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原子吸收分光光度法 AtomicAbsorptionSpectrometry AAS 一 基本原理五 应用与示例二 原子吸收分光光度计三 实验技术四 原子荧光光谱法 原子吸收分光光度法 原子吸收分光光度计装置示意图 利用待测元素所产生的基态原子对其特征谱线的吸收程度来进行定量分析的方法 1802年 伍朗斯顿 Wollasten 在研究太阳连续光谱时 就发现了其中的暗线 原子吸收光谱法的发展 1814 1815年弗兰霍夫 J Fraunhofer 用棱镜 狭缝和望远镜标出太阳光谱中有700多条强弱暗线 并研究了其中的8条 随后的研究表明 这些线相应于O H 2条 Na He Fe Mg Ca 并称为弗兰霍夫线 暗线是由于大气层中的钠原子对太阳光选择性吸收的结果 1860年基尔霍夫 G Kirchhoff 和本生 Bunsen 对碱金属和碱土金属元素的火焰光谱及其伴随发生的自蚀现象进行了研究 AlanWalsh 1916 1998 和他的原子吸收光谱仪在一起 1955年沃尔什提出峰值吸收原理 解决了带宽和光强度的问题 使原子吸收法成为现实 同时荷兰人阿尔克麦得 J T J Alkemade 设计了一个用两个火焰的原子吸收分光光度计 一个火焰作光源 另一个作吸收池 同时一些理论问题被劳伦兹 Lorentz 的经典电子理论和爱因斯坦 Einstein 的量子辐射理论所解释 全世界原子吸收仪的数量 原子吸收分光光度法特点 原子发射光谱测定的是占原子总数不到1 的激发态原子 原子吸收光谱测定的是占原子总数99 以上的基态原子 2 精密度高 准确度高 原子吸收程度受温度变化影响较小 重现性好 稳定性好 1 灵敏度高 比原子发射光谱高几个数量级 绝对灵敏度达10 13 10 15g 3 选择性好 干扰少 干扰易排除 4 应用范围广 可测70多种元素 既可测低含量和主含量元素 又可测微量 痕量和超痕量元素 可测金属 还可间接测非金属元素S P N等 1 目前大多数仪器都不能同时进行多元素的测定 因为每测定一个元素都需要与之对应的一个空心阴极灯 也称元素灯 一次只能测一个元素 2 由于原子化温度比较低 对于一些易形成稳定化合物的元素 如W Ni Ta Zr Hf 稀土等以及非金属元素 原子化效率低 检出能力差 3 受化学干扰较严重 所以结果不能令人满意 4 非火焰的石墨炉原子化器虽然原子化效率高 检测限低 但是重现性和准确性较差 不足 一 基本原理 一 原子吸收线的产生 负压吸入后雾化成小雾粒 吸收一定光辐射 跃迁到较高能级 试液MX M 基态原子 气态 X 气态 高温火焰中蒸发 脱水 分解 E h hc 辐射能 存在有效的吸光质点 即基态原子 原子吸收光谱的产生条件 原子化 不同种类的原子有不同的原子结构 由基态 激发态所需的能量差不同 吸收的光辐射的频率或波长不同 Na 基态 吸收波长为589 0nmMg 基态 吸收波长为285 2nm 原子的能级图 共振线当气态基态原子受特征辐射的照射后 基态原子被激发 伴随着对光的吸收 基态原子从辐射场中吸收能量跃迁到激发态 这一过程称为共振吸收 由这一过程产生的吸收线为共振吸收线 由基态到第一激发态所产生的吸收线为主共振吸收线 第一共振吸收线 若处于激发态的原子 放出光子 能量 回到基态 这一过程称为共振发射 由这一过程产生的发射线为共振发射线 特点 特征线 最灵敏的谱线 由基态 第一激发态所需要的能量最小跃迁几率最大 AAS测定的是基态原子对特征谱线的吸收 二 基态原子数与温度的关系 达到热平衡时 Ni与N0的比值服从波尔兹曼规律 对一定波长的原子谱线 gi go和Ei都是定值 只要火焰的温度一定 可求出Ni No比值 例 计算2000K和3000K时 Na589 0nm的激发态与基态原子数比各是多少 已知gi g0 2解 表列出四种元素在不同温度下的共振线Ni No比值 Ni No比值随温度T变化 对同一元素来说 T越高 Ni No比值越大 说明温度对激发态原子数影响大 对不同元素 激发能越低 共振线波长越长 Ni No比值越大 在原子吸收分析时 温度一般在2000 3500K之间 多数原子Ni No比值很小 No占99 以上 即使易激发的元素 Ni也很小 可忽略 把基态原子数近似看成总原子数N No N No cNi受温度影响大 No受温度影响小 所以原子吸收分光光度法比原子发射光谱法准确度高 又由于No Ni 原子吸收光谱法灵敏度也高 三 原子光谱线的轮廓 吸收系数 频率关系曲线 K0 峰值吸收系数 中心频率 峰值吸收系数对应的频率 1 自然宽度没有外界影响 谱线具有的宽度称为自然宽度 它与激发态原子的平均寿命有关 平均寿命越长 谱线宽度越窄 不同谱线有不同的自然宽度 多数情况下约为10 5 谱线具有宽度的原因 原子性质 自然宽度 外界影响 热变宽碰撞变宽 或压力变宽 2 多普勒 Doppler 变宽 由原子无规则的热运动引起 又称为热变宽 随温度 和相对原子质量 多普勒宽度 多普勒宽度一般为10 2 一个运动着原子发出的光 如果运动方向离开观察者 仪器的检测器如光电倍增管 在观察者看来 其频率较静止原子所发出的光的频率低 即发生红移 相当于 0被拉长 反之 若原子向着观察者运动 则其发出光的频率较静止原子发出的光的频率为高 即发生紫移 是相当于被压缩 这种现象在物理学上称为多普勒效应 因此 检测器接受到的频率是 d 和 d 之间的各种频率 于是谱线变宽 3 压力变宽 碰撞变宽 由粒子 原子 分子 离子和电子 间的相互碰撞导致的谱线变宽 1 同种原子碰撞 赫尔兹马克 Holtzmank 变宽 2 待测原子与其它种粒子碰撞 罗伦兹 Lorentz 变宽 随原子区内气体压力增大和温度升高而增大 可达10 2 4 自吸变宽 由自吸现象引起的谱线变宽 光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子吸收产生自吸现象 从而使谱线变宽 灯电流越大 自吸变宽越严重 吸收系数 频率关系曲线 四 原子吸收值与原子浓度的关系 1 积分吸收 原子吸收线 可以看成是基态原子对若干极为精细 频率相差很小的光波吸收所产生的 若求得相应波长的相应吸收系数 则可根据吸收定律 求得吸收和 积分吸收 根据经典色散理论 将原子蒸气对所有光波的吸收进行积分得到 e为电子电荷 N0为基态原子密度 m为电子质量 c为光速 f为振子强度 代表每个原子中能被入射光激发的平均电子数 在一定条件下对一定的元素 f可视为一定值 由上式可见 积分吸收与基态原子数成正比 与频率和测量条件无关 这是原子吸收测量的重要基础 是一种绝对测量方法 可惜的是原子吸收线的半宽度太小 10 3nm 没有这样高的分辨率的单色仪 例如 若对500nm的波长的谱线进行解析 需要单色器的分辨率为 这也是原子吸收现象发现100多年未能实际使用的原因 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 3nm 10 3nm 需要一个分光系统 谱带宽度为0 0001nm 且连续可调 K 另一方面 即使用分辨率很高的单色器 采用普通的分光光度法所用的连续光源 获得0 xnm纯度很高的光作为原子吸收入射光 只有很少一部分被吸收 1 左右 大部分通过 入射光和透过光强度没有差别 2 峰值吸收法1955年沃尔什指出 在用锐线光源及温度不太高的火焰的条件下 峰值吸收系数与火焰中待测元素基态原子的浓度存在着简单的线性关系 这样N0值可由测定K0而得到 即峰值吸收法 这种方法的关键是 a 光源发射线的中心频率 0e与吸收线的中心频率 0a一致 b 发射线的半宽度 e远远小于吸收线的半宽度 a 1 峰值吸收系数与基态原子浓度的关系由吸收线的轮廓可以看出 峰值吸收系数是积分吸收和吸收线的半宽度的函数 当谱线轮廓所围面积一定时 峰值吸收系数与吸收线的半宽度成反比 峰值吸收系数与积分吸收成正比 即 式中b是比例常数 其值与谱线变宽的物理过程有关 光吸收定律 根据吸光度的定义 设I0和I为 e范围内的照射和通过的光强 且它们分别为在相应光谱带宽内的积分光强 即 2 峰值吸收的测量 很小 可以近似地认为吸收系数Kv在积分限内不随 而变 并且合理地使之等于峰值吸收系数K0 当 原子吸收定量分析基本关系式 影响K的因素 元素的性质 样品的组成 选择的分析线 原子化系统 二 原子吸收分光光度计 光源调制 一 仪器组成 原子吸收分光光度计 1 光源 空心阴极灯发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源 构造阴极 圆筒形筒内熔入被测元素阳极 钨棒装有钛 锆 钽金属作成的阳极管内充气 极间加压500 300伏 放电机理 辉光放电 灯发射的谱线波长取决于阴极材料 阴极溅射 空心阴极灯工作条件 惰性气体 低压 种类 氩和氖 灯电流 灯电源 供电方式 脉冲供电 采用光源调制技术消除原子化器直流发射信号的干扰 2 原子化器 原子化器的作用 提供能量使试样干燥 蒸发和原子化 实现原子化的方法 火焰原子化非火焰原子化低温原子化 1 火焰原子化器 火焰原子化器特点 简单 火焰稳定 重现性好 精密度高 应用范围广 缺点 原子化效率低 只能液体进样 火焰原子化器构造 三部分 喷雾器 混合室 燃烧器 喷雾器与雾化 气动雾化器的雾化效率 5 15 气溶胶直径范围 5 25 m 混合室 混合室的作用 除去大雾滴 使气溶胶与燃气 助燃气充分混合均匀后进入燃烧器以减小对火焰的扰动 降低噪声 MX液体试样 MX固体微粒 MX气态分子 M基态原子 干燥 熔融 蒸发 离解 原子化过程 激发态 离子 分子 燃烧器与火焰 燃烧器的作用 产生火焰 使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化 火焰构造及其温度分布 二 石墨炉原子化器 1 石墨炉原子化器的结构与工作原理 组成部分 加热电源 保护气控制系统 石墨管 冷却系统 1 加热电源提供低电压 10V 大电流 500A 使石墨管迅速加热升温 保护石墨管不被氧化 烧蚀 除去干燥和灰化过程中产生的基体蒸气 避免已经原子化了的原子再被氧化 2 保护气 氩气 作用 3 石墨管管中央有一个小孔 用以加入试样 2 石墨炉原子化器的工作程序 a 进样程序0 100 l b 干燥程序 溶剂的沸点 1 5s l20 60s 室温 干燥升温斜率 干燥保持温度与时间 c 灰化程序 分离干扰元素 100 20000C0 5 5min 灰化升温斜率 灰化保持温度与时间 原子化升温斜率 原子化保持温度与时间 d 原子化程序2000 30000C5 10s e 高温除残程序 30000C3 5s 除残温度与时间 3 石墨炉原子化法的特点 优点 试样利用率高 用样量小 绝对检出限低 可达到10 12 10 14g 试样原子化在惰性气体中和强还原性介质内进行 利于难熔氧化物的原子化 原子在吸收区内的平均停留时间长 原子化效率高 液体和固体试样均可直接进样 缺点 背景吸收较强 必须扣除 测定精密度比火焰法差 三 低温原子化器 低温原子化 利用元素本身或元素的氢化物在低温下的易挥发性进行原子化 原子化温度低于1000 1 汞低温原子化法 2 氢化物原子化法 AsH3 该法适用于Ge Sn Pb As Sb Bi Se和Te等元素 可作价态及形态分析 低酸度 测As III 高酸度 测As III As V 合量 低温原子化优点 检出限比火焰法低1 3个数量级 选择性好 干扰少 类型 新进展 2004年4月 德国耶拿分析仪器股份 AnalytikJenaAG 成功地设计和生产出了连续光源原子吸收光谱仪contrAA 世界第一台商品化连续光源原子吸收诞生了 连续光源原子吸收光谱仪 高聚焦短弧氙灯 可满足全波长 189 900nm 所有元素的原子吸收测定需求 并可以选择任何一条谱线进行分析 可测量元素周期表中七十余个元素 连续光源原子吸收光路原理图 德国耶拿公司技术资料 5 3实验技术 一 样品的处理 试样分解对火焰原子化技术而言 分析的是试样溶液 因此 必须将试样中的被分析物质转入溶液中 a 溶剂溶解 对可用酸碱及其溶液溶解的试样 可以直接称取试样溶解定容即可 b 高温熔融 当试样不能用溶剂溶解时 必须先以熔剂高温熔融 而后以水溶解熔融物 在电热原子化条件下 可以避免这一步 但必须将试样粉碎 防止玷污 污染是限制灵敏度和检出限的重要原因之一 主要污染来源是水 大气 容器和所用的试剂 即使最纯的离子交换水 仍含有10 7 10 9 的杂质 在普通的化学实验室中 空气中常含有Fe Cu Ga Mg Si等元素 一般来说 大气污染是很难校正的 容器污染程度视其质料 经历而不同 且随温度升高而增大 对于容器的选择要根据测定的要求而定 容器必需洗净 对于不同容器 应采取各自合适的洗涤方法 避免损失 浓度很低 小于1 g mL 的溶液 由于吸附等原因 一般说来是不稳定的 不能作为储备溶液 使用时间最好不要超过1 2天 作为储备溶液 应该配置浓度较大 例如1000 g mL以上的溶液 无机储备液或试样溶液置放在聚乙烯容器里 维持必要的酸度 保存在清洁 低温 阴暗的地方 有机溶液在储存过程中 应避免它与塑料 胶木瓶盖等直接接触 注意 2 狭缝宽度选择 在保证检测器接受的能量足够时 吸光度 适当减小光谱通带 3 灯电流选择 在保证有足够强度而且稳定的光强输出的条件下 尽量使用较低的灯电流 4 原子化方法及条件选择 a 火焰原子化关键是确定火焰类型和特性 通过绘制吸光度 燃气 助燃气流量曲线 选出最佳的助燃气和燃气流量 b 石墨炉原子化应合理选择干燥 灰化 原子化及除残温度与时间 二 分析条件的选择 1 分析线选择 一般选用共振线作分析线 但为了排除干扰可选用次灵敏度线作分析线 5 燃烧器高度调节 不同元素在火焰中形成的基态原子的最佳浓度区域高度不同 因而灵敏度也不同 选择燃烧器高度以使光束从原子浓度最大的区域通过 燃烧器高度影响测定灵敏度 稳定性和干扰程度 一般地讲 约在燃烧器狭缝口上方2 5mm附近处火焰具有最大的基态原子密度 灵敏度最高 但对于不同测定元素和不同性质的火焰而有所不同 最佳的燃烧器高度 可通过绘制吸光度A 燃烧器高度H曲线来优选 6 进样量选择以达到满意的吸光度为准 三 干扰及其抑制 1 光谱干扰及其抑制 光谱干扰主要有谱线干扰和背景干扰两种 1 谱线干扰和抑制 光谱通带内与分析线相邻的其它谱线 待测元素的非分析线 非待测元素的吸收线 光源中气体杂质及阴极氧化物的分子吸收等 的干扰 消除干扰方法 a 另选分析线或用双分析线校正 b 减小狭缝宽度以减小光谱通带宽度 c 光源老化 换光源 非吸收线强度的影响结果 工作曲线向浓度轴弯曲 吸收 250nm的光 2 背景干扰 背景吸收是指分子吸收和光散射造成的干扰 盐 如碱金属卤化物 酸 H2SO4 H3PO4 碱金属卤化物的吸收光谱 石墨管壁溅射碳粒有机物灰化产生的固体微粒 例分析线非共振线Ag328 07Ag312 30Ca422 67Ne430 40Hg253 63Al266 92 a 用邻近非共振线校正背景 扣除背景吸收的方法 用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度 而非共振线不产生原子吸收用它来测量背景吸收的吸光度 两者之差值即为原子吸收的吸光度 分析线 非共振线 b 连续光源校正背景 空心阴极灯 元素吸收信号远低于背景吸收信号 可忽略 c 校正背景 塞曼效应 恒定磁场调制方式 平行于磁场方向的偏振光通过原子吸收 背景吸收 垂直于磁场方向的偏振光通过背景吸收 差值 可变磁场调制 原子化器所加磁场的强度可变 即零磁和激磁 但偏振器不旋转 只固定 产生 垂直于磁场方向偏振光 i 零磁 原子化器中吸收线不分裂 测得A AB ii 激磁 原子化器中吸收线分裂 线振动方向垂直于偏振光振动方向 只产生背景吸收AB iii 净吸光度 上述两次测定的差 即为扣除背景后的净吸光度A 波长范围宽 190 900nm 校正准确度较高 可用于强背景校正 AB可高达1 5 2 0 与非Zeeman效应扣背景相比 灵敏度略有下降 因为入射线分裂 使其光强下降 仪器价格昂贵 Zeeman背景校正的特点 指试液与标准溶液物理性质 如粘度 表面张力 密度等 有差别而产生的干扰 是非选择性干扰 消除方法 1 采用与被测试样组成相似的标准样品制作工作曲线 2 标准加入法 2 物理干扰 基体效应 3 化学干扰 在溶液或气相中被测元素与共存的其它组分发生化学反应而引起的干扰 它主要影响被测元素的原子化 化学干扰是选择性干扰 消除方法 1 选择合适的火焰 焦磷酸钙 MgO Al2O3 2 加入释放剂 应用广泛 2CaCl2 2H3PO4 Ca2P2O7 4HClCaCl2 H3PO4 LaCl3 LaPO4 3HCl CaCl2 3 加入保护剂 应用广泛 H2Y2 Mg2 MgY2 2H H2Y2 Al3 AlY 2H 4 加入饱和剂 N2O C2H2火焰测钛时 在试样和标准溶液中加入300mg L以上的铝盐 使铝对钛的干扰趋于稳定 MgO Al2O3 8 羟基喹啉 电离干扰 被测原子在火焰中发生电离而引起的干扰 消除方法 1 选择低温火焰2 加入消电离剂 K K e 纯水溶液 消电离剂 KCl 4 电离干扰 四 定量分析方法 1 标准曲线法 请较详细地叙述测定过程 2 标准加入法 取若干份 如四份 体积相同的试溶样液 cx 从第二份开始 依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液 c0 然后用溶剂稀释至一定体积 定容后浓度依次为 cx cx c0 cx 2c0 cx 3c0 cx 4c0 分别测得吸光度为 Ax A1 A2 A3 A4 1 线性回归法 标准加入法中 测量吸光度的几个溶液的条件 除了待测元素的含量不同外 其它条件都完全相同 故它能消除仪器因素以外的其它干扰 因而准确度较高 被测元素的浓度应在通过原点的标准曲线的线性范围内 最少采用四个点 包括不加标准溶液的试样溶液 来作回归 并且要求第一份加入的标准溶液浓度与被测元素的浓度差别不能太大 即尽可能使cx c0 以免引入较大误差 标准加入法应该进行试剂空白的扣除 此法只能消除基体效应和化学干扰 不能消除分子吸收 背景吸收等引起的干扰 所以使用标准加入法时 要考虑背景的影响 使用标准加入法应注意以下几点 2 一次标准加入法 原子吸收光谱分析法的实验条件比较稳定 所以有时可以采用 cs与试样含量cx相近 3 内标法 消除燃气与助燃气流量 基体组成 表面张力 火焰状态等因素变动所造成的误差 以提高分析的精密度和准确度 在标准溶液和试样中 分别加入一定量的试样中不存在的内标元素 同时测定 绘制 c标准曲线 和 分别为标准溶液中被测元素和内标元素的吸光度 内标法所选内标元素应与被测元素在原子化过程中具有相同的特性 五 分析方法的评价 1 灵敏度 S 是用工作曲线的斜率评价元素的灵敏度 它表示当被测元素浓度或含量改变一个单位时吸收值的变化量 2 特征浓度 S 指产生1 吸收或0 0044吸光度时 所对应待测元素的浓度或质量 S 0 0044c A 火焰 S 0 0044cV A 石墨炉 A Kc 0 0044 KS 3 检测限 D 指能以适当的置信度检出的待测元素的最低浓度 相对检测限c 或最低含量 绝对检测限Q IUPAC定义 可测量的最小分析信号 空白样品多次测定值的平均值 与置信度有关的系数 s0 空白样品多次测定值的标准偏差 n大于或等于20次 检测限不但与影响灵敏度的诸因素有关 而且与仪器的噪音有关 它反映出包括仪器及其使用方法和分析技术在内的极限性能 检测限越低 说明仪器的性能越好 对元素的检测能力越强 cL 或DL c 3 A QL c V 3 A 置信度水平为99 86 时 k 3 A Kc 3s0 KD 例如 测定铅时 0 1 g ml铅的标准溶液产生吸光度为0 24 置信度分别为2 3时 检测限为多少 空白测定20次的均方误差0 012 解 D 0 1 2 0 012 0 24 g ml 0 01 g ml当置信度为3时 D 0 015 g ml 附录 B铅 镉 砷 汞 铜测定法 5 铜的测定 火焰法 测定条件检测波长为324 7nm 用空气 乙炔火焰 背景校正为氘灯或塞曼效应 铜标准储备液的制备精密量取铜单元素标准溶液适量 用2 硝酸溶液制成每1ml含铜 Cu 10 g的溶液 即得 0 5 贮存 标准曲线的制备分别精密量取铜标准储备液适量 用2 硝酸溶液制成每1ml分别含铜0 05 g 0 2 g 0 4 g 0 6 g 0 8 g的溶液 依次喷入火焰 测定吸收度 以吸收度为纵坐标 浓度为横坐标 绘制标准曲线 供试品溶液的制备同铅测定项下供试品溶液的制备 测定法精密吸取空白溶液与供试品溶液适量 照标准曲线制备项下的方法测定 从标准曲线上读出供试品溶液中铜 Cu 的含量 计算 即得 四 原子荧光光谱法 1 原子荧光光谱的产生 一 基本原理 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 2 原子荧光的类型 1 共振荧光 发射线与激发线波长相同 A 起源于基态B 热助共振荧光 例 Zn吸收线 213 86nm发射线 213 86nm 2 非共振荧光 发射线与激发线波长不相同 a 直跃线荧光 Stokes荧光 荧光 激发 b 阶跃线荧光 反Stokes荧光 荧光 激发 3 敏化荧光 受光激发的原子与另一种原子碰撞时 把激发能传递给另一个原子使其激发 后者再以辐射形式去激发而发射荧光 即为敏化荧光 Hg h 1 253 7nm Hg Hg Tl Hg Tl Tl Tl h 2 377 6nm 3 荧光强度 当入射光的强度近似为常量 并为平行均匀的光束 原子化器中的气体为理想气体 自吸可以忽略时 式中 Ia为被吸收的光强 I0为照射光强 A为光源照射检测器的有效截面 L为吸收光程 N为能吸收辐射的原子的总浓度 为吸光系数 荧光光强与被吸收的光强有如下关系 式中 为量子化效率 等于单位时间发射荧光光量子数据 强度 与吸收光光量子数 光强 的比 其最大值为1 因为上式中 LN 2 以