发酵分析-原子吸收分光光度法

●原子吸收光谱法原理Basicprincipleofatomicabsorptionspectrometricanalysis●原子吸收分光光度计的结构Structureofatomicabsorptionspectrophotometer●干扰及其消除Interferenceandelimination●原子吸收光谱分析法Quantitativeanalyticalmethods掌握原子吸收光谱分析法的基本原理，了解原子吸收光谱仪的构造，重点掌握原子吸收分光光度定量分析方法。Outlines原子吸收光谱分析又称原子吸收分光光度分析，原子吸收法（AAS），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。光谱早期发现

SunlightPrism1600年牛顿发现太阳光经过棱镜后分成了彩色光带，他称其为光谱。一、基本原理Fraunhofer线•1802年Wollaston利用狭缝和‘棱镜，第一次发现太阳光谱中的暗线，这是原子吸收光谱的最初观测。•1814年Fraunhofer在棱镜后放置了一个望远镜来观察太阳光谱，对那些暗线作了粗略的测量，并列成谱图，暗线条数超过700条，后来这些线称为

Fraunhofer线。Kirchhoff和Bunsen的实验（1）灯源燃烧器棱镜白色卡片将盐放在金属丝上并放入火焰中透镜透镜暗线Kirchhoff和Bunsen的实验（2）燃烧头棱镜白卡将盐放在金属丝上并放入火焰中透镜因此发现了Rb和Cs发射线吸收和发射

BaNaKFraunhofer吸收线发射线元素定性分析190nm900nmCu基态原子中子质子电子Orbitals原子能量的吸收和发射基态激发态h吸收能量外层电子h放出能量原子吸收过程基态原子吸收共振线能量跃迁EoE2E3E1太阳外层大气压阳光12341234Pb的能级跃迁图电子能量跃迁EoE2E3E1202.2E4217.0261.4283.3波长/nm吸收能量图abcdEo

基态激发态激发能量bac}E3E2E1E

离子化发射能量图abcdEo

基态激发态发射能量bac}E3E2E1E

离子化

电子从基态跃迁激发态时会吸收一定频率的光，所产生的吸收谱线称为共振吸收线.如：钠原子32S1/2→32P1/2（589.59nm)和32S1/2→32P3/2

（588.99nm)电子从激发态跃迁回基态时，则发射出同样频率的光(谱线)，这种谱线称为共振发射线。如钠原子32P1/2→

32S1/2（589.59nm)和32P3/2→

32S1/2（588.99nm)它们都简称共振线(resonanceline)。☆☆☆原子吸收光谱定量分析的依据：利用基态原子对光源发出的共振线的特征吸收。共振线：共振发射线和共振吸收线的波长相同，简称为共振线。△共振线是元素的特征谱线△共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线第一共振发射线的发射强度最大，第一共振吸收线的吸收强度最大。多数元素的原子吸收光谱分析，首选共振线作为吸收谱线。在一定的条件下，试液中被测组分的浓度c与N成正比：N＝acK，a均为常数，令K′＝aK，则A＝K′Lc

→

A∝C原子吸收遵循朗伯-比耳定律：吸光系数光程：光经过原子蒸气的距离火焰中被测元素的基态原子数A＝KLacA=-lgT=lgI0/I=KνL＝εcL吸收系数Kv的意义：光通过单位厚度吸收池时的吸光度(注意与ε区别！！）原子吸收光谱法与可见分光光度法的相同点：基本原理是相同，两者均是基于物质对光的吸收，且遵循朗伯—比耳定律，都属于吸收光谱分析。I=I0exp(-KvL)或A∝C两者区别：吸光物质的状态不同，原子吸收光谱分析中，吸光物质是基态的原子蒸气，而在可见吸收光谱分析中，吸光物质是溶液中的分子或离子；其次，原子吸收光谱分析中采用的光源是锐线光源，属于线状光谱，而可见吸收光谱分析中采用的光源是连续光源，属于带状光谱。二、AAS仪器及其组成

AAS仪器由光源、原子化系统（类似样品容器）、分光系统及检测系统。空心阴极灯原子化器单色仪检测器原子化系统雾化器样品液废液切光器助燃气燃气原子吸收仪器结构示意图原子吸收分光光度计（一）、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）发射强度稳定什么是“连续光源”和“锐线光源”?白炽灯钠盐的街灯1.空心阴极灯(HollowCathodeLamp,HCL)组成：阳极（吸气金属）、空心圆筒形（使待测原子集中）阴极（W+待测元素）、低压惰性气体（谱线简单、背景小空心阴极灯HCL原理空心阴极阳极原子原子e-放电Ne+

+e-溅射发射激发释放光子类型与激发态原子相关EnEoEnEo工作过程：高压直流电（300V）---阴极电子---撞击隋性原子---电离(二次电子维持放电)---正离子---轰击阴极---待测原子溅射----聚集空心阴极内被激发----待测元素特征共振发射线。发射线和吸收线同时发生灯发射低温、低压原子吸收高温、高压吸收和发射在同一波长同时发生IoIt2.无极放电灯（Electrodelessdischargelamps）

工作过程：由于没有电极提供能量，该灯依靠射频（RF）或微波作用于低压惰性气体并使之电离，高速带电离子撞击金属原子产生锐线。特点：无电极；发射的光强度高（是HCL的1~2个数量级）；但可靠性及寿命比HCL低，只有18种元素可制得该灯。（二）原子化器(Atomizer)

原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。试样中待测元素的原子化过程示意如下：MX（试液）MX（固体微粒）脱水蒸发气化MX（气态）化合分解X（气态）M+（离子）M*（激发态）M（基态原子）++e原子化方法主要有：火焰原子化、无火焰原子化以及低温原子化等1.火焰原子化器由四部分组成：a）喷雾器；b）雾化室c）燃烧器d）火焰结构：全消耗型预混合型工作原理：雾化器将液体试样雾化，细小的雾粒在雾化室中与燃气和助燃气均匀混合，除去较大的雾滴后，再进入燃烧器的火焰中，试液在高温的作用下产生原子蒸气。雾化器：亦称为喷雾器作用：将试液变成细雾。雾粒越细、越多，雾化效率越高，在火焰中生成的基态自由原子越多，测定灵敏度越高。雾化室：使燃气和助燃气充分混合，并进一步细化雾滴，以便在燃烧时得到稳定的火焰。雾化室一般由耐腐蚀金属材料、塑料或玻璃制成。燃烧器：支持火焰并通过火焰的作用使试样原子化。被雾化的试液进入燃烧器后，在火焰中经过蒸发、干燥、熔化、离解、激发等过程，将被测元素原子化，与此同时，还产生离子、分子和激发态原子等。（原子化效率低）火焰有组成决定着火焰的氧化、还原特性。直接影响待测元素化合物的分解和难离解化合物的生成，从而影响到原子化效率和自由原子在火焰中的寿命。影响结果的灵敏度。火焰的燃助比：任何一种火焰均可按燃气与助燃气的比例分为三类具不同性质的火焰：化学计量型：指燃助比近似于二者反应的计量关系（1：4），又称中性火焰。温度高、稳定、干扰小、背景低，可适于大多数元素分析；火焰：使待测物质离解成基态自由原子富燃火焰：燃气比例较大的火焰（燃助比大于化学计量比，1：3），又称还原性火焰。燃烧不完全、温度略低，具还原性，适于难分解的氧化物的元素分析。但干扰较大、背景高。MO+C→M+COMO+CN→M+N+COMO+CH→M+C+OH贫燃火焰：助燃气大于化学计量的火焰（1：6），又称氧化性火焰。温度较高，具氧化性，适于易解离和易电离的元素，如碱金属。火焰的种类：空气-乙炔、N2O-C2H2、空气-H2、O2-H2等

空气-乙炔火焰应用最广泛。具有燃烧稳定、重复性好、噪音小、燃烧速度中等的特点。温度可高达2500K

N2O-C2H2火焰，燃烧速度慢，火焰温度高，2999K,可分析70多种元素。5N2O→5N2+5/2O2C2H2+5/2O2→2CO2+H2OMO+NH→M+N+OHMO+CN→M+N+CO氧屏蔽空气-乙炔火焰火焰温度：不同类型火焰其温度不同，如下表所示。2、无火焰原于化装置利用电热、阴极溅射、等离子体或激光等方法。石墨炉应用最广泛石墨炉的优点：取样量少，固体只需几毫克，液体仅用几微升；相对灵敏度比火焰法高2个～3个数量级。（灵敏度高，但重现性差）原子化过程原子化过程可分为四个阶段，即干燥、灰化、原子化和净化。温度oC干燥时间，t净化原子化灰化虚线：阶梯升温实线：斜坡升温干燥：去除溶剂，防样品溅射；灰化：使基体和有机物尽量挥发除去；原子化：待测物化合物分解为基态原子，此时停止通Ar，延长原子停留时间，提高灵敏度；净化：样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管。火焰和石墨炉原子吸收AAS标准 火焰 石墨炉元素 67 48灵敏度 ppm-% ppt-ppb精度 好 不错干扰 少 多速度 快 慢操作方便程度 容易 较复杂火焰的毒害性 是 无自动化可行性 是 是(不用人监视）操作费用 低 中等火焰与石墨炉吸收的检出限比较

元素

火焰（ppb)石墨炉(ppb)*

Ag 3 0.035 As 450 0.25 Bi 50 0.45 Cd 3 0.01 Cr 9 0.075 Pb 15 0.2 Zn 1.5 0.0075*采用20uL进样，D2

扣背景，峰高测量（三）、光学系统光学系统可分为外光路系统（照明系统）和分光系统外光路系统使从光源辐射出的共振线能正确地通过原子化区，并投影到单色器的狭缝上。外光路系统主要有单光束系统和双光束系统两种。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、惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。必须注意：在原子吸收光度计中，单色器通常位于火焰之后，这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳。（四）检测系统检测器、放大器、对数变换器、显示装置。检测器：将单色器分出的光信号转换成电信号放大器：将光电倍增管输出的电信号放大对数变换器：实现对数转换，输出与浓度大小成正比的电信号（三）定量分析方法1.灵敏度和检测限①灵敏度根据国际纯化学与应用化学协会(IUPAC)作出的规定，将灵敏度S定义为工作曲线的斜率，其表达式为：S＝dA/dc当待测元素的浓度c改变一个单位时，吸光度A的变化量。用特征浓度表征灵敏度。特征浓度：产生1%吸收(即透光率T为99%，吸光度等于0.0044)时溶液中被测元素的质量浓度，以ρ0表示，单位为μg·mL-1。ρ0的物理意义：当吸光度等于0.0044时，每毫升溶液中含有被测元素多少微克。

特征浓度ρ0越小，测定的灵敏度越高。特征浓度的测定：用任一个质量浓度为ρ的标准溶液进行测试，若测得其吸光度为A，则有：例3.3.2以3.0μg·mL-1的钙溶液，测得透光率为48%。计算原子吸收分光光度法测定钙的灵敏度。解：先计算吸光度：测定钙的灵敏度为：若干元素原子吸收线的波长及灵敏度元素λ/nm火焰检测限/(μg.mL-1)灵敏度/(μg.mL-1)线性范围Ag328.1空气—乙炔0.0020.060.2~4Al309.3N2O—乙炔0.020.92~50Ba553.6N2O—乙炔0.0080.30.5~25Ca422.7空气—乙快0.0050.070.2~7Cd228.8空气—乙炔0.0020.0250.05~2Fe248.3空气—乙炔0.0050.10.2~5K766.5空气—乙快0.0020.020.04~2Na589.0空气—乙炔0.0020.0150.03~1Mg285.2空气—乙炔0.0010.0070.02~0.5Mn279.5空气—乙炔0.0020.050.1~3Ni232.0N2O—乙炔0.0020.10.2~5Zn213.9空气—乙炔0.0010.0150.03~1***吸光度A为0.1～0.5时测量的准确度较高。由特征浓度计算公式可以导出：例3.3.3已知Zn的灵敏度是0.015μg.mL-1，某矿石试样中Zn的合量约为0.01%，试计算适宜的浓度范围。若配制25mL试液，应称取多少克试样?解：最适宜的质量浓度范围为：最低0.015μg·mL-1×25＝0.375μg·mL-1最高0.015μg·mL-1×120＝1.8μg·mL-1应称试样质量的范围为：最低25mL×0.375×10-6g·mL-1/0.01%＝0.094g最高25mL×1.8×10-6g·mL-1/0.01%＝0.45g原子吸收测定的适宜质量浓度范围：

约为灵敏度的25倍～120倍。②检测限（D）检测限是指产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号所需要的该元素的最小浓度，定义为分析信号等于空白溶液测量信号的标准偏差（σ）的3倍时，该元素相应的质量浓度（ρ）或质量分数。灵敏度越高，检测限越低，仪器的性能越好。例3.3.4在285.2nm的波长下以0.01μg.mL-1

Mg2+标准溶液（接近空白溶液）连续测定11次，到得吸光度依次为：0.255，0.260，0.255，0.250，0.265，0.260，0.265，0.250，0.260，0.270及0.260。求检测限。解：计算得平均值为0.259，标准偏差为σ＝6.3×10-3。则Mg2+的检出限为：D＝0.01μg·mL-1×3×6.3×10-3/0.259＝7.3×10-4μg·mL-1此例说明，只有当Mg2+离子浓度大于7.3×10-4μg·mL-1（检测限），才能从仪器上反映出来，低于此限则不能确证Mg2+的存在。定量分析方法①标准曲线法方法：1)测定一系列浓度适宜标准溶液的吸光度A，以吸光度A为纵坐标，以浓度为横坐标，作标准工作（A-C）曲线；

2)在相同的实验条件下测定试样溶液的吸光度，从标准曲线上查得被测组分的浓度。注意事项：①标准和试样溶液的浓度应在工作曲线的线性范围内；②配制标准溶液的试剂和主要基体成分与试样溶液相一致；③在操作过程中，工作条件保持不变。④每次测定前要用标准溶液对吸光度进行检查和校正。***吸光度A为0.1～0.5时测量的准确度较高×手工作图法Excel回归分析法:1）根据标准系列数据用统计的方法求出吸光度A与浓度C之间的方程式：A=aC＋b.2）将A样带入上方程式中求出C样。示例：分光光度法测铁含量标准系列：C(mg/L)测得A0.0000.0000.4000.0770.8000.1401.2000.2101.6000.2782.0000.348

样品求C样0.243②标准加入法☆☆特点：可减少试样与标淮溶液之间的差异(如基体、粘度等)引起的误差。实验步骤：取相同体积的待测试样溶液两份，分别移入容量瓶1和2中，在容量瓶2中加入一定量的标准溶液，稀释至刻度，分别测得吸光度值为A1和A2，若容量瓶中未知液的浓度为cX，标准溶液的浓度为cS，则：A1：A2=cX：cX＋s

作图法：在4只容积相同的容量瓶中加入等量的试样溶液，于第二、第三、第四只容量瓶中分别加入V0、

2V0、

3V0的标准溶液，分别稀释至刻度。在同一条件下测量各溶液的吸光度，以吸光度对加入标准溶液的浓度作图，得一直线，延长此线至与横坐标相交(吸光度值为0)，交点对应的浓度即为试样溶液中被测元素的浓度。例3.3.5称取0.1870g含铝试样，处理成溶液后特移至50mL容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。吸取上述溶液10mL于25mL容量瓶中(共取4份)，分别加入含铝0.0μg，2.0μg，4.0μg，6.0μg的标准溶液，以蒸馏水稀释至刻度。测得上述各溶液的吸光度依次为0.1，0.3，0.5，0.7。求试样中铝的合量。解：各容量瓶中标准溶液的质量浓度分别为0μg·mL-1，0.08μg·mL-1，0.16μg·mL-1，0.24μg·mL-1。绘制A-ρ曲线，曲线与横坐标交点到原点的距离为0.04μg·mL-1。则试样中铝的质量分数为：使用标准加入法的条件：相应的标准曲线是一条通过原点的直线；试样溶液的吸光度在此直线的线性范围内。！！标准加入法是常用而又简便的方法，特别适用于数量不多但成分复杂的样品的分析。（四）干扰的消除及测量的选择1.干扰及消除方法①谱线干扰A.由于吸收线与相邻线不能完全分开；B.被测元素的吸收线与共存元素的吸收线相互重叠。

影响：导致测定灵敏度下降、工作曲线弯曲。消除方法：减小狭缝宽度、降低灯电流或者采用其他分析线的办法。②背景吸收背景吸收包括分子吸收、光散射和火焰成分吸收。影响：背景吸收使测得的吸光度增加，产生正误差。

★分子吸收：在原子化过程中生成的气体分子、氧化物、盐类和氢氧化物等气态分子对光的吸收引起的。分子吸收属宽谱带吸收，一般不同的化合物有不同的吸收波长范围。消除方法：提高温度可使分子离解，从而消除分子吸收的干扰。★光散射：由于火焰中固体微粒对光的阻挡引起的，它使待测元素的吸光度增加，产生“假吸收”。消除方法：一般可用参比溶液调零的方法予以消除。

★火焰成分吸收：波长愈短，吸收愈严重。火焰中CO，OH，CH等分子或基团吸收光源辐射的结果。消除方法：一般可通过调零来消除。当使用某种火焰干扰较严重时，可改为使用其他火焰。消除背景吸收最简单的办法：

配制一个组成与试样溶液完全相同，只是不含被测元素的空白溶液，以此溶液调零即可消除背景吸收。③电离干扰：很多元素在高温火焰中都会产生电离，使基态原子减少，灵敏度降低，这种现象称为电离干扰。如测定钾时，钾在空气—乙炔火焰中的容易产生电离：消除方法：A.降低火焰的温度可以减少原子的电离，因此应根据待测元素的电离电位，选用合适的火焰温度。B.在试液中加入消电离剂，即在溶液中加入比待测元素更容易电离的金属元素。例如测定钾时，在溶液中加入大量的氯化铯，由于铯比钾更容易电离，增大了火焰中电子的浓度，使电离平衡向中性原子方向移动，从而抑制了钾的电离；或使火焰中的钾离子获得电子，重新回到基态。④化学干扰：主要干扰因素，是指在溶液或火焰中产生对被测元素有影响的化学反应，导致待测物离解成基态原子的程度变化。例如：待测元素与共存物质作用生成难挥发的化合物(如磷酸盐、硫酸盐等)，使参加吸收的基态原子减少，吸光度下降。A.释放剂：当待测元素与干扰元素在火焰中形成稳定的化合物时，加入另一种化合物（释放剂），使其与干扰元素形成更稳定的化合物，使待测元素从干扰元素的化合物中释放出来，从而达到消除干扰的目的。例如：磷酸盐干扰Ca的测定，加La或Sr后，则La或Sr与磷酸根结合成更稳定的化合物，将钙释放出来。消除方法：B.保护剂：保护剂大多数是配合剂，它可以与待测元素生成稳定的配合物，使待测元家不能与干扰元素生成难离解的化合物；或者与干扰元素形成稳定的配合物，不再与待测元素发生化学反应，这两种情况都保护了待测元素，消除了干扰。例如，加入EDTA与待测元素形成配合物，可以消除磷酸盐、碳酸盐、氮化物的干扰。C.缓冲剂：在试样和标准样品中都加入过量的干扰元素，使干扰趋于稳定，不再变化，这种含有干扰成分的试剂称为缓冲剂。例如在乙炔-氧化亚氮火焰中测钛，铝有严重干扰，但当溶液中铝的质量浓度达到200μg·mL-1以上时，可使铝对钛的干扰达到一个稳定值，不再随溶液中铝的量而变化，从而可以准确测定钛的含量。D.分离法：当采用上述方法后仍得不到较好的测定结果时，可以来用化学分离的方法，将干扰元素分离出去，或者是将待测元素从复杂的样品中分离出来。再进行测定。2.测定条件的选择①分析线的选择：元素的共振线往往是元素的最灵敏线，测定时一般选用共振线作为分析线。在特殊情况下应选用次灵敏线或其他谱线作为分析线：若选用的共振线有强烈干扰或试液的浓度很高（？A:0.1～0.5）时，适宜选用其他谱线作为分折线；有的元素共振线在紫外区，如Hgl85.0nm线，被空气和火焰气体强烈吸收，所以常选用灵敏度只有前者1/50的Hg253.7nm线。对于微量元素的测定，应尽可能选用最强的吸收线。②狭缝宽度的选择：调节狭缝宽度就是调节光谱的通带宽度，狭缝的宽度以将分析线与邻近的谱线分开为原则。在原子吸收分光光度法中，谱线重叠的几率较小，在测定中可以使用较宽的狭缝，这样可以增加光强，降低检测器噪声。此外，光源辐射较弱或其共振线吸收较弱时，应该使用较宽的狭缝；若火焰的背景很强，在吸收线附近有干扰谱线与非吸收光存在时，应使用较窄的狭缝。合适的狭缝宽度的确定：将试液喷入后，改变狭缝宽度，测定吸光度A。狭缝过宽，将使分析线附近的干扰线也进入光谱通带，导致吸光度值下降；狭缝过窄，将使光强减弱，检测器噪声增加。应选择不致引起吸光度值下降的最大狭缝宽度作为分析时的狭缝宽度。③空心阴极灯工作电流的选择：工作电流较小，发射光谱线的宽度较窄，有利于提高测定的灵敏度；但工作电流太小，将导致放电不稳定，发射光强度下降。空心阴极灯工作电流增大，发射光强度亦增大；灯内原子蒸气的密度增加，多普勒效应将使谱线变宽，工作曲线弯曲，测定的灵敏度下降，并使空心阴极灯的寿命缩短。

对于大多数元素而言，日常分析工作选定最大允许工作电流的40%～60%较为适宜。④火焰及燃助比的选择：易生成难离解化合物的元素，应选择温度较高的火焰，易电离的元素应选用较低温度的火焰。合适燃助比的选择：配制一标准溶液喷入火焰，在固定助燃气流量的情况下，改变燃气流量，测定标准溶液的吸光度，最佳燃助比值应使吸光度达到最大。⑤测量高度的选择：测量高度是指光束与燃烧器顶部缝口的距离，在火焰的不同高度，基态原子的密度不同，因而测定的灵敏度不同。测定时，应通过上下移动燃烧器，使测量光束从基态自由原子的密度最大的火焰区通过，以获得最大的吸光度值，提高测定的灵敏度。火焰的最佳测量高度的确定：可用适量待测物质的试样溶液喷入火焰，在不同的火焰高度测量吸光度A，最大吸光度所对应的高度，即为测定最佳测量高度。一、实验原理溶液中的钙离子在火焰温度下转变为基态钙原子蒸气，当钙空心阴极灯发射出波长为422.7nm的钙特征谱线通过基态钙原子蒸气时，被基态钙原子吸收，在恒定的测试条件下，其吸光度与溶液中钙浓度成正比。

火焰原子吸收法测定钙片中钙含量二、主要仪器与试剂