原子吸收光谱法PPT课件

1 第4章原子吸收光谱法 AtomicAbsorptionSpectrometry AAS 4 1概述4 2基本理论4 3AAS仪器及其组成4 4干扰及其消除方法4 5原子吸收分析方法4 6原子荧光光谱分析简介 2 4 1概述1802年 WollastonW H 发现原子吸收现象 1955年 Australia物理学家WalshA 应用这种现象建立了原子光谱分析方法 60年代中期发展最快 AAS是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法 AAS与AES之比较 相似之处 产生光谱的对象都是原子 不同之处 AAS是基于 基态原子 选择性吸收光辐射能 h 并使该光辐射强度降低而产生的光谱 共振吸收线 AES是基态原子受到热 电或光能的作用 原子从基态跃迁至激发态 然后再返回到基态时所产生的光谱 共振发射线和非共振发射线 3 AAS优点 1 灵敏度高 火焰原子法 ppm级 有时可达ppb级 石墨炉可达10 9 10 14g ppt级或更低 2 准确度高 FAAS的RSD可达1 3 3 干扰小 选择性极好 4 测定范围广 可测70种元素 AAS不足 多元素同时测定有困难 对非金属及难熔元素的测定尚有困难 对复杂样品分析干扰也较严重 石墨炉原子吸收分析的重现性较差 4 4 2基本理论 一 基态原子数与总原子数的关系 待测元素在进行原子化时 其中必有一部分原子吸收了较多的能量而处于激发态 据热力学原理 当在一定温度下处于热力学平衡时 激发态原子数与基态原子数之比服从Boltzmann分配定律 可见 Ni N0的大小主要与 波长 及 温度 有关 即a 当温度保持不变时 激发能 h 小或波长大 Ni N0则大 即波长长的原子处于激发态的数目多 但在AAS中 波长不超过600nm 换句话说 激发能对Ni N0的影响有限 b 温度增加 则Ni N0大 即处于激发态的原子数增加 且Ni N0随温度T增加而呈指数增加 5 尽管原子的激发电位和温度T使Ni N0值有数量级的变化 但Ni N0值本身都很小 或者说 处于激发态的原子数远小于处于基态的原子数 实际工作中T通常小于3000K 波长小于600nm 故对大多数元素来说Ni N0均小于1 Ni与N0相比可勿略不计 N0可认为就是原子总数 总之 AAS对T的变化迟钝 或者说温度对AAS分析的影响不大 而AES因测定的是激发态原子发射的谱线强度 故其激发态原子数直接影响谱线强度 从而影响分析的结果 也就是说 在AES中须严格控制温度 6 二 原子谱线轮廓 以频率为 强度为I0的光通过原子蒸汽 其中一部分光被吸收 使该入射光的光强降低为I 据吸收定律 得 其中k 是频率为 的光吸收系数 注意 K 不是常数 而是与谱线频率 或波长 有关 由于任何谱线并非都是无宽度的几何线 而是有一定频率或波长宽度的 即谱线是有轮廓的 因此将K 作为常数而使用此式将带来偏差 7 根据吸收定律的表达式 以I 和K 分别作图得吸收强度与频率的关系曲线及吸收系数与频率的关系曲线 该曲线的形状成为吸收谱线的轮廓 如下图 可见谱线是有宽度的 原子吸收线宽度一般在0 001 0 005nm 图中 K 吸收系数 K0 最大吸收系数 0 0 中心频率或波长 由原子能级决定 谱线轮廓半宽度 K0 2处的宽度 8 三 谱线变宽因素 Linebroadening 无外界因素影响时谱线具有的宽度 是原子处在激发态时有限寿命的结果 其大小为 K为激发态寿命或电子在高能级上停留的时间 10 7 10 8s 原子在激发态的寿命是有限的 原子在基态停留的时间长 在激发态则很短 且存在正态分布 1 自然变宽 9 2 Doppler变宽 它与相对于观察者的原子的无规则热运动有关 又称热变宽 可见 Doppler变宽 与谱线波长 相对原子质量和温度有关 多在10 3nm数量级 中心频率无位移 只是两侧对称变宽 谱线变宽的主要因素之一 10 微粒之间的相互作用引起的谱线变宽 又称为碰撞变宽 谱线变宽的主要因素之二 它是由于碰撞使激发态寿命变短所致 外加压力越大 浓度越大 变宽越显著 可分为 3 压力变宽 Pressureeffect a Lorentz变宽 待测原子与其它粒子之间的碰撞 变宽在10 3nmb Holtzmark变宽 待测原子之间的碰撞 又称共振变宽 但由于AAS分析时 待测物浓度很低 该变宽可勿略 外界压力增加 谱线中心频率 0位移 形状和宽度发生变化 发射线与吸收线产生错位 影响测定灵敏度 温度在1500 30000C之间 压力为1 013 10 5Pa 热变宽和压力变宽有相同的变宽程度 火焰原子化器 压变宽为主要 石墨炉原子化器 热变宽为主要 11 4 场致变宽 fieldbroadening 包括Stark变宽 电场 和Zeeman变宽 磁场 在场致 外加场 带电粒子形成的场 作用下 电子能级进一步发生分裂 谱线的超精细结构 而导致的变宽效应 在原子吸收分析中 场变宽不是主要变宽 5 自吸与自蚀 Self absorption self reversal 光源 如空心阴极灯 中同种气态原子吸收了由阴极发射的共振线所致 与灯电流和待测物浓度有关 12 在原子吸收光谱中 无论是光源辐射的发射线还是吸收线都有一定的宽度 亦即吸收定律 A K l 中K 不是常数 而应是一定频率范围内的积分值 或称其为积分吸收 式中 e为电子电荷 m为电子质量 f为振子强度 为受到激发的每个原子的平均电子数 与吸收几率成正比 四 积分吸收与峰值吸收系数 此式说明 在一定条件下 积分吸收 只与基态原子数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关 只要测得积分吸收值 即可求出基态原子数或浓度 因此AAS法是一种不需要标准比较的绝对分析方法 1 积分吸收 13 但积分吸收的测定非常困难 因为原子吸收线的半宽度很小 只有0 001 0 005nm 要想测定如此宽度的原子吸收线吸收系数积分值 对波长为500nm 其分辨率应为 如果用连续光谱作光源 把半宽度如此窄的原子吸收轮廓叠加在半宽度很宽的光源发射线轮廓上 所产生的吸收值将是微不足道的 仪器也不可能提供如此高的信噪比 尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现 但一直未用于分析 直到1955年 Walsh提出以 峰值吸收 来代替 积分吸收 从此 积分吸收难于测量的困难得以间接地解决 这样高的分辨率 对现代仪器来说是不可能达到的 14 2 峰值吸收 上式表明 当用锐线光源作原子吸收测定时 所得A与原子蒸气中待测元素的基态原子数成正比 通常K0与谱线的宽度有关 即 1955年 Walsh指出 在温度不太高时 当发射线和吸收线满足以下两个条件 即 当 e a时 发射线很窄 发射线的轮廓可认为是一个矩形 则在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等 即K K0 因此可以 峰值吸收 代替 积分吸收 15 根据Walsh的两点假设 发射线必须是 锐线 半宽度很小的谱线 1 锐线半宽很小 锐线可以看作一个很 窄 的矩形 2 二者中心频率相同 且发射线宽度被吸收线完全 包含 即在可吸收的范围之内 3 Walsh的理论为光源设计具理论指导意义 3 锐线光源 16 AAS仪器由光源 原子化系统 类似样品容器 分光系统及检测系统 4 3AAS仪器及其组成 17 一 光源及光源调制 对AAS光源的要求 a 发射稳定的共振线 且为锐线 b 强度大 没有或只有很小的连续背景 c 操作方便 寿命长 常用光源 空心阴极灯 还有高频率无极放电灯 蒸汽放电灯 18 1 空心阴极灯 HollowCathodeLamp HCL 组成 阳极 钛丝或钽片 吸气金属 阴极 金属空心圆筒 内壁附上待测元素 灯内 低压惰性气体 工作过程 高压直流电 300V 阴极电子 撞击隋性原子 电离 二次电子和正离子维持放电 正离子 轰击阴极 待测原子溅射 聚集空心阴极内被激发 待测元素特征共振发射线 影响谱线性质之因素 电流 充气种类及压力 电流越大 光强越大 但过大则谱线变宽且强度不稳定 充入低压惰性气体可防止与元素反应并减小碰撞变宽 问题 为什么HCL会产生锐线光源 答 低压 原子密度低 LorentzBroadening小 小电流 温度低DopplerBroadening小 故产生锐线光源 19 2 无极放电灯 Electrodelessdischargelamps 工作过程 由于没有电极提供能量 该灯依靠射频 RF 或微波作用于低压惰性气体并使之电离 高速带电离子撞击金属原子产生锐线 特点 无电极 发射的光强度高 是HCL的1 2个数量级 但可靠性及寿命比HCL低 只有15种元素可制得该灯 20 光源调制 来自火焰的辐射背景 连续光谱 直流信号 可与待测物吸收线一同进入检测器 尽管单色器可滤除一部分背景 但仍不能完全消除这些背景对测定的干扰 为此 必须对光源进行 调制 光源调制定义 将入射光所产生的直流信号转换成交流信号 通过电学方法将其与来自火焰的直流信号滤掉 RC电路 从而避免火焰背景干扰 光源调制方法 1 切光器 Chopper 在光源和火焰之间加一金属圆盘 分成四个扇形 其中对角的两个扇形可让入射光通过 并以一定的速度 频率 旋转 入射光被 切 成交变的光 其在光电倍增管的响应为交流信号 2 光源脉冲调制 通过脉冲方式给光源供电 直接产生 脉冲 光 21 二 原子化器 Atomizer 原子化器是提供能量 使试样干燥 蒸发并原子化 产生原子蒸气 要求 原子化效率要高 稳定性要好 雾化后的液滴要均匀 粒细 低的干扰水平 背景小 噪声低 安全 耐用 操作方便 分类 22 1 火焰原子化器 1 组成 由化学火焰提供能量 使被测元素原子化 可分为预混合式和全消耗式 直接注入式 两种 应用较多的为预混合式 预混合式组成 喷雾器雾化室燃烧器火焰 23 a 喷雾器 将试样溶液雾化 供给细小的雾滴 要求稳定 雾粒细而均匀 雾化效率高 适应性高 可用于不同比重 不同粘度 不同表面张力的溶液 b 雾化室 使气溶胶的雾粒更为细微 更均匀 并与燃气 助燃气混合均匀后进行燃烧 撞击球 其作用是把雾滴撞碎 扰流器 可以阻挡大的雾滴进入燃烧器 使其沿室壁流入废液管排出 还可使气体混合均匀 气动雾化器的雾化效率比较低 大约只能达到5 15 24 c 燃烧器 产生火焰使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化 有单缝和三缝两种形式 其高度和角度可调 要求 使火焰稳定 原子化效率高 吸收光程长 噪声小 d 火焰 火焰组成 焰心 预热区 发射强的分子带和自由基光谱 很少用于分析 内焰 第一反应区和中间薄层区 基态原子最多 为分析区 外焰 第二反应区 火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境 25 火焰特性 燃烧速度 指由着火点向可燃性混合气其它点传播的速度 当供气速度大于燃烧速度时 火焰稳定 但过大则导致火焰不稳或吹熄火焰 过小则可造成回火 火焰温度 内焰火焰温度最高 不同类型火焰其温度不同 如下表所示 26 27 火焰的氧化还原特性 任何一种火焰均可按燃气与助燃气的比例分为三类具不同性质的火焰 1 化学计量型 指燃助比近似于二者反应的计量关系 又称中性火焰 温度高 稳定 干扰小 背景低 适于大多数元素分析 2 富燃火焰 燃气比例较大的火焰 燃助比大于化学计量比 燃烧不完全 温度略低 具还原性 适于难分解的氧化物的元素分析 但干扰较大 背景高 3 贫燃火焰 助燃气大于化学计量的火焰 温度最低 具氧化性 适于易解离和易电离的元素 如碱金属 28 火焰的光谱特性 火焰的光谱特性指的是火焰的透射性能 它取决于火焰的成分 并限制了火焰的应用波长范围 可见 烃类火焰在短波区的吸收较大 即透射性能较差 而氢火焰的透射性能则很好 29 2 试样在火焰原子化系统中的物理化学过程 30 1 石墨炉组成包括电源 保护系统和石墨管三部分 保护系统 保护气 Ar 分成两路管外气 防止空气进入 保护石墨管不被氧化 烧蚀 管内气 流经石墨管两端及加样口 可排出空气并驱除加热初始阶段样品产生的蒸汽冷却水 金属炉体周围通水 以保护炉体 电源 10 25V 500A 用于产生高温 2 电热原子化器 石墨炉原子化器 GraphitefurnaceAtomizer 31 石墨管 多采用石墨炉平台技术 如图 在管内置一放样品的石墨片 当管温度迅速升高时 样品因不直接受热 热辐射 因此原子化时间相应推迟 或者说 原子化温度变化较慢 从而提高重现性 32 2 电热原子化过程 干燥 去除溶剂 防样品溅射 灰化 使基体和有机物尽量挥发除去 原子化 待测物化合物分解为基态原子 此时停止通Ar 延长原子停留时间 提高灵敏度 净化 样品测定完成 高温去残渣 净化石墨管 33 3 低温原子化 化学原子化 1 汞蒸汽原子化 测汞仪 将试样中汞的化合物以还原剂 如SnCl2 还原为汞蒸汽 用Ar或N2带入吸收池进行测定 34 2 氢化物原子化 在一定酸度条件下 将试样用NaBH4还原为元素气态氢化物 并通过Ar或N2带入热的石英管内原子化并测定 右图 特点 可将待测物从大量基体中分离出来 DL比火焰法低1 3个数量级 选择性好且干扰也小 35 三 分光系统包括出射 入射狭缝 反射镜和色散原件 多用光栅 单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线 惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开 必须注意 在原子吸收光度计中 单色器通常位于火焰之后 这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳 由于锐线光源的谱线简单 故对单色器的色散率要求不高 线色散率为10 30 mm 四 检测器使用光倍增管并可直接得到测定的吸光度信号 详见前述 36 单光束 1 结构简单 体积小 价格低 2 易发生零漂移 空心阴极灯要预热 双光束 1 零漂移小 空心阴极灯不需预热 降低了MDL 2 仍不可消除火焰的波动和背景的影响 原子吸收仪器类型 37 4 4干扰及其消除 一 物理干扰 来源 试样粘度 表面张力使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰 消除 可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服 二 化学干扰 来源 Analyste Targetspecies 与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰 主要影响原子化效率 使待测元素的吸光度降低 38 消除 1 加入释放剂 SO42 PO43 对Ca2 的干扰 加入La III Sr II 释放Ca2 2 加入保护剂 配合剂 PO43 对Ca2 的干扰 加入EDTA CaY 稳定但易破坏 含氧酸中Mg和Al形成MgAl2O4 使Al急剧下降 加8 羟基喹啉作保护剂 3 加入缓冲剂或基体改进剂 主要对GFAAS 例如加入EDTA可使Cd的原子化温度降低 4 化学分离 溶剂萃取 离子交换 沉淀分离等 39 三 电离干扰 来源 高温导致原子电离 从而使基态原子数减少 吸光度下降 消除 加入消电离剂 主要为碱金属元素 产生大量电子 从而抑制待测原子的电离 如大量KCl的加入可抑制Ca的电离 K K eCa e Ca 40 四 光谱干扰 1 谱线重叠干扰 由于光源发射锐线 因此 谱线重叠干扰的较少 一旦发生重叠干扰 要求仪器可分辨两条波长相差0 1 的谱线 消除 另选分析线 如V线 3082 11 对Al线 3082 15 的干扰 2 非吸收线干扰 来自被测元素自身的其它谱线或光源中杂质谱线 如铬空心阴极灯 Ar357 7nm干扰Cr357 9nm吸收线 消除 减小狭缝和灯电流或另选分析线 41 3 火焰的直流发射 火焰的连续背景发射 可通过光源调制消除 五 背景干扰 1 分子吸收与光散射 分子吸收 火焰生成物的分子对入射光的吸收 粒子散射 火焰中粒子如氧化物 碳粒对光散射 消除 以上两种干扰方式都产生正误差 A增加 更换燃气 如用H2 改变测量参数 T 燃助比 加入辐射缓冲剂 Radiationbuffer 如果知道干扰来源 可在标准液和样品中加入同样且大量的干扰物质 42 2 背景校正方法1 邻近线背景校正 Thetwo linecorrectionmethod 参比谱线选择 参比线与测量线很近 保证二者经过的背景一致 待测物基态原子不吸收参比线 参比线是测量原子的非共振线或元素灯内惰性气体元素的谱线 因为共振线 此时为分析线 的总吸光度AT包括基态原子的吸收A和背景吸收AB 即AT A AB通过测量共振线旁的 邻近线 的吸收 得到AB 此时得到净吸收度A AT AB 43 本法适用于分析线附近背景吸收变化不大的情况 否则准确度较差 由于很难找到符合上述条件的 邻近线 故此法应用极少 44 2 连续光源背景校正 Thecontinuum sourcecorrectionmethod 切光器使锐线源和氘灯源交替进入原子化器 然后分别测定吸光值 A锐 A ABA氘 a AB AB则A A锐 AB A锐 A氘 紫外区用氘灯 可见光区用碘钨灯或氙灯 式中a为基态原子对连续光源的吸光值 因待测原子浓度很低 相对而言 a可勿略 45 3 塞曼效应背景校正 ThebackgroundcorrectionbasedontheZeemaneffect a Zeeman效应 原子蒸汽在强磁场 1T 作用下 各个电子能级会进一步分裂 即每条谱线进一步分裂成2J 1条的现象 n2S 1LJ n2S 1L2J 1 分裂的谱线间波长差很小 约为0 01nm b 校正原理 Zeeman背景校正是根据磁场将 简并的 谱线分裂成具有不同偏振特性的成份 对单重线而言 分裂成振动方向平行于磁场的 线 波长不变 和垂直于磁场的 线 波长增加或降低 并呈对称分布 由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收 46 c 分类 磁场加在原子化器上 分为恒定磁场和可变磁场 恒定磁场调制 原子化器中谱线分裂所产生的 线的振动方向始终平行于磁场 图中B和D 47 i 当通过偏振器光的振动方向 图中A 垂直于磁场或 线振动方向时 只有背景吸收该偏振光 得AB ii 当通过偏振器光的振动方向 图中C 平行于磁场或 线振动方向时 则背景和原子 线均吸收该偏振光 得AB A iii 旋转偏振器 产生的信号交替进入检测器 经电子线路自动进行差减 得到净吸光度A 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 48 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 d Zeeman背景校正的特点 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 49 附 Zeeman扣背景装置各部分的英文表达 50 4 5原子吸收分析方法 一 测量条件优化 1 分析线的选择 通常选共振线 最灵敏线 大多为最后线 但不是绝对的 如Hg185nm比Hg254nm灵敏50倍 但前者处于真空紫外区 大气和火焰均对其产生吸收 共振线Ni232nm附近231 98和232 12nm的原子线和231 6nm的离子线 不能将其分开 可选取341 48nm作分析线 此外当待测原子浓度较高时 为避免过度稀释和向试样中引入杂质 可选取次灵敏线 51 2 Slit宽度选择 调节Slit宽度 可改变光谱带宽 W S D 1 也可改变照射在检测器上的光强 一般狭缝宽度选择在通带为0 4 4 0nm的范围内 对谱线复杂的元素如Fe Co和Ni 需在通带相当于1 或更小的狭缝宽度下测定 3 灯电流选择 灯电流过小 光强低且不稳定 灵敏度下降 灯电流过大 发射线变宽 选择性降低且影响光源寿命 选择原则 在保证光源稳定且有足够光输出时 选用最小灯电流 通常是最大灯电流的1 2 2 3 最佳灯电流通过实验确定 52 4 原子化条件 火焰原子化 火焰类型 温度 背景 氧还环境 燃助比 温度 氧还环境 燃烧器高度 火焰部位 温度 石墨炉原子化 升温程序的优化 具体温度及时间通过实验确定 一般原则 干燥 105oC除溶剂 主要是水 灰化 基体 尤其是有机质的去除 在不损失待测原子时 使用尽可能高的温度和长的时间 原子化 通过实验确定何时基态原子浓度达最大值 净化 短时间 3 5s 内去除试样残留物 温度应高于原子化温度 53 二 测量方法 1 标准曲线法 标液配制注意事项 合适的浓度范围 扣除空白 标样和试样的测定条件相同 每次测定重配标准系列 2 标准加入法 可克服标样与试样基体不一致所引起的误差 基体效应 注意事项 须线性良好 至少四个点 在线性范围内可用两点直接计算 只消除基体效应 不消除分子和背景吸收 斜率小时误差大 3 内标法优点 消除气体流量 进样量 火焰高度 样品雾化率 溶液粘度以及表面张力等的影响 适于双波道和多波道的AAS 54 三 分析方法评价 1 灵敏度 Sensitivity IUPAC规定 分析标准函数的一次导数 即标准曲线的斜率 i 特征浓度 1 吸收灵敏度 产生1 吸收 吸光度值为0 00434 信号所对应的元素浓度 ii 特征质量 对GFAAS 产生1 吸收时水溶液中待测元素的质量 55 置信度为98 5 K 2 置信度为99 7 K 3 上式可以看出 检出限不仅与灵敏度有关 而且还考虑到仪器噪声 因而检测限比灵敏度具有更明确的意义 更能反映仪器的性能 只有同时具有高灵敏度和高稳定性时 才有低的检出限 IUPAC规定 可测量到的最小信号xmin以下式确定 2 检测限 Detectionlimit DL 以特定的分析方法 以适当的置信水平被检出的最低浓度或者最小量 56 4 6原子荧光光谱 AtomicFluorescenceSpectrometry AFS 一 定义 通过测定原子在辐射能作用下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析方法 二 优缺点1 灵敏度高 检出限较低 2 谱线干扰少 可以做成非色散AFS 3 校正曲线范围宽 3 5个数量级 4 易制成多道仪器 多元素同时测定 不足 1 荧光猝灭效应 复杂基体效应等可使测定灵敏度降低 2 散射光干扰 3 可测量的元素不多 57 三 基本原理 1 原子荧光的产生气态原子吸收光源的特征辐射后 原子外层电子跃迁到激发态 然后返回到基态或较低能态 同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射即为原子荧光 是光致二次发光 本质上仍是发射光谱 2 原子荧光类型根据能级跃迁类型 原子荧光可分为 共振荧光和非共振荧光i 共振荧光 发射的荧光波长等于激发光的波长 58 ii 非共振荧光 a 直跃荧光 从激发态直接跃迁至高于基态的亚稳态所发射的荧光 气态原子吸收共振线后 发出与吸收线不同波长的光称为非共振荧光 59 b 阶跃荧光 受激发的气态原子先以非辐射形式失去部分能量回到较低激发态或者受激原子获得非辐射能后再直