第4章 原子吸收和原子荧光光谱法

1、第4章 原子吸收和原子荧光光谱法Atomic absorption spectrometry (AAS) and Atomic Fluorescence spectrometry AFS第一节 原子吸收光谱法(AAS)原子吸收光谱法是基于物质所产生的原子蒸气对特征谱线（通常是待测元素的特征谱线）的吸收作用来进行元素定量分析的一种方法。1802年被人们发现：太阳连续光谱中的暗线1955年，澳大利亚物理学家 Walsh A（瓦尔西）发表了著名论文：原子吸收光谱法在分析化学中的应用奠定了原子吸收光谱法的基础，之后迅速发展。原子吸收光谱分析的特点：(1) 检出限低，火焰原子化法的检测限可达ng/mL级

2、，石墨炉原子化法更低，可达10-1010-13g； (2) 准确度高，火焰原子化法的相对误差通常在1以内，石墨炉原子化法为3%5%。 (3) 选择性高，谱线较简单，谱线干扰少，一般情况下共存元素不干扰,无须分离；(4)分析速度快，仪器比较简单，应用广，可测定70多个元素；不仅可以测定金属元素，也可以用间接法测定某些非金属元素和有机化合物。 局限性：除了一些现代、先进的仪器可以进行多元素的测定外，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。 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、Nb、Ta、Z

3、r、Hf、稀土等以及非金属元素，原子化效率低，检出能力差，受化学干扰较严重。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。 一、原子吸收光谱的产生 Formation of AAS（1）用该元素的锐线光源发射出特征辐射；（2）试样在原子化器中被蒸发、解离为气态基态原子；（3）当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原子区时，部分光被蒸气中基态原子吸收而减弱，通过单色器和检测器测得特征谱线被减弱的程度，即吸光度。二、原子吸收光谱的测量在吸收线轮廓内，以吸收系数对频率积分得的结果是吸收线轮廓内（右）的总面积，它表示原子蒸气吸收的全部能量。理论上：积分吸收与原子蒸气中吸收辐射

4、的基态原子数成正比。这是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。(=10-3，若取600nm，单色器分辨率R=/=6×105 )长期以来无法解决的难题！吸收线中心频率处的吸收系数K0为峰值吸收系数，简称峰值吸收。1955年沃尔什提出采用锐线光源（锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源，光源发射线半宽度很小，并且发射线与吸收线的中心频率一致 ），峰值吸收与火焰中被测元素的原子浓度也成正比。 上式的前提条件：（1） e<a ；（2）发射线与吸收线的中心频率一致。（2）三、定量基础由于N0 N c（ N0基态原子数，N原子总数，c 待测元素浓度） 所以：A=KLN0=KLN

5、=Kc当吸收厚度一定，在一定的工作条件下，峰值吸收测量的吸光度与被测元素的含量成正比。这是原子吸收光谱定量分析法的基础。分析线：通常选择元素的共振线作分析线。在分析被测元素浓度较高试样时，可选用灵敏度较低的非共振线作分析线。As、Se等元素共振吸收线在200nm以下，火焰组分也有明显的吸收，可选择非共振线作分析线或选择其他火焰进行测定。 第二节 原子吸收仪器 一、流程特点；二、光源提供待测元素的特征光谱。为获得较高的灵敏度和准确度（1）能发射待测元素的共振线；（2）能发射锐线；（3）辐射光强度大，稳定性好。发射线的半宽度要远远小于吸收线的半宽度；辐射的强度大；辐射光强稳定，使用寿命长等。 阴极

6、为空心圆柱形，由待测元素的高纯金属或合金直接制成，贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为钨棒，上面装有钛丝或钽片作为吸气剂。灯的光窗在可见波段用硬质玻璃，在紫外波段用石英玻璃。制作时先抽成真空，然后再充入压强约为267 1333 Pa的少量氖或氩等惰性气体。当两极间加上300 500V电压后，管内气体中存在着的、极少量阳离子向阴极运动，并轰击阴极表面，使阴极表面的电子获得外加能量而逸出。逸出的电子在电场作用下，向阳极作加速运动，在运动过程中与充气原子发生非弹性碰撞，产生能量交换，使惰性气体原子电离产生二次电子和正离子。在电场作用下，这些质量较重、速度较快的正离子向阴极运动并轰击阴极表面，不但使阴极

7、表面的电子被击出，而且还使阴极表面的原子获得能量从晶格能的束缚中逸出而进入空间，这种现象称为 阴极的“溅射” 。“溅射”出来的阴极元素的原子，在阴极区再与电子、惰性气体原子、离子等相互碰撞，而获得能量被激发发射阴极物质的线光谱。若阴极物质只含一种元素，则制成的是单元素灯。若阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。多元素灯的发光强度一般都较单元素灯弱。空极阴极灯的发光强度与工作电流有关。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。因此在实际工作中应选择合适的工作电流。 空极阴极灯是性能优良的锐线光源。由于元素可以在

8、空心阴极中多次溅射和被激发，气态原子平均停留时间较长，激发效率较高，因而发射的谱线强度较大；由于采用的工作电流一般只有几毫安或几十毫安，灯内温度较低，因此热变宽很小；由于灯内充气压力很低，激发原子与不同气体原子碰撞而引起的压力变宽可忽略不计；由于阴极附近的蒸气相金属原子密度较小，同种原子碰撞而引起的共振变宽也很小；此外，由于蒸气相原子密度低、温度低、自吸变宽几乎不存在。因此，使用空极阴极灯可以得到强度大、谱线很窄的待测元素的特征共振线。三、原子化系统 将试样中待测元素转变成原子蒸气。基本要求：必须具有足够高的原子化效率；必须具有良好的稳定性和重现形；操作简单及低的干扰水平等。火焰法：预混合型原

9、子化器无火焰法电热高温石墨管雾化器和燃烧器。（1） 雾化器 主要缺点：雾化效率低。喷雾器的作用 是将试液变成细雾。雾粒越细、越多，在火焰中生成的基态自由原子就越多。 目前，应用最广的是气动同心型喷雾器。喷雾器喷出的雾滴碰到玻璃球上，可产生进一步细化作用。生成的雾滴粒度和试液的吸入率，影响测定的精密度和化学干扰的大小。雾化室的作用主要是 除大雾滴，并使燃气和助燃气充分混合，以便在燃烧时得到稳定的火焰。其中的扰流器可使雾滴变细，同时可以阻挡大的雾滴进入火焰。一般的喷雾装置的雾化效率为5 15%。（2）燃烧器使进入火焰的试样气溶胶蒸发和原子化。燃烧器是用不锈钢材料制成，耐腐蚀、耐高温。燃烧器所用的喷

10、灯有“孔型”和“长缝型”两种。喷灯的缝长和缝宽随火焰而不同，空气乙炔焰：×100mm; 氧化亚氮乙炔焰：×50mm;燃烧器的高度可以上下调节，以便选择适宜的火焰原子化区域。（3）火焰正常燃烧的火焰结构由预热区、第一反应区、中间薄层区和第二反应区组成。试样原子化主要在第一反应区和中间薄层区进行。中间薄层区的温度达到最高点，是原子吸收分析的主要应用区(对于易原子化、干扰效应小的碱金属分析，可以在第一反应区进行)。   试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，离解（还原）等过程产生大量基态原子。l 化学火焰的基本特性: 燃烧速度是指由着火点向可燃性混合气其它点传播的速

11、度。为了得到稳定的火焰，可燃性混合气的供气速度应大于燃烧速度。但供气速度过大时，会使火焰离开燃烧器，变得游移不定，甚至吹灭火焰；反之，若供气速度过小时，将会引起回火，操作不安全。火焰温度：当火焰处于热平衡状态时，火焰温度表征了火焰的真实能量。并非整个火焰都处于平衡状态，不同区域温度是不同的，引起原子浓度在空间分布不均匀的原因之一。不同类型的火焰，其温度是不同的。火焰温度的选择：（a）保证待测元素充分离解为基态原子的前提下，尽量采用低温火焰；（b）火焰温度越高，产生的热激发态原子越多；（c）火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用空气乙炔最高温度2600K能测35种元素。火焰类型：化学计量火焰：由于

12、燃气与助燃气之比与化学反应计量关系相近，又称其为中性火焰。此火焰温度高、稳定、干扰小、背景低。富燃火焰：燃气大于化学计量的火焰。又称还原性火焰。火焰呈黄色，层次模糊，温度稍低，火焰的还原性较强，适合于易形成难离解氧化物元素的测定。 贫燃火焰又称氧化性火焰，即助燃比大于化学计量的火焰。氧化性较强，火焰呈蓝色，温度较低，适于易离解、易电离元素的原子化，如碱金属等。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。 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。对于分析线位于短波区的元素，如用的共振线测定硒时，就显然不能选用乙炔

13、-空气火焰，而应采用氢-空气火焰。乙炔空气 火焰 是原子吸收测定中最常用的火焰，该火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，温度高，对大多数元素有足够高的灵敏度，但它在短波紫外区有较大的吸收。氢空气火焰 是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气 火焰高，但温度较低，优点是背景发射较弱，透射性能好。乙炔一氧化二氮火焰 的优点是火焰温度高，而燃烧速度并不快，适用于难原子化元素的测定，用它可测定70多种元素。（1）结构 外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸汽。（2）原子化过程原子化过程分为干燥、灰化

14、（去除基体）、原子化、净化（去除残渣） 四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。与火焰原子化法相比，石墨炉原子化法具有如下特点： a、灵敏度高、检测限低 试样直接注入石墨管内，样品几乎全部蒸发并参与吸收。试样原子化是在惰性气体保护下，还原性气的石墨管内进行的，有利于难熔氧化物的分解和自由原子的形成，自由原子在石墨管内平均滞留时间长，因此管内自由原子密度高，绝对灵敏度达10-1010-13克。b、用样量少10毫克，液体试样为5 50微升。适用于微量样品的分析，但由于非特征背景吸收的限制，取样量少，相对灵敏度低，样品不均匀性的影响比较严重，方法精密度比火焰原子化法差，通常约为25%。c、试样直接注

15、入原子化器，从而减少溶液一些物理性质对测定的影响，也可直接分析固体样品。d、排除了火焰原子化法中存在的火焰组份与被测组份之间的相互作用，减少了由此引起的化学干扰。e、 可以测定共振吸收线位于真空紫外区的非金属元素I、P、S等。f、 石墨炉原子化法所用设备比较复杂，成本比较高。 但石墨炉原子化器在工作中比火焰原子化系统安全。g、石墨炉产生的总能量比火焰小，因此基体干扰较严重，测量的精密度比火焰原子化法差。1、炉体炉体中包括有一根长3050 mm，直径为510mm的石墨管，管中央开有一向上小孔，直径为2 mm，是液体试样的进样口及保护气体的出气口，进样时用精密微量注射器注入，固体试样从石英窗（可卸

16、式）一侧，用专门的加样器加进石墨管中央，每根石墨管可使用约50 200次。 石墨炉在2 4秒内，可使温度上升到3000°C，有些稀土元素，甚至要更高的温度。但炉体表面温度不能超过60 80 °C。因此，整个炉体有水冷却保护装置，如水温为200 °C时，水的流量12升/分，炉子切断电源停止加热，在2030秒内，即可冷却到室温。水冷和气体保护都设有“报警”装置。如果水或气体流量不足，或突然断水、断气，即发出“报警”信号，自动切断电源。2. 电源石墨炉电源是一种 低压（812V）大电流（300 600A）而稳定的交流电源。设有能自动完成干燥、灰化、原子化、净化阶段的操作

17、程序。3. 石墨管普通石墨管（GT）升华点低（3200 °C ），易氧化，使用温度必须低于2700 °C。热解石墨管（PGT）具有很好的耐氧化性能，升华温度高，可达3700 °C。具有较好的机械强度，使用寿命明显地优于普通石墨管。（1）低温原子化方法主要是氢化物原子化方法，原子化温度700900C ；主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等元素原理： 在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例AsCl3 +4NaBH4 + HCl +8H2O = AsH3+4NaCl +4HBO2+13H2将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物

18、，送入原子化器中检测，氢化物易分解，原子化温度低。特点：原子化温度低 ；灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；基体干扰和化学干扰小； （2）冷原子化法主要应用于：各种试样中Hg元素的测量；原理： 将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g汞）；四、单色器:将待测元素的共振线与邻近谱线分开。五、检测系统:主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。第三节 干扰效应及抑制方法Interferences and elimination一、物理干扰物理干扰指的是试样在处理、

19、转移、蒸发和原子化的过程中，由于任何物理因素的变化而产生对吸光度测量的影响。其物理因素包括溶液的粘度、密度、总盐度、表面张力、溶剂的蒸气压及雾化气体的压力、流速等。影响试液的喷入速度、提取量、雾化效率、雾滴大小的分布、溶剂及固体微粒的蒸发、原子在吸收区的平均停留时间等，因而会引起吸收强度的变化。物理干扰具有非选择性质。配制与被测试样组成相同或相近的标准溶液或采用标准加入法。若试样溶液浓度过高，还可以采用稀释法。 二、光谱干扰待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全，这类干扰主要来自光源和原子化装置。（一）与光源有关的光谱干扰吸收线重叠在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线。消除吸收线干

20、扰的方法是另选分析线，若还未能消除干扰，就只好进行试样的分离。 非吸收线干扰是指在光谱通带范围内，光源不仅发射被测元素的共振线，而且在其共振线的附近发射其他的谱线。对于这些发射，若被不吸收，它们被检测器所检测，产生一个不变的背景信号，使吸光度减小，降低了灵敏度。若被测元素吸收，但由于吸收系数比对共振线的吸收系数小，所以也使吸光度减小，同时降低灵敏度。    消除的方法：可以减小狭缝宽度，使光谱通带小到足以遮去多重发射的谱线；若波长差很小，则应另选分析线；降低灯电流也可以减少多重发射；若灯使用时间长，灯内产生氧化物灯杂质，则可以反向通电进行净化处理。 （二）与原子化

21、器有关的干扰背景干扰来自于原子化器中的背景发射及背景吸收，用光源的调制可以消除背景发射的影响，但调制不能消除背景吸收的影响。背景吸收来自原子化器中分子，半分解产物的吸收及固体、微粒的散射两个方面。 分子或半分解产物的背景吸收CaOH在530560nm有吸收，干扰的测定；半分解产物在一定波段有吸收，如OH在309330nm及281206nm有吸收，分别干扰及的测定，CH在387410nm有吸收，C2在486474nm有吸收；一些无机酸也有吸收，如H2SO4和H3PO4在小于250nm波长处有强烈吸收，而HNO3和HCl吸收很小。因此原子吸收分析中常用HNO3或HCl配制溶液。 光散射原子化过程产

22、生的微小固体颗粒使光产生散射，使没被吸收的光不能到达检测器被检测，吸光度增加，称为“假吸收”。 背景干扰，都是使吸光度增大，产生正误差。石墨炉原子化法背景吸收干扰比火焰原子化法来的严重，有时不扣除背景就不能进行测定。 目前，主要采用邻近非共振线法、连续光源法和塞曼(Zeeman)效应法等来校正背景。（不做要求）三、化学干扰及抑制化学干扰指的是被测元素原子与共存组分发生化学反应，生成热力学更稳定的化合物，影响被测元素的原子化。如Al的存在，对Ca、Mg的原子化起抑制作用，因为会形成热稳定性高的 MgO·Al2O3、3CaO·5Al2O3的化合物；PO43-的存在会形成Ca3(

23、PO4)2而影响Ca的原子化，同样F-、SO42-也影响Ca的原子化。化学干扰具有选择性，要消除其影响应看不同性质而选择合适的方法。 加入干扰抑制剂释放剂其作用是它能与干扰物质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物中释放出来。 如PO43-干扰Ca的测定，可加入La、Sr盐类，它们与PO43-生成更稳定的磷酸盐，把Ca释放出来。同样，Al对Ca、Mg的干扰，也可以通过加LaCl3，而释放Ca、Mg。释放剂的应用比较广泛； 保护剂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EDT

24、A和8-羟基喹啉。例如，PO43-干扰Ca的测定，当加EDTA后，生成EDTA-Cu配合物，它既稳定又易破坏。Al对Ca、Mg的干扰可用8-羟基喹啉作保护剂； 缓冲剂有的干扰当干扰物质达到一定浓度时，干扰趋于稳定，这样，把被测溶液和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。 如用乙炔一氧化二氮火焰测定Ti时，Al抑制了Ti的吸收。但是当Al的浓度大于200g/mL后，吸收就趋于稳定。因此在试样及标样中都加200 g/mL 的干扰元素，则可消除其干扰。3. 电离干扰电离干扰指的是在高温条件下，原子发生电离成为离子，使基态原子数减少，吸光值下降。电离干扰与原子化温度和被测元素的

25、电离电位及浓度有关。元素的电离度随温度的升高而增加，随元素的电离电位及浓度的升高而减小。碱金属的电离电位低，电离干扰就明显。加入消电离剂(或称电离抑制剂)。消电离剂一般是比被测元素电离电位低的元素，在相同条件下，消电离剂首先被电离，产生大量电子，抑制了被测元素的电离。例如，测Ba时有电离干扰，加入过量KCl，可以消除。Ba的电离电位，K的电离电位。K电离产生大量电子，使Ba+得到电子而生成原子。第四节 分析条件的选择与应用Choice of analytical condition and application一、定量分析方法二、特征参数1、灵敏度（S）指在一定浓度时，测定值（吸光度）的增量

26、（A）与相应的待测元素浓度（或质量）的增量（c或m）的比值： Sc=A/c 或 Sm=A/m也就是工作曲线的斜率。习惯上，我们常用特征浓度和特征质量来表征灵敏度。火焰原子化中用特征浓度；石墨炉原子化中用特征质量。2、特征浓度（cc )指能产生1%吸收或吸光度值时溶液中待测元素的质量浓度（g·mL-1）.ccs/A 单位： g·mL-1/1%式中s为试液的质量浓度（g·mL-1），A为试液的吸光度 例：1g·mL-1镁溶液，测得其吸光度为，则镁的特征浓度为： ccs/A× 1g·mL-1/0.55=8 g·mL-1/1%3、特

27、征质量（mc) 指能产生1%吸收或吸光度值时溶液中待测元素的质量（ g/ 1% ）mc=0.0044 sv /A 单位： g/ 1%式中s为试液的质量浓度（g·mL-1），V为试液进样体积（mL）,A为试液的吸光度三、测定条件的选择1分析线一般选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线 2通带（可调节狭缝宽度改变）无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，反之（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带。 3空心阴极灯电流在保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量选较低的电流。4火焰 依据不同试样元素选择不同火焰类型（燃与助燃及比例）。5燃烧器高度调节燃烧器高度，可

28、使入射特征谱线通过基态原子密度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。四、应用：应用广泛的微量金属元素的首选测定方法 (1)头发中微量元素的测定微量元素与健康关系；(2)水中微量元素的测定环境中重金属污染分布规律；(3)水果、蔬菜中微量元素的测定；(4) 矿物、合金及各种材料中微量元素的测定；(5) 各种生物试样中微量元素的测定。第五节 原子荧光光谱分析法Atomic fluorescence spectrometry, AFE一、概述原子在辐射激发下发射的荧光强度来定量分析的方法；1964年以后发展起来的分析方法；属发射光谱但所用仪器与原子吸收仪器相近；(1) 检出限低、灵敏度高,如 Cd：p

29、pt； Zn：10ppt；(2) 谱线简单、干扰小(3) 线性范围宽（可达35个数量级）(4) 易实现多元素同时测定（产生的荧光向各个方向发射）2.缺点：存在荧光淬灭效应、散射光干扰等问题；二、基本原理1原子荧光光谱的产生过程当气态原子受到强特征辐射时，由基态跃迁到激发态，约在10-8s后，再由激发态跃迁回到基态，辐射出与吸收光波长相同或不同的荧光；特点：（1）属光致发光；二次发光；（2）激发光源停止后，荧光立即消失；（3）发射的荧光强度与照射的光强有关；（4）不同元素的荧光波长不同；浓度很低时，强度与蒸气中该元素的密度成正比，定量依据(适用于微量或痕量分析)；2、 原子荧光的产生类型荧光猝灭

30、： 受激发原子与其他原子碰撞，能量以热或其他非荧光发射方式给出，产生非荧光去激发过程，使荧光减弱或完全不发生的现象。 荧光量子效率： F = F f / F a F f 发射荧光的光量子数；F a吸收的光量子数之比；荧光量子效率1I0 原子化火焰单位面积接受到的光源强度；A为受光照射在检测器中观察到的有效面积；K0为峰值吸收系数；l 为吸收光程；N为单位体积内的基态原子数；三、原子荧光光度计1仪器类型单通道：每次分析一个元素；多通道：每次可分析多个元素；色散型：带分光系统；非色散型：采用滤光器分离分析线和邻近线；特点：光源与检测器成一定角度； 2主要部件光源：高强度空心阴极灯、无极放电灯、可调

31、频激光器；可调频激光器：高光强、窄谱线；原子化装置：与原子吸收法相同；色散系统：光栅、滤光器；检测系统：原子荧光光谱法近年来有了较快的发展，而且有多种类型的商品原子荧光光度计。因此，它在地质、冶金、环境科学、材料科学、生物医学、石油、农业等领域内得到了日益广泛的应用。原子荧光光谱法具有灵敏度高、谱线简单、线性范围宽等优点，但是，对于高含量和基体复杂的样品分析，却有一定的困难。 l自测题 1、下列哪种说法可以概述三种原子光谱（发射、吸收、荧光）的产生机理？A. 能量与气态原子内层电子的相互作用；B. 能量与气态原子外层电子的相互作用；C辐射能使气态基态原子内层电子跃迁；D辐射能使气态基态原子外层电子跃迁。2、在原子吸收光谱法的理论中，以谱线峰值吸收测量替代积分吸收测量的关键条件是什么？A光源辐射的特征谱线与原子吸收谱线比较，中心频率一样，而半峰宽要小得多；B光源辐射的特征谱线与原子吸收谱线比较，中心频率和半峰宽均为一样；C光源辐射的特征谱线与原子吸收谱线比较，中心频率一样，而半峰宽要较大；D光源辐射的特征谱线与原子吸收谱线比较，只要中心频率一样，半峰宽大小都没影响。