原子吸收光谱的基本原理及实验准备

1、 原子吸收光谱的基本原理及实验准备 科学实验中心元素分析平台 光谱学概念 光谱学是光学的一个分支学科，研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。在化学分析中它提供了重要的定性与定量的分析方法。 光谱学分类 根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法。 发射光谱

2、可以区分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于气体放电。 吸收光谱 当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。几乎所有物质都有其独特的吸收光谱。 散射光谱 当光通过物质时，除了光的透射和光的吸收外，还观测到光的散射。在散射光中除了包括原来的入射光的频率外(Rayleigh scattering and Tyndall John)，还包括一些新的频率。这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。 喇曼效应起源于分子

3、振动(和点阵振动)与转动，因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构。 束箔光谱学束箔光谱学是最近十几年国际上发展起来的一门新兴学科。主要内容是，用被加速的离子撞击不同元素的薄箔的方法研究基础原子物理学、测量电子能级的平均寿命。束箔技术主要成员应用于天体物理问题上，可以对日冕的性质以及银河系中元素的丰度得到很好的理解。 光声光谱学光声光谱学 以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力

4、波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。 由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小，故光声光谱适于测量高散射样品、不透光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样品等，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，这是普通光谱做不到的。利用光声技术已出现适用于气体分析的二氧化碳激光光源红外光声光谱仪，适用于固体和液体分析的氙灯紫外-可见光声光谱仪，以及傅里叶变换光声光谱仪。光热偏转光谱法、光声拉曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技

5、术都在迅速发展。光声光谱技术在物理、化学、生物学、医学、地质学和材料科学等方面得到广泛应用。 原子吸收分光光度计概述 原子吸收光谱原理 原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry)是基于从光源发射的待测元素的特征辐射通过样品蒸气时,被蒸气中待测元素的基态原子所吸收,根据辐射强度的减弱程度以求得样品中待测元素的含量。 通常情况下，原子处于基态。当相当于原子中的电子由基态跃迁到激发态所需要的辐射频率通过原子蒸气，原子就能从入射辐射中吸收能量，产生共振吸收，从而产生吸收光谱。原子吸收分析就是利用基态原子对特征辐射的吸收程度的，常使用最强吸收线作为分析线。原子吸收光谱

6、仪构成 原子吸收光谱仪由以下四部分组成 1 光源系统:空心阴极灯 2 原子化系统:火焰原子化器;石墨炉原子化器或氢化物发生器。 3 分光系统：单色器 4 检测系统：光电倍增管等 光源系统 原子吸收光源应满足以下条件 1 能辐射出半宽度比吸收线半宽度还窄的谱线，并且发射线的中心频率应与吸收线的中心频率相同。 2 辐射的强度应足够大。 3 辐射光的强度要稳定，且背景小。 空心阴极灯则可满足原子吸收上述三点要求，它是利用空心阴极效应而制成的一种特殊辉光放点管。空心阴极灯发光机理 空心阴极灯为直流供电，当在正负电极上施加适当电压（一般为300500伏）时，在正负电极之间便开始放电，这时，电子从阴极内壁

7、射出，经电场加速后向阳极运动。 电子在由阴极射向阳极过程中与载气（惰性气体）原子碰撞使其电离成为阳离子，带正电荷的惰性气体离子在电场加速下，以很快的速度轰击阴极表面，使阴极内壁的待测元素的原子溅射出来，与其它粒子相互碰撞而被激发，处于激发态的原子很不稳定，大多会自动回到基态，同时释放能量，发出共振发射线。 锐线光源定义：光源发射线的中心频率与吸收线的中心频率一致，而且发射线的半宽度比吸收线的半宽度小得多时，则发射线光源叫做锐线光源。 光源能量能被原子充分吸收，测定的灵敏度就高。 如果用连续光源，则吸收光的强度只占入射光强度的极少部分，使测定的灵敏度极差。连续光源AAS构造原理图石墨炉石墨炉 中

8、阶梯光栅中阶梯光栅火焰火焰 短弧氙灯短弧氙灯 高分辨单色器高分辨单色器中阶梯光栅-双单色器分光系统谱线分离26543121：入射狭缝（固定式）2，离轴抛物镜3，棱镜4: 中间狭缝（可变式）5: 中阶梯光栅6: 线阵CCD检测器 中阶梯光栅中阶梯光栅 双单色器分光系统双单色器分光系统9/2004 Innovation Made in Germany 原子化器系统 原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。 1 火焰原子化器 火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的，实际上就是一个喷雾燃烧器，由三部分组成，即喷雾器（nebulizer）、雾化室（spray chamber）和燃烧

9、器（bumer）。 喷雾器:将试样溶液转为雾状。 雾化室：内装撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀）。 燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化。 2 无火焰原子化器 常用无火焰原子化器包括石墨炉原子化器和氢化物原子化器。 石墨炉原子化法是利用低压、大电流来使石墨管升温，最高温度可升至3000，这一升温过程可使石墨管中的试样完成干燥、灰化、原子化和净化等测定。 干燥 去除溶剂，防止样品溅射。 灰化 使基体和有机物尽量挥发出去。 原子化 待测化合物分解为基态原子,此时停止通Ar气,延长原子停留时间,提高灵敏度度。 净化 样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管 石墨炉原子化器与火焰原子化器比较 1

10、原子化效率高，可达到90%以上，而火焰法仅只有10%多一点。 2 绝对灵敏度高（可达到10-1210-14),试样用量少，适合于低含量及痕量组份的测定。 3 温度高，在惰性气氛中进行且有还原性碳的存在，有利于易形成难离解氧化物元素的离解和原子化。 原子吸收光谱实验测试准备原子吸收光谱实验测试准备 分析方法标准化及质量控制 生物样品中微量元素的有关实验分析技术的研究,重点是分析方法的标准化,生物标准参比样品的建立及微量元素分析的质量控制。 1.1.分析方法标准化分析方法标准化 分析方法包括从样品采集、储存、样品预处理、样品测定、结果计算及报告的全过程。每个环节的失误,都会影响到整个分析的成败。目

11、前尚没有一套完整的微量元素分析方法,样品的预处理是由分析者自行确定或由各分析单位协同确立,所以分析前必须对上述各环节进行认真严格的设计。 譬如头发的采集,不同发段中微量元素含量是有一定差异的,现在国内外大部分文献作者,主张从距头皮1cm处采集近期生长的24cm发段,采样部位一般为枕部和颞部.组织取样也应相对固定同一部位,譬如肝脏不同部位血管分布不同,元素含量也不同,一般采取右叶前上方富于纤维的部分,以减少分析偏差。 组织样品取后不能用自来水冲洗以免污染,而应用无离子水冲洗.也不能象病理学研究那样用甲醛浸泡,因为甲醛固定液中也含有微量元素的污染,而是应该冷冻或干燥后备用。 血样分析大多采集静脉血

12、,如需测全血加入抗凝剂时,要首先检测抗凝剂中待测元素的含量,选用本底值低的抗凝剂。 2. 生物标准参比样品的建立及微量元素分析的质量控制 由于生物样品基本组成复杂,待测元素含量较低,使得准确测定存在很大困难,致使测定值与文献值相差悬殊,这个问题可以通过标准参比样品的使用来克服。一些国际机构如国际原子能委员会(IAEA)及国家机构如美国国家标准局(NBS)等,已研制出一些生物样品标准参比物质,如标准牛血清、牛肝、全血、人发、尿等等,这对保证数据的准确性和可比性,起了很大作用.目前我国这方面工作也取得不少进展。如中国预防医学科学院环境卫生监测所研制的牛血清、商业部研制的猪肝标样。上海原子核所研制的

13、头发标样等都相继问世。 在每批样品分析中,选用12个与被测样品性质组成相似的标准参比样品进行质控,以增加分析结果的可靠性、可信性。在分析工作中常受到偶然因素的影响,使结果产生误差,而实验室质控的作用,就是当分析工作中出现误差时,能及时发现问题,以便采取措施,保证获得最佳分析结果。 在这里需特别指出的是控制污染是保证检测结果可靠性的首要条件,由于生物样品中微量元素的含量极低,一般在百万分之一亿万分之一,而我们周围环境中某些元素又广泛存在着,因此,在微量元素研究中,采样工具、器皿、试剂、甚至空气等都可能是污染源。 以血清铬的分析值为例,检测结果在20世纪50年代为185ng/ml,60年代为70n

14、g/ml,70年代为110ng/ml,现在仍有下降的趋势。30年中血清铬数值下降了3个数量级。造成血铬值偏高的污染因素很多,原因之一是由于采血时没有注意到不锈钢针头溶出铬的问题。临床上大量使用的橡皮膏、乳胶管往往会对锌的测定造成污染。微量元素分析的各种试剂如酸类等,尽可能使用高纯度的,此外,空气中的灰尘、烟雾等也会给测试结果带来影响有条件的实验室应在超净工作间处理样品。分析人员也应注意自身污染情况,如手上的皮屑,表皮污垢,汗和皮脂等污染源。 3 样品前处理技术 (1) 标准溶液及其配制原则 在原子吸收光谱分析中,水是最普遍使用的溶剂,对其纯度要求较高,通常采用去离子交换水或去离子重蒸溜水,应用

15、无焰法进行ppb或ppt级的微量元素分析,则要用高纯度的水,现多采用石英亚沸点高纯水蒸馏器制取高纯水。 无机酸也是常用的 溶剂,其中常含有少量金属元素,使用前应严格检查.在日常分析中,一般可用优级纯的酸,在条件可能情况下,最好用超纯酸。 对选用的试剂,以不玷污待测元素为原则。在实践中,如果在仪器灵敏度范围内,检测不出待测元素的吸收信号,就可认为所选试剂没玷污待测元素。 配制标准溶液时,应使标准溶液的组分要尽可能与试样溶液相似。溶液中总含盐量是影响雾化和原子化效率的主要因素之一,其影响大小与盐类性质、含量、火焰温度、雾珠大小有关。如果试样中总含盐量在1%以上时,在标准溶液中就应加入等量的同一盐类

16、,以期在雾化时和在火焰中所发生的过程相似。应用无火焰法保持标准与基体一致更具实际意义。 原子吸收分析用的标准溶液(储备溶液)浓度一般为1mg/ml,有些元素的标准溶液需加入少量无机酸以利储存,浓度1ug/ml的标准溶液要现用现配。用来制作标准曲线的标准系列溶液的浓度范围,原则上根据标准曲线范围和试样中待测元素的浓度确定,整套标准溶液的浓度应把试样溶液的浓度包括在其范围内。不同元素其灵敏度不同,标准系列溶液的浓度范围也不相同,对于常规分析,从测量精度来看,最佳的浓度范围的吸光值为0.10.6,而微量元素的测定,浓度下限的吸光值0.1。 (2) 生物材料样品的采集 生物临床分析样品,按其制备的难易

17、程度可分为五种类型：1) 全血、血清、血浆、红血球、白血球；2) 尿; 3)毛发、指甲；4) 肝、肾等软组织； 5)骨骼、牙齿。 血清、血浆、全血、尿以及人发中常量元素和微量元素的含量及分布,是新陈代谢失调的最可靠的信息。血液的采集部位和采样体积取决于人的年龄、分析元素的性质及含量,也取决于样品处理方法和最终测定方法.末梢血液可以从耳垂穿刺或手指采取,若需血样量较大,则最好从静脉采血。1%肝素钠水溶液、柠檬酸或柠檬酸铵可作为血液的抗凝剂。 尿的临床分析,以早晨首次排出的尿最为合适,它是夜间积存在膀胱内的,是24h内最浓缩的尿,也是各日间性质上差别最小的尿样。 毛发中元素的含量与取样部位及离发根

18、的距离有关,现多从后颈部采取发样。 (3) 样品的预处理 测定生物样品中的元素,一般均需首先破坏样品中的有机物质。选用何种方法,在某种程度上取决于分析元素和被测样品及基体性质。目前主要有以下几种破坏有机物的方法用于原子吸收分析。 1) 高温干灰化法 为破坏样品中有机物基体,常将样品在450500 进行干灰化,灰化温度若高于500会引起一些元素的损失.灰化辅助剂的使用,可促进有机物的分解和提高金属元素的回收率,硝酸有助于形成易溶解的灰分,硫酸常用来将金属转化成硫酸盐以降低金属元素的灰化损失。高温干灰化法的优点是能灰化大量样品,方法简单,无试剂污染,空白低。但对于低沸点的元素常有损失,其损失程度取决于灰化温度和时间,还取决于元素在样品中的存在形式。 2) 低温干灰化法 为了克服高温干灰化因挥发、滞留和吸附而损失痕量金属等问题,现使用射频激发低压氧气流,产生等离子体,在低温(70)下氧化样品而不致引起易挥发元素如As、Se、Pb等损失。并能保持样品无机元素的组成和结构。如果使用活性混合气体或用过氧化氢预先氧化样品,则可缩短灰化时间。 3) 湿法消化法 湿法消化是破坏有机物最常用方法之一,通常使用的是氧化性酸的混合液.使用较为广泛的混合酸有：硝酸-高氯酸、硝酸-硫酸-过氧化氢等。湿法消