第十三章原子吸收分光光度法

1、第十三章第十三章 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法药物分析教研室药物分析教研室原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法(atomic absorption spectrophotometry) 根据蒸气相中被测元素的基态原子对根据蒸气相中被测元素的基态原子对特征辐射的吸收来测定试样中该元素含量特征辐射的吸收来测定试样中该元素含量的方法。的方法。选择性高，干扰少。选择性高，干扰少。原子吸收分光光度法特点：原子吸收分光光度法特点：2.灵敏度高。灵敏度高。 火焰原子化法：火焰原子化法：10-9g/mL；石墨炉：；石墨炉：10-13g/mL 。3.测定的范围广，测定测定的范围广，测定70多种元素。多种

2、元素。4.操作简便、分析速度快。操作简便、分析速度快。5.准确度高。火焰法误差准确度高。火焰法误差1% ，石墨炉法，石墨炉法3%-5。局限性：局限性：工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级范围；工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级范围；使用不方便，一种元素对应一个空心阴极灯；使用不方便，一种元素对应一个空心阴极灯；某些元素检出能力差，干扰严重某些元素检出能力差，干扰严重原子吸收分光光度法与原子吸收分光光度法与 紫外可见吸收光度法异同点紫外可见吸收光度法异同点相同点：相同点：1 1）都是依据样品对入射光的吸收进行测量的。）都是依据样品对入射光的吸收进行测量的。2 2）两种方法都遵循朗伯）两种方

3、法都遵循朗伯- -比耳定律。比耳定律。3 3）就设备而言，均由四大部分组成，即光源、单）就设备而言，均由四大部分组成，即光源、单色器、吸收池（或原子化器）、检测器。色器、吸收池（或原子化器）、检测器。1 1）吸收物质的状态不同。）吸收物质的状态不同。 紫外可见光谱：紫外可见光谱：溶液中分子、离子，宽带分子溶液中分子、离子，宽带分子光谱，可以使用光谱，可以使用连续光源连续光源。 原子吸收光谱：原子吸收光谱：基态原子，窄带原子光谱，必基态原子，窄带原子光谱，必须使用须使用锐线光源锐线光源。2 2）单色器与吸收池的位置不同。）单色器与吸收池的位置不同。紫外可见：光源紫外可见：光源单色器单色器比色皿。

4、比色皿。原子吸收：光源原子吸收：光源原子化器原子化器单色器。单色器。第一节第一节 原子吸收分光光度法的基本原理原子吸收分光光度法的基本原理光谱项光谱项(spectral term) (spectral term) 描述核外原子量子能级的形式描述核外原子量子能级的形式n n M M L LJ J 主量子数主量子数 （价电子所处电子层（价电子所处电子层1 1，2 2，3 3 ）总角量子数总角量子数（电子的轨道形状，相应的（电子的轨道形状，相应的符号：符号：S S、P P、D D等）等）内量子数（光谱支项）内量子数（光谱支项）光谱项的多重性，光谱项的多重性，M=2S+1,SM=2S+1,S是价电子是

5、价电子总自旋量子数总自旋量子数（分裂能级数目）（分裂能级数目）一、原子的量子能级和能级图一、原子的量子能级和能级图J=L+S，L+S-1，L+S-2，|L-S|LS J取值从取值从L+S到到L-S，共，共2S+1个值个值LS J取值从取值从L+S到到S-L，共，共2L+1个值个值9例：钠原子核外电子构型例：钠原子核外电子构型 基态：基态：(1S)2(2S)2(2P)6(3S)1 价电子价电子(3S)1 n2S+1LJ n=3 S=1/22S+1=2 L=0S J=L+S=1/2基态钠原子的光谱项：基态钠原子的光谱项：32S1/2激发态钠原子的价电子：激发态钠原子的价电子： (3P)1 n=3

6、S=1/22S+1=2 L=1P J=L+S=3/2, 1/2激发态钠原子的光谱项：激发态钠原子的光谱项：32P3/2 32P1/2原子能级图原子能级图光谱学中将原子所有各种可能的光谱学中将原子所有各种可能的能级状态用图解形式表示。能级状态用图解形式表示。纵坐标纵坐标 表示原子的能量表示原子的能量E E，单位是电子，单位是电子伏特伏特(eV)(eV)或波数或波数(cm(cm-1-1) )。横线横线 用光谱支项表示原子实际所处用光谱支项表示原子实际所处的能级。的能级。原子的价电子在不同能级间的跃迁就产生了原子谱线。原子的价电子在不同能级间的跃迁就产生了原子谱线。基态激发态原子从基态激发到能量最低

7、的激发态（称为第一原子从基态激发到能量最低的激发态（称为第一激发态），为共振激发，产生的谱线称为激发态），为共振激发，产生的谱线称为共振吸共振吸收线收线。 共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。常用元共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。常用元素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。元素的特征谱线元素的特征谱线（1 1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同）各种元素的原子结构和外层电子排布不同 基态基态第一激发态第一激发态: : 跃迁吸收能量不同跃迁吸收能量不同具有具有特征性特征性。（2 2）各种元素的基态）各种元素的基态第一激发态第一激发态 最易发生，吸收最强，最

8、灵敏线。最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线特征谱线。（3 3） 利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析（符合朗伯比尔定律）量分析（符合朗伯比尔定律）二、原子在各能级的分布二、原子在各能级的分布理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子数数N Nj j与基态原子数与基态原子数的关系可用玻尔兹曼的关系可用玻尔兹曼 （BoltzmannBoltzmann）方程表示方程表示)exp(ojojojKTEEggNN二、原子在各能级的分布二、原子在各能级的分布理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发

9、态原子理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子数数N Nj j与基态原子数与基态原子数的关系可用玻尔兹曼的关系可用玻尔兹曼 （BoltzmannBoltzmann）方程表示方程表示)exp(ojojojKTEEggNN一般在原子化温度（一般在原子化温度（3000K3000K）大多数元素的最）大多数元素的最 强强共振线都低于共振线都低于600nm600nm， N Nj j/ / N No o值绝大部分在值绝大部分在1010-3-3（1%1%）即）即N Nj j 与与N No o相比，相比，激发态原子数可以忽略激发态原子数可以忽略 。17三、原子吸收线的轮廓和变宽1.原子吸收线的轮廓原子

10、吸收线的轮廓 理论上：没有宽度的线状光谱理论上：没有宽度的线状光谱 实际上：具有一定宽度的谱线（一个频率范围）实际上：具有一定宽度的谱线（一个频率范围）三、原子吸收线的轮廓和变宽三、原子吸收线的轮廓和变宽 若将透过光强若将透过光强 ( (I I0 0) ) 对对频率频率v v 作图由图可见在中心作图由图可见在中心频率处透过光强度最小。频率处透过光强度最小。（红线表示部分）（红线表示部分）若将吸收系数若将吸收系数K Kv v 对频率对频率v v 作图，称为原子吸收线的轮作图，称为原子吸收线的轮廓。廓。半宽度半宽度( (half widthhalf width) )指中心频率指中心频率( )( )

11、的吸收系数一半处谱线轮廓上两的吸收系数一半处谱线轮廓上两点之间的频率差。吸收线的半宽度主要受下列因点之间的频率差。吸收线的半宽度主要受下列因素的影响。素的影响。0分两类：分两类： 由原子本身的性质决定由原子本身的性质决定, ,如谱线的自然宽度和同如谱线的自然宽度和同位素效应。位素效应。 由外界影响引起，如热变宽、压力变宽、电场由外界影响引起，如热变宽、压力变宽、电场变宽、磁场变宽、自吸变宽等。变宽、磁场变宽、自吸变宽等。自然宽度（自然宽度（natural width natural width ， ） 在无外界影响下，谱线固有的宽度。激发态原子的寿命愈在无外界影响下，谱线固有的宽度。激发态原子

12、的寿命愈短，吸收线的自然宽度愈宽。短，吸收线的自然宽度愈宽。 多数情况下，可忽略不计。多数情况下，可忽略不计。多普勒变宽（多普勒变宽（Doppler broadeningDoppler broadening， ） 由由无规则的热运动无规则的热运动产生，所以又称为热变宽，是谱线变宽产生，所以又称为热变宽，是谱线变宽的的主要因素主要因素。 测定的温度越高，被测元素的原子质量越小，原子的相对测定的温度越高，被测元素的原子质量越小，原子的相对热运动越剧烈，热变宽越大。热运动越剧烈，热变宽越大。ND 赫鲁茲马克变宽（赫鲁茲马克变宽（Holtsmark broadeningHoltsmark broade

13、ning， ） 又称共振变宽，同种原子间碰撞引起的谱线变宽，它随又称共振变宽，同种原子间碰撞引起的谱线变宽，它随试样原子蒸气浓度增加而增加。试样原子蒸气浓度增加而增加。压力变宽压力变宽(pressure broadening)(pressure broadening) 由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级稍微变由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级稍微变化，发射或吸收光量子频率改变而导致的变宽。化，发射或吸收光量子频率改变而导致的变宽。 R劳沦茨变宽（劳沦茨变宽（Lorentz broadeningLorentz broadening， ） 吸光原子与蒸气中其它原子或分子等相互碰撞而引起

14、的谱吸光原子与蒸气中其它原子或分子等相互碰撞而引起的谱线变宽。随原子区内气体压力的增加和温度升高而增大。线变宽。随原子区内气体压力的增加和温度升高而增大。L四、原子吸收值与原子浓度的关系四、原子吸收值与原子浓度的关系积分吸收积分吸收(integrated absorption) (integrated absorption) )exp(0LKIILK.II04340lgA透过光强度服从透过光强度服从LambertLambert定律，数学表达式为定律，数学表达式为u在原子吸收光谱分析中，把测量气态原子吸收共振线的总在原子吸收光谱分析中，把测量气态原子吸收共振线的总能量称为积分吸收。能量称为积分吸

15、收。u是指在原子吸收光谱中是指在原子吸收光谱中, ,原子蒸气所吸收的全部能量原子蒸气所吸收的全部能量, ,即一即一条吸收曲线下面所包括的整个面积。积分吸收与基态原子条吸收曲线下面所包括的整个面积。积分吸收与基态原子数的关系式为：数的关系式为： fNmcek02d 这是原子吸收法的重要理论基础，如能准确测量积分吸这是原子吸收法的重要理论基础，如能准确测量积分吸收，即可求得原子浓度。收，即可求得原子浓度。积分吸收系数积分吸收系数K Kv v 基态原子数基态原子数N N 峰值吸收法峰值吸收法(peak absorption)(peak absorption) 采用锐线光源，通过测定吸收线中心频率的峰

16、值吸收系采用锐线光源，通过测定吸收线中心频率的峰值吸收系数计算待测元素的原子数。数计算待测元素的原子数。KNKK2ln2dln220NKA K K0 0N NKNL.Aln224340cKA峰值吸收测量的吸光度与试样中被测组分的浓度呈线性峰值吸收测量的吸光度与试样中被测组分的浓度呈线性用峰值吸收代替积分吸收进行定量的必要条件用峰值吸收代替积分吸收进行定量的必要条件 锐线光源的发射线与原子吸收线的锐线光源的发射线与原子吸收线的中心频率完全一致。中心频率完全一致。 锐线光源发射线的半宽度比吸收线锐线光源发射线的半宽度比吸收线的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的的1/5

17、1/51/10 1/10 。 第二节第二节 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计Z-5000Z-5000原子吸收光谱仪（塞曼偏振）原子吸收光谱仪（塞曼偏振）原子吸收线原子吸收线原子吸收过程原子吸收过程一、原子吸收分光光度计的主要部件一、原子吸收分光光度计的主要部件锐线光源、原子化器、单色器和检测系统锐线光源、原子化器、单色器和检测系统作用作用： 发射被测元素基态原子所吸收的特征共振线，称发射被测元素基态原子所吸收的特征共振线，称为为锐线光源锐线光源（narrow-line sourcenarrow-line source）。）。光源的基本要求光源的基本要求： 发射辐射波长的半宽度要明显小于吸收

18、线的半宽发射辐射波长的半宽度要明显小于吸收线的半宽度，辐射强度大，稳定性好，背景信号低，使用度，辐射强度大，稳定性好，背景信号低，使用寿命长等。寿命长等。光源光源空心阴极灯空心阴极灯（hollow cathode lamphollow cathode lamp，HCLHCL） 空心阴极灯发射的光空心阴极灯发射的光谱主要是阴极元素的光谱，谱主要是阴极元素的光谱，因此用不同的被测元素作因此用不同的被测元素作阴极材料，可制成各种被阴极材料，可制成各种被测元素的空心阴极灯。测元素的空心阴极灯。 缺点是测一种元素换缺点是测一种元素换一个灯，使用不便。一个灯，使用不便。原子化器原子化器 (atomizer

19、) (atomizer) 作用：作用： 提供能量，使试样干燥，蒸发并转化为所需的基态原提供能量，使试样干燥，蒸发并转化为所需的基态原子蒸气。被测元素由试样转入气相，并转化为基态原子子蒸气。被测元素由试样转入气相，并转化为基态原子的过程，称为原子化过程。的过程，称为原子化过程。MX(试样)M（基态原子） X （气态）M MXM（气态）（激发态原子）激发（离子） e原子化脱溶1.2.气化*+剂离子化火焰原子化法火焰原子化法（flame atomizationflame atomization） 由由化学火焰化学火焰提供能量，提供能量，使被测元素原子化。常使被测元素原子化。常用的是预混合型原子化用的

20、是预混合型原子化器，它包括雾化器、雾器，它包括雾化器、雾化室和燃烧器三部分。化室和燃烧器三部分。雾化器（雾化器（nebulizernebulizer） 将试液雾化。并使雾滴均将试液雾化。并使雾滴均匀化。雾滴越小，火焰中生成的基态原子就越匀化。雾滴越小，火焰中生成的基态原子就越多。多。雾化室的作用，雾化室的作用，一是使较大雾粒沉降，凝聚从废液口排一是使较大雾粒沉降，凝聚从废液口排除；二是使雾粒与燃气，助燃气均匀混合形成气溶胶，除；二是使雾粒与燃气，助燃气均匀混合形成气溶胶，再进入火焰原子化；三是起缓冲稳定混合气气压的作用，再进入火焰原子化；三是起缓冲稳定混合气气压的作用，以便使燃烧气产生稳定的火

21、焰。以便使燃烧气产生稳定的火焰。燃烧器（燃烧器（burnerburner）的作用是产生火焰，使进入火焰的试的作用是产生火焰，使进入火焰的试样气溶胶蒸发和原子化，常用的是单缝燃烧器。样气溶胶蒸发和原子化，常用的是单缝燃烧器。37（1）结构：炉体、石墨管、水电气供给系统）结构：炉体、石墨管、水电气供给系统 原理：石墨管两端用铜电极夹住，通电达到原理：石墨管两端用铜电极夹住，通电达到20003000C高高温。试样用微量注射器注入石墨管，使试样原子化。铜电极用温。试样用微量注射器注入石墨管，使试样原子化。铜电极用水冷却。惰性气体保护原子化了的原子。水冷却。惰性气体保护原子化了的原子。 石墨炉原子化器石

22、墨炉原子化器（graphite furnace atomizergraphite furnace atomizer） 38优点：原子化程度高，试样用量少（优点：原子化程度高，试样用量少（1-100L），）， 可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测极限可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测极限 10-12 g/L。缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装 置复杂。置复杂。氢化物发生原子化器氢化物发生原子化器（hydrogen generation atomizerhydrogen generation atomizer） 一定酸度下，用强还原剂一定酸度下，

23、用强还原剂KBHKBH4 4或或NaBHNaBH4 4将将AsAs、SbSb、BiBi、SnSn、GeGe、SeSe、PbPb、TiTi元素还原成极易挥发与易受热元素还原成极易挥发与易受热分解的氢化物分解的氢化物。 载气将这些氢化物送入石英管后，在低温下即可进行载气将这些氢化物送入石英管后，在低温下即可进行原子化原子化检测检测。特点：原子化温度低，基体干扰和化学干扰小。特点：原子化温度低，基体干扰和化学干扰小。冷蒸气发生器原子化器冷蒸气发生器原子化器（cold atom atomizer） 低温原子化方法（一般低温原子化方法（一般700900700900C C）；）；专门用专门用于汞的测定于汞

24、的测定 酸性溶液中，酸性溶液中， SnCl SnCl2 2将无机汞化物还原为金属汞，将无机汞化物还原为金属汞，它在常温常压下易形成汞原子蒸气。用载气将汞蒸它在常温常压下易形成汞原子蒸气。用载气将汞蒸气导入石气导入石英英吸收管中进行测定吸收管中进行测定。 特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达1010-8-8g g） 作用作用：将：将所需的共振吸收线与邻近干扰线分离。所需的共振吸收线与邻近干扰线分离。 为了防止原子化时产生的辐射不加选择地都进入为了防止原子化时产生的辐射不加选择地都进入检测器以及避免光电倍增管的疲劳，单色器通常检测器以及避免光电倍增管的疲

25、劳，单色器通常配置在原子化器后。配置在原子化器后。 单色器中的关键部件是色散元件，现多用光栅。单色器中的关键部件是色散元件，现多用光栅。单色器单色器 主要由检测器、放大器、对数变换器、显示主要由检测器、放大器、对数变换器、显示装置所组成。装置所组成。 检测器的作用是将单色器分出的光信号进行检测器的作用是将单色器分出的光信号进行光电转换，常用光电倍增管。光电转换，常用光电倍增管。检测系统检测系统原子吸收分光光度计的类型原子吸收分光光度计的类型2 2双光束原子吸收分光光度计双光束原子吸收分光光度计 1 1单光束原子吸收分光光度计单光束原子吸收分光光度计第三节第三节 实验方法实验方法试样取样及处理试

26、样取样及处理 分析线分析线(analytical line) (analytical line) 通常选择共振吸收线作为分析线，因共振吸收线是最灵敏通常选择共振吸收线作为分析线，因共振吸收线是最灵敏的吸收线。的吸收线。 狭缝宽度狭缝宽度 在原子吸收分光光度法中，谱线重叠干扰的几率小，因此，在原子吸收分光光度法中，谱线重叠干扰的几率小，因此，允许使用较宽的狭缝，有利于增加灵敏度，提高信噪比。允许使用较宽的狭缝，有利于增加灵敏度，提高信噪比。 一、测定条件的选择一、测定条件的选择空心阴极灯的工作电流空心阴极灯的工作电流 在保证放电稳定和足够光强的条件下，尽量选用低的工在保证放电稳定和足够光强的条件

27、下，尽量选用低的工作电流。作电流。 原子化条件的选择原子化条件的选择 在火焰原子化法中，火焰的选择和调节是保证原子化效在火焰原子化法中，火焰的选择和调节是保证原子化效率的关键之一。率的关键之一。 石墨炉原子化法中，原子化程序要经过干燥、灰化、原子石墨炉原子化法中，原子化程序要经过干燥、灰化、原子化和净化几个阶段，各阶段的温度与持续时间，均要通化和净化几个阶段，各阶段的温度与持续时间，均要通过实验选择。过实验选择。原子吸收光谱分析的干扰有光谱干扰、物理干扰、原子吸收光谱分析的干扰有光谱干扰、物理干扰、化学干扰、电离干扰和背景吸收等。化学干扰、电离干扰和背景吸收等。 二、干扰及其抑制二、干扰及其抑

28、制电离干扰电离干扰（ionization interferenceionization interference） 现象现象： 待测元素在原子化过程中发生电离，使参与吸待测元素在原子化过程中发生电离，使参与吸收的基态原子数减少而造成吸光度下降收的基态原子数减少而造成吸光度下降。 消除方法：消除方法： 加入消电离剂（易电离元素）加入消电离剂（易电离元素）基体干扰基体干扰（mareix interferencemareix interference）现象现象： 试样在处理、转移、蒸发和原子化过程中，由于试试样在处理、转移、蒸发和原子化过程中，由于试样物理特性的变化引起吸光度下降样物理特性的变化引起

29、吸光度下降。消除方法：消除方法： 可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。抑制。光学干扰光学干扰（optical interferenceoptical interference） 原子光谱对分析线的干扰原子光谱对分析线的干扰。包括光谱线干扰包括光谱线干扰和非吸收线干扰。和非吸收线干扰。现象现象 光谱线干扰是试样中共存元素的吸收线与待测光谱线干扰是试样中共存元素的吸收线与待测元素的分析线相近（吸收线重叠）而产生的干元素的分析线相近（吸收线重叠）而产生的干扰扰。消除方法：消除方法： 另选波长或用化学方法分离干扰元素。另选波长或用化学方法分

30、离干扰元素。非吸收线干扰是一种背景吸收（非吸收线干扰是一种背景吸收（background background absorptionabsorption）。）。现象：现象： 原子化过程中生成的气体分子、氧化物、盐类等对共振线原子化过程中生成的气体分子、氧化物、盐类等对共振线的吸收及微小固体颗粒使光产生散射而引起的干扰。的吸收及微小固体颗粒使光产生散射而引起的干扰。消除方法：消除方法： 邻近线法、连续光源（在紫外光区通常用氘灯）法、塞邻近线法、连续光源（在紫外光区通常用氘灯）法、塞曼（曼（ZeemanZeeman）效应法等。）效应法等。化学干扰化学干扰（chemical interference

31、chemical interference）现象：现象： 在溶液或气相中由于待测元素与其他共存组分之间发在溶液或气相中由于待测元素与其他共存组分之间发生化学反应而影响待测元素化合物的离解和原子化生化学反应而影响待测元素化合物的离解和原子化。消除方法：消除方法： 加入释放剂加入释放剂、加保护剂加保护剂、适当提高火焰温度适当提高火焰温度等。等。被测元素浓度含量或改变一个单位，吸光度的变化量。被测元素浓度含量或改变一个单位，吸光度的变化量。 火焰原子吸收法中常用火焰原子吸收法中常用“特征浓度特征浓度”表达式：表达式： ）（%10044.0g/ml/xcAcS）或（%1/%10044. 00044.

32、0gg/xxmAVcAmS灵敏度灵敏度（sensitivitysensitivity）非火焰法非火焰法( (石墨炉石墨炉) )中常用中常用“特征质量特征质量”表示表示 ：三、灵敏度和检出限三、灵敏度和检出限信号等于空白溶液的测量信号的标准偏差信号等于空白溶液的测量信号的标准偏差3 3倍时所对应的倍时所对应的的浓度（的浓度（ug/mlug/ml）或质量（）或质量（g g或或ugug）来表示。）来表示。 计算公式为：计算公式为：）（mlgxC/3AcD检出限检出限（detection limitdetection limit）四、定量分析方法四、定量分析方法n 标准曲线法：标准曲线法： （A Ac c ）( ( 同分光光度法同分光光度法 ) )n 标准加入法：（标准加入法：（增量法）增量法） 当试样基体影响较大，又没有纯净的基体空白，当试样基体影响较大，又没有纯净的基体空白，或测定纯物质中极微量的元素时，可以采用此法。或测定纯物质中极微量的元素时，可以采用此法。 待测溶液的浓度可用计算法和作图法待测溶液的浓度可用计算法和作图法c