第六章-原子吸收与原子荧光光度法

第六章：原子吸取与原子荧光光度法第六章

第一节：概述原子吸取光谱法（AtomicAbsorptionSpectrometry,AAS）原子吸取分光光度法原子荧光光谱法（AtomicFluorescenceSpectrometry,AFS）AtomicAbsorptionSpectrometry,AAS原理：依据物质的基态原子蒸汽对特征辐射的吸取作用来进行元素定量分析的方法。发展历程：19世纪初——1955年定量基础——20世纪60年头的飞速发展——将来的趋势AtomicAbsorptionSpectrometry,AASAAS&UV-Vis1．类似：原理——利用物质对辐射的吸取来进行分析的方法2．差异：机理、试验、仪器a：机理：UV-Vis测量溶液中分子或离子的吸取，一般为宽带吸取，连续光源。AAS测量气态基态原子的吸取，窄带吸取，锐线光源。a：机理：UV-Vis测量溶液中分子或离子的吸取，一般为宽带吸取，连续光源。AAS测量气态基态原子的吸取，窄带吸取，锐线光源。b:分析过程：AAS：元素的锐线光源放射出特征辐射，试样在原子化器中被蒸发、解离为气态基态原子，当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原子区时，元素的特征辐射因被气态基态原子吸取而减弱，经过色散系统和检测系统后，测得吸光度，依据吸光度预备测定元素的浓度线性关系，从而进行元素的定量分析。UV-Visc:仪器AASUV-Vis一般分析过程火焰单色器检测器放大读数助燃气燃气原子化系统试液空心阴极灯原子化器光源透镜透镜反射镜反射镜光栅入射狭缝光电倍增管出射狭缝图6单光束（双光束）原子吸收分光光度计光路示意图折光器折光器其次节原子吸取光谱法的原理1、原子吸取线2、基态原子数与原子化温度的关系3、原子吸取法的测量原子吸取线原子吸取线的产生吸取线的轮廓与变宽1．吸取定律2．吸取线的轮廓和变宽2.1自然宽度2.2多普勒变宽2.3碰撞变宽原子吸取线的产生——基态原子的产生

MX试样溶液雾粒喷入高温火焰中发生蒸发脱水、热分解原子化、激发、电离、化合等一系列过程

脱水

气化1）MX(湿气溶液)MX(s)MX(g)

原子化

2）MX(g)M(g)＋X(g)

激发

电离3)M(g)M*(g)M＋＋e

化合激发化合激发

MOH*M(g)MOMO*OH

原子吸取线的产生——吸取光谱的产生原子吸取光谱与原子放射光谱的产生是相互联系的两个相反过程。光的放射是原子中外层较高能级（激发态）的电子跃迁至较低能级（低激发态或基态）时所产生的电磁辐射。光的吸取是当基态原子受到外界确定能量作用时，原子外层电子就会从基态向较高能级跃迁，这时就要吸取确定频率的辐射。即一种元素的原子不仅可以放射一系列特征谱线，也可以吸取与放射波长相同的特征谱线（图1）激发态能级基态能级图1原子吸收与原子发射之间的关系S0S1S2Sn原子吸取线的产生——吸取线的产生一般而言，同种原子的放射光谱线要比吸收光谱线多得多（图2）因为吸取光谱的大多数谱线是原子中的价电子从基态到各激发态之间的跃迁而产生的，而原子放射光谱中除了电子从激发态向基态跃迁外，还包括不同激发态之间的相互的跃迁。共振跃迁：光谱分析中原子在基态与激发态之间的相互跃迁。共振吸取线（放射线）：由共振跃迁产生的谱线第一共振吸取线（主共振吸取线）：由第一激发态向基态跃迁产生的共振吸取谱线。原子吸取法通常是利用第一共振吸取谱线进行测定的。吸收光谱发射光谱图2钠原子的吸收光谱与发射光谱图波长(nm)

2000

1000

800

500

400

300吸取线的轮廓与变宽——吸取定律是基态原子对频率为v的单色光的吸取吸取，它与入射光的频率、基态原子密度及原子化温度等有关吸取线的轮廓与变宽——吸取线的轮廓和变宽不同元素原子吸取不同频率的光，透过光强度对吸取光频率作图，如下图：I0I

0I与的关系2.1自然宽度——（△fn）没有外界影响，谱线仍有确定的宽度称为自然宽度。它与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命越长，谱线宽度越窄。不同谱线有不同的自然宽度，多数状况下约为10-5nm数量级。指原子发生能级间跃迁时由于激发态原子使命不同而产生的变宽。2.2多普勒变宽——热变宽（△fD）是由于原子受热后在空间作无规则运动产生多普勒效应所引起的变宽。其值与原子量的平方根成反比，与火焰温度的平方根成正比。M的原子量，T确定温度，υ0谱线中频率一般状况:ΔυD=10-2Å2.3碰撞变宽——压力变宽（△fL）原子蒸汽中的气体压力上升会使粒子之间的相互碰撞机会增加，而引起吸光原子与蒸汽中的原子或分子的能级稍有变更，使吸取频率变更而导致谱线变宽。在压力变宽中，凡是同种粒子碰撞引起的变宽叫Holtzmark（赫尔兹马克）变宽；凡是由异种粒子引起的变宽叫Lorentz（罗伦兹）变宽。此外，在外电场或磁场作用下，能引起能级的分裂，从而导致谱线变宽，这种变宽称为场致变宽。其它变宽谱线迭加变宽——由于同位素存在而引起的变宽。自吸变宽——在空心阴极灯中，激发态原子放射出的光被阴极四周的同类基态原子所吸取的自吸现象也会使谱线变宽，同时使放射强度变弱。自吸变宽随灯电流的增大而增大。谱线变宽的影响——灵敏度下降院子吸取光谱法的工作条件下，吸取显得边款主要受多普勒变宽和洛仑兹变宽的影响；锐线光源放射线的变宽主要受多普勒变宽和自吸变宽的影响。谱线的变宽往往会导致原子吸取分析的灵敏度下降。基态原子数与原子化温度的关系原子化效率基态原子化程度愈高，原子吸取广谱法的灵敏度也愈高。波尔茨曼方程式Ni激发态原子数N0基态原子数gi/g0基态和激发态的统计权重例题：P99原子吸取法的测量——积分吸取测量在吸取线轮廓内，吸取系数的积分称为积分吸取系数，简称为积分吸取，它表示吸取的全部能量。从理论上可以得出，积分吸取与原子蒸气中吸取辐射的原子数成正比。数学表达式为：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.若能测定积分吸取，则可求出原子浓度。但是，测定谱线宽度仅为10-3nm的积分吸取，须要辨别率特别高的色散仪器。这是原子吸取光谱分析法的重要理论依据。但是由于原子吸取谱线的带宽仅0.001-0.01nm，要在如此小的波长范围内测量它的积分系数事实上很难进行，因为：1）对单色光的纯度要求很高，一般光源不能满足2）对仪器的辨别率要求很高，一般仪器不能满足对于给定的元素，f可视为定值，πe2/mc项为常数，以k表示。发射线吸收线K00峰值吸取

目前，一般接受测量峰值吸取系数的方法代替测量积分吸取系数的方法。假如接受放射线半宽度比吸取线半宽度小得多的锐线光源，并且放射线的中心与吸取线中心一样，如下图。这样就不须要用高辨别率的单色器，而只要将其与其它谱线分别，就能测出峰值吸取系数。1955年WalshA提出，在温度不太高的稳定火焰条件下，峰值吸取系数与火焰中被测元素的原子浓度也正比。第三节原子吸取光谱仪器

1、锐线光源

2、原子化器

3、分光系统

4、检测系统

5、原子吸取分光光度计的类型第三节原子吸取光谱仪器-锐线光源作用：放射谱线宽度很窄的元素共振线。要求：辐射强度大（I）稳定性好、背景小、寿命长、操作便利空心阴极灯——构造、放电机理、电源调制（一）空心阴极灯的构造①．构造阴极:钨棒作成圆筒形筒内熔入被测元素阳极:钨棒装有钛,锆,钽金属作成的阳极管内充气：氩或氖称载气极间加压500--300伏要求稳流电源供电。低压气体放电管：在电场作用下，充氖气的空心阴极灯放射出橙红色广，充氩气灯放射出淡紫色，便于光路的调整。（二）放电机理辉光放电——电子加速——碰撞——电离——激发——阴极放射出元素特征光谱电流小——温度低——原子密度低——低压——热变宽、压力变宽、自吸变宽都小——辐射出的特征谱线是半宽很窄的锐线。（三）空心阴极灯的电源调制直流供电——不能消退原子化器中原子放射而产生的直流电信号的干扰。调制广源——光源与检波放大器的电源同步调制可消退原子化器中原子放射而产生的直流电信号的干扰。方波脉冲供电以很小的平均灯电流，就能获得很高强度的锐线辐射，改善了放电特性，提高了信噪比，延长了灯的寿命。灯电流的选择：电流太高，会使阴极溅射过大，放电不稳，信噪比严峻下降，灯的寿命缩短。第三节原子吸取光谱仪器——原子化器作用：将试样蒸发并使待测定元素转化为基态原子蒸气。（火焰法和非火焰法）火焰法：操作简洁、对大多数元素有较高的灵敏度、应用广泛非火焰法：更高的原子化效率和很高的灵敏度（一）火焰原子化器构造：三部分：喷雾器，雾化器，燃烧器。喷雾器：由不锈钢或聚四氟乙烯做成,p103图7-5雾化室：由不锈钢作成燃烧器：构造单缝和三缝.对火焰的基本要求：

(Ⅰ)燃烧速度，是指火焰由着火点向可燃混凝气其他点传播的速度，供气速度过大，导致吹灭，供气速度不足将会引起回火。（Ⅱ）火焰温度P104表7-1。（Ⅲ）火焰的燃气与助燃气比例.可将火焰分为三类：化学计量火焰，富燃火焰，贫燃火焰。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，这类火焰,温度高、稳定、干扰小背景低，适合于很多元素的测定。化学计量火焰富燃火焰

指燃气大于化学元素计量的火焰。其特点是燃烧不完全，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；干扰较多，背景高。贫燃火焰

指助燃气大于化学计量的火焰，它的温度较低，有较强的氧化性，有利于测定易解离，易电离元素,如碱金属。（Ⅳ）火焰的光谱特征

见图

（Ⅴ）火焰原子化器特点优：简洁，火焰稳定，重现性好，精密度高，应用范围广。缺：原子化效率低只能液体进样。（二）非火焰原子化器石墨炉原子化器构造P106图7-6优点：试样用量少，原子化效率几乎100%，基态原子在吸取区停留时间长，灵敏度高不足：精密度差，操作困难，基体效应，背景大，化学干扰多，重现性比火焰差。电源低压（10v）大电流（500A）组成:炉体，金属套，绝缘套圈，石黑管，外层水冷却。石黑管，现两种形态:标准型与沟纹型标准型长28mm内径8mm有小孔为加试样，水冷却外层，情性气体爱护石黑管在高温中免被氧化。石墨炉原子化器升温程序1.干燥——脱溶剂，小电流工作，温度率高于溶剂的沸点，干燥时间：10~20s。2.灰化——出去易挥发的基体和有机物，以削减分子吸取。500~800℃；10~20s。3.原子化——试样气化解离成基态原子蒸气1800~3000℃；5~8s。（停止载气通过，以延长基态原子在石墨炉中的停留时间，提高分析方法的灵敏度。）4.除残——消退记忆效应。2500~3200℃，3~5s。（酸化试样）——易于原子化；原子化效率高，灵敏度提高；避开基体干扰，选择性良好。（三）低温原子核化器又称化学原子化器例:测汞仪3.单色器比放射光谱简洁光谱通带：W=D·SS缝宽度（mm）倒线色教率D=dλ/dl被测元素共振吸取线与干扰线近，选用W要小，干扰线较远，可用大的W，一般单色器色散率确定，仅调狭缝确定W。4．检测器运用光电倍增管放大光电流方法第三节原子吸取光谱仪器——分光系统

外光路——照明系统P101图7-3锐线光源，两个透镜单色器——内光路入射狭缝，光栅，凹面反射镜，出射狭缝第三节原子吸取光谱仪器——检测系统光电倍增管检波放大器读出装置第三节原子吸取光谱仪器——原子吸取分光光度计的类型单道单光束原子吸取分光光度计一个单色器，外光路一束光结构简洁，光能集中，辐射损失少，灵敏度高，满足一般分析要求不能消退光源波动引起的基线漂移。（空心阴极灯应充分预热，测量过程中校正零吸取）单道双光束原子吸取分光光度计一个单色器，外光路两束光可以消退光源和检测器不稳定引起的基线漂移。仍旧不能消退原子化不稳定和背景产生的影响。第四节原子吸取光谱法的干扰及其抑制1、物理干扰及其抑制2、化学干扰及其抑制3、电离干扰及其抑制4、光谱干扰及其抑制Ⅰ．物理干扰

是指试液与标准溶液物理性质有差别而产生的干扰。粘度、表面张力或溶液密度等变更，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取强度的变更。非选择性干扰。消退方法：配制被测试样组成相近溶液，或用标准化加入法。浓度高可用稀释法Ⅱ．化学干扰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-34Ca2+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，分不同状况实行不同方法。

如：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。Ⅲ.电离干扰

在高温下原子会电离使基态原子数削减,吸取下降,称电离干扰.消退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++eCa2++e---CaⅣ.光谱干扰吸取线重叠待测元素分析线与共存元素的吸取线重叠消退方法:减小狭缝,降低灯电流,或换其它分析线.Ⅴ.背景干扰

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。分子吸取是指在原子化过程中生成的分子对辐射吸取，分子吸取是带光谱。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，吸取值增加。背景干扰，一般使吸取值增加。产生正误差。背景干扰的的校正方法

Ⅰ.用邻近非共振线校正背景用分析线测量原子吸取与背景吸取的总吸光度，因非共振线不产生原子吸取用它来测量背景吸取的吸光度。两者之差值即为原子吸取的吸光度。例分析线非共振线Ag328．07Ag312．30Ca422．67Ne430．40Hg253．63Al266．92一般消退方法有：

(1)选择合适的原子化方法提高原子化温度，化学干扰会减小，在高温火焰中P043-不干扰钙的测定。（2）加入释放剂（广泛应用）（3）加入爱护剂EDTA、8—羟基喹啉等，即有强的络合作用，又易于被破坏掉。（4）加基体改进几剂（5）分别法Ⅱ.连续光源校正背景

先用锐线光源测定分析线的原子吸取和背景吸取的总和。再用氘灯（紫外区）或碘钨灯、氙灯（可风区）在同一波长测定背景吸取（这时原子吸取可忽视不计）计算两次测定吸光度之差，即为原子吸取光度。Ⅲ.Zeaman效应校正背景

该法是在磁场作用下，简并的谱线发生分裂的现象。Zeeman方法：光源调制——磁场加在光源上。吸取线调制——磁场加在原子能器上——运用广泛。a．恒磁场调制方式

吸取线分裂为π和两个σ±，π组分平行于磁场方向波长不变，σ±组分垂直于磁场方向，波长分别向长波和短波方向移动。

光源放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，吸取线组分和背景产生吸取，得到原子吸取和背景吸取总吸光度；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取，没有原子吸取，两者之差即为原子吸取。b．可变磁场调整方式

磁场变更零磁======激磁零磁时,原子+背景吸取;激磁时,仅背景吸取，他们之差为原子吸取。Ⅳ.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。在极端状况下（图），这时测出的是背景吸取。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。第五节原子吸取光谱定量分析

1、定量分析方法

2、灵敏度和检出限

3、测定条件的选择

定量分析方法1．测量条件选择⑴.分析线，查手册，随空心阴极灯确定。⑵.狭缝光度W=DS没有干扰状况下，尽量增加W，增加辐射能。⑶.灯电流，按灯制造说明书要求运用。⑷.原子条件。⑸.进样量（主要指非火焰方法）。2．分析方法

(1).工作曲线法最能吸光度0.1---0.5，工作曲线弯曲缘由，见P45。⑵.标准加入法Ax=kCA0=k（C0+Cx）Cx=AxC0/（A0-Ax）

标准加入法能消退基体干扰，不能消背景干扰。运用时，留意要扣除背景干扰。灵敏度与检出限1．X≡f（C）；S=dX/dC

习惯灵敏度现定义：特征浓度，是指产生1%吸取时，水溶液中某元素的浓度。通常用mg/ml/1%表示可用下式计算特征浓度：（S）C0=0.00044Cx/A（μg/ml/1%）CX为试液浓度（μg/ml），A为其吸光度，0.0044即为1%时的吸光度。

特征质量m。石墨炉法常用确定量表示m0（pgorng）

m0=0.0044/S=0.0044M/A·S(pgorng)

A·S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=kC2δ=kD

D=2Cδ/Am(μg/ml)

Am为平均吸光度,δ空白溶液吸光度标准偏差,C为浓度。按IUPAC规定:

D=3Cδ/Am例如：现测定铅时，0.1μg/ml铅的标准溶液产生吸光度为0．24，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0．012解:D=0.1×2×0.012/0.24μg/ml=0.01μg/ml当置信度为3时,D=0.015μg/ml第六节原子荧光光谱法*

1、原子荧光光谱法的基本原理

2、原子荧光光谱仪器

3、定量分析方法及应用概述原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法。原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下放射的荧光强度进行定量分析的放射光谱分析法。但所用仪器与原子吸取光谱法相近。

原子荧光光谱法的优点：（1）有较低的检出限，灵敏度高。特殊对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd可达0．001ng·cm-3、Zn为0.04ng·cm-3。现已有2O多种元素低于原子吸取光谱法的检出限。由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，接受新的高强度光源可进一步降低其检出限。（2）干扰较少，谱线比较简洁，接受一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简洁，价格便宜。（3）分析校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。（4）由于原子荧光是向空间各个方向放射的，比较简洁制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。一.原理1.原子荧光光谱的产生气态自由原子吸取特征辐射后跃迂到较高能级，然后又跃迁回到基态或较低能级。同时放射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。原子荧光为光致发光，二次发光，激发光源停止时，再放射过程马上停止。2．原子荧光的类型原子荧光分为共振荧光，非共振荧光与敏化荧光等三种类型，如图所示为荧光产生的过程（见图）。（1）共振荧光放射与原吸取线波长相同的荧光为共振荧光。（2）非共振荧光荧光的波长与激发光不同时，称非共振荧光。(i.直跃线荧光，ii.阶跃线荧光，iii.anti—stores荧光。i和ii均为Stores荧光。）（3）敏化荧光受激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再从辐射形式去激发而放射荧光即为敏化荧光。（1）共振荧光气态原子吸取共振线被激发后，再放射与原吸取线波长相同的荧光即是共振荧光。它的特点是激发线与荧光线的凹凸能级相同，其产生过程见图（a）中之A。如锌原子吸取213.86nm的光，它放射荧光的波长也为213.86nm。若原子受热激发处于亚稳态，再吸取辐射进一步激发，然后再放射相同波长的共振荧光，此种原子荧光称为热助共振荧光见图（a）中之B。（2）非共振荧光

当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光。非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、antiStokes（反斯托克斯）荧光。1.直跃线荧光激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所放射的荧光称为直跃线荧光，见图(b).由于荧光的能级间隔小于激发线的能线间隔，所以荧光的波长大于激发线的波长。如铅原子吸取283．31nm的光，而放射405．78nm的荧光。它是激发线和荧光线具有相同的高能级，而低能级不同。假如荧光线激发能大于荧光能，即荧光线的波长大于激发线的波长称为Stokes荧光；反之，称为anti－Stokes荧光。直跃线荧光为Stokes荧光。2.阶跃线荧光有两种状况，正常阶跃荧光为被光照激发的原子，以非辐射形式去激发返回到较低能级，再以辐射形式返回基态而放射的荧光。很明显，荧光波长大于