原子吸收光谱仪与原子荧光法

第四章原子吸收光谱法与原子荧光光谱法2023/2/214.1原子吸收光谱法原子吸收光谱法（atomicabsorptionspectrometry,AAS)于20世纪50年代提出，在60年代迅速发展起来的一门分析技术。以测量气态原子对辐射能选择吸收的程度来确定试样中的分析物浓度的方法。2023/2/24.1.1原子吸收光谱的产生处于基态原子核外层电子，如果外界所提供特定能量（E）的光辐射恰好等于外层电子与某一激发态（i）之间的能量差（ΔEi）时，核外层电子将吸收特征能量的光辐射由基态跃迁到相应的激发态，从而产生原子吸收光谱。共振吸收线：简称共振线，指原子核外层电子从基态跃迁至激发态时所吸收的谱线。定量依据：A＝Kc（K为常数）2023/2/24.1.2原子吸收光谱法的特点优点：选择性好。光谱干扰少灵敏度高。例如采用石墨炉原子化法，其绝对灵敏度可达10-10—10-14水平精密度高。操作方便和快速。应用范围广。局限性：通常采用单元素空心阴极灯作为锐线光源，分析一种元素就必须选用该元素的空心阴极灯，因此不适用于多元素混合物的分析对于高熔点、形成氧化物、形成复合物或形成碳化物后难以原子化元素的分析灵敏度低2023/2/24.2原子吸收分光光度计流程：锐线光源发射出待测元素特征谱线被原子化器中待测元素原子核外电子吸收后，经光学系统中的单色器，将特征谱线与原子化器中产生的复合光谱色散分离后，检测系统将特征谱线强度信号转换成电信号，通过工作站读出数据。4.2.1仪器结构与工作原理锐线光源原子化器单色器检测器计算机工作站

仪器组成结构框图锐线光源：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。2023/2/2原子吸收仪器（1）2023/2/2原子吸收仪器（2）2023/2/2原子吸收仪器（3）2023/2/21、光源a.作用：提供待测元素的特征光谱。应满足如下要求；（1）能发射待测元素的共振线；（2）能发射锐线；（3）辐射光强度大，稳定性好。b.空心阴极灯：结构如图所示2023/2/2c.空心阴极灯的原理

施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极；与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击；使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，处于激发态的原子，返回基态时，发射特征光谱。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点：（1）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。（2）每测一种元素需更换相应的灯。（动画演示）2023/2/22、光学系统光学系统一般由外光路与单色器组成。外光路可以分为单光束与双光束两种。单光束光学系统：只有单光路通过原子化器

不能避由于HCL发射谱线过程和光电倍增管检测过程及其电学放大系统工作过程中不稳定因素所引起的基线信号漂移。双光束光学系统：采用“旋转镜”或“斩光器”将HCL发射谱线为参比光束与分析光束，两束光分别通过空气和原子化器，经过单色器分别色散后被检测。2023/2/2双光束原子吸收分光光度计原理图（1）单光束型（动画演示）（2）双光束型（动画演示）2023/2/2（3）单色器作用将待测元素的共振线与邻近线分开。组件入射狭缝、反射镜、准直镜、平面衍射光栅、聚焦镜和出射狭缝。色散元件性能参数

（1）线色散率（D）两条谱线间的距离与波长差的比值Δl

/λ。实际工作中常用其倒数λ

/Δl

（2）分辨率（R）仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值λ/Δλ表示。（3）通带宽度（W）指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围。当倒色散率（D-1）一定时，可通过选择狭缝宽度（S）来确定：W=D-1×S2023/2/23、检测系统主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。1.检测器--------将单色器分出的光信号转变成电信号。如：光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。分光后的光照射到光敏阴极K上，轰击出的光电子又射向光敏阴极1，轰击出更多的光电子，依次倍增，在最后放出的光电子比最初多到100万倍以上，最大电流可达10μA，电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器。（动画演示）2.放大器------将光电倍增管输出的较弱信号，经电子线路进一步放大。3.对数变换器------光强度与吸光度之间的转换。4.显示、记录------新仪器配置：原子吸收计算机工作站2023/2/2

4.2.2、原子化系统作用

将试样中离子转变成原子蒸气。常用原子化系统

a.火焰原子化系统

b.石墨炉原子化系统

c.低温原子化系统2023/2/2

1.火焰原子化器－－雾化器、雾化室和燃烧器（1）雾化器结构如下图所示

主要缺点：雾化效率低。（动画演示）

2023/2/2（2）雾化室（预混合室）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。采用同心式喷雾器，当试液流过毛细管尖端时,被流过的助燃气气流雾化，形成气溶胶与燃气混合流过一系列档板，只让最细的雾滴通过，而使大部分试样留在预混合室的底部并流入废液容器。

动画演示2023/2/2（3）燃烧器

它的作用是产生火焰，使进入火焰的试样气溶胶蒸发和原子化。燃烧器是用不锈钢材料制成，耐腐蚀、耐高温。燃烧器所用的喷灯有“孔型”和“长缝型”两种。预混合型燃烧器中，一般采用吸收光程较长的长缝型喷灯。喷灯的缝长和缝宽随火焰而不同：空气－乙炔焰：0.5mm×100mm;氧化亚氮－乙炔焰：0.5mm×50mm;燃烧器的高度、角度可以调节，以便选择适宜的火焰原子化区域，以提高元素分析灵敏度。2023/2/2（4）燃气与助燃气气路控制系统一般可分为手动和自动控制两种。A气路手动控制系统B气路自动控制系统2023/2/22、火焰的类型与温度作用：试样雾滴在火焰中，经干燥，蒸发，解离（还原）等过程产生大量基态原子。火焰的类型空气－乙炔火焰：可测定30多种元素，最常用；氧化亚氮－乙炔火焰：火焰温度高,可测定的元素达70多种（空气＋氧气）乙炔火焰2023/2/2火焰的氧化还原特性：同种类型不同燃气/助燃气流量比（燃助比）的火焰，火焰温度和氧化还原性质也不同，按不燃助比可分为三类：A、中性火焰（燃助比等于计量比）温度高，背景低，干扰少，稳定，最常用。B、富燃火焰（燃助比大于计量比）还原性火焰，燃烧不完全，温度低，背景高，干扰多。测定容易形成难熔氧化物的元素Fe、Co、Ni等。C、贫燃火焰（燃助比小于计量比）火焰温度低，氧化性气氛，适用于易解离、易电离的元素碱金属测定。2023/2/2火焰温度的选择：（a）保证待测元素充分离解为基态原子的前提下，尽量采用低温火焰；（b）火焰温度越高，产生的热激发态原子越多；（c）火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用空气－乙炔最高温度2600K能测35种元素。2023/2/22023/2/2火焰的透射比：

选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素的共振线，选择不同的火焰，可避开干扰：例：As的共振线193.7nm由图可见，采用空气-乙炔火焰时，火焰产生吸收，而选N2O-C2H2火焰则较好；火焰的安全性：2023/2/22.石墨炉原子化装置（1）结构如下图所示：外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸汽。（动画）2023/2/2（2）原子化过程原子化过程分为干燥、灰化（去除基体）、原子化、净化（去除残渣）四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。2023/2/2（3）优缺点优点：原子化程度高，试样用量少（1～100μL），可测固体及粘稠试样，灵敏度高，检测极限10-12g/L。缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。3.低温原子化法（1）冷原子化法低温原子化方法（一般700~900゜C）；主要应用于：各种试样中Hg元素的测量；原理：将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g）；2023/2/2

（2）氢化物原子化方法主要是氢化物原子化方法，原子化温度700～900℃；主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Pb、Ge、Se、Ti等元素原理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠（钾）反应生成气态氢化物。例：AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物，送入原子化器中检测。

2023/2/24.2.3原子吸收分光度计的性能指标1.灵敏度（sensitivity）指在一定条件下，测定值（吸光度）的增量（ΔA）与相应的待测元素浓度（或质量）的增量（Δc或Δm）的比值：Sc=ΔA/Δc或Sm=ΔA/Δm（a）特征浓度：指产生1%的吸收时，水溶液中某元素的质量浓度（g/mL），或对应与0.0044吸光度的待测元素浓度。

cc=0.0044Δc/ΔA

单位：（g·mL-1

）/1%（b）特征质量：一定实验条件下，产生1％吸收时的质量。

mc=0.0044Δm/ΔA

单位：g/1%2023/2/22.检测限（detectivelimit）

在适当置信度下，待测元素能够被检出的的最小浓度或最小量。用接近于空白的溶液，经若干次（10～20次）重复测定所得吸光度的3倍的标准偏差求得。（1）火焰法

cDL=3/Sc

单位：gmL-1

（2）石墨炉法

mDL=3/Sm

：标准偏差

Sc（Sm）：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率。2023/2/24.3干扰及其消除原子吸收光谱法分析中的干扰主要包括物理干扰、化学干扰、电离干扰和光谱干扰。2023/2/24.3.1物理干扰及消除方法

物理干扰是指试样溶液物理性质变化而引起吸收信号强度变化，属于非选择干扰。试样在转移、蒸发和原子化过程中试样的任何物理特性变化引起的吸光度下降的效应。主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。雾化效率与试样的密度、粘度、表面张力等都有关系。

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。2023/2/2

4.3.2化学干扰及其消除方法

指待测元素与其它组分之间的化学作用所引起的干扰效应,主要影响到待测元素的原子化效率，是主要干扰源。

1.化学干扰的类型（1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。a、钴、硅、硼、钛、铍在火焰中易生成难熔化合物b、硫酸盐、硅酸盐与铝生成难挥发物。（2）待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱，电离电位≤6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重。（如碱及碱土元素）2023/2/2

2.化学干扰的消除

通过在标准溶液和试液中加入某种光谱化学缓冲剂来抑制或减少化学干扰：（1）改变火焰类型（2）改变火焰特性—对于形成难熔、难挥发氧化物的元素如硅、钛、铝等，使用强还原性气氛火焰更有利于这些元素的原子化。（3）加入释放剂—与干扰元素生成更稳定化合物使待测元素释放出来例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。动画演示（4）加入保护剂—与待测元素形成稳定的、易挥发、易于原子化的络合物，防止干扰物质与其作用。

例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根与钙作用。（5）加入缓冲剂—加入大量易电离的一种缓冲剂以抑制待测元素的电离。例：加入足量的铯盐，抑制K、Na的电离。（6）采用标准加入法

2023/2/24.3.3电离干扰及其消除方法是由于电离能较低的碱金属和碱土金属元素在原子化过程中产生电离而使基态原子数减少，导致吸光度下降。原子化过程中元素电离度与原子化温度和元素的电离能密切相关，原子化温度越高，元素电离电位越低，则电离度越大，电离度随元素总浓度的增加而减小。减小或消除方法：加入电离能较低的消电离剂;利用强还原性富燃焰；采用标准加入法;提高元素总浓度。2023/2/24.3.4光谱干扰及其消除方法

待测元素的共振线与干扰元素谱线分离不完全，这类干扰主要来自光源和原子化装置，主要有以下几种：

1.在分析线附近有单色器不能分开的待测元素的邻近线。另选分析线来抑制这种干扰。2.空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射。换用纯度较高的单元素灯减小干扰。3.灯的辐射中有连续背景辐射。进行背景校正。2023/2/2

背景干扰主要是指原子化过程中所产生的分子吸收和光散射干扰，干扰严重时，不能进行测定。属于光谱干扰。

1.分子吸收与光散射分子吸收：原子化过程中，存在或生成的分子对特征辐射产生的吸收。分子光谱是带状光谱，势必在一定波长范围内产生干扰。光散射：原子化过程中，存在或生成的微粒使光产生的散射现象。产生正偏差，石墨炉原子化法比火焰原子化法产生的干扰严重。此类干扰如何消除？4.3.5背景的吸收与校正2023/2/22.背景干扰校正方法共振线通过时，测定总吸收；二者的差值为有效原子吸收；（1）氘灯背景校正法

可用于火焰原子化法、石墨炉原子化和低温原子化法

旋转斩光器交替使氘灯提供的连续光谱和空心阴极灯提供的共振线通过火焰；

连续光谱通过时：测定的为背景吸收（此时的共振线吸收相对于总吸收可忽略）；2023/2/2（2）塞曼（Zeeman）效应背景校正法Zeeman效应：在强磁场中，原子电子能级裂分导致形成的几条吸收谱线的现象；校正原理：原子化器加磁场后，随旋转偏振器的转动，当平行磁场的偏振光通过火焰时，产生总吸收；当垂直磁场的偏振光通过火焰时，只产生背景吸收；如图所示方式：光源调制法和共振线调制法（应用较多），后者又分为恒定磁场调制方式和可变磁场调制方式。优点：校正能力强（可校正背景A1.2～2.0）；可校正波长范围宽：190～900nm；2023/2/22023/2/24.4原子吸收光谱法分析4.4.1仪器操作条件的选择1．空心阴极灯电流在保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量选较低的电流。2．吸收谱线选择一般选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线。见表3．光谱通带的选择（可调节狭缝宽度改变）无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，反之（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带。2023/2/22023/2/24.4.2火焰原子化法最佳条件选择1.火焰的类型与特性选择

依据不同试样元素选择不同火焰类型。2.燃烧器高度的选择

调节燃烧器高度使空心阴极灯发出的光束通过自由原子浓度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。3.火焰原子化器的吸喷速率

吸喷速率也称为待测溶液的提升量，提升量不仅与助然气的压力和流量有关，还与提升溶液的毛细管内径和待测溶液物理性质有关。提升量过大，对火焰产生冷却效应，影响原子化效率；而提升量过小，影响分析方法的灵敏度和检测限。通常控制提升量为4-9mL/min。2023/2/24.4.3定量分析方法1、线性范围原子吸收光谱法定量分析的理论依据：A＝Kc对于大部分元素A-c曲线在一定的浓度范围内呈线性关系。线性范围受多种因素影响：原子化方法、原子化条件、分析波长、基体、介质条件。2023/2/22.标准曲线法

配制一系列不同浓度的标准溶液，由低到高依次分析，将获得的吸光度A数据对应于浓度作标准曲线，在相同条件下测定试样的吸光度A数据，在标准曲线上查出对应的浓度值；或由标准试样数据获得线性方程，将测定试样的吸光度A数据带入计算。注意在高浓度时，标准曲线易发生弯曲，压力变宽影响所致；2023/2/23.标准加入法

取若干份相同体积的试液（cx），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（c0），定容后浓度依次为：

cx

，cx

+c0

，cx

+2c0

，cx

+3c0

，cx

+4c0

……

分别测得吸光度为：AX，A1，A2，A3，A4……。

以A对c做图得一直线，图中cx点即为待测溶液浓度。该法可消除基体干扰；不能消除背景干扰。2023/2/24.4.4原子吸光光度法的应用

应用广泛的微量金属元素的首选测定方法（非金属元素可采用间接法测量）。（1）头发中微量元素的测定－－微量元素与健康关系；（2）水中微量元素的测定－－环境中重金属污染分布规律（3）水果、蔬菜中微量元素的测定；（4）矿物、合金及各种材料中微量元素的测定；（5）各种生物试样中微量元素的测定。2023/2/22023/2/2练习：1、原子吸收分析中光源的作用是（）：

A提供试样蒸发和激发所需的能量

B产生紫外光C发射待测元素的特征谱线

D产生具有足够浓度的散射光

答案：C2、空心阴极灯中对发射线宽度影响最大的因素是（）：

A阴级材料B填充气体C灯电流D阳极材料答案：C3、火焰原子吸收法、石墨炉原子吸收法及氢化物原子吸收法的主要区别在于（

）。A.所依据的原子吸收原理不同

B.所采用的光源不同C.所利用的分光系统不同

D.所采用的原子化方式不同

答案：D2023/2/24、在原子吸收光谱分析中，原子化器的作用是（）：A．把待测元素转变为气态激发态原子；B．把待测元素转变为气态激发态离子；C．把待测元素转变为气态基态原子；

D．把待测元素转变为气态基态离子。

答案：C5、原子吸收光度分析（火焰法）测定钠离子含量，需向溶液中需加入大量钾离子，钾离子是（

）：

A．缓冲剂B．释放剂

C．保护剂D．消电离剂

答案：D2023/2/25、相对于火焰原子化器来说，石墨炉原子化器（）

A．灵敏度高，但重现性差B．灵敏度高，且重现性好

C．灵敏度低，且重现性差D．灵敏度低，但重现性好答案：A6、在原子吸收光谱法中，目前常用何种光源？其主要操作参数？（）。A．氙弧灯，内充气体的压力；B．氙弧灯，灯电流；C．空心阴极灯，内充气体的压力；D．空心阴极灯，灯电流。答案：D7、在原子吸收分析中，干扰效应主要有：答案：物理干扰、化学干扰、电离干扰、光谱干扰8、富燃焰是指

，火焰

较强（填还原性或氧化性）。答案：燃助比大于其化学计量比的火焰；还原性

2023/2/29、简要说明原子吸收谱线变宽的原因。①自然变宽；②多普勒变宽（或热变宽）；③压力变宽；④场致变宽；⑤自吸变宽。10、画出单光束原子吸收分光光度计结构示意图（用方框图表示），并说明各部分的作用。

原子化器锐线光源单色器检测器计算机工作站光源的作用是发射待测元素的特征谱线。原子化器产生气态的基态原子，以便吸收特征谱线。单色器是将欲测谱线发出并投射到检测器中检测系统是作用是将光信号转化为电信号工作站是显示出经检测器放大后的信号。2023/2/24.5原子荧光光谱法原子荧光光谱法（atomicfluorescencespectrometry,AFS）是基于气态和基态原子的核外层电子吸收共振发射线后，发射出荧光进行元素定量分析的一种分析方法。1964年以后发展的分析方法；属发射光谱但所用仪器与原子吸收仪器相近。特点（1）

检出限低、灵敏度高

Cd：10-12g·cm-3；Zn：10-11g·cm-3；20种元素优于AAS（2）谱线简单、干扰小（3）线性范围宽（可达3～5个数量级）（4）易实现多元素同时测定（产生的荧光向各个方向发射）缺点存在荧光淬灭效应、散射光干扰等问题；2023/2/24.5.1原子荧光光谱法基本原理1．原子荧光光谱的产生

当气态原子受到强辐射时，由基态跃迁到激发态，约在10-8s后，再由激发态跃迁回到基态，辐射出与吸收光波长相同或不同的荧光；特点：

（1）属光致发光，二次发光；（2）激发光源停止后，荧光立即消失；（3）发射的荧光强度与照射的光强有关；（4）不同元素的荧光波长不同；（5）浓度很低时，强度与蒸气中该元素的密度成正比，定量依据（适用于微量或痕量分析）；2023/2/22.原子荧光产生的类型三种类型：共振荧光、非共振荧光与敏化荧光（1）共振荧光

共振荧光：气态原子吸收共振线被激发后，激发态原子再发射出与共振线波长相同的荧光；见图A和C；

热共振荧光：若原子受热激发处于压稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射出相同波长的共振荧光；见图B和D；2023/2/2（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；分为：直跃线荧光、阶跃线荧光、anti-Stokes荧光三种；直跃线荧光（Stokes荧光）：跃回到高于基态的亚稳态时所发射的荧光；荧光波长大于激发线波长（荧光能量间隔小于激发线能量间隔）；abcd2023/2/2Pb原子：吸收线283.13nm；直跃荧光线407.78nm；铊原子：吸收线337.6nm；共振荧光线337.6nm；直跃线荧光535.0nm；abcd2023/2/2阶跃线荧光：

光照激发，非辐射方式（碰撞、放热）释放部分能量后,再发射荧光返回基态；荧光波长小于激发线波长（荧光能量间隔大于激发线能量间隔），见图

（c）中A和C；光照激发，再热激发，返至高于基态的能级，发射荧光，见图（c）中B和D；

Cr原子：吸收线359.35nm；再热激发，荧光发射线357.87nm，图（c）中B和Da