 每次测定都应同时绘制标准工作曲线 14 原子吸收分光光度法 2 标准加入法若试样的基体组成复杂 待测试样的确切组成不清 或测定纯物质中极微量的杂质元素时 往往采用标准加入法 取若干份 不少于四份 体积相同 例如均为10mL 的试样溶液于型号相同的若干个比色管中 从第二个比色管开始依次分别加入浓度为C0的标准溶液的体积为V0 2V0 3V0 4V0 等 然后用溶剂或蒸馏水稀释至相同的体积后摇匀 在相同的实验条件下 依次测得各比色管中溶液的吸光度为Ax A1 A2 A3 A4 等 以吸光度A为纵坐标 以所取标准溶液的体积 或以比色管中标准溶液的浓度而不是原来标准溶液的浓度 为横坐标绘制A C曲线如图9 9所示 外延曲线与横坐标相交于一点 Cx 此点即为稀释后的试样溶液中待测元素的浓度 由此即可求得原试样溶液中待测元素的浓度 15 原子吸收分光光度法 C Ax Cx A 图9 9标准加入法工作曲线 16 原子吸收分光光度法 3 直接加入法和紧密插入法直接比较法对低浓度范围的测定使用 其测定的基础是光吸收定律 即吸光度与浓度成正比 实际分析中要求样品溶液和标准溶液的吸光度相近 样品溶液中待测元素的含量按下式计算 式中 AS 标准溶液的吸光度 AX 样品溶液的吸光度 CS 标准溶液中的浓度 CX 样品溶液中的浓度 17 原子吸收分光光度法 操作条件的选择和干扰现象的排除 一 操作条件的选择1 空心阴极灯工作电流的选择 选择适当浓度的待测元素的标准溶液 使其吸光度在0 2 0 6之间 空心阴极灯预热稳定后 约需10 30min 以1 2mA的步幅改变灯电流 测定吸光度 绘制灯电流 吸光度曲线 选择吸光度高的灯电流作为工作电流 18 原子吸收分光光度法 2 火焰的选择一般的选择原则是 若在火焰中容易生成难解离化合物的元素以及易生成耐热氧化物的元素 应当选用高温火焰 而对于易电离易挥发的碱金属元素 应当选用低温火焰 原子吸收分光光度计所采用的火焰 主要是乙炔 空气和乙炔 一氧化二氮 乙炔 空气火焰是应用最广的火焰 火焰温度可达2300 能够测定大多数元素 乙炔 一氧化二氮火焰的温度高 可达2900 并可形成还原性很强的气氛 用于测定在乙炔 空气火焰中难解离的元素 如 铅 硅 硼 钨 钒 锆等 除以上两种火焰外 还有空气 氢气火焰 它温度低 但在短波部分吸收少 适合于测定分析线在230nm以下的元素 19 原子吸收分光光度法 3 分析线的选择常选用最灵敏的共振线作为分析线 但为了克服某些干扰 以及待测元素含量高时 也可选择次灵敏线或其他谱线作为分析线 常见元素的分析线和火焰类型见表9 2 4 吸收高度选择吸收高度指光通过火焰的高度 合适的火焰高度应当通过实验来选择 其方法是喷入一定浓度的标准溶液 缓慢移动燃烧器 每改变一定高度重调零点 然后测定其吸光度 在获得最大吸收处即为合适的火焰高度 20 原子吸收分光光度法 5 狭缝宽度的选择合适的狭缝宽度可通过实验确定 具体方法是 将试液喷入火焰 调节狭缝宽度 测定不同狭缝宽度时的吸光度 当测得在某一狭缝宽度时 吸光度趋于稳定 再调整狭缝时 吸光度立即减少 不引起吸光度减小的最大狭缝宽度 就是应该选择的最合适的狭缝宽度 6 助燃气体与燃气的流量比最佳流量比应通过实验选定 即配制一标准溶液喷入火焰 再固定助燃气流量的条件下 改变燃气流量 测出吸光度值 吸光度最大时的燃气流量 就是最佳燃气流量 实际工作中 对空气 乙炔火焰调节流量 使火焰呈淡蓝色状态下进行测定 一氧化二氮 乙炔火焰调节流量比1 1左右 21 原子吸收分光光度法 7 试液提取量的选择一般选择试液提取量在3 6ml min范围 具有最佳吸收灵敏度 最佳试液提取量应通过实验选择 具体方法是 在保持一定的燃助比与一定的总气体流量的条件下 调节毛细管与喷嘴口之间的相对位置 改变试液提取量 测定吸光度随雾化器提取量的变化 当达到最大吸光度值时的提取量 就是最佳试液提取量 22 原子吸收分光光度法 原子吸收分光光度法的应用 一 测定前的准备1 试样的处理通常需将固体试样制备成溶液 在分解试样的过程中 应尽可能不引进对被测元素有干扰的物质 无机固体试样的分解 通常可采用酸分解法 碱熔融法或高压溶样法 有机固体样品 用干法或湿法 先在电炉上处理 然后在高温炉中灼烧 消化有机物 再将消化后的残留物溶解再适当的溶剂中 如果湿As Se Hg Sb Cd Pb等易挥发的元素 应用湿法灰化 23 原子吸收分光光度法 固体样品也可利用石墨炉原子化器直接分解 控制温度 在原子化阶段前 在干燥和灰化阶段使有机物基体除去 试样中溶质含量一般应控制在1 2 不超过5 无机液体试样一般可直接进样 浓度过高 用水适当稀释 有机液体试样 可以用相同的有机液体作空白 如果干扰测定 用HNO3 HCl HClO4消解后测定 在火焰原子化法中 以稀盐酸活硝酸作介质为佳 因为硫酸有分子吸收 磷酸产生化学干扰 在石墨炉法中 采用硝酸为介质 由于一些金属氯化物在灰化阶段易挥发造成损失 例如Cd Zn等 或产生基体干扰 NaCl CaCl2 MgCl2等 24 原子吸收分光光度法 2 标准溶液的配制以制备试样用的同样溶剂 来制备待测元素的标准溶液 先配制浓度为1mg mL的储备液 然后按需要逐级稀释 酸度约1 盐酸 一般 浓度小于1 g mL的标准溶液 应在当天配制 稀标准溶液宜贮存于聚乙烯塑料瓶中 标准系列浓度的最佳范围约为能得到0 1 0 5的吸光度值 一般以等差间隔配制5个点 并随带空白 标准系列溶液应含有与试液大致相同的酸度和基本元素 25 原子吸收分光光度法 二 原子吸收分光光度计的应用实例实验一铅的原子吸收分光光度计测定 基本原理试样经处理后 导入原子吸收分光光度计中原子化 吸收283 3nm共振线 其吸光度与铅含量成正比 由铅标准溶液绘制的标准曲线比较定量 试剂与仪器试剂 a 硝酸 b 6N硝酸量取38mL硝酸 加水稀释至100mL c 0 5 硝酸量取1mL硝酸 加水稀释至200mL d 10 硝酸量取10 5mL硝酸 加水稀释至100mL 26 原子吸收分光光度法 e 过硫酸铵 f 铅标准溶液精密称取1 0000g金属铅 99 99 分次加入6N硝酸溶解 总量不超过37mL 移入1000mL容量瓶中 加水稀释至刻度 此溶液每毫升相当于1mg铅 铅标准使用液 吸取10 0mL铅标准溶液置于100mL容量瓶中 加0 5 硝酸稀释至刻度 再吸上述稀释液10 0mL 置于1000mL容量瓶中 加0 5 硝酸稀释至刻度 即为每毫升相当于1 g铅的标准使用液 仪器原子吸收分光光度计 27 原子吸收分光光度法 测定步骤 a 试样处理 谷类试样除去外壳 磨碎 过20目筛 混匀 称取1 0 5 0g置于瓷坩埚中 加5mL硝酸放置30min 小火蒸干 继续加热炭化 移入高温炉中 500 灰化1h 取出放冷 再加1mL硝酸浸湿灰分 小火蒸干 称2g过硫酸铵复盖灰分 再移入高温炉中 800 灰化20min 冷却后取出 以0 5 硝酸溶液将其全部转移入100mL容量瓶中 并稀释至刻度 摇匀备用 饮料 酒 醋等吸取2mL试液入100mL容量瓶中 用0 5 硝酸稀释至刻度 摇匀备用 28 原子吸收分光光度法 b 测定吸取0 05 1 0 2 0 3 0 4 0mL铅标准使用液分别置于100mL容量瓶中 用0 5 硝酸稀释至刻度 摇匀 将试样处理液 空白溶液和标准铅的系列溶液分别导入火焰进行测定 测定条件 灯电流7 5mA 波长283 3nm 狭缝0 2nm 空气流量7 5L min 乙炔流量1L min 灯头高度3mm 氘灯背景校正 以吸光度为纵坐标 铅标准溶液浓度为横坐标绘制标准曲线 由试液的吸光度从标准曲线上查出试液中铅的含量 29 原子吸收分光光度法 计算W 1000 A A0 V 1000式中 A 测定用试液中铅的含量 g mL A0 试剂空白液中铅的含量 g mL W 样品的重量 体积 g或mL V 样品处理后的总体积 mL 讨论 a 要求使用去离子水 即蒸馏水再经离子交换树脂处理过的水 或蒸馏水再经全部玻璃蒸馏器重新蒸馏过的双蒸水 b 所用玻璃仪器均以10 20 硝酸浸泡24h以上 用水反复冲洗 最后用去离子水冲洗晾干后 方可使用 样品中铅含量 mg kg 30 原子吸收分光光度法 实验二可食水产类动物体中铜含量的测定 基本原理样品经处理后 导入原子吸收分光光度计中 原子化后 吸收324 8nm共振线 其吸光度与铜的含量成正比 与标准系列比较定量 试剂与仪器试剂 a 硝酸 b 硝酸 1 4 c 硝酸 4 6 d 硝酸 0 5 99 5 31 原子吸收分光光度法 e 铜标准溶液准确称取1 0000g金属铜 质量分数 99 99 分次加入硝酸 4 6 溶解 总量不超过37mL 移入1000mL容量瓶中 用水稀释至刻度 此溶液每毫升相当于1 0mg铜 f 铜标准使用溶液吸取铜标准溶液10 0mL置于100mL容量瓶中 用硝酸 0 5 99 5 稀释至刻度 摇匀 如此多次稀释至每毫升相当于1 0 g铜即可 仪器原子吸收分光光度计马弗炉捣碎机 32 原子吸收分光光度法 测定步骤 a 样品处理取水产类样品可食部分捣碎成匀浆 称取1 00 5 00g样品 置于石英坩埚或瓷坩埚中 加5mL硝酸 放置0 5h 小火蒸干 继续加热炭化 移入马弗炉中 于 500 25 下灰化1h 取出放冷 再加1mL硝酸浸湿灰分 小火蒸干 再移入马弗炉中 于500 灰化0 5h 冷却后取出 以1mL硝酸 1 4 溶解4次 移入10mL容量瓶中 用蒸馏水稀释至刻度 混匀备用 同时做空白试验 33 原子吸收分光光度法 b 测定吸取0 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0mL铜标准使用溶液 分别置于10mL容量瓶中 加硝酸 0 5 99 5 稀释至刻度 混匀 容量瓶中的溶液每毫升分别相当于0 0 10 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 g铜 将样品溶液 试样空白液和各浓度的铜标准稀释液分别导入最佳条件火焰原子化器进行测定 参考条件 灯电流 波长324 8nm 光谱通带0 5nm 空气流量9L min 乙炔流量2L min 灯头高度6mm 氘灯背景校正 以铜标准溶液含量和对应的吸光度绘制标准曲线 由样品液的吸光度值可从标准曲线上查出样品液中铜含量 34 原子吸收分光光度法 计算样品中铜含量可由下式求出 式中 A1 测定用样品液中铜的质量 g mL A0 试剂空白液中铜含量 g mL V1 样品溶液总体积 mL m 样品量 g 说明火焰原子化时 铜原子再层流火焰中分布较广 因而燃烧器位置不如其它元素重要 35 火焰原子吸收法测食品中钙 原理 样品经湿法消化后 导入原子吸收分光光度计中 经火焰原子化后 吸收422 7nm的共振线 其吸收量与含量成正比 与标准系列比较定量 36 试剂 要求使用去离子水 优级纯试剂 1 盐酸 2 硝酸 3 高氯酸 4 混合酸消化液 硝酸 高氯酸 4 1 5 0 5mol L硝酸溶液 量取45L硝酸 加去离子水并稀释至1000mL 37 6 25g L氧化镧溶液 称取25g氧化镧 纯度大于99 99 加75mL盐酸于1000mL容量瓶中 加去离子水稀释至刻度 7 钙标准溶液 精确称取1 2486g碳酸钙 纯度大于99 99 加50mL去离子水 加盐酸溶液 移入1000mL溶量瓶中 加25g L氧化镧稀释至刻度 贮存于聚乙烯瓶内 4 保存 此溶液每毫升相当于500ug钙 8 钙标准使用液 元素 钙 标准溶液浓度 ug mL 500 吸取标准溶液量 mL 5 0 稀释体积 mL 100 标准应用液浓度 ug mL 25 稀释溶液 25g L镧溶液 38 仪器 1 实验室常用设备 2 原子吸收分光光度计操作方法 1 样品处理 样品制备微量元素分析的样品制备过程中应特别注意防止各种污染 所用设备如电磨 绞肉机 匀浆器 打碎机等必须是不锈钢制品 所用容器必须使用下班或聚乙烯制品 做钙测定的样品不得用石磨研碎 湿样 如蔬菜 水果