第五章 原子吸收光谱法 3

第五章原子吸收与原子荧光光谱法

AtomicAbsorptionSpectrometry

AtomicFluorescenceSpectrometry

(AAS和AFS)概述原子吸收光谱法是一种基于待测基态原子蒸气对特征辐射的吸收而建立的分析方法。一、历史这一方法的发展经历了3个发展阶段：1.原子吸收现象的发现1802年Wollaston发现太阳光谱的暗线；1859年Kirchhoff和Bunson解释了暗线产生的原因(研究碱金属和碱土金属的火焰光谱会被温度较低的钠蒸气吸收)太阳光暗线暗线是由于大气层中存在的元素的原子对太阳光选择性吸收的结果：ECE=h=h基态第一激发态热能基于原子吸收原理进行仪器设计的思路光源火焰棱镜检测装置2、空心阴极灯的发明-+Ar1955年Walsh发表了一篇论文“Applicationofatomicabsorptionspectrometrytoanalyticalchemistry”解决了原子吸收光谱的光源问题，50年代末PE和Varian公司推出了原子吸收商品仪器。3、电热原子化技术的提出1959年里沃夫提出电热原子化技术，大大提高了原子吸收的灵敏度二、原子吸收光谱法的特点1、灵敏度高（火焰法：1ng/ml，石墨炉100-0.01pg)；2、准确度好（火焰法：RSD<1%，石墨炉3-5%）3、选择性高（可测元素达70个，相互干扰很小）缺点：不能多元素同时分析第一节原子吸收光谱法的原理一、原子吸收光谱的产生当辐射光通过基态原子蒸气时，若入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到激发态的能量，就可能被基态原子所吸收。如果吸收的辐射能使基态原子跃迁到能量最低的激发态时，产生的吸收谱线称为吸收共振线，简称共振线。h共振吸收问题原子吸收分析的前提是样品在高温下原子化，可是发射光谱一章中讲到：在高温下原子也会激发，那么在什么条件下才能保证原子化的同时，又保证原子处于基态？？

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，当在一定条件下达到热平衡后，处在激发态和基态的原子数的比值遵循Boltzman分布：NiN0=gig0Exp(-)EiKTNi,,N0激发态和基态原子数gi，g0激发态和基态统计权重KBoltzman常数T热力学温度Ei激发能二、基态的原子数与原子化温度的关系Ni/N0的大小主要与“波长”及“温度”有关！TNi/N0T一定，EiNi/N0

T3000kNi/No<10-2

可以忽略因此，原子吸收测量通常在3000K以下进行。三、原子吸收线的轮廓与变宽(一)吸收定律当强度为I0的单色入射光通过吸收强度为l的基态原子蒸气时，入射光强度因基态原子吸收而减弱，被透过光的强度Iv服从光的吸收定律：

It=I0e-Kνl原子结构较分子结构简单，理论上应产生线状光谱吸收线。实际上用特征吸收频率左右范围的辐射光照射时，获得一峰形吸收（具有一定宽度）。由：It=I0e-Kvl

，

透射光强度It和吸收系数Kν及辐射频率ν有关。以Kv与作图：（二）吸收谱线的轮廓

原子吸收线指强度随频率变化的曲线，从理论上讲原子吸收线应是一条无限窄的线，但实际上它有一定宽度。IoIo1、自然宽度由于激发寿命原因，原子吸收线有一定自然宽度，激发态原子的平均寿命越短，能级宽度越宽，谱线的自然宽度越大，约为10-6-10-5nm。(三)谱线宽度及变宽2.Doppler变宽：它与相对于观察者的原子的无规则热运动有关。又称热变宽。

光子观测光子观测（0+D）（0-D）可见，Doppler变宽

与谱线波长、相对原子质量和温度有关，

多在10-4-10-3

nm数量级3、碰撞变宽

碰撞变宽指压力增大后，原子之间相互碰撞引起的变宽。分为：

Lorentz变宽：指被测元素原子和其它粒子碰撞引起的变宽（<10-3nm)；

Holtzmark变宽：指同种原子碰撞引起的变宽。但由于AAS分析时，待测物浓度很低，该变宽可忽略。综合上述因素，实际原子吸收线的宽度约为10-3nm数量级四、原子吸收光谱的测量1、积分吸收测量法(测量气态基态原子吸收共振线的总能量)

吸光原子数No越多，吸光曲线面积越大（峰越高），因此，理论上积分吸收与No呈正比：KOKoK1K2K3K4K5K66543210Kd=Nofe2mce-电子电荷m-电子质量c-光速No-基态原子数f-振子强度(每个原子中能被激发的平均电子数)由于：No=C,因此：Kdc若能获得积分吸收，即可测得原子浓度。Kd=Cfe2mc（经典色散理论）1234567891010-3nm(~10-3nm)需要一个分光系统，谱带宽度为0.0001nm,且连续可调K关键性难题通常光栅可分开0.1nm，要分开0.01nm的两束光需要很昂贵的光栅；要分开两束波长相差0.0001nm的光，目前技术上仍难以实现；此外，即使光栅满足了要求，分出的光也太弱，难以用于实际测量。0.0001nm2.峰值吸收测量法(测量吸收线的峰值吸收)1955年，Walsh指出，在温度不太高时，当发射线和吸收线满足以下两个条件，即:当e

a时，发射线很窄，发射线的轮廓可认为是一个矩形，则在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等，即K＝K0，因此可以“峰值吸收”代替“积分吸收”:通常K0与谱线的宽度有关，即即中心吸收与待测物浓度呈正比，因此只要用一个固定波长的光源，在o处测量峰值吸收，即可定量。第二节原子吸收光谱仪器空心阴极灯火焰棱镜光电管原子吸收光谱分析的仪器包括四大部分

锐线光源原子化系统

分光系统检测系统电源同步调制系统2、空心阴极灯：一、锐线光源1、作用：发射谱线宽度很窄的元素共振辐射对光源的基本要求是：

锐线（发射线半宽〈吸收线半宽）高强度稳定（30分钟漂移不超过1%）背景低（低于特征共振辐射强度的1%）3、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，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。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。太小：信号弱；太大：产生自吸优缺点：（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。二、原子化系统原子化系统的功能是使试样蒸发并使待测定元素转化为原子蒸气。两种类型火焰原子化法非火焰原子化法低温原子化法1、火焰原子化系统由火焰提供能量，在火焰原子化器中实现被测元素原子化。(雾化器、雾化室、供气系统和燃烧器)对火焰的的基本要求是：温度高稳定背景发射噪声低燃烧安全直接燃烧型：助燃气燃气样品雾化效率低背景影响大预混合型原子化器燃气助燃气试样预混合室燃烧器废液排放口雾化器雾化器混合室燃烧器a、雾化器（喷雾器）喷雾器是火焰原子化器中的重要部件。它的作用是将试液变成细雾。雾粒越细、越多，在火焰中生成的基态自由原子就越多。目前，应用最广的是气动同心型喷雾器。喷雾器喷出的雾滴碰到玻璃球上，可产生进一步细化作用。生成的雾滴粒度和试液的吸入率，影响测定的精密度和化学干扰的大小。目前，喷雾器多采用不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃等制成。b、雾化室雾化室的作用主要是除大雾滴，并使燃气和助燃气充分混合，以便在燃烧时得到稳定的火焰。其中的扰流器可使雾滴变细，同时可以阻挡大的雾滴进入火焰。一般的喷雾装置的雾化效率为5~15%。c、燃烧器

产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。有单缝和三缝两种形式，其高度和角度可调（让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收）。燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定（光程、回火、堵塞、耗气量）。d、火焰

（1）火焰的种类和性质

火焰分焰心（发射强的分子带和自由基，很少用于分析）、内焰（基态原子最多，为分析区）和外焰（火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境）。

燃烧过程两个关键因素：

燃烧温度

火焰氧化-还原性燃烧温度由火焰种类决定：燃气 助燃气 温度（K）乙炔 空气 2500 笑气 3000氢气 空气 2300火焰的氧化-还原性火焰的氧化-还原性与火焰组成有关化学计量火焰 贫燃火焰 富燃火焰燃气=助燃气 燃气<助燃气 燃气>助燃气中性火焰 氧化性火焰 还原性火焰温度中 温度低 温度高适于多种元素 适于易电离元素 适于难解离氧化物火焰原子化优点：重现性好易于操作缺点：检测灵敏度低火焰温度不易控制火焰中金属原子易被氧化为难溶物原子化效率低

自由原子浓度低

（2）火焰原子化过程

复杂的物理化学过程，试液经过物化、在火焰中脱溶干燥、汽化、解离，称为基态气态原子。

MX(l)--MX(s)--MX(g)--M0(g)+X0(g)试液在火焰原子化过程中，往往伴随着一系列可逆的化学反应。（二）非火焰原子化法

非火焰法从提高原子化效率入手，利用电热、阴极溅射、高频感应或激光的方法使待测元素原子化，试样利用率，提高10～200倍非火焰原子化器常用的是石墨炉原子化器。6mm4mm30mm石墨炉组成：电源、保护系统和石墨管三部分。（1）结构如图所示：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。（2）原子化过程原子化过程分为干燥、灰化、原子化、除残四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。石墨炉原子化采用程序升温过程程序 干燥 灰化 原子化 除残温度 稍高于沸点 800度左右 2500度左右 高于原子化温 度200度左右目的 除去溶剂 除去易挥发 测量 清除残留物 基体有机物Tt干燥灰化原子化清除（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。(三)低温原子化法

低温原子化法又称化学原子化法，其原子化温度为室温至几百摄氏度，常用有汞低温原子化法和氢化物原子化法。1.汞低温原子化法利用汞在室温下有较大的蒸气压的性质，将汞原子蒸气带入气体测量管中进行吸光度测量。2.氢化物原子化法在一定酸度下，将难原子化元素As、Sb、Bi、Ge、Sn用KBH4或NaBH4还原成极易挥发的氢化物如AsH3、SbH3、BiH3等。生成的氢化物电离能较低，容易原子化。三、分光系统(外光路和单色器)狭缝光栅反射镜检测元件1.作用——将待测元素的共振线与邻近线分开2.部件——狭缝、反射镜、色散元件锐线光源的谱线简单，故对单色器的色散率要求不高(线色散率为10~30Å/mm)3.单色器性能参数（1）线色散率（D）：两条谱线间的距离与波长差的比值ΔX/Δλ。实际工作中常用其倒数Δλ/ΔX（2）分辨率：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）一定时，可通过选择狭缝宽度（S）来确定：W=DS四、检测系统作用——检测光信号的强度部件——光电倍增管，检波放大器，读出装置要求——足够的光谱灵敏度

光电倍增管的工作电源应有较高的稳定性。如工作电压过高、照射的光过强或光照时间过长，都会引起疲劳效应。五、原子吸收分光光度计的类型

按光束分类，有单光束和双光束分光光度计；按波道数分类，有单道、双道和多道分光光度计。1.单道单光束原子吸收分光光度计只有一个单色器，外光路只有一束光。

2.单道双光束原子吸收分光光度计只有一个单色器，外光路有两条光。第四节原子吸收光谱的干扰与抑制物理干扰化学干扰电离干扰光谱干扰一、物理干扰 指试样在蒸发和原子化过程中，由于其物理特性如黏度、表面张力、密度等变化引起的原子吸收强度下降的效应。消除物理干扰的方法：

1、配置相似组成的标准样品；采用标准加入法。2、避免使用粘度大的硫酸、磷酸来处理样品，稀释。C0 C1 C2 C3 C4 C5AC0C1C2 C3 C4 C5Cx二、化学干扰 液相或气相中被测原子与干扰物质间相成热力学稳定的化合物，影响原子化过程。包括：分子蒸发待测元素形成易挥发卤化物和某些氧化物，在灰化温度下蒸发损失；形成难离解的化合物（氧化物、炭化物、磷化物等）氧化物较难原子化的元素：B、Ti、Zr、V、Mo、Ru、Ir、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、U很难原子化的元素：Os、Re、Nd、Ta、Hf、W炭化物Be、B、Al、Ti、Zr、V、W、Si、U稀土等形成难挥发炭化物磷化物Ca3PO4等消除化学干扰的方法： 高温原子化Ca3PO4 加入释放剂La、Sr释放Ca3PO4

加入保护剂8-羟基喹啉 加入基体改进剂

NaCl中加入痕量镉，加入基体改进剂NH4NO3，

NaCl+NH4NO3=NaNO3+NH4Cl，基体在灰化阶段完全除去。化学分离法三、电离干扰来源：高温导致原子电离，从而使基态原子数减少，吸光度下降。消除：加入消电离剂（主要为碱金属元素化合物），产生大电子，从而抑制待测原子的电离。如大量KCl的加入可抑制Ca的电离，

KK++eCa++eCa四、光谱干扰 吸收线重叠 光谱通带内存在非吸收线 原子化器内直流发射干扰 背景吸收（分子吸收、光散射）

当采用锐线光源和交流调制技术时，前三种因素一般不予考虑，主要考虑分子吸收和光散射的影响，它们是形成光谱背景的主要因素。 光散射--是由于原子化过程中产生的固体颗粒对光的散射造成的； 分子吸收--是由于原子化过程中生成的氧化物及盐类对辐射的吸收造成的。背景干扰校正方法(1)氘灯连续光谱背景校正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)；共振线通过时，测定总吸收；差值为有效吸收；（2）塞曼(Zeeman)效应背景校正法Zeeman效应：在磁场作用下简并的谱线发生裂分的现象；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；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；第四节原子吸收光谱定量分析一、定量分析方法1.标准曲线法

配制一系列不同浓度的标准试样，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；2.标准加入法

取若干份体积相同的试液（cX），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（cO），定容后浓度依次为：

cX，cX+cO，cX+2cO，cX+3cO

，cX+4cO……分别测得吸光度为：AX，A1，A2，A3，A4……。

以A对浓度c做图得一直线，图中cX点即待测溶液浓度。该法可消除基体干扰；不能消除背景干扰二、灵敏度和检出限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=0.00434)信号所对应的质量浓度。ii）特征质量(对GFAAS)：(产生1%吸收或产生0.0044吸光度时所对应的被测定元素的质量)2.检测限(Detectionlimit,DL)

检出限D表示被测定元素能产生的信号为空白值的标准偏差3倍时元素的质量浓度或质量。

A=Kc3σ=KD

ρs为试液的质量浓度，V为进样体积，σ为至少十次连续测量空白值的标准偏差。

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。三、测定条件的选择1．分析线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2．通带（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。3．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。4．原子化条件的选择依据不同试样元素选择不同火焰类型。四、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。原子吸收光谱分析法小结：仪器设计限制：实现多元素同时测定消除或减小背景干扰实现连续分析原理限制：原子吸收的灵敏度从理论上不高：A=logI0/I 当I0=100；I=99（1%吸收）A=0.0044（特征浓度或特征量）发展了原子荧光法三、特点1）灵敏度高，检出限较低。采用高强度光源可进一步降低检出限；2）谱线干扰少；可以做成非色散AFS；3）校正曲线范围宽(3-5个数量级)；4）易制成多道仪器---多元素同时测定；5）荧光猝灭效应、复杂基体效应等可使测定灵敏度降低；6）散射光干扰；7）可测量的元素不多，应用不广泛（主要因为AES和AAS的广泛应用，与它们相比，AFS没有明显的优势）第五节原子荧光光谱(AtomicFluorescenceSpectrometry，AFS)一、原理激发态原子如果以辐射方式去活化，由激发态回到基态，就伴随着共振原子荧光的产生，如果经中间能级而回到基态，则产生其它类型的原子荧光。原子荧光可分为共振荧光、非共振荧光与敏化荧光等三种类型。共振荧光非共振荧光光子光子直跃线荧光阶跃线荧光反stocks荧光非共振荧光包括三种类型：敏化荧光：原子碰撞-能量传递-发射荧光（三）荧光强度

共振荧光，荧光强度If正比于基态原子对某一频率激发光的吸收强度Ia。

If=Ia式中为荧光量子效率，它表示发射荧光光量子数与吸收激发光量子数之比。

若激发光源是稳定的，入射光是平行而均匀的光束，自吸可忽略不计，则基态原子对光吸收强度Ia用吸收定律表示

Ia=AI0(1-e-lN)

式中I0为原子