第一节原子吸收光谱法

1、第十四章 其它仪器分析简介仪器分析是通过传感器或探头、放大器、分析转化器等转变为我们需要获取的物质成分、含量、分布或结构的数据和图象信息。它是采用电学、光学、计算机等学科的技术探知物质的化学特性的分析方法。现代仪器分析的发展，为分析化学的内容带来了革命性的变化，从过去的无机物分析为主到现在有机特别是当今的生物物质（如蛋白质分子）的分离、提取、组成、空间结构分析。人们在探索生命奥妙的要求越来越迫切的时候，能说明不同生理状态时的结构与功能关系的各种大分子溶液结构的测定手段就越来越为人们所重视，20世纪内已有许多科学家为适应时代需要创造或改进了分析仪器而获得诺贝尔奖，他门的工作大大推动和加速了科学和

2、社会的进步。2002年瑞典斯德哥尔摩瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔化学奖授予约翰-B-芬恩(85岁)来自美国里士满弗吉尼亚联邦大学，田中耕一(43岁)来自日本岛津制作所，他们获奖的原因是在生物高分子大规模光谱测定分析中发展了软解吸附作用电离方法。瑞士苏黎士的瑞士联邦技术学院的库特-乌特里希(64岁)获奖原因是“以核电磁共振光谱法确定了溶剂的生物高分子三维结构”。 有人风趣的说：2002年的诺贝尔化学奖授予了三名技师了。由此可见人们太需要了解生物大分子特别是活的、具有生物活性的生物大分子的各种信息了，仪器分析也被人们形象的比喻为所有科学技术的眼睛。仪器分析大体可归为四大类：1、分离分析：主要

3、是色谱法，其中有气相色谱和液相色谱法等。2、成分分析：原子吸收光谱法，荧光光谱法，电化学分析法等等。3、结构分析：各种分光光度法（紫外、可见、红外、拉曼光谱），核磁共振谱，质谱等等。4、表面分析：扫描和透射显微镜分析法等等。本章仅简述几种最常用和最典型的仪器分析法的原理、特点和在生物医学中的具体应用。第一节原子吸收光谱法一、概述在1802年乌拉斯顿(Wollaston)观察到太阳光谱中存在着许多黑线，人们当时无法解释这种现象。直到1859年克希霍夫（Kichoff）和本生(Bunsen)在研究火焰中的光谱时，证实了光谱与化学成分有关，还进一步指出太阳光谱中的暗线是太阳外围冷的蒸气圈中钠原子蒸气

4、吸收的结果。20世纪30年代之后，人们利用原子吸收光谱的原理设计了测汞仪。1955年澳大利亚的物理学家瓦尔什（A. Walsh）首次创立了原子吸收光谱作为分析方法。60年代相继火焰和非火焰(石墨炉)原子吸收法的发展，使原子吸收分析的元素范围（70多种元素）和灵敏度达到了新阶段，在医药，环保，地质，冶金等各个领域中获得广泛应用。原子吸收光谱法（atomic absorption spectroscopy,AAS）是基于自由原子对辐射的吸收，通过选择一定波长的辐射光源，使之正好与某一元素的基态原子和激发态原子跃迁能级相对应。对辐射的吸收导致基态原子数的减少，辐射吸收与基态原子浓度有关，即与待测元素

5、的浓度相关。通过测定辐射的量，可获得待测样品中某元素的含量。二、原理（一）原子吸收光谱的产生基态原子核外电子是按一定规则在不同的能级上分布的。由于不同元素的原子核外电子的排布不同，能级结构不同，所以各元素从基态跃迁到第一激发态时吸收的能量(DE)不同，因而各元素具有不同的吸收波长(l)：l = c/n = hc/hn = hc/DE 式中h为谱朗克常数，为6.626×10-34J×s ； c为光速； n为频率显然它们都是不连续的线状光谱。利用其特征光谱线性质的分析法称为原子光谱法。原子吸收光谱位于可见和紫外光区。（二） 原子吸收测量的基本关系式当光源（被称为空心阴极灯）辐射

6、出的含有待测元素特征频率的光穿过试样蒸气时，被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射光波强度减弱的程度可测定试样中待测元素的含量。若光源辐射出的特征频率的光波的光强度为Iov，穿过原子蒸气后测得吸收后的光强度为Iv，透过率为T=Iv/Iov，符合朗伯-比耳(Lamber-Beer)定律： Iv=IovK为吸收系数，N为自由原子总数（近似于基态原子数），L为吸收层厚度。A= -lgT = lg =0.4343KNL此式表明，A与N 成正比。在实际分析过程中，当实验条件一定时,N =a ca是与实验条件有关的比例常数，因此，A=kc (14.1)式中k为与实验条件有关的常数。三、原子吸收光谱仪原子吸

7、收光谱仪装置如图14.1所示。图14-1 原子吸收光谱仪组成示意图（一）光源（light source） 使用广泛的是空心阴极灯(Hollow cathode lamp)，它是一种阴极呈空心圆柱形的气体放电管。阴极由一个高纯待测金属组成的阴极，阳极为钨棒，管内充满惰性气体（Ar或Ne）。在两极间加高电压，最大电流30mA，即可产生放电。气体放电产生巨大能量使阴极的待测元素溅射并激发，于是发射出又窄又强的待测元素谱线。（二）原子化器(atomizer) 原子化器的主要作用是有效地将样品中待测元素转变成处于基态的气态原子。它的装置主要包括：喷雾器，雾化器和燃烧器三部分。入射光束在这里被基态原子吸收

8、，它可视为“吸收池”。原子化器主要有两大类：火焰原子化器和电热原子化器（石墨炉）。1火焰原子化器(flame atomizer)：是将液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾花室中与气体（燃气和助燃气，例如乙炔-空气）均匀混合，再进入燃烧器形成火焰。此时，试液便在火焰中产生原子蒸气。2电热原子化器(electrothermal atomizer)：广泛应用的是石墨炉(Graphite furnace)，它采用电热难熔材料（石墨）作为原子化器，利用电能加热盛放在石墨容器的试样，使其原子化。电热程序有4个阶段：干燥(达到100oC除去试样中水分)、灰化（达到1500 oC去除试样中的有机或无机等非待

9、测物质）、原子化（2700 oC获得瞬态自由原子）、冷却清洗（3000 oC清除石墨炉中残留物质）。火焰原子吸收法操作方便，成本低，准确性好，干扰小，然而石墨炉原子化法的灵敏度比火焰原子化法高，其绝对灵敏度可达：10-6-10-11g，对于低浓度的或固体被分析的试样，尽可能采用石墨炉法。（三）单色器(monochromator) 单色器的作用是将灯发射的被测元素的共振线与其它发射线分开。常用的是平面光栅(grating)单色仪。（四）检测系统 主要由检测器、放大器、对数变换器、指示仪表组成。在火焰原子吸收光谱法中，通常采用光电倍增管(photomultiplier tube)为检测器。样品液喷

10、成细雾与燃气在雾化器中混合送至燃烧器，被测元素在火焰中转化为原子蒸气，气态的基态原子吸收从光源（空心阴极灯）发射出的被测元素吸收波长相同的特征谱线，使该谱线的强度减弱，再经单色器分光后，由光电倍增管接收并经放大器放大，从读出装置中显示出吸光度值或光谱图。四、测量分析方法（一）校准曲线法(Calibration curve) 配制一系列合适浓度的标准溶液，分别测定吸光度A,以A为纵坐标，被测元素浓度（或含量）c为横坐标，绘制效准（工作）曲线。在相同条件下，测定被测试样的吸光度，从Ac标准曲线上用内插法求出未知试样中被测元素的浓度。（二）标准加入法(standard additions) 当试样本

11、身组成复杂，配制的标准溶液与试样组成之间存在差别较大并对测定有明显的影响，应考虑采用标准加入法。分别取等量的4-5份被测试样，第一份不加被测元素，其余各份试样均准确加入已知浓度的被测元素cs1；cs2；csn，在相同条件下依次测定吸光度。做出浓度c与吸光度A的曲线。当被测试样中若不含被测元素，曲线应该通过原点；如果曲线不通过原点，说明含有被测元素，并且其外延线与横坐标相交处到原点的距离，即为试样中被测元素浓度cx。例题14-1 用标准加入法测定血清中锂的含量。锂标准溶液配制：称取1.5988g光谱纯的硫酸锂(Li2SO4×H2O)移入500ml容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。取4分0.1

12、00ml血清试样分别加入锂标准溶液0.0；10.0；20.0；30.0mL, 然后用蒸馏水分别定容到5.00ml。锂原子吸收波长为670.8nm，用锂元素的空心阴极灯，灯电流5mA，缝宽0.5nm，空气-乙炔贫燃火焰测得的吸光度依次为0.201；0.414；0.622；0.835。计算此血清中锂的含量。M(Li2SO4×H2O) 为127.9g×mol-1解 （1）锂标准溶液浓度cs=0.05000mol×L-1（2）当加入10.0mL锂标准溶液到5.00ml水中（其中含有0.100ml的血清试样），加入的锂浓度为cs1=1.00×10-4 mol

13、15;L-1同理计算加入20.0；30.0mL浓度分别为2.00×10-4 mol×L-1 ；3.00×10-4 mol×L-1（3）利用实验获得的数据绘出标准加入法测定血清中锂含量的工作曲线（图14-2）。外延曲线与横坐标轴相交，交点至原点的距离为锂的浓度cx=1.00×10-4 mol×L-1。图14-2 标准加入法测定血清中锂含量的工作曲线 （4）血清中锂的含量 =5.00×10-3mol×L-1（三）灵敏度和检出限（1）原子吸收分光光度法的灵敏度(sensitivity,S)定义为标准曲线的斜率，它表示当被

14、测元素浓度改变一个单位时吸光度的变化量。 (14.2) 在石墨炉法中也常使用特征质量(charateristic mass)表示灵敏度（绝对灵敏度）：与检测到吸光度A=0.0044（即T=99%）对应的被测物质的质量。 (14.3)其中A为被测定试样的吸光度，m为其待测元素的质量。（2）仪器或多或少的有噪音，而一个有用信号能被检测出来，直接同噪音的大小有关。表征仪器对一个元素能被检出的最小量的术语是检出限(detection limit，L.D)。一般定义为3倍噪音电平s所对应的待测元素浓度（也即A=3s 时对应的被测元素的浓度）。 (14.4)Am为被测定试样的平均吸光度，c为其待测元素的浓

15、度, 噪音电平s为空白溶液产生测量信号（吸光度）的标准偏差(至少由连续测定10次的吸光度值求算得出)。灵敏度和检出限是衡量测定分析方法和仪器性能的重要指标。检出限考虑了噪音的影响，其意义比灵敏度更明确，实际上它是灵敏度和稳定性的综合指标。操作技术人员可以通过对仪器预热，调整空心阴极灯的工作电流和光电倍增管的工作电压等降低噪音。（四）样品的处理 使用火焰原子化器时，一般生物样品通常需要预分离，使有机质的分子中的碳、氢、氧元素生成二氧化碳和水逸出。有机金属化合物中的金属转化为无机金属离子化合物。通常采用干法（又称灰化）或湿法（又称消化）破坏有机物，然后再将残留物溶解在合适的溶剂中进行测定。干法是将

16、样品置于高温电热炉（如：马弗炉muffle oven温度可达11001200oC）中灰化有机物，湿法是用具有氧化性的浓酸（如：硫酸、高氯酸或硝酸）氧化分解有机物。要注意的是易挥发的元素如：Hg、As、Cd、Pd、Sb、Se等，则不宜采用干法。由于石墨炉原子化器采取程序升温，使易挥发或易热解的基体在原子化阶段之前除去，所以可直接进行样品测定。各种型号仪器的结构和性能不同，试样组成的差别及含量的变化都会影响测定结果所以对于操作原子吸收分光光度仪的专业技术人员，他们还应选择分析线，调整狭缝宽度，适宜空心阴极灯的工作电流，原子化条件（火焰类型和燃烧器高度等），样品量等等具体实验测试条件进行优化，才能获

17、得满意的分析结果。SummaryAtomic adsorption is due to transitions between atomic energy states: adsorption from the ground state “up”. The process in which an electron jumps between two states of the atom is called an atomic spectral transition. Atomic adsorption spectrometry is inherently a single-element me

18、thod. The major parts of an atomic adsorption spectrometer the four parts of a general adsorption spectrometer: the light source, Absorber, monochromator, and transducer/detector. In atomic absorption we measure the absorption of radiation by gaseous atoms. Samples are atomized using thermal energy

19、from either a flame or graphite furnace. Because the width of an atoms absorption band is so narrow, the continuum sources common for molecular absorption cannot be used, Instead, a hollow cathode lamp provides the necessary line source of radiation.The term sensitivity in atomic absorption has, in the past, had a specific meaning: the concentration or mass of analyte needed to produce a signal with transmittance 0.99 or its equivalent absorbance 0.0044. It is now suggested that the amounts needed to produce the absorbanc