原子吸收谱分析讲义（完）.ppt

原子吸收光谱分析,湖北三鑫金铜股份有限公司分析测试中心李进军Tel-mail:Jinjun_li,第一节,原子吸收光谱分析的基本知识,一概述,原子吸收是指呈气态的自由原子对由同类原子辐射出的特征谱线所具有的吸收现象。原子吸收光谱分析法是一种利用被测元素的基态原子对特征辐射线的吸收程度进行定量分析的方法。原子吸收光谱分析是1955年由澳大利亚的沃尔什(AWalsh)博士创立的。19591961年，苏联的李沃夫（Lvov)又发表了电热原子化原子吸收的报告。1965年威尼斯（JBWillis)成功地将氧化亚氮乙炔火焰用于原子吸收分析。自此以后，原子吸收分析法在全世界迅速地发展和广泛地应用。1965年我国有色金属研究总院吴廷照研制成功了我国第一台原子吸收光谱仪。为我国原子吸收分析新技术的发展提供了物质基础。,二特点,原子吸收分析光谱分析法与其它物理化学分析法比较有一些突出的优点。灵敏度高火焰原子吸收灵敏度对多数元素在ppm级以上，对少数元素可以达ppb级。无火焰原子吸收比火焰原子吸收还要灵敏几十倍到几百倍。选择性好共存元素对测定元素干扰少，一般不需要分离。测定速度快样品处理好后一般只需要一分钟就可以测出样品中被测元素的浓度。准确度好在一般情况下，只要仪器稳定，相同时也多次测定的结果相差是很小的，非火焰法差一些。测定元素广泛至今可以直接或间接的测定周期表上七十多个元素。由于以上优点，原子吸收光谱分析法已经得到广泛的应用，其中火焰法较成熟。,三原理,试样中被测元素的化合物在高温中被解离成基态原子，光源发射的特征辐射线经过原子蒸气时，将被选择的吸收，在一定条件下，被吸收的程度与基态原子的数目成正比，通过分光系统，检测器测量该辐射线被吸收的程度就可以测定出试样中被测元素的含量.其具体关系式为:式中：A-吸光度K-常数；C-被测元素在试样中的浓度；I0-入射光强度;I-透过光强；其中I/I0称为透过率。每个元素的空心阴极灯都发出该元素特有的，具有准确波长的光，这些光称为元素的吸收谱线。有很多元素有好几条吸收谱线。谱线的波长单位为纳米（nm）。,四分析类型,1.使用火焰将试样分解成自由基态原子称为火焰原子吸收分析;2.是依靠电加热石墨管（原子化器）将试样气化及分解成为石墨炉原子吸收分析;3.是依靠电加热石英管将试样与强还原剂硼氢化钠反应生成的被测元素的氢化物解离称为氢化法原子吸收分析。,第二节,原子吸收光谱仪,原子吸收光谱仪的装置,原子吸收光谱仪主要由四部分组成：光源原子化器分光系统检测系统,一光源,光源的作用是产生原子吸收所需要的足够窄的共振线。应用于原子吸收光谱仪的光源，必须能发射出比吸收线宽度更窄的、并且强度大而稳定的锐线光谱。它主要是用空心阴极灯来实现。,空心阴极灯,空心阴极灯目前应用最普遍的原子吸收光源。它主要由一个钨棒和一个空心园柱形阴极组成，阴极内含有或衬有待测元素的金属或合金，两电极密封于充有低压惰性气体（氖或氩）的玻璃管中（带有石英窗）。灯与电源连接后，即在空心阴极内发生辉光放电。电子从阴极流向阳极，使充入的惰性,气体的原子电离，生成的气体离子又去轰击空心阴极内壁，使自由原子从阴极四处溅出。溅射出来的原子再与惰性气体原子碰撞而被激发，发射出阴极元素的共振线，同时也包含一些充入气体的原子线和离子线。空心阴极灯充入气体为氖和氩，放电时颜色为橙色是氖，蓝色为氩。,空心阴极灯结构示意图,空心阴极灯分类,单元素空心阴极灯阴极材料为一种纯金属制成，是原子吸收最常用的锐线光源。多元素空心阴极灯阴极内含有几个元素，点燃时能辐射出多种的共振线。高强度空心阴极灯高强度空心阴极灯是在普通灯中增加一对辅助电极。工作时，辅助电极通以几百毫安的低压直流电，则产生电离的气体原子流，从空心阴极溅射出来的金属原子与之碰撞又进一步激发，从而提高了共振线的强度。,二原子化器,原子化器的作用是使被测元素转化为吸收特征辐射线的基态原子。原子化器的性能好坏直接影响测定的灵敏度，同时在很大程度上影响测定的重现性。因此它是原子吸收光谱仪器一个极其重要的部件。目前，原子化器装置由火焰、石墨炉和氢化物发生器三种。我们主要介绍火焰原子化器。,火焰原子化器的结构,火焰原子化器主要由三部分组成：雾化器、雾室及燃烧器，如下图所示：预混合型原子化器,雾化器,雾化器的作用：把试样溶液变成高度分散的雾滴。雾化器的工作过程：助燃气由B管进入雾化器，并在出口处以高速喷出，这时便在出口处造成负压，于是样品溶液便在大气压力之下沿进样毛细管提升上来，随助燃气体一同喷入预混合室中，。雾滴在碰到撞击球后，又一次被粉碎（直径为几个微米）。大雾滴又凝聚成水珠，变成废液由废液口C处流掉。其它雾滴、助燃气与燃气充分混合后进入燃烧器，借助于火焰的热量使待测元素原子化。一般只有1015%左右的喷雾溶液进入火焰。影响雾化的主要因素：1.喷雾助燃气的流量。增加气体流速可将雾滴变小，但流速过大，提高了单位时间内试液的提升量，反而使雾化率降低。2.溶液的物理性质。溶液的粘度、表面张力小时，雾化效率高，许多有机溶液在这方面有着良好的性质，所以应用某些有机溶液可提高灵敏度。此外，硫酸或磷酸溶液的粘度和表面张力较大，应尽量避免使用，而使用盐酸、硝酸溶液。,火焰原子化过程,溶液,雾滴,固体微粒,升华,熔融,分子蒸汽,原子蒸汽,分子蒸汽,基态分子,激发态分子,基态原子,激发态原子,火焰原子化过程示意图,火焰原子化过程,两个阶段第一阶段：从溶液雾化至蒸发为分子蒸汽阶段。这个阶段主要依赖于雾化器的性能，雾滴大小、溶液性质、火焰温度、溶液浓度等。第二阶段：从分子蒸汽至它解离成基态原子。这个阶段主要决定于被测物质的解离能，同时还与火焰的温度及气氛密切相关。四种反应1.热解反应气态分子在火焰高温作用下，离解成自由原子。2.还原反应被测元素的盐类溶液被喷入火焰后，往往要先变成氧化物，它除了被热分解成自由原子外，也会被火焰中的还原成分C、CH、CO、NH、CN等还原。3.电离反应被离解的自由原子，由于火焰高温作用而电离。4.化合反应被测元素有可能与其它元素或火焰产物发生反应，生成各种化合物。,火焰的结构,正常火焰由预热区、第一反应区、中间薄层区和第二反应区组成。,火焰的结构,预热区，亦称干燥区。燃烧不完全，温度不高，试液在这里被干燥，呈固态颗粒。第一反应区，亦称蒸发区。是一条清晰的蓝色光带。燃烧不充分，半分解产物多，温度未达到最高点。干燥的试样固体微粒在这里被熔化蒸发、或升华。通常较少用这一区域作为吸收区进行分析工作。但对于易原子化、干扰效应较小的碱金属，可在该区进行分析。中间薄层区（原子化区）。燃烧完全，温度高。被蒸发的化合物在这里被原子化。是原子吸收分析的主要应用区。第二反应区（电离区）。燃气在该区反应充分。中间温度很高。部分原子被电离，往外层温度逐渐下降，被解离的基态原子有重新形成化合物。因此，这一区域不能用于实际原子吸收分析工作。,火焰的分类,在原子吸收分析中，通常采用乙炔、煤气、丙烷、氢气作燃气，以空气、氧化亚氮、氧气作助燃气。同一类型的火焰，燃气、助燃气的比例不同，火焰的性质也就不同。火焰的燃烧状态可分为三类：1.化学计量火焰化学计量火焰也叫中性火焰。这种火焰的燃气及助燃气基本上是按照它们之间的化学反应提供的。对于空气乙炔火焰，其空气：乙炔约为4：1。火焰蓝色透明，层次清晰，燃烧稳定。它具有温度高、干扰少、背景低等特点。但相对于富燃火焰来说，其中间薄层高度较小。对于不特别易在火焰中形成氧化物的元素，除碱金属外，采用化学计量火焰进行分析较好，这是日常惯用的分析火焰。2.富燃火焰燃气与助燃气之比大于化学反应的当量时，就产生富燃火焰。对空气乙炔火焰，其空气与乙炔之比为4：1.21.5或更多的燃气。这种火焰燃烧不充分，温度较低，层次模糊，黄色发亮。由于内焰中含有大量的半分解产物C、CH、C2H等，具有较强的还原气氛，所以许多易形成氧化物的元素用这种火焰原子化有利。富燃火焰的火焰发射和火焰吸收背景都较强，干扰较多，不如化学计量火焰稳定。3.贫燃火焰当燃气与助燃气之比少于化学反应所需量时，就产生贫燃火焰。对空气乙炔火焰，空气与乙炔之比为4：1至6：1。火焰清晰，呈淡蓝色。由于燃烧充分，火焰温度较高。燃烧不很稳定，原子化区窄小，测定结果重现性稍差。火焰燃烧状态不利于还原性产物的生成，不具有还原性。不能用于易生成氧化物的元素的原子化。除了碱金属可以使用贫燃火焰进行测定外，一些高熔点的惰性金属，如Ag、Pd、Pt、Rh、Ga、In等，亦宜采用贫燃火焰。,火焰类型与有关特性,常用火焰,空气乙炔火焰这是应用最广泛的火焰，目前可用于测定35种元素。空气乙炔火焰温度较高，半分解产物C、CO、CH等在火焰中构成还原气氛，因此有较好的原子化能力。其富燃火焰的半分解产物很丰富，能在火焰中抢夺氧化物中的氧，使被测金属原子化。因此，对易形成稳定氧化物的元素如Cr、Ca、Ba、Mo等，较为有利。2MO+C2M+CO25MO+2CH5M+2CO2+H2O其贫燃火焰适用于熔点高但不易氧化的金属的测定，如Au、Ag、Pt、Ph、Ga、In、Ni、Co及碱金属元素，但稳定性差。其化学计量性火焰适宜于大多数元素的测定。氧化亚氮乙炔火焰这种火焰温度高，能促使离解能大的化合物解离，同时其富燃火焰具有比空气乙炔火焰更强烈的还原性，能更有效地抢夺金属氧化物中的氧，从而使许多高温难离解的金属氧化物原子化。由此，火焰原子吸收分析的元素达到73个。这种火焰温度高，能排除许多化学干扰。但该火焰噪声大，背景强，电离度高。在某些波长区域，光辐射强，因此选择波长要谨慎。在试液中加进大量的碱金属（10002000g/ml),能减少电离干扰效应。氧化亚氮乙炔火焰由三个清晰的带组成。紧靠燃烧器的第一反应带呈深蓝色，第二反应带呈红羽毛状，又称红色羽毛区，充溢着和的强还原气氛，它能保护生成的金属原子，同时使金属氧化物在高温下反应，生成游历原子。氧化亚氮乙炔火焰火焰不能直接点燃。使用不当，极易发生回火爆炸。火焰点燃和熄灭，必须遵循空气乙炔过渡原则。空气煤气火焰空气丙烷火焰空气氢气火焰,三分光系统,分光系统的作用是把用来预测元素的共振线与干扰线分开的一种装置。它由狭缝、色散元件和准直镜等部件组成。如下图所示：,四检测系统,原子吸收光谱仪的检测系统是将分光系统出来的单色光信号转变为电信号，并进行放大检测的装置。主要由光电转换元件、放大器、读数装置三部分组成。现代仪器都有对数转换装置，可以浓度直读，还有标尺扩展、自动调零、曲线矫直、自动增益、积分记录及数字打印等附属装置。特别是计算机的应用，是原子吸收光谱仪的自动化程度大为提高。,第三节,原子吸收光谱分析方法,分析方法,这里主要介绍最常用的两种方法。标准曲线法标准加入法,一标准曲线法,用一系列已知不同浓度的标准溶液与试样溶液在相同条件下测定吸光度，然后以已知不同浓度的标准溶液测得的吸光度对应浓度绘制出标准曲线，再从标准曲线上查得试样溶液的吸光度所对应的浓度，以次进行计算被测元素的含量。这种方法要求标准溶液和试样溶液的浓度在曲线的直线范围内，不能在直线范围外，以防曲线由于各种干扰而产生弯曲，造成A与C不成直线关系。,二标准加入法,当样品基体复杂，且对测定有干扰，同时标准溶液中又无法加入同种干扰物质时，可采用的分析方法。将同样体积的待测样品溶液移入同体积的四个容器中，然后将含有待测元素的标准溶液按规定比例顺序加入容器，但保留一个容器不加标准溶液。再用同一种溶剂将上述溶液分别稀释到同样体积。需要注意的是空白溶液也应该与四份试样一样进行稀释。如图所示。标准加入法样品制备标准加入法工作曲线以空白溶液调节零点，对这组样品进行测定，以各份溶液的吸光度作图，此时校正曲线应为直线（要求样品中待测元素的含量在线性范围内），该直线与横轴的交点到坐标轴原点的距离，代表了未知样品的浓度值。如图所示。,第四节,原子吸收光谱仪的干扰及其消除,干扰的分类：,光谱干扰物理干扰电离干扰化学干扰背景干扰,一光谱干扰,光谱干扰的起因在选定的光谱带宽内有多于一条的吸收线或其它非吸收线。,一光谱干扰,光谱干扰的消除1.一般情况下可选用正确的光谱带宽加以消除.2.遇到上表中的情况可选用其它分析线3.预先分离干扰元素,二物理干扰,物理干扰的起因试样溶液的性质发生任何变化，都会直接或间接影响到原子化效率。样品中含盐量高时，还可能造成雾化器或燃烧头缝口的堵塞，有机溶剂效应也可以视为物理干扰效应。,二物理干扰,物理干扰的消除1.配制与待测试样基体相似的标样，这是最常用的方法。2.采用标准加入法。3.被测元素浓度较高时，用稀释法来降低或消除物理干扰。,三电离干扰,电离干扰的起因某些易电离的元素在火焰中电离从而影响到参与原子吸收的基态原子数的变化及工作曲线的弯曲。原子在火焰中的电离度与火焰温度、待测元素的电离电位及其总浓度有关。,三电离干扰,电离干扰的消除1.加入消电离剂，消电离剂的电离电位越低或其浓度越高，效果就越明显。2.利用富燃火焰测定。3.采用低温火焰。4.标准加入法也可在某种程度上消除某种电离干扰的影响。,四化学干扰,化学干扰的起因待测元素与其他组份之间的化学作用而引起的干扰效应。它不仅取决于待测元素与共存元素的性质，而且还与火焰类型，温度与状态，观察高度等因素有关。化学干扰是火焰原子吸收中最常见的干扰。,四化学干扰,化学干扰的消除1.利用高温火焰许多在低温火焰中易出现的干扰，在高温火焰中能得到较好的消除。2.利用火焰气氛还原气氛常会抑制一些难熔、难挥发、难解离的化合物的生成。3.加入释放剂待测元素和干扰元素在火焰中形成稳定的化合物时，加入另一种物质使之与干扰元素反应，生成更难挥发的化合物，从而使被测元素从干扰元素的化合物中释放出来。,4.加入保护剂加入保护剂，使待测元素与干扰元素难以生成稳定的化合物。5.加入缓冲剂在试样与标样中均加入一种过量的干扰元素，使干扰影响不变化。6.加入助熔剂氯化铵对很多元素都有增感效应，它可抑制铝、硅酸根、磷酸根和硫酸根的干扰。7.联合使用消除干扰8.标准加入法能消除部分的化学干扰，若稀释前后的测定结果能吻合，则说明能使用标准加入法来扣除此化学干扰。9.化学分离法常用的方法有：萃取、离子交换、吸附和沉淀法等。在样品预处理过程中，事先将待测元素与干扰元素分离。,五背景干扰,背景干扰的起因1.样品基体组份的分子吸收。2.光散射。背景干扰的消除在有明显背景干扰的情况下，使用经典的氘灯背景扣除技术，可使背景干扰得到较为彻底的校正。,第五节,原子吸收光谱仪的使用维护和故障分析及排除,仪器日常维护计划,一.目的规范原子吸收分光光度计的维护，确保仪器各功能部件的正常使用和延长使用寿命。二.适用范围适用于原子吸收分光光度计的维护。,三.职责操作人员负责日常维护、开机检测、做好设备使用记录。保管人员负责仪器的日常管理，定期维护、保养。科室负责人和办公室负责联系厂家工程师到本单位进行一年一次维护。科室负责人监督上述人员履行有关职责。,仪器日常维护计划,四.维护规范1.每次关机及分析结束当做好以下工作：放干净空压机贮气灌内的冷凝水、检查燃气是否关好；用水彻底冲洗排废系统；如果用了有机溶剂，则要倒干净废液罐中的废液，并用自来水冲洗废液罐；高含量样品做完，应取下燃烧头放在自来水下冲洗干净并用滤纸仔细把缝口积碳檫除然后摔掉水滴晾干以备下次再用。同时继续用纯水喷雾几分钟以清洗雾化器。清除灯窗和样品盘上的液滴或溅上的样液水渍，并用棉球擦干净，将测试过的样品瓶等清理好，拿出仪器室，擦净实验台；关闭通风设施，检查所有电源插座是否已切断，水源、气源是否关好；使用石墨炉系统时，要注意检查自动进样针的位置是否准确，原子化温度一般不超过2650及尽可能驱尽试液中的强酸和强氧化剂，确保石墨管的寿命。,2.每月维护项目检查撞击球是否有缺损和位置是否正常，必要时进行调整；检查毛细管是否有阻塞，若有应按说明书的要求疏通，注意疏通时只能用软细金属丝；检查燃烧器混合室内是否有沉积物，若有要用清洗液或超声波清洗；检查贮气罐有无变化，有变化时检查泄漏，检查阀门控制；每次钢瓶换气后或重新联结气路，都应按要求检漏整个仪器室的卫生除尘。,4.更换石墨管时的维护石墨炉的清洁：当新放入一只石墨管时，特别是管子结构损坏后更换新管，应当用清洁器或清洁液(20ml氨水+20ml丙酮+100ml去离子水)清洗石墨锥的内表面和石墨炉炉腔，除去碳化物的沉积；石墨管的热处理：新的石墨管安放好后，应进行热处理，即空烧，重复3-4次；石墨锥的维护：更换新的石墨锥时，要保证新的锥体正确装入。,3.每年请厂家维修工程师进行一次维护性检查。,五.原子吸收光谱仪器工作时发生紧急情况的处理方法：仪器工作时，如果遇到突然停电，此时如正在做火焰分析，则应迅速关闭燃气；若正在做石墨炉分析时，则迅速切断主机电源；然后将仪器各部分的控制机构恢复到停机状态，待通电后，再按仪器的操作程序重新开启。在做石墨炉分析时，如遇到突然停水，应迅速切断主电源，以免烧坏石墨炉。操作时如嗅到乙炔或石油气的气味，这是由于燃气管道或气路系统某个连接头处漏气，应立即关闭燃气进行检测，待查出漏气部位并密封后再继续使用。,显示仪表(表头、数字表或记录仪)突然波动，这类情况多数因电子线路中个别元件损坏，某处导线断路或短路，高压控制失灵等造成另外，电源电压变动太大或稳压器发生故障，也会引起显示仪表的波动现象。如遇到上述情况，应立即关闭仪器，待查明原因，排除故障后再开启。如在工作中万一发生回火，应立即关闭燃气，以免引起爆炸，然后再将仪器开关、调节装置恢复到启动前的状态，待查明回火原因并采取相应措施后再继续使用。,以下介绍的故障,使用者均可自行调整、修理。由于原子吸收分光光度计属精密仪器,维修时必须注意:检查和维修单色器内部时,不能碰触光学元件表面;维修印刷电路板时,不要损伤电路板上的印刷电路;(3)维修前要切断原子化系统的气源、水源，关闭气体钢瓶的总阀,以防造成事故。,简单故障判断及维护,定期检查管道、阀门接头等各部分是否漏气。漏气处,应及时修复或更换。经常察看空气压缩机的回路中是否有水。如果存水，要及时排除。对储水器及分水过滤器中的水分要经常排放，避免积水过多而将水分带给流量计。对无噪音的空压机，由于使用了油润滑，要定期排放过滤器及储气罐内的油水，并经常察看压缩机气缸是否需要加油。仪器长期置于潮湿的环境中或气路中存有水份，在机器使用频率不高的情况下，会使气路中阀门、接口等处生锈，造成气孔阻塞，气路不通。当遇到气路不通的情况时,应采取下列办法检查。,一.气路部分,关闭乙炔等易燃气体的总阀门，打开空气压缩机，检查空气压缩机是否有气体排出。若没有，说明空气压缩机出了问题，此时应找专业人员维修。若有气体排出，则将空气压缩机的输出端接到原子吸收分光光度计助燃器的入口处，掀开仪器的盖板，逐段检查通气管道，找出阻塞的位置，并将其排除。重新安装时，要注意接口处的密封性，保证接口处不漏气。然后将空气压缩机输出口接到原子吸收分光光度计燃气输入口，按上述办法逐段检查，一一排除,直到全部阻塞故障排除。,二.光源部分,1.现象：空心阴极灯点不亮可能是灯电源已坏或未接通：灯头接线断路或灯头与灯座接触不良可分别检查灯电源、连线及相关接插件。2.现象：空心阴极灯内跳火放电这是灯阴极表面有氧化物或杂质的原因。可加大灯电流到十几个毫安，直到火花放电现象停止。若无效，需换新灯。3.现象:空心阴极灯辉光颜色不正常这是灯内惰性气体不纯，可在工作电流下反向通电处理，直到辉光颜色正常为止。,雾化燃烧系统的维护与维修雾化器的吸液毛细管、喷嘴、撞击球都直接受到样品溶液的腐蚀，要经常维护。若在工作状态不如意时，可清洗或更换雾化器。雾化器直接影响着仪器分析测定的灵敏度和检出限。,三.雾化器,四.仪器无信号输出,产生原因：准直镜左右产生位移或光栅起始位置发生了改变。解决办法：利用空心阴极灯进行校准波长。（钙镁混合灯；Cu、Pb）,五.波长偏差增大,六.吸光值回零不好,阴极灯老化：更换新灯。废液不畅通,雾化室内积水，应及时排除。燃气不稳定,使测定条件改变。可调节燃气,使之符合条件。阴极灯窗口及燃烧器两侧的石英窗或聚光镜表面有污垢，逐一检查清除。毛细管太长。可剪去多余的毛细管。,可能是波长超差；阴极灯老化;外光路不正;透镜或单色器被严重污染;放大器系统增益下降等。若是在短波或者部分波长范围内输出能量较低,则应检查灯源及光路系统的故障。若输出能量在全波长范围内降低,应重点检查光电倍增管是否老化,放大电路有无故障。,七.输出能量低,八.重现性差,九.灵敏度低,