第三章原子吸收光谱法

第三章原子吸收光谱法第一节原子吸收光谱分析基本原理第二节

原子吸收光谱仪第三节分析条件的选择第六节原子吸收灵敏度和检测极限2023/2/6原子吸收现象：原子蒸气对其原子共振辐射吸收的现象；1802年被人们发现；1955年以前，一直未用于分析化学，为什么？澳大利亚物理学家WalshA（瓦尔西）发表了著名论文：《原子吸收光谱法在分析化学中的应用》奠定了原子吸收光谱法的基础，之后迅速发展。特点：(1)检出限低，10-9～10-14g；(2)准确度高，1%～3%；(3)选择性高，一般情况下共存元素不干扰；(4)应用广，可测定70多个元素（各种样品中）；局限性：难熔元素、非金属元素测定困难、不能同时多元素一、概述第一节原子吸收光谱分析基本原理2023/2/6二、原子吸收光谱的产生1.原子的能级与跃迁基态第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。产生共振吸收线（简称共振线）吸收光谱激发态基态发射出一定频率的辐射。产生共振吸收线（也简称共振线）

发射光谱（1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同基态第一激发态:跃迁吸收能量不同——具有特征性。（2）各种元素的基态第一激发态最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。（3）利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析2.元素的特征谱线2023/2/6三、谱线的轮廓与谱线变宽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辐射光照射时，获得一峰形吸收(具有一定宽度)。由：It=I0e-Kvb

，

透射光强度It和吸收系数及辐射频率有关。以Kv与作图：表征吸收线轮廓(峰)的参数：中心频率O(峰值频率)：最大吸收系数对应的频率；中心波长：λ(nm)

半宽度：ΔO2023/2/6吸收峰变宽原因：（1）自然宽度照射光具有一定的宽度,自然宽度可表示为：△vN=式中是激发态原子的平均寿命，由式(5-9)可见，谱线的自然宽度△vN与激发态原子的平均寿命成反比，即愈短，谱线愈宽；愈长，谱线愈窄。（2）温度变宽（多普勒变宽）ΔVo

多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。2023/2/6（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL

由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。劳伦兹（Lorentz）变宽：待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）：同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略（4）自吸变宽光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。（5）场致变宽

外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；在一般分析条件下ΔVo为主。2023/2/6四、积分吸收和峰值吸收1.积分吸收

钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2nm。而原子吸收线半宽度：10-3nm。如图：

若用一般光源照射时，吸收光的强度变化仅为0.5%。灵敏度极差。理论上：2023/2/6讨论如果将公式左边求出，即谱线下所围面积测量出（积分吸收）。即可得到单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数N0。这是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。(△λ=10-3，若λ取600nm，单色器分辨率R=λ/△λ=6×105

)长期以来无法解决的难题！能否提供共振辐射（锐线光源），测定峰值吸收？2023/2/62.锐线光源在原子吸收分析中需要使用锐线光源，测量谱线的峰值吸收，锐线光源需要满足的条件：

（1）光源的发射线与吸收线的ν0一致。（2）发射线的Δν1/2小于吸收线的Δν1/2。提供锐线光源的方法：

空心阴极灯2023/2/63.峰值吸收采用锐线光源进行测量，则Δνe<Δνa，由图可见，在辐射线宽度范围内，Kν可近似认为不变，并近似等于峰值时的吸收系数K0将It=I0e-Kvb代入上式：则：2023/2/6在原子吸收中，谱线变宽主要受多普勒效应影响，则：上式的前提条件：（1）Δνe<Δνa

；（2）辐射线与吸收线的中心频率一致。2023/2/6五、基态原子数与原子化温度原子吸收光谱是利用待测元素的原子蒸气中基态原子与共振线吸收之间的关系来测定的。需考虑原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间的定量关系。热力学平衡时，两者符合Boltzmann分布定律：

激发态原子数Nj与基态原子数No之比较小,<1%.可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度T外，都是常数。T一定，比值一定。2023/2/6六、定量基础

峰值吸收系数：当使用锐线光源时，可用K0代替Kv，则：

A=k

N0

b

N0∝N∝c

所以：A=lg(IO/I)=K'c2023/2/6第二节原子吸收光谱仪一、仿真实验室上理论课，应用大连理工大学刘志广老师开发的CAI仿真实验，让学生熟练掌握原子吸收光谱仪的主要构件（光源、原子化器、分光系统、检测系统）、各部件的工作原理、分析条件的选择、操作规程。二、给定操作条件，练习镁离子的测定三、引进社会实践项目，让学生到焦作市环境监测站实际操作各种水样中铅离子的测定2023/2/6日常生活中微量元素的摄入非常重要；需要知道各种食品中微量元素的含量。由于含量很低，采用一般的化学分析法很难检测。紫外可见分光光度法可以测定，但操作复杂、选择性差。准确快速测定这些元素的含量需采用原子吸收光谱法。一、问题引入2023/2/6依据原子蒸气对特定谱线的吸收进行定量分析。（动画m2-1-3.swf）测定对象：金属元素。

2、原子吸收的概念2023/2/6灵敏度高，检出限低。准确度高。选择性好。操作简便，分析速度快。应用广泛。分析不同元素，必须使用不同元素灯。有些元素，如钍、铪、银、钽等的灵敏度比较低。对于复杂样品需要进行化学预处理。3、原子吸收光谱法特点2023/2/6光源（发射特征谱线）→原子化器（试样转化为原子蒸气）→分光系统（分离特征谱线）→检测系统（信号转换、放大、显示）（动画m2-2-1.swf）二、分析流程2023/2/6光源原子化系统检测系统分光系统

三、仪器结构2023/2/6作用：

提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。光源应满足如下要求；（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。空心阴极灯（1）光源2023/2/6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。2023/2/6作用：将试样中待测元素变成气态的基态原子。种类：火焰原子化器；无火焰原子化器。

m2-2-5.swf火焰原子化器雾化器原子化器预混合室无火焰（电热）原子化器（2）原子化系统2023/2/6试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，离解（还原）等过程产生大量基态原子。

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。火焰2023/2/6富燃火焰：

还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。

贫燃火焰：

火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。火焰类型：2023/2/61）低温原子化方法主要是氢化物原子化方法，原子化温度700~900゜C

；

主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等元素原理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠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。其他原子化方法2023/2/6可作价态及形态分析低酸度：测As(III)；高酸度：测As(III)、As(V)合量特点：原子化温度低；灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；

基体干扰和化学干扰小；2023/2/6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汞）；

2）冷原子化法2023/2/6作用：将待测元素的吸收线与邻近线分开。组成：入射狭缝，出射狭缝和色散元件（棱镜或光栅）。

（3）分光系统2023/2/6

1.作用将待测元素的共振线与邻近线分开。

2.组件色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等。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=DS1）单色器2023/2/6作用：将吸收信号转变为电信号读出。组成：检测系统由光电元件，放大器和显示装置等。主要部件：光电倍增管。

4、检测系统2023/2/6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106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。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2023/2/6减压阀瓶体压力调节钮压力表电源开关无油空气压缩机高压气体钢瓶绿色－氢气，黑色－氮气（空气），白色－乙炔

5、高压气体钢瓶、空气压缩机2023/2/6单道单光束原子吸收分光光度计

6、原子吸收分光光度计类型2023/2/6单道双光束原子吸收分光光度计m2-2-1.swf

6、原子吸收分光光度计类型2023/2/6请同学们根据我们前面图片讲解的内容对照仪器实物认知仪器。注意仪器组成、各部分的作用、关键部件、气体管路的连接。

7、学生认知2023/2/6原子吸收分光光度计的结构：光源:空心阴极灯；无极放电灯。分光系统：入射狭缝；出射狭缝；色散元件。原子化系统：火焰原子化；无火焰原子化。检测系统：光电元件；放大器；显示系统。四、小结2023/2/6

何谓原子吸收光谱法？原子吸收分光光度计由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

五、思考题在原子吸收分析中经常要接触乙炔，明火，浓酸等。预测一下实验中要注意哪些安全事项，增强安全防范意识，实验时一定要注意安全，遵守实验室规章制度（见实验室墙面）。2023/2/6第三节分析条件的选择一、干扰及其消除1、光谱干扰

待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全，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离的待测元素的邻近线。可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。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。用较小通带或更换灯2023/2/62、物理干扰及抑制

试样在转移、蒸发过程中物理因素变化引起的干扰效应，主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。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。2023/2/63、化学干扰及抑制

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。

例：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）。2023/2/6

2）化学干扰的抑制

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）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。（2）保护剂—与待测元素形成稳定的络合物，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。（3）饱和剂—加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。

例：用N2O—C2H2火焰测钛时，在试样和标准溶液中加入300mgL-1以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。（4）电离缓冲剂—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。

2023/2/63、背景干扰及校正方法

背景干扰主要是指原子化过程中所产生的光谱干扰，主要有分子吸收干扰和散射干扰，干扰严重时，不能进行测定。

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法产生的干扰严重

如何消除？2023/2/62）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；2023/2/6（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；2023/2/62023/2/6二、分析条件的选择1.特征参数(1)灵敏度（S）——指在一定浓度时，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(2)特征浓度——指对应与1%净吸收（IT

-IS）/IT=1/100的待测物浓度（cc），或对应与0.0044吸光度的待测元素浓度.

cc=0.0044Δc/ΔA

单位：μg(mol1%)-1

(3)特征质量

mc=0.0044Δm/ΔA

单位：g(mol1%)-12023/2/62.检出极限

在适当置信度下，能检测出的待测元素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标准偏差的3倍求得。(1)火焰法

cDL=3Sb/Sc

单位：μgml-1(2)石墨炉法

mDL=3Sb/Sm

Sb：标准偏差

Sc（Sm）：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率。2023/2/63、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．火焰依据不同试样元素选择不同火焰类型。5．观测高度调节观测高度（燃烧器高度），可使元素通过自由原子浓度最大的火焰区，灵敏度高，观测稳定性好。2023/2/64、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；2023/2/62.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；2023/2/65、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。2023/2/6职业关键能力:灵活运用所学过的知识比较原子吸收光谱法与紫外可见光谱法的异同。学习中能提出不同见解的能力；工作中能提出多种解决问题的思路、完成任务的方案和途径等方面的能力。知识目标：空心阴极灯的结构、原理、作用；火焰原子化器的组成、作用；原子吸收分析条件设置的内容；光谱带宽的概念。专门技能：掌握仪器开机、关机操作，软件使用，点火操作，试样吸光度测定；掌握空气压缩机、乙炔钢瓶的压力调节、排风系统、空心阴极灯的安装、调试。掌握仪器使用注意事项。素质目标：能够根据仪器使用说明书掌握仪器的操作方法。仪器的日常维护保养及常见故障的判断，排除。培养学生团队协作和团队竞争的能力。一、课程任务第四节原子吸收仪器基本操作

2023/2/6

二、问题引入前面我们已经了解了原子吸收光谱法的原理，认识了原子吸收分光光度计。原子吸收分光光度计由四个部分组成，各部分是如何工作的？怎样操作或使用它来完成分析工作呢？2023/2/6外观：灯脚、玻璃管、石英透光窗；阴极：待测元素金属或合金；阳极：钨棒上镶钛丝或钽片；管内充有几百帕低压惰性气体（氖或氩）

三、空心阴极灯的结构2023/2/6两极间加电压气体辉光放电气体电离阳离子撞击阴极自由原子溅射原子激发发射特征谱线

空心阴极灯的工作原理（动画m2-2-4.swf）2023/2/6通入助燃气\燃气预混合室混合后点燃试样经雾化后进入火焰产生原子蒸气

四、原子化器工作原理（动画m2