《原子吸收光谱分析》PPT课件.ppt

1、第三章 原子吸收光谱分析(Atomic absorption spectrometry, AAS),内容,概述 基本理论 仪器及其组成 干扰及其消除方法 定量方法及评价 原子荧光光谱分析简介,1.概述,1814年，弗朗荷费发现太阳光谱中的黑线，多达500多条 1955年，Australia 物理学家Walsh A建立将该现象应用于分析； 原子吸收分光光度法在分析化学中的应用 60年代中期发展最快。 可应用于70多种元素的测定,Alan Walsh,原子吸收光谱法？,溶液中的金属离子化合物在高温下能够解离成原子蒸气，两种形态间存在定量关系。 当光源发射出的特征波长光辐射通过原子蒸气时，原子中的外

2、层电子吸收能量，特征谱线的光强度减弱。 光强度的变化符合朗伯-比耳定律，进行定量分析。,它是基于物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。,原子吸收与发射光谱的关系,原子发射光谱（共振线发射）,原子荧光 光谱,原子吸收光谱 （共振线吸收）,基态,第一激发态,hi,hi,基态,2.基本理论,2.1 基态原子与总原子的关系,待测元素在进行原子化时，其中必有一部分原子吸收了较多的能量而处于激发态，据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从 Boltzmann 分配定律：,实际工作中，T 通常小于3000K、波长小于 600nm，故对大多数元

3、素来说Ni /N0 均小于1，Ni 与N0 相比可勿略不计，N0 可认为就是原子总数。,2.2 原子光谱线的轮廓,原子光谱线(吸收线)的宽度,原子吸收光谱线轮廓图,3. 谱线半宽度(10-2 ),1. 谱线中心频率,2 最大吸收系数,0,Kv,K0,K0 /2,吸收线能量与波长关系,= hc/E,2.3 吸收谱线变宽的因素,1. 自然宽度N,与原子外层电子发生能级间跃迁时激发态原子的寿命有关，是客观存在。一般情况下约相当于10-4 ,通常可以忽略。,式中：M - 原子量； T - 绝对温度； 0 - 谱线中心频率,即使在较低的温度，也比自然宽度N来得严重，是谱线变宽的主要因素.一般情况: D=

4、10-2 .,2. 多普勤宽度 D （Doppler Broadening）,这是由原子在空间作无规热运动所引致的。故又称热变宽。,3. 压力变宽（碰撞变宽）,原子与等离子体中的其他粒子（原子、离子、电子）相互碰撞而使谱线变宽，等离子体蒸气压力愈大，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。,压力变宽（碰撞变宽） 为10-2 ，也是谱线变宽的主要因素.,5. 场致变宽,斯塔克变宽(Stark Broadening): 由于外部的电场或等离子体 中离子、电子所形成的电场引起。,在10003000K、0.101MPa状态，多普勤宽

5、度D和压力变宽(碰撞变宽)是谱线变宽的主要因素。,齐曼变宽(Zeeman Broadening): 由于外部的磁场影响，导致谱线的分裂，在单色器分辨率无法分辨时，也产生谱线变宽。,一.积分吸收,f-振子强度 e-为电子电荷 N-单位积内的自由原子数 m-电子的质量,原子吸收光谱的测量,积 分 公 式,此式说明，在一定条件下，“积分吸收”只与基态原子数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。只要测得积分吸收值，即可求出基态原子数或浓度。,二.积分吸收的限制,目前，光栅无法达到此要求！,但积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半峰宽度很小，只有0.001-0.005。要分辨如此宽度的谱线，对波长为

6、5000的谱线来说 ，其分辨率应为：,通过计算可知：当采 用具有宽通带的连续光源 a(通带宽度约0.2nm)来对窄的吸收线b(半宽 度约10-3nm)进行测量时，由待测原子吸收线 引起的吸收值，仅仅相当于总入射光强的0.5%，测定灵敏度极差 (0.001/0.2 x 100%=0.5%,灵敏度极差，也是原子吸收现现象在1955年前都没得到应用的原因,三.峰值吸收,1. 积分吸收与峰值吸收的关系： 1955年澳大利亚学者沃尔森(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的原子浓度也正比。,峰值吸收系数：,2 峰值吸收成立的条件,以锐线光源作为激发光源，满足以下

7、两个条件：,发射 吸收 0-发射= 0-吸收,K0N,It = I0exp(-KL ),四.光吸收定律,光吸收定律-定量分析的依据:,A = - logT= -log It/ I0 = -log exp(-KL)= 0.43KL,A = 0.43 K0 L,当用锐线光源时将K0 代替 K ,吸光度简化为：,因为： NC,所以： A = KC,4 原子吸收分光光度计,仪器结构图,火焰原子化器,光源,对AAS光源的要求： a）发射稳定的共振线，且为锐线； b）强度大，没有或只有很小的连续背景； c）操作方便，寿命长。,满足以上要求的灯有： 1）蒸气放电灯 2）无极放电灯 3）空心阴极灯,作用：辐射

8、待测元素的特征光谱；或者说提供原子吸收所需的共振辐射。,1构造,光源（空心阴极灯）,空心阴极: 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 133.3266.6Pa 工作电压：150300伏 启动电压：300500伏 要求稳流电源供电。,在高压电场下, 阴极电子向阳极高速飞溅放电,并与载气原子碰撞, 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。 载气阳离子在电场中大大加速, 轰击阴极表面时可将被测元素的原子从晶格中轰击出来, 即溅射。 溅射出的原子大量聚集在空心阴极内, 经与其它粒子碰撞而被激发, 发射出相应元素的特征谱线-共振

9、谱线。,即发射线半宽度远小于吸收线半宽度光源.,Hollow Cathode Lamp-HCL,锐线光产生原理,原子化器,1.原子化器的作用,气态、基态原子蒸气越多，测定的灵敏度、准确度越高。,原子化器的类型,火焰原子化,石墨炉(电热)原子化,ICP原子化 氢化物原子化 冷原子化,火焰原子化器,构造： 四部分组成： 雾化器， 预混合室， 燃烧器， 火焰。,作用：将试样原子化产生基态原子,火焰原子化器各部位作用,预混和室：内装撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀）。将雾 状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧 器。,燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置,雾 化 器： 将试

10、样溶液转为雾状。要求定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液,a) 中性火焰：这类火焰，温度高、稳定、干扰小、背景低，适合于许多元素的测定。 b) 富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，温度略低于中性火焰；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。如锡等。 c) 贫燃火焰：氧化性火焰；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、碱土金属。,火焰,按照火焰燃气与助燃气的比例不同，火焰可以分为三类。,火焰温度： 不同类型火焰其温度不同，如下表所示。,火焰原子化器特点,缺点：同轴气动雾化器的雾化效率低。 510%

11、原子蒸气在光程中的滞留时间短 10-4s 大量气体的稀释作用，限制了检测限的降低 只能测定液体样品,优点：分析速度快 应用范围广 稳定性好,非火焰原子化器 (石墨炉原子化器),石墨炉原子化器,a) 电源：1224V 0500 A 直流电,b) 保护系统: 冷却水、内、外惰性气体Ar,c) 石墨管:光谱纯石墨, 长28mm、内径8mm,电源：1025V，500A。用于产生高温。 保护系统： 保护气（Ar）分成两路及冷却水 管外气防止空气进入，保护石墨管不被氧化、烧蚀。 管内气流经石墨管两端及加样口，可排出空气并驱 除加热初始阶段样品产生的蒸汽 冷却水金属炉体周围通水，以保护炉体。 石墨管：多采用

12、石墨炉平台技术。加热升温，将试样蒸发并原子化,优点： 具有较高的可控温度。 34000C 原子蒸气在光程中的滞留时间长。 10-110-2s 样品消耗量少。 抗干扰能力强-灰化分离。 灵敏度高。,石墨炉原子化器特点,缺点： 精密度、重现性较差。 510% 存在记忆效应。 杂散光引起的背景干扰较严重，需要校正。,同其它光学分光系统一样，原子吸收光度计中的分光系统亦包括出射、入射狭缝、反射镜和色散原件（多用光栅）。 单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、分析线的邻近线、火焰的背景辐射等与共振吸收线分开。,三、分光系统,分光系统,光谱通带,光谱通带 W=DS10-3,D：光栅的倒线色

13、散率，表示为每1mm范围内所含的谱线波长宽度 S：狭缝宽度（mm）,光谱通带的物理意义： 从狭缝所辐射出的谱线的波长宽度（nm）,谱线简单，可增大狭缝，反之，应减小狭缝,检测器 （光电倍增管）,原子吸收光谱法的干扰效应及消除方法,干扰的类型 光谱干扰 化学干扰 电离干扰 物理干扰 背景干扰.,一.光谱干扰及其消除方法,吸收线重叠： e.g. Cu 2165 与 2178。狭缝较宽时出现同时吸收 待测元素分析线与共存元素的吸收线重叠 e.g. Fe 2719.025 Pt 2719.038 e.g. Cu 2165 与2178 Pb 2170 ,1. 产生的原因,2. 消除方法:,减小狭缝、降低

14、灯电流、或更、换其它分析线.,二.化学干扰及其消除方法,化学干扰是指被测原子与共存元素发生化学反应生成稳定的化合物，影响被测元素原子化效率，统称化学干扰。,1. 产生的原因,e.g.1 PO3-4 、Ca2+的反应，干扰Ca的测定。 e.g.2 Al，Si在空气-乙炔中形成的稳定化合物，大量的Ni存在会抑制这种干扰。,消除方法 (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) 如：磷酸盐干扰Ca，当加入La或 Sr时，可释放出Ca。,(5）分离法：沉淀分离、萃取分离、离子交换等,三.电离干扰及其消除方法,产生

15、的原因 在高温下原子的电离使基态原子数减少, 吸收下降, 称电离干扰.,消除方法: 加入过量消电离剂、或用贫燃性火焰 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. 如： K - K+ + e Ca2+ e - Ca,四.物理干扰及其消除方法,产生的原因 指试液与标准溶液物理性质的差别而产生的干扰。 溶液的粘度、表面张力或溶液密度等变化，影响样品雾化效率和气溶胶到达火焰的传递等会引起的原子化效率与吸光度的改变。属于非选择性干扰。,消除方法 配制被测试样组成相近溶液。 用标准加入法进行定量分析。 浓度高的溶液可用稀释法。,五.背景干扰,产生的原因,背景干扰也

16、是光谱干扰的一种，主要是由分子吸收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，分子吸收是带状光谱。,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。,2. 校正方法 氘灯扣背景法、塞曼扣背景法 、邻近线扣背景法、自吸扣背景法,恒磁场调制方式(吸收线调制) 吸收线分裂为和两个，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垂直于磁场方向的偏振光，通过原子化器时，只有背景吸收，没有原子吸收。,光源发射线通过起偏器后变为平行于磁场方向偏振光，通过原子化器时，组分吸收+

17、背景吸收。,两者之差即为原子吸收,原子吸收光谱法条件的选择与定量分析,分析线的选择：查手册，空心阴极灯确定。 光谱通带（狭缝光度）的选择： W = DS 没有干扰情况下，尽量增加W，增强辐射能。 灯电流的选择：按灯制造说明书要求使用。 原子化器高度 助燃比,原子吸收定量的方法,1. 工作曲线法,2. 标准加入法,基体相同可消除基体干扰， 但分析速度较慢,1. 灵敏度(Sensitivity) IUPAC规定，分析标准函数的一次导数，即标准曲线的斜率。 i）特征浓度(1%吸收灵敏度)：产生1%吸收(A=0.0044)信号所对应的元素浓度。 ii）特征质量(对GFAAS)：,三、分析方法评价,C0

18、=0.0044(Cx/A),C0=0.0044(CxV/A),Cx为产生吸收信号A的待测元素的浓度,2. 检测限(Detection limit, DL),（为空白噪音，S为仪器的灵敏度，K为置信度） 可以看出，检出限不仅与灵敏度有关，而且还考虑到仪器噪声！因而检测限比灵敏度具有更明确的意义，更能反映仪器的性能。只有同时具有高灵敏度和高稳定性时，才有低的检出限。,例.,例如：现测定铅时，0.1g/ml铅的标准溶液产生吸光度为024，置信度分别2、3时，检测限为多少? 当空白测定11次的均方误差0.012 解: D = 20.012/(0.24 /0.1) = 0.01g/ml 当置信度为3时,

19、 D = 0.015g/ml,八.特点及应用,是一种重要的无机元素测定仪器，可以测定70余种元素（表8-28） 广泛应用于各种物料中金属元素的测定 FAAS适应于痕量元素分析 GTAAS适应于超痕量元素分析 仪器结构简单、操作方便、价格适当，是实验室的基本设备。,原子荧光光谱 (Atomic Fluorescence Spectrometry, AFS),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发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。 用仪器与原子吸收光谱法相近,三、基本原理 1. 荧光的产生 气态原子吸收光源的特征辐射后，原子外层电子跃迁到激发态，然后返回到基态或较低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射即为原子荧光，是光致二次发光。本质上仍是发射光谱。 2. 荧光类型 根据能级跃迁类型，原子荧光可分为：共振荧光和非共振荧光 i）共振