生物仪器分析-原子光谱

1、山东理工大学生命科学学院第三章第三章 原子发射光谱法原子发射光谱法(AES)(AES)山东理工大学生命科学学院AES:元素的原子在受到元素的原子在受到热或电激发热或电激发时，由时，由基态基态跃迁到跃迁到激发态激发态，返回到返回到基态基态时，发射出特征光谱，依据所发射的光谱的时，发射出特征光谱，依据所发射的光谱的波长和波长和强度强度可以进行元素的可以进行元素的定性与定量定性与定量分析。分析。特征辐射特征辐射基态基态激发态激发态能量能量山东理工大学生命科学学院因此发现了因此发现了Rb和和Cs山东理工大学生命科学学院原子发射光谱分析的优缺点原子发射光谱分析的优缺点优点：优点：1、具有多元素同时分析能

2、力，既可进行定性、也可进行定、具有多元素同时分析能力，既可进行定性、也可进行定量分析量分析2、具有较高的灵敏度和选择性（、具有较高的灵敏度和选择性（ng/ml-pg/ml）3、准确度高、准确度高4、试样用量少（毫克）、试样用量少（毫克） 应用范围应用范围： 血液，中草药，茶叶微量元素的分析血液，中草药，茶叶微量元素的分析缺点：缺点：不适于部分非金属元素如卤素、惰性气体元素等的分析；不适于部分非金属元素如卤素、惰性气体元素等的分析；只能测元素浓度，不能测元素存在形态只能测元素浓度，不能测元素存在形态山东理工大学生命科学学院激发电位（激发能）激发电位（激发能）: 原子中某一外层电子由基态激发到高能

3、态所需要的能量，原子中某一外层电子由基态激发到高能态所需要的能量，称该高能态为激发电位，称该高能态为激发电位，eV表示表示电离电位（电离能）电离电位（电离能）: 把原子中外层电子电离所需要的能量，称为电离电位，把原子中外层电子电离所需要的能量，称为电离电位，以以eV表示表示原子线原子线() ：原子原子核外激发态电子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。跃迁回基态所发射出的谱线。 M * M I 离子线离子线(,) ：离子离子核外激发态电子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。跃迁回基态所发射出的谱线。 M+ * M+ M2+* M2+ 相关术语相关术语山东理工大学生命科学学院 主共振线：主

4、共振线：原子由第一激发态到基态的跃迁，能量最小，易发生原子由第一激发态到基态的跃迁，能量最小，易发生 灵敏线灵敏线：具有一定强度能标记某种元素存在的特征谱线：具有一定强度能标记某种元素存在的特征谱线 最后线：最后线：当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能坚持出当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能坚持出现的最后一条谱线（最灵敏线）现的最后一条谱线（最灵敏线）最强的谱线通常是？相关术语相关术语山东理工大学生命科学学院原子由某一原子由某一激发态激发态 i 向向基态基态 j 跃迁，发射谱线强度跃迁，发射谱线强度： gi，gj为激发态和基态的统计权重；为激发态和基态的统计权重； Aij两个能级间的跃迁

5、几率；两个能级间的跃迁几率； h为为Plank常数；常数； ij发射谱线的频率发射谱线的频率N0 单位体积的基态原子数单位体积的基态原子数 ；Ei为为谱线的激发电位谱线的激发电位k为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；T为激发的绝对温度为激发的绝对温度kTEijjieNhAggI0ijiij谱线强度谱线强度及其影响因素及其影响因素山东理工大学生命科学学院kTEijjieNhAggI0ijiij谱线强度谱线强度及其影响因素及其影响因素激发电位激发电位激发温度激发温度样品浓度样品浓度M*hv山东理工大学生命科学学院激发源单色器检测器原子发射光谱仪原子发射光谱仪蒸发、解离、蒸发、解离、原子化、激发、原子化

6、、激发、跃迁产生光辐跃迁产生光辐射的作用射的作用分光分光按照波长顺序按照波长顺序排列的光谱排列的光谱发射光谱进行发射光谱进行检测记录检测记录山东理工大学生命科学学院原子发射光谱仪原子发射光谱仪激发源：激发源：高灵敏度和低检出限工作过程中比较稳定无背景或背景较小火焰火焰电弧电弧ICP高压火花高压火花山东理工大学生命科学学院电感耦合等离子体（电感耦合等离子体（ICP）Plasma物理学：电离度大于物理学：电离度大于0.10.1的气体。（等离的气体。（等离子体由离子、电子和不带电的粒子组成的电子体由离子、电子和不带电的粒子组成的电中性的、高度离子化的气体，它是与固体、中性的、高度离子化的气体，它是与

7、固体、液体和正常气体相区别的一种物质状态）液体和正常气体相区别的一种物质状态）点火引燃工作气，点火引燃工作气，磁场加速等离子，磁场加速等离子，感应涡流产高热，感应涡流产高热，气体受热成焰炬。气体受热成焰炬。山东理工大学生命科学学院光源光源蒸发温度蒸发温度/K/K激发温度激发温度/K/K应用范围应用范围火焰火焰低低1000100050005000直流电弧直流电弧800800380038004000400070007000矿物、难挥发元素定矿物、难挥发元素定量分析量分析交流电弧交流电弧比直流电弧低比直流电弧低 比直流电弧略高比直流电弧略高低含量组分定量分析低含量组分定量分析火花火花比交流电弧低比交

8、流电弧低 1000010000（瞬间）（瞬间）金属，合金，难激发金属，合金，难激发元素定量分析元素定量分析ICPICP很高很高6000600080008000溶液溶液山东理工大学生命科学学院原子发射光谱仪原子发射光谱仪分光系统：分光系统：a、棱镜分光系统（折射）、棱镜分光系统（折射） b、光栅分光系统（衍射和干涉）、光栅分光系统（衍射和干涉）入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f光栅常数dN由激发光源发出的含有不同波长的复合光分解成由激发光源发出的含有不同波长的复合光分解成按波长排列的单色光按波长排列的单色光山东理工大学生命科学学院检测器：检测器：目视法、目视法

9、、 摄谱法、摄谱法、 光电法光电法看谱镜看谱镜感光板记录感光板记录光谱，得到光谱，得到黑度不同的黑度不同的光谱线。光谱线。映谱仪映谱仪光电倍增管光电倍增管光信号转变光信号转变为电信号，为电信号，并进行放大并进行放大原子发射光谱仪原子发射光谱仪山东理工大学生命科学学院光谱定性光谱定性和定量和定量分析分析摄谱法摄谱法标准样品光谱比较法标准样品光谱比较法v用标准样品与试样在相同的条件下摄谱用标准样品与试样在相同的条件下摄谱v比较标准样品与试样所出现的特征谱线比较标准样品与试样所出现的特征谱线v若试样光谱中出现标准样品所含元素的若试样光谱中出现标准样品所含元素的2 2 3 3条特征谱线条特征谱线就可以

10、证实试样中含有该元素就可以证实试样中含有该元素山东理工大学生命科学学院铁光谱比较法铁光谱比较法光谱定性光谱定性和定量和定量分析分析 谱线多谱线多 在在210- 660210- 660nmnm范围内有几千条谱线。范围内有几千条谱线。 每条谱线的波长均已精确测定每条谱线的波长均已精确测定 元素标准光谱图元素标准光谱图山东理工大学生命科学学院光谱光谱定性和定性和定量分析定量分析光谱定量分析主要是根据光谱定量分析主要是根据谱线强度谱线强度与与被测元素浓度被测元素浓度的的关关系来进行的。当温度一定时谱线强度系来进行的。当温度一定时谱线强度I I与被测元素浓度与被测元素浓度c c成正比，即成正比，即 I

11、= a cI = acba值受试样组成、形态及放电条件等的影响，在实验中很难保持为常数自吸自吸山东理工大学生命科学学院内标法内标法(相对强度法相对强度法)光谱光谱定性和定性和定量分析定量分析在分析元素的谱线中选一根谱线，称为在分析元素的谱线中选一根谱线，称为分析线分析线；再在共存；再在共存的其他元素谱线中选一根谱线，作为的其他元素谱线中选一根谱线，作为内标线内标线。这两条线组。这两条线组成成分析线对分析线对。然后根据分析线对的相对强度与被分析元素。然后根据分析线对的相对强度与被分析元素含量的关系式进行定量分析。含量的关系式进行定量分析。设分析线强度设分析线强度I，内标线强度内标线强度I0，被测

12、元素浓度与内标元素浓被测元素浓度与内标元素浓度分别为度分别为c和和c0(定值定值) ，b和和b0(1)分别为分析线和内标线的自分别为分析线和内标线的自吸系数吸系数 I = a cb I0 = a0 c0bo R = I / I0 = a cb / a0 c0b0 A= a/ a0c0b0为常数为常数bAcIIR0AcbRlglglg山东理工大学生命科学学院内标元素与被测元素在光源作用下应有内标元素与被测元素在光源作用下应有相近的蒸发性质相近的蒸发性质。分析线对选择要分析线对选择要匹配匹配：或两条都是原子线，或两条都是：或两条都是原子线，或两条都是离子线，尽量避免一条是原子线、一条是离子线。离子

13、线，尽量避免一条是原子线、一条是离子线。内标元素的内标元素的含量含量，应，应不随分析元素的含量变化而变化不随分析元素的含量变化而变化分析线分析线自吸自吸要要小小, ,不受其他谱线干扰不受其他谱线干扰分析线对的分析线对的波长波长、强度强度及及宽度宽度也尽量也尽量接近接近使用内标法必须具备下列条件使用内标法必须具备下列条件光谱光谱定性和定性和定量分析定量分析山东理工大学生命科学学院工作曲线法：三标准试样法工作曲线法：三标准试样法 光谱光谱定性和定性和定量分析定量分析山东理工大学生命科学学院光谱光谱定性和定性和定量分析定量分析标准加入法标准加入法：测定低含量元素时，找不到合适的基体来配制标准试样测定

14、低含量元素时，找不到合适的基体来配制标准试样设试样中被测元素含量为设试样中被测元素含量为Cx ，在数个等份试样中分别加入不在数个等份试样中分别加入不同浓度同浓度C1、C2 、C3 的被测的被测元素；在同一实验条件下，激元素；在同一实验条件下，激发光谱，测定强度发光谱，测定强度山东理工大学生命科学学院原子荧光分析（原子荧光分析（AFS）热致激发热致激发光致激发（空心阴极灯，光致激发（空心阴极灯， 高压氙灯）高压氙灯）E2E0E1E3共振共振荧光荧光非共振非共振荧光荧光山东理工大学生命科学学院第四章第四章 原子吸收光谱法原子吸收光谱法(AAS)(AAS)AAS：基于从基于从光源辐射光源辐射出待测元

15、素的出待测元素的特征谱线特征谱线，通过试，通过试样蒸气时样蒸气时被待测元素的基态原子吸收被待测元素的基态原子吸收，由特征谱线被，由特征谱线被减弱的程度减弱的程度来测定试样中待测元素含量的方法。来测定试样中待测元素含量的方法。山东理工大学生命科学学院基态基态激发态激发态吸收能量吸收能量外层外层电子电子放出能量放出能量山东理工大学生命科学学院 BaBaNaNa吸收线吸收线发射线发射线l 元素定性分析元素定性分析190 190 nmnm900 900 nmnmCuCu山东理工大学生命科学学院能量跃迁能量跃迁E Eo oE E2 2E E3 3E E1 1l1 1l2 2l3 3l4 4共振吸收线：原

16、子外层电子从共振吸收线：原子外层电子从基态跃迁至第一激发态所吸收基态跃迁至第一激发态所吸收的一定波长的谱线的一定波长的谱线山东理工大学生命科学学院v灵敏度高灵敏度高v选择性好选择性好v精密度和准确度高精密度和准确度高v测定元素多测定元素多v需样量少需样量少v分析速度快分析速度快 不能多种元素同时测定不能多种元素同时测定原子吸收光谱的特点原子吸收光谱的特点山东理工大学生命科学学院预期值预期值 0：特征频率特征频率实际情况实际情况 半宽度半宽度原子吸收谱线原子吸收谱线山东理工大学生命科学学院原子吸收谱线原子吸收谱线 （1 1）自然宽度）自然宽度 10-4 nm原子发生能级间跃迁时，激发态原子原子发

17、生能级间跃迁时，激发态原子寿命不一样而产生寿命不一样而产生。 (2)(2)多普勒变宽多普勒变宽(热变宽热变宽) 原子无规则的热运动产生。原子无规则的热运动产生。(3)(3)压力（碰撞）变宽压力（碰撞）变宽 原子与外界气体分子间的相互作用引起的。原子与外界气体分子间的相互作用引起的。劳伦兹变宽：待测原子与其他粒子相互碰撞。劳伦兹变宽：待测原子与其他粒子相互碰撞。赫尔兹马克变宽：待测原子之间相互碰撞。赫尔兹马克变宽：待测原子之间相互碰撞。山东理工大学生命科学学院原子吸收谱线的测量原子吸收谱线的测量（1） 积分吸收积分吸收 在吸收曲线的轮廓内，对吸收系数的积分。在吸收曲线的轮廓内，对吸收系数的积分。

18、fNmcedvKv02山东理工大学生命科学学院原子吸收谱线的测量原子吸收谱线的测量（2） 峰值吸收峰值吸收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是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源（1/51/5 1/101/10），并且发射线与吸收线的中心频率一致。），并且发射线与吸收线的中心频率一致。如如空心阴极灯空心阴极灯。CKA山东理工大学生命科学学院原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 原子吸收分光光度计由原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光器、光源、原子化器、分光器、检测系统检测系统等几部分组成等几部分组成山东理工大学生命科学学院原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计锐线光锐线光

19、 源源1. 1. 作用：作用：发射被测元素的特征光谱。发射被测元素的特征光谱。2. 2. 种类：空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯。种类：空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯。1)1)结构结构阳极：钨或镍棒阳极：钨或镍棒阴极：待测元素金属阴极：待测元素金属内充低压惰性气体内充低压惰性气体2)2)工作原理：工作原理：山东理工大学生命科学学院山东理工大学生命科学学院激发源单色器检测器锐线光锐线光 源源山东理工大学生命科学学院原子化器原子化器原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计将样品中的待测组份转化为将样品中的待测组份转化为基态原子基态原子的装置。的装置。 MX（试样）（试样）气化气化MX（气态）（气

20、态）原子化原子化M（基态原子）（基态原子）+ + X （气态气态）M*（激发态原子）（激发态原子）激发激发离子化离子化M+（离子）（离子）+ + e山东理工大学生命科学学院主要有主要有火焰原子化、石墨炉原子化和低温原子化火焰原子化、石墨炉原子化和低温原子化空气空气乙炔火焰：火焰温度达乙炔火焰：火焰温度达2500K； N2O乙炔火焰：火焰温度达乙炔火焰：火焰温度达3000K；原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计山东理工大学生命科学学院试样入口试样入口石墨管石墨管试样试样 原子化效率高原子化效率高 灵敏度高灵敏度高 取样量少，能直接分析液体和固体样品取样量少，能直接分析液体和固体样品原子吸收分光光

21、度计原子吸收分光光度计山东理工大学生命科学学院氢化物原子化方法氢化物原子化方法(化学原子化化学原子化) 原理：在酸性介质中，与强还原剂原理：在酸性介质中，与强还原剂NaBH4反应生成易解反应生成易解离的离的气态氢化物气态氢化物，送入原子化器中检测。，送入原子化器中检测。原子化温度原子化温度700900 C ； 主要应用于：主要应用于：As、Sb、Bi、 Ge 、 Sn、 Pb、 Se、Ti等元素。等元素。原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计冷原子化法：冷原子化法：Hg山东理工大学生命科学学院单色器单色器将待测元素的共振线与邻近线分开将待测元素的共振线与邻近线分开检测系统检测系统原子吸收分光光度

22、计原子吸收分光光度计山东理工大学生命科学学院0c1c2c3c4c5cxA1A2A3A4A5AAS定量分析方法定量分析方法标准曲线法标准曲线法组成简单的试样分析组成简单的试样分析Ax山东理工大学生命科学学院0Cs2Cs3CsCs2Cs0.10.20.3AC.Cx标准加入法标准加入法AAS定量分析方法定量分析方法山东理工大学生命科学学院干扰及其消除方法干扰及其消除方法 5. 电电 离离 干干 扰扰 4. 背背 景景 干干 扰扰 3. 光光 谱谱 干干 扰扰 2. 化化 学学 干干 扰扰 1. 物物 理理 干干 扰扰山东理工大学生命科学学院干扰及其消除方法干扰及其消除方法指试样在转移、蒸发和原子化过程中由于试样任何指试样在转移、蒸发和原子化过程中由于试样任何物理因素的变化而引起的物理因素的变化而引起的配制与待测试样具有相似组成的标准溶液。配制与待测试样具有相似组成的标准溶液。1采用标准加入法采用标准加入法。2一、物理干扰一、物理干扰( (基体效应基体效应) )山东理工大学生命科学学院干扰及其消除方法干扰及其消除方法二、化学干扰二、化学干扰在溶液中或气相中由于待测元素与其它组分之间的