大型分析仪器应用技术-原子吸收分光光度计兰晓继.ppt

一 光分析及其特点opticalanalysisanditsfeature二 电磁辐射的基本性质propertiesofelectromagneticradiation三 光分析法的分类classificationofopticalanalysis四 各种光分析法简介abriefintroductionofopticalanalysis五 光分析的进展developmentofopticalanalysis 光分析基础 fundamentalofopticalanalysis 一 光分析法及其特点opticalanalysisanditscharacteristics 光分析法 基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法 电磁辐射范围 射线 无线电波所有范围 相互作用方式 发射 吸收 反射 折射 散射 干涉 衍射等 光分析法在研究物质组成 结构表征 表面分析等方面具有其他方法不可替代的地位 三个基本过程 1 能源提供能量 1 20ev 2 能量与被测物之间的相互作用 3 产生信号 基本特点 1 所有光分析法均包含三个基本过程 2 选择性测量 不涉及混合物分离 不同于色谱分析 3 涉及大量光学元器件 二 电磁辐射的基本性质basicpropertiesofelectromagneticradiation 电磁辐射 电磁波 以接近光速 真空中为光速 传播的能量 c E h hc c 光速 波长 频率 波数 E 能量 h 普朗克常数电磁辐射具有波动性和微粒性 辐射能的特性 1 吸收物质选择性吸收特定频率的辐射能 并从低能级跃迁到高能级 2 发射将吸收的能量以光的形式释放出来 3 散射丁铎尔散射和分子散射 4 折射折射是光在两种介质中的传播速度不同 5 反射 6 干涉干涉现象 7 衍射光绕过物体而弯曲地向它后面传播的现象 8 偏振只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光 三 光分析分类typeofopticalanalysis 光谱法 基于物质与辐射能作用时 分子发生能级跃迁而产生的发射 吸收或散射的波长或强度进行分析的方法 原子光谱 分子光谱 非光谱法原子光谱 线性光谱 最常见的三种基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱 AAS 原子发射光谱 AES 原子荧光光谱 AFS 基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱 XFS 基于原子核与射线作用的穆斯堡谱 分子光谱 带状光谱 基于分子中电子能级 振 转能级跃迁 紫外光谱法 UV 红外光谱法 IR 分子荧光光谱法 MFS 分子磷光光谱法 MPS 核磁共振与顺磁共振波谱 N 非光谱法 不涉及能级跃迁 物质与辐射作用时 仅改变传播方向等物理性质 偏振法 干涉法 旋光法等 四 各种光分析法简介abriefintroductionofopticalanalysis 1 原子发射光谱分析法以火焰 电弧 等离子炬等作为光源 使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法 2 原子吸收光谱分析法利用特殊光源发射出待测元素的共振线 并将溶液中离子转变成气态原子后 测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法 3 原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后 外层电子从基态或低能态跃迁到高能态 在10 8s后跃回基态或低能态时 发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射 在与光源成90度的方向上 测定荧光强度进行定量分析的方法 4 分子荧光分析法某些物质被紫外光照射激发后 在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光 通过测量荧光强度进行定量分析的方法 6 X射线荧光分析法原子受高能辐射 其内层电子发生能级跃迁 发射出特征X射线 X射线荧光 测定其强度可进行定量分析 7 化学发光分析法利用化学反应提供能量 使待测分子被激发 返回基态时发出一定波长的光 依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法 5 分子磷光分析法处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态 再跃迁返回基态发出磷光 测定磷光强度进行定量分析的方法 利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图 可进行化合物结构分析 根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析 9 红外吸收光谱分析法利用分子中基团吸收红外光产生的振动 转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法 10 核磁共振波谱分析法在外磁场的作用下 核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级 吸收射频辐射后产生能级跃迁 根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析 8 紫外吸收光谱分析法 11 顺磁共振波谱分析法在外磁场的作用下 电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级 吸收微波辐射后产生能级跃迁 根据吸收光谱可进行结构分析 12 旋光法溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系 可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题 旋光计测定糖的含量 13 衍射法X射线衍射 研究晶体结构 不同晶体具有不同衍射图 电子衍射 电子衍射是透射电子显微镜的基础 研究物质的内部组织结构 五 光分析方法的进展developmentofopticalanalysis 1 采用新光源 提高灵敏度级联光源 电感耦合等离子体 辉光放电 激光蒸发 微波等离子体 2 联用技术电感耦合高频等离子体 ICP 质谱激光质谱 灵敏度达10 20g3 新材料光导纤维传导 损耗少 抗干扰能力强 4 交叉 电致发光分析 光导纤维 电化学传感器 5 检测器的发展电荷耦合阵列检测器光谱范围宽 量子效率高 线性范围宽 多道同时数据采集 三维谱图 将取代传统的光电倍增管检测器 光二极激光器代替空心阴极灯 使原子吸收可进行多元素同时测定 三种光分析法测量过程示意图 内容选择 第一节光分析基础fundamentalofopticalanalysis第二节原子光谱与分子光谱atomspectrumandmolecularspectrum第三节光谱法仪器与光学器件instrumentsforspectrometryandopticalparts 结束 atomicabsorptionspectrometry AAS 原子吸收光谱分析基本原理 basicprincipleofAAS 一 概述generalization二 原子吸收光谱的产生formationofAAS三 谱线轮廓与谱线变宽shapeandbroadeningofabsorptionline四 积分吸收与峰值吸收integratedabsorptionandabsorptioninpeakmax五 基态原子数与原子化温度relationofatomicamountingroundwithtemperatureofatomization六 定量基础quantitative 原子吸收分光光度分析法 一 概述generalization 原子吸收现象 原子蒸气对其原子共振辐射吸收的现象 1802年被人们发现 1955年以前 而一直未用于分析化学 澳大利亚物理学家WalshA 瓦尔西 发表了著名论文 原子吸收光谱法在分析化学中的应用 奠定了原子吸收光谱法的基础 之后迅速发展 特点 1 检出限低 10 10 10 14g 2 准确度高 1 5 3 选择性高 一般情况下共存元素不干扰 4 应用广泛 可测定各种样品中70多个元素 局限性 难熔 非金属元素测定困难 不能同时进行多元素分析 二 原子吸收光谱的产生formationofAAS 1 原子的能级与跃迁基态 第一激发态 吸收一定频率的辐射能量 产生共振吸收线 简称共振线 吸收光谱激发态 基态发射出一定频率的辐射 产生共振发射线 也简称共振线 发射光谱 2 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 三 谱线的轮廓与谱线变宽 原子结构较分子结构简单 理论上应产生线状光谱吸收线 实际上用特征吸收频率辐射光照射时 获得一峰形吸收 具有一定宽度 由 It I0e Kvb 透射光强度It和吸收系数及辐射频率有关 以Kv与 作图 表征吸收线轮廓 峰 的参数 中心频率 O 峰值频率 最大吸收系数对应的频率 中心波长 nm 半宽度 O 吸收峰变宽原因 1 自然宽度照射光具有一定的宽度 2 温度变宽 多普勒变宽 Vo多普勒效应 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 就高 3 压力变宽 劳伦兹变宽 赫鲁兹马克变宽 VL由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化 劳伦兹 Lorentz 变宽 待测原子和其他原子碰撞 随原子区压力增加而增大 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 自吸变宽光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象 灯电流越大 自吸现象越严重 5 场致变宽外界电场 带电粒子 离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象 影响较小 在一般分析条件下 Vo为主 四 积分吸收和峰值吸收 1 积分吸收钨丝灯光源和氘灯光源 经分光后 光谱通带为0 2nm 而原子吸收线半宽度 10 3nm 如图 若用一般光源照射时 吸收光的强度变化仅为0 5 灵敏度太差 理论上 讨论 如果将公式左边求出 即谱线下所围面积测量出 积分吸收 可得到单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数N0 这是一种绝对测量方法 现在的分光装置无法实现 10 3 若 取600nm 单色器分辨率R 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 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 0一致 2 发射线的 1 2小于吸收线的 1 2 提供锐线光源的方法 空心阴极灯 3 峰值吸收 采用锐线光源进行测量 则 e a 由图可见 在辐射线宽度范围内 K 可近似认为不变 并近似等于峰值时的吸收系数K0 将It I0e Kvb代入上式 则 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 上式的前提条件 1 e a 2 辐射线与吸收线的中心频率一致 五 基态原子数与原子化温度 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 热力学平衡时 两者符合Boltzmann分布定律 上式中Pj和PO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 六 定量基础 峰值吸收系数 当使用锐线光源时 可用K0代替Kv 则 A kN0bN0 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 内容选择 第一节原子吸收光谱分析基本原理basicprincipleofatomicabsorptionspectroscopy第二节原子吸收分光光度仪atomicabsorptionspectrometer第三节干扰的类型与抑制interferencesandelimination第四节操作条件选择与应用choiceofoperatingconditionandapplication第五节原子荧光光谱分析法atomicfluorescencespectrometry AFE 结束 一 流程generalprocess二 光源lightsources三 原子化装置deviceofatomization四 单色器monochromators五 检测器detector 原子吸收光谱仪及主要部件 原子吸收光谱分析法 atomicabsorptionspectrometerandmainparts atomicabsorptionspectrometry AAS 原子吸收仪器 1 原子吸收仪器 2 原子吸收仪器 3 原子吸收仪器 4 一 流程 1 特点 1 采用锐线光源 2 单色器在火焰与检测器之间 3 原子化系统 2 原子吸收中的原子发射现象 在原子化过程中 原子受到辐射跃迁到激发态后 处于不稳定状态 将再跃迁至基态 故既存在原子吸收 也有原子发射 但返回释放出的能量可能有多种形式 产生的辐射也不在一个方向上 对测量将产生一定干扰 消除干扰的措施 将发射的光调制成一定频率 检测器只接受该频率的光信号 原子化过程发射的非调频干扰信号不被检测 二 光源 1 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 光源应满足如下要求 1 能发射待测元素的共振线 2 能发射锐线 3 辐射光强度大 稳定性好 2 空心阴极灯 结构如图所示 3 空心阴极灯的原理 优缺点 1 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 a 施加适当电压时 电子将从空心阴极内壁流向阳极 b 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 c 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 d 用不同待测元素作阴极材料 可制成相应空心阴极灯 e 空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关 三 原子化系统 1 作用将试样中离子转变成原子蒸气 2 原子化方法 a火焰法b无火焰法 电热高温石墨管 激光 3 火焰原子化装置 雾化器和燃烧器 1 雾化器结构如图所示 主要缺点 雾化效率低 原子化器 2 火焰 试样雾滴在火焰中 经蒸发 干燥 离解 还原 等过程产生大量基态原子 火焰温度的选择 a 保证待测元素充分离解为基态原子的前提下 尽量采用低温火焰 b 火焰温度越高 产生的热激发态原子越多 c 火焰温度取决于燃气与助燃气类型 常用空气 乙炔最高温度2600K能测35种元素 火焰类型 同一类型的火焰 随着燃气与助燃气比的不同 火焰燃烧状态也不相同 在实际测定中经常要控制不同的然助比来选择较好的火焰 火焰状态大致可分为以下几类 a 贫然性火焰 燃气较少 助燃气较多 燃烧完全 因此火焰温度较高火焰原子化区域窄 无还原作用 b 富然性火焰 燃气量大 火焰中含有大量的CH CO C等 它具有较强的还原性 有利于热稳定氧化物的原子化然助比大于1 4 火焰类型 c 化学计量火焰 为中性火焰 然助比一般为1 4 日常分析中最为常用 这种火焰层次清晰 稳定 燥音小 干扰少 背景低 火焰温度适宜 不足之处是还原性差 一般贫燃火焰用于测定碱金属 而富燃火焰测定难原子化的元素 通常富燃火焰温度高 而贫燃火焰原子化温度低 火焰种类及对光的吸收 选择火焰时 还应考虑火焰本身对光的吸收 根据待测元素的共振线 选择不同的火焰 可避开干扰 例 As的共振线193 7nm由图可见 采用空气 乙炔火焰时 火焰产生吸收 而选氢 空气火焰则较好 空气 乙炔火焰 最常用 可测定30多种元素 N2O 乙炔火焰 火焰温度高 可测定的增加到70多种 4 石墨炉原子化装置 1 结构如图所示外气路中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 2 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 3 优缺点 优点 原子化程度高 试样用量少 1 100 L 可测固体及粘稠试样 灵敏度高 检测极限10 12g L 缺点 精密度差 测定速度慢 操作不够简便 装置复杂 成本高 5 其他原子化方法 1 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 氢化物原子化法 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 2 冷原子化法 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 四 单色器 1 作用将待测元素的共振线与邻近线分开 2 组件色散元件 棱镜 光栅 凹凸镜 狭缝等 3 单色器性能参数 1 线色散率 D 两条谱线间的距离与波长差的比值 X 实际工作中常用其倒数 X 2 分辨率仪器分开相邻两条谱线的能力 用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值 表示 3 通带宽度 W 指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围 当倒色散率 D 一定时 可通过选择狭缝宽度 S 来确定 W D S 五 检测系统 主要由检测器 放大器 对数变换器 显示记录装置组成 1 检测器 将单色器分出的光信号转变成电信号 如 光电池 光电倍增管 光敏晶体管等 分光后的光照射到光敏阴极K上 轰击出的光电子又射向光敏阴极1 轰击出更多的光电子 依次倍增 在最后放出的光电子比最初多到106倍以上 最大电流可达10 A 电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器 2 放大器 将光电倍增管输出的较弱信号 经电子线路进一步放大 3 对数变换器 光强度与吸光度之间的转换 4 显示 记录新仪器配置 原子吸收计算机工作站 内容选择 第一节原子吸收光谱分析基本原理basicprincipleofAtomicabsorptionspectroscopy第二节原子吸收分光光度仪atomicabsorptionspectrometer第三节干扰与抑制interferencesandelimination第四节操作条件选择与应用choiceofoperatingconditionandapplication第五节原子荧光光谱分析法atomicfluorescencespectrometry AFE 结束 一 特征参数featureparameters二 分析条件选择choiceofanalyticalcondition三 定量分析方法methodofquantitativeanalysis四 应用applications 分析条件的选择与应用 原子吸收光谱分析法 atomicabsorptionspectrometry AAS choiceofanalyticalconditionandapplication 一 特征参数 1 灵敏度 1 灵敏度 S 指在一定浓度时 测定值 吸光度 的增量 A 与相应的待测元素浓度 或质量 的增量 c或 m 的比值 Sc A c或Sm A m 2 特征浓度 指对应与1 净吸收 IT IS IT 1 100的待测物浓度 cc 或对应与0 0044吸光度的待测元素浓度 cc 0 0044 c A单位 g mol1 1 3 特征质量mc 0 0044 m A单位 g mol1 1 2 检出极限 在适当置信度下 能检测出的待测元素的最小浓度或最小量 用接近于空白的溶液 经若干次 10 20次 重复测定所得吸光度的标准偏差的3倍求得 1 火焰法cDL 3Sb Sc单位 g ml 1 2 石墨炉法mDL 3Sb SmSb 标准偏差Sc Sm 待测元素的灵敏度 即工作曲线的斜率