第四章原子吸收光谱法测重金属铜吸光度

1、 第四章第四章 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 Alan Walsh(1916-1998)和他的原子吸收光谱仪在一起 4.1原子吸收光谱法原理原子吸收光谱法原理 原子吸收光谱法（原子吸收光谱法（AASAAS）是基于气态的基态）是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法。基础的分析方法。 18021802年，发现原子吸收现象；年，发现原子吸收现象； 1955 1955年，年，Australia Australia 物理学家物理学家Alan Wa

2、lshAlan Walsh成成功的将该现象应用于了分析。功的将该现象应用于了分析。 60 60年代中期发展最快。年代中期发展最快。 它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。域有广泛的应用。 近年来，由于对近年来，由于对AASAAS的创新研究，有了突破的创新研究，有了突破性进展。性进展。 1.Boltzmann1.Boltzmann分布定律分布定律( ( P95-96)P95-96) 在温度较高的等离子体火焰中,核外电子在各量子化能级上的分布遵循Boltzm

3、ann定律2. 原子吸收光谱的产生 当有辐射通过自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。 kTEiiieggNN/00吸收光谱与发射光谱的关系 共振线与吸收线 基态 第一激发态，又回到基态，发射出光谱线，称共振发射线共振发射线。 同样从基态跃迂至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线共振吸收线（简称为共振线）。吸收线能量与波长关系 = hc/E 吸收线的特点表征吸收线的特点表征 （1）波长， （2）形状， （）强度 （4）峰

4、宽 波长： ； -吸收线半宽 强度由两能级之间的路迂几率来决定。 吸收线半宽度 一般在0.01. 发射线半宽度 一般在0.0050.02 由于原子能级是量子化的，因此，在所有由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量能量不不同，因而各元素的同，因而各元素的共振吸收线共振吸收线具有不同的特征。具有不同的特征。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。原子吸收光谱位于光谱

5、的紫外区和可见区。1.谱线的轮廓 P96. . 自然宽度自然宽度NN 它与原子发生能级间路迂时激发态原子的有限寿命有关。 一般情况下约相当于10-4 . 多普勤（Doppler）宽度D 这是由原子在空间作无规热运动所引致的。故又称热变宽。MTD071016.7M的原子量， T 绝对温度，0谱线中频率一般情况: D = 10-2 动画. 压力变宽（碰撞变宽）原子核蒸气压力愈大，谱线愈宽。同种粒子碰撞称赫尔兹马克（Holtzmank）变宽, 异种粒子碰撞-称罗论兹（Lorentz）变宽。 10-2 . 场致变宽b(塞曼变宽) 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

6、。动画4.1.3 4.1.3 积分吸收与峰值吸收积分吸收与峰值吸收( (原子吸收的测量原子吸收的测量) )1 1. . 积分吸收积分吸收(1) (1) 积分公式积分公式 对谱线轮廓对谱线轮廓K K的曲线进行积分后得到的总的曲线进行积分后得到的总积分称为面积积分系数或积分吸收积分称为面积积分系数或积分吸收. .f-振子强度, N-单位体积内的原子数,e-为电子电荷, m- -个电子的质量.NfmcedKr2 (2)(2)积分吸收的限制积分吸收的限制 如果我们测量Krd , 就可求出原子核浓度。但是谱线宽度为10-2 左右。需要用高分辨率的分光仪器，这是难以达到的。一百多年前已发现，但一直难以使用

7、。 2. 2. 峰值吸收峰值吸收 1955年Walsh 提出，在温度不太高的稳定火焰条件下，峰值吸收系数与火焰中被测元素峰值吸收系数与火焰中被测元素的原子浓度也正比的原子浓度也正比。2ln)(2exp200DKKDKdK002ln21DKfNmce022ln21fNmceKD202ln2A= kNllfNmcAD.2ln243. 03 锐线光源 指所发射谱线与原子化器中待指所发射谱线与原子化器中待测元素所吸收谱线中心频率一致测元素所吸收谱线中心频率一致, ,而发射线半宽度远小于吸收线的半而发射线半宽度远小于吸收线的半宽度宽度. . 吸收线半宽度 一般在0.01-.发射线半宽度 一般在0.005

8、-0.02 4.2 4.2 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计类型：单道单光束和单道双光束北京生产的北京生产的AA2610AA2610型原子吸收光谱仪型原子吸收光谱仪4.2.1仪器结构与工作原理 器仪的组成：五个部分 P99P99 锐线光源：空心阴极灯(HCL) 原子化器：火焰原子化器(FAAS)、石墨炉原子化器 （GFAAS）、氢化物原子化器（HGAAS） 单色器：平面衍射光栅、中阶梯光栅二维色散系统 检测器：光电倍增管（PMT） 计算机工作站：数据处理及仪器控制 1.1.光源光源-（1 1）基本构造）基本构造 阴极阴极: : 钨棒作成圆筒钨棒作成圆筒形筒内熔入被测元素形筒内熔入被测元素

9、阳极阳极: : 钨棒装有钛钨棒装有钛, , 锆锆, , 钽金属作成的阳钽金属作成的阳极极 管内充气管内充气：氩或氖：氩或氖称载气极间加压称载气极间加压500-500-300-300伏要求稳流电源伏要求稳流电源供电。供电。空心阴极灯画空心阴极灯画（2 2）. .HCLHCL发光原理发光原理 在高压电场（300-500v）直流下, 阴极向正极高速飞溅放电, 与载气原子碰撞, 使之电离放出二次电子, 而使场内正离子和电子增加以维持电流。 载气离子在电场中大大加速, 获得足够的能量, 轰击阴极表面时, 可将被测元素原子从晶格中轰击出来, 即谓溅射, 溅射出的原子大量聚集在空心阴极内, 与其它粒子碰撞而

10、被激发, 发射出相应元素的特征谱线-共振谱线。动画（3）对光源的要求 辐射强度大，稳定性高，锐线性，背景小辐射强度大，稳定性高，锐线性，背景小等。要用被测元素做阴极材料，所以有些物质等。要用被测元素做阴极材料，所以有些物质无法实现。无法实现。 2.光学系统 由外光路和单色器组成，外光路分为：单光束与双光束。 （1）单光束光学系统 （2）双光束光学系统 （3）单色器3.检测系统和数据处理与控制系统 (1) (1)检测系统检测系统 (2) (2)数据处理与控制系统数据处理与控制系统4.2.2.原子化系统 常用的原子化系统有：火焰原子化系统、常用的原子化系统有：火焰原子化系统、石墨炉原子化系统和低温

11、原子化系统三种。石墨炉原子化系统和低温原子化系统三种。 通常原子分光光度计原子化系统的配置有：通常原子分光光度计原子化系统的配置有：单火焰原子化系统、单石墨炉原子化系统、火单火焰原子化系统、单石墨炉原子化系统、火焰原子化和石墨炉原子化双系统；低温原子化焰原子化和石墨炉原子化双系统；低温原子化系统（如氢化物发生器）一般为选购配置。系统（如氢化物发生器）一般为选购配置。火焰原子化器由上图纵向加热；下图横向加热1）雾化器引入样品，并使之雾化。由吸液毛细管、高压喷嘴、撞击球组成。由不锈钢或玻璃或聚四氟乙烯材料作成 。 2）预混合室使燃气、助燃气和气溶胶混合均匀后进入燃烧器；排除废液、防止燃气泄漏和“回

12、火”。由耐酸和氢氟酸的聚四氟乙烯做成。 （2 2）火焰的类型与特性）火焰的类型与特性 1 1）火焰的类型）火焰的类型 按气体种类分：有空气-乙炔焰；氧化亚氮-乙炔焰两种。 按燃助比分： 化学计量火焰化学计量火焰 由于燃气与助燃气之比与化学计由于燃气与助燃气之比与化学计量反应关系相近，又称为中性火焰量反应关系相近，又称为中性火焰 。 这类火焰这类火焰, , 温度高、稳定、干扰温度高、稳定、干扰小背景低，适合于许多元素的测定。小背景低，适合于许多元素的测定。 富燃火焰富燃火焰 指燃气大于化学元素计量的火焰。其特点：燃烧不完全，温度略低于化学火焰，具有还原性，适合于易形成难解离氧化物的元素测定；干扰

13、较多，背景高。贫燃火焰贫燃火焰 指助燃气大于化学计量的火焰。其特点：温度较低，有较强的氧化性，有利于测定易解离，易电离元素,如碱金属。 （）火焰的光谱特征优点：优点： 操作简单；火焰稳定；重现性操作简单；火焰稳定；重现性好；精密度高；应用范围广好；精密度高；应用范围广。 缺点：缺点： 原子化效率低；只能液体进样。原子化效率低；只能液体进样。(4)(4)火焰原子化的特点与局限性火焰原子化的特点与局限性2 非火焰原子非火焰原子化器化器(GFAAS)(GFAAS)(1)(1)石墨炉原子化器的结构石墨炉原子化器的结构 P106P106 就是常说的石墨炉电热原子化器就是常说的石墨炉电热原子化器, ,其组

14、成为其组成为: : 1)1)电源电源: :低压（低压（1010v v）大电流（大电流（500500A A）2)2)石墨管：现两种形状石墨管：现两种形状: : 标准型与沟纹型标准型与沟纹型 3)3)内外保护气内外保护气4)4)冷却系统冷却系统5)5)石英窗石英窗 构造见下图构造见下图 动画演示标准型-石墨管 长28mm 内径8mm 有小孔为加试样，水冷却外层，情性气体保护石黑管在高温中免被氧化。 l1 1）干燥升温速率和保持时间）干燥升温速率和保持时间l2 2）灰化升温速率和保持时间）灰化升温速率和保持时间l3 3）原子化升温速率和保持时间）原子化升温速率和保持时间l4 4）除残升温程序）除残升

15、温程序（4 4）石墨炉原子化的特点）石墨炉原子化的特点 1 1）可达）可达3500 3500 C C，且升温快；，且升温快； 2 2）绝对灵敏度高，检出）绝对灵敏度高，检出 达达1010-12-12-10-10-14-14g g 原子核化效率高；原子核化效率高； 3 3）可分析）可分析7070种金属和类金属元素；种金属和类金属元素； 4 4）所用试样量少（）所用试样量少（1 1100100L L） 5 5） 缺点：基体效应，背景大，化学干扰多，缺点：基体效应，背景大，化学干扰多，重现性比火焰差。重现性比火焰差。 又称化学原子化器 (1)(1)冷原子化法冷原子化法- 测测 汞汞 仪仪(2)(2)

16、氢化物发生器氢化物发生器 P109l1.1.光学系统的波长显示误差光学系统的波长显示误差l2.2.光学系统分辨率光学系统分辨率l3.3.基线的稳定性基线的稳定性l4.4.吸收灵敏度吸收灵敏度l(1) (1) 火焰原子化法火焰原子化法l(2) (2) 石墨炉原子化法石墨炉原子化法l5.5.精密度精密度l6.6.检出线检出线(3)灵敏度与检出限I灵敏度 定量方程： X f（C） 灵敏度为：S = dX/dC 旧习惯灵敏度灵敏度， 现定义：特征浓度特征浓度，是指产生1%吸收时，水溶液中某元素的浓度。通常用mg/ml/1%表示。 特征浓度特征浓度c c0 0 C0=0.0044Cx/A（g/ml/1%

17、） CX为试液浓度（g/ml），A为其吸光度，0.0044即为1%时的吸光度。 特征质量m0 m0 = 0.0044/S = 0.0044 M /AS (pg or ng) AS为峰面积积分吸光度，M为分析物质量。S为校正曲线直线部分斜率。 石墨炉法常用绝对量表示m0 （pg or ng ）II.检出限D 通常以产生空白溶液讯号的标准偏差2倍时的测量讯号的浓度来表示 : Am = kC 2 = kD D = 2C/Am (g/ml) Am 为平均吸光度, 空白溶液吸光度标准偏差, C为浓度。 按IUPAC规定: D = 3C/Am 例如：现测定铅时，0.1g/ml铅的标准溶液产生吸光度为024

18、，置倍度分别2、3时，检测限为多少? 空白测定20次的均方误差0012解: D = 0.120.012/0.24 g/ml = 0.01g/ml当置信度为3时, D = 0.015g/ml 4.3 干扰及其消除物理干扰及其消除方法物理干扰及其消除方法 物理干扰物理干扰 是指试液与标准溶液物理性质有差是指试液与标准溶液物理性质有差别而产生的干扰。粘度、表面张力或溶别而产生的干扰。粘度、表面张力或溶液密度等变化，影响样品雾化和气溶胶液密度等变化，影响样品雾化和气溶胶到达火焰的传递等会引起的原子吸收强到达火焰的传递等会引起的原子吸收强度的变化。度的变化。非选择性干扰。非选择性干扰。 2.2.减少或消

19、除方法减少或消除方法 (1) (1) 配制被测试样组成相近标准溶液配制被测试样组成相近标准溶液; ; (2) (2) 标准化加入法标准化加入法; ; (3) (3) 浓度高可用稀释法浓度高可用稀释法4.3.2. 4.3.2. 化学干扰及其消除方法化学干扰及其消除方法 1. 1. 化学干扰化学干扰 P110P110 化学干扰是指被测元原子与共存组分发生化学反应生成稳定的化合物，影响被测元素原子化。 例如：PO-34 Ca2+的反应，干扰Ca的测定。Al，Si在空气-乙炔中形成的稳定化合物。W、B、La、Zr、Mo在石墨炉形成的碳化物。 这些是选择性干扰选择性干扰，分不同情况采取不同方法。 如：

20、磷酸盐干扰Ca，当加入La或 Sr时，可释放出Ca来。EDTA与Ca、Mg形成螯合物，从而抑制磷酸根的干扰。2.2.减少或消除方法减少或消除方法 P111P111 (1) (1)改变火焰类型改变火焰类型 (2) (2)改变火焰特性改变火焰特性 (3) (3)加入稀释剂加入稀释剂 (4) (4)加入保护剂加入保护剂 (5) (5)加入缓冲剂加入缓冲剂 (6) (6)采取标准加入法采取标准加入法一般消除方法有：一般消除方法有： (1)(1)选择合适的原子化方法选择合适的原子化方法 提高提高原子化温度，化学干扰会减小，在原子化温度，化学干扰会减小，在高温火焰中高温火焰中P0P04 43-3- 不干扰

21、钙的测定。不干扰钙的测定。 （2 2）加入）加入释放剂释放剂 （广泛应用）（广泛应用） （3 3）加入）加入保护剂保护剂 EDTAEDTA、88羟基羟基喹啉等，即有强的络合作用，又易喹啉等，即有强的络合作用，又易于被破坏掉。于被破坏掉。 （4 4）加基体改进剂）加基体改进剂 （5 5）分离法）分离法释放剂释放剂其作用是它能与干扰物生成比被测元素更稳其作用是它能与干扰物生成比被测元素更稳定的化合物，使被测元素从其与干扰物质形成的化合定的化合物，使被测元素从其与干扰物质形成的化合物中释放出来。如上述所说的物中释放出来。如上述所说的POPO4 43-3-干扰干扰CaCa的测定，可的测定，可加入加入L

22、aLa、SrSr盐类，它们与盐类，它们与CaCa生成更稳定的磷酸盐，把生成更稳定的磷酸盐，把CaCa释放出来。释放剂的应用比较广泛；释放出来。释放剂的应用比较广泛；保护剂保护剂其作用是它能与被测元素生成稳定且易分解其作用是它能与被测元素生成稳定且易分解的配合物，以防止被测元素与干扰组分生成难解离的的配合物，以防止被测元素与干扰组分生成难解离的化合物，即起了保护作用。保护剂一般是有机配合剂，化合物，即起了保护作用。保护剂一般是有机配合剂，用的最多的是用的最多的是EDTAEDTA和和8-8-羟基喹啉。例如，羟基喹啉。例如，POPO4 43-3-干扰干扰CaCa的测定，当加的测定，当加EDTAEDT

23、A后，生成后，生成EDTA-CuEDTA-Cu配合物，且既稳定配合物，且既稳定又易破坏。又易破坏。AlAl对对CaCa、MgMg的干扰可用的干扰可用8-8-羟基喹啉作保护羟基喹啉作保护剂；剂； 缓冲剂缓冲剂有的干扰当干扰物质达到一定浓度时，干扰有的干扰当干扰物质达到一定浓度时，干扰趋于稳定，这样，把被测溶液与标准溶液加入同样达趋于稳定，这样，把被测溶液与标准溶液加入同样达到干扰稳定量时，干扰物质对测定就不发生影响。如到干扰稳定量时，干扰物质对测定就不发生影响。如用乙炔用乙炔一氧化二氮火焰测定一氧化二氮火焰测定TiTi时，时，AlAl抑制了抑制了TiTi的吸的吸收。但是当收。但是当AlAl的浓度

24、大于的浓度大于200ug/ml200ug/ml后，吸收就趋于稳后，吸收就趋于稳定。因此在试样及标样中都加定。因此在试样及标样中都加200ug/ml200ug/ml的干扰元素，的干扰元素，则可消除其干扰。则可消除其干扰。4.3.3. 电离干扰及其消除方法及其消除方法 1.电离干扰 在高温下原子会电离使基态原子数减少, 吸收下降, 称电离干扰. 消除的方法是加入过量消电离剂, 所谓的消电离剂, 是电离电位较低的元素, 加入时, 产生大量电子, 抑制被测元素电离. K - K+ + e Ba+ e - Ba 2.2.减少或消除方法减少或消除方法 P111P1114.3.4 光谱干扰及其消除方法及其消

25、除方法 1.光谱干扰吸收线重叠:待测元素分析线与共存元素的吸收线重叠 2.减少或消除方法消除方法 消除方法: 减小狭缝,降低灯电流,或换其它分析线. 3.减少或消除直流发射光谱干扰方法消除直流发射光谱干扰方法 4 4.减少或消除方法非吸收光谱干扰方法消除方法非吸收光谱干扰方法4.3.5. 4.3.5. 背景吸收与校正背景吸收与校正 1.1.分子吸收与散射分子吸收与散射 背景干扰也是光谱干扰，主要指分子吸与光散射造成光谱背景。分子吸收是指在原子化过程中生成的分子对辐射吸收，分子吸收是带光谱带光谱。 光散射是指原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光产生散射，造成透过光减小，吸收值增加。 背景干扰，一

26、般使吸收值增加。产生正误差。 2.2.(1).(1).用邻近非共振线校正背景用邻近非共振线校正背景 用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度，因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。例 分析线 非共振线 Ag 32807 Ag 31230 Ca 42267 Ne 43040 Hg 25363 Al 26692(2).(2).连续光源连续光源( () )校正背景校正背景 先用锐线光源测定分析线的先用锐线光源测定分析线的原子吸收和背景吸收的总和。再原子吸收和背景吸收的总和。再用氘灯（紫外区）或碘钨灯、氙用氘灯（紫外区）或碘钨灯、氙灯（可见区）在同一波长

27、测定背灯（可见区）在同一波长测定背景吸收（景吸收（这时原子吸收可忽略不这时原子吸收可忽略不计计）计算两次测定吸光度之差，）计算两次测定吸光度之差，即为原子吸收光度即为原子吸收光度。氘灯光源背景扣除装置示意图氘灯光源背景扣除装置示意图(3)(3).Zeaman 效应校正背效应校正背景景 Zeeman方法： 光源调制光源调制磁场加在光源上。磁场加在光源上。 吸收线调制吸收线调制磁场加在原子化磁场加在原子化器上器上使用广泛。使用广泛。.交变磁场调方式交变磁场调方式磁场变化 零磁 激磁零磁时: 原子+背景吸收; 激磁时: 仅背景吸收，他们之差为原子吸收。b b 恒磁场调制方式恒磁场调制方式 吸收线分裂

28、为 和两个 ，组分平行于磁场方向波长不变， 组分垂直于磁场方向，波长分别向长波和短波方向移动。 光源发射线通过起偏器后变为偏振光，某时刻平行于磁场方向的偏振光通过时，吸收线组分和背景产生吸收，得到原子吸收和背景吸收总吸光度；另一时刻垂直于磁场的偏振光通过原子能器时只有背景吸收，没有原子吸收，两者之差即为原子吸收。 (4).自吸效应校正背景 1982提出，在空心阴极内，积聚的原子浓度足够高时，产生自吸。在极端情况下（图） ，这时测出的是背景吸收。 锐线光谱- 低电流脉冲供电 自蚀光谱- 高电流脉冲供电 要求供电为脉冲电流光源。4.4 4.4 原子吸收光谱法分析原子吸收光谱法分析4.4.1 4.4

29、.1 测量条件选择测量条件选择 . .灯电流灯电流 : :按灯制造说明书要求使用。按灯制造说明书要求使用。. .分析线分析线: :查手册，随空心阴极灯确定。查手册，随空心阴极灯确定。. .狭缝光度狭缝光度: : W=DSW=DS没有干扰情况下，尽量没有干扰情况下，尽量 增加增加W W，增强辐射能。增强辐射能。. .原子化条件。原子化条件。. .进样量（主要指非火焰方法）。进样量（主要指非火焰方法）。最好能控制吸光度在最好能控制吸光度在0.1-0.50.1-0.5，以免工，以免工作曲线发生弯曲作曲线发生弯曲。 4.4.4 4.4.4 原子吸收光谱定量分析方法原子吸收光谱定量分析方法1.1.线性范

30、围线性范围( (理论依据理论依据) ) 原子吸收光谱定量分析的理论依据原子吸收光谱定量分析的理论依据: : A=Kc A=Kc A-c A-c曲线在一定浓度范围内呈线性关系曲线在一定浓度范围内呈线性关系 Ax= k C A0= k（C0 + Cx） Cx= AxC0/（A0-Ax） 标准加入法能消除基体干扰，不能消背景干扰。 使用时，注意要扣除背景干扰。(3)灵敏度与检出限I灵敏度 定量方程： X f（C） 灵敏度为：S = dX/dC 旧习惯灵敏度灵敏度， 现定义：特征浓度特征浓度，是指产生1%吸收时，水溶液中某元素的浓度。通常用mg/ml/1%表示。 特征浓度特征浓度c c0 0 C0=0.0044Cx/A（g/ml/1%） CX为试液浓度（g/ml），A为其吸光度，0.0044即为1%时的吸光度。 特征质量m0 m0 = 0.0044/S = 0.0044 M /AS (pg or ng) AS为峰面积积分吸光度，M为分析物质量。S为校正曲线直线部分斜率。 石墨炉法常用绝对量表示m