原子吸收分光光度法

1原子吸收分光光度法2第一节概述原子吸收分光光度法（atomicabsorptionspectrophotometry，AAS）又称原子吸收光谱法，是痕量金属元素分析最主要的方法之一。3

原子吸收分光光度法是根据物质的基态原子蒸气对特征辐射的吸收作用来进行元素定量的分析方法。

当光源辐射出待测元素的特征谱线，通过样品的原子蒸气时，被蒸气中的待测元素的基态原子所吸收，测量基态原子对特征谱线的吸收程度，进行定量分析。4

1802年，发现原子吸收现象；1955年，Australia物理学家A.Walsh将该现象应用于分析；70年代以来得到迅速发展和广泛应用。能测定几十种金属元素和一些类金属元素，广泛应用于物理学、环境科学、生命科学、医学等研究领域。在研究微量元素和疾病的关系方面发挥了很大作用。5AAS特点：1）灵敏度高：火焰原子化法，10-6g/ml级，有时可达10-9g/ml级；石墨炉原子化可达10-9~10-14g/ml级。2）准确度高:RE火焰原子化法RE<1%，石墨炉原子化RE<3%~5%3）干扰小，选择性极好；4）分析速度快5）试样用量少6）测定范围广，可测70种元素。6不足：

多元素同时测定有困难；对非金属及难熔元素的测定尚有困难对复杂样品分析干扰也较严重；石墨炉原子吸收分析的重现性较差。7第二节基本原理一、原子吸收光谱的产生

每种元素的原子都有特定数目的电子围绕原子核运动，每种原子有多种不同能量的运动状态，不同的运动状态对应不同的能级，其中最稳定的状态称为基态。当原子吸收一定频率的辐射时，将从基态跃迁到激发态。8

原子对光的选择性吸收而产生的光谱称为原子吸收光谱（absorptionspectrum）。激发态不稳定，可发射出相同频率的辐射回到基态，由此而产生的光谱称为原子发射光谱（emissionspectrum）。9原子光谱的特点：2.E=1～20eV，UV-Vis3.线状光谱

吸收光谱只产生在基态到第一激发态或有限激发态的跃迁，谱线简单。(P79图15-1)4.不同元素原子结构不同，E不同，原子吸收光谱不同，各元素原子吸收光谱之间的干扰少。1.E=hv光吸收的量子化特征10

原子有多种激发态，从基态到第一激发态产生的吸收谱线称为共振吸收线，简称共振线。----原子吸收分光光度法。当电子从第一激发态返回基态时，则发射相同频率的光，产生的发射谱线称为共振发射线，也简称共振线（resonanceline）。----原子荧光法11

由于原子结构不同，不同元素的原子从基态被激发到激发态所需能量不同，因此各种元素的共振线不同，是元素的特征谱线。12

从基态到第一激发态的跃迁最容易发生，谱线强度最强，是该元素所有谱线中最灵敏的，对大多数元素来说，共振线就是元素的灵敏线。13

原子吸收光谱法就是利用待测原子的气态基态原子对共振线的吸收来定量的，因此，共振线又称为分析线。14二、谱线轮廓与谱线宽度

理论上讲原子光谱应是线状光谱，但实际上无论是原子发射线还是原子吸收线都不是理想的几何线，而是具有一定的宽度，称为谱线轮廓。15I0I0K0000(a)(c)（a）发射线轮廓（b）吸收线轮廓（c）吸收系数轮廓(b)原子光谱的谱线轮廓呈峰形，即谱线强度随频率或波长不同而改变，如图

16

谱线轮廓常以中心频率0

（或中心波长0）和半宽度来表征。中心频率0

是指最大发射或吸收线强度I0所对应的频率，半宽度则为最大发射或吸收线强度一半1/2I0处谱线轮廓上两点之间的频率差。K0称为峰值吸收系数，即对应于中心频率0的（最大）吸收系数。17三、原子吸收值---积分吸收与峰值吸收1.积分吸收

在原子吸收光谱中，原子所产生的吸收值应包括原子蒸气所吸收的全部能量，即吸收线所包括的全部面积，称为积分吸收（integratedabsorption），即式中，e为电子电荷；m为电子质量；f为振子强度，N0为受到激发的每个原子的平均电子数(待测元素的基态原子数)，与吸收几率成正比。18

此式说明，在一定条件下，“积分吸收”与基态原子数成正比。只要测得积分吸收值，即可求出基态原子数或浓度。因此AAS法是一种不需要标准比较的绝对分析方法！

19但是，积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半宽度很小，只有0.01～0.05nm。要分辨如此宽度的谱线，现代仪器（单色器）是不可能达到的！20

所以，尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现，但一直未用于分析。直到1955年，Walsh提出以“峰值吸收”来代替“积分吸收”。积分吸收难于测量的困难得以间接地解决。

212.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”。223.锐线光源

根据Walsh的两点假设，发射线必须是“锐线”（半宽度很小的谱线），

0

与吸收线相同。峰值吸收的测量I吸收线发射线

023通常K0与谱线的宽度有关，即上式表明，当用锐线光源作原子吸收测定时，可以“峰值吸收”代替“积分吸收”，所得峰值吸收与原子蒸气中待测元素的基态原子数成正比。244.基态原子数与总原子数的关系

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，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从Boltzmann分配定律：25

可见，Nj/N0

的大小主要与“波长”及“温度”有关。a）当温度保持不变时：激发能（h）小或波长大，Nj/N0则大，即吸收波长长的原子处于激发态的数目多。b）温度增加，则Nj/N0大，即处于激发态的原子数增加；且Nj/N0随温度T增加而呈指数增加。实际工作中，T通常小于3000K、波长小于600nm，故对大多数元素来说Nj/N0均小于1％，Nj与N0相比可忽略不计，处于激发态的原子数远远小于处于基态的原子数！N0可认为就是原子总数。26当一束频率为，强度为I0

的光通过厚度为l的原子蒸汽时，其中一部分光被吸收，使该入射光的光强降低为It

，原子蒸汽lhI0

It

5.峰值吸收与原子浓度的关系27根据光吸收定律得

由于N∝c，l在一定的仪器中是确定的，所以在一定的实验条件下，通过测定基态原子的吸光度，即可求出样品中待测元素的含量----AAS法的定量基础。28第三节原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计类型很多，其基本结构相同，主要由光源、原子化系统（类似于吸收池）、分光系统、检测系统和显示系统五部分组成。29一、光源AAS的光源的作用是发射待测元素特征谱线。为了实现峰值吸收的测量，要求：a）锐线；b）强度大，背景小；c）操作方便，寿命长。

1.空心阴极灯(HollowCathodeLamp,HCL)2.无极放电灯（Electrodelessdischargelamps）30二.原子化系统

原子化系统是原子吸收分光光度计的核心部分。其作用是将试样中的待测元素转变为基态原子蒸气，使其对光源发出的特征辐射产生吸收，相当于UV—Vis的吸收池。

原子化效率的高低直接影响元素测定的灵敏度。其稳定性和重现性，又影响测定的精密度和准确度。原子化法有火焰原子化法、无火焰（石墨炉）原子化法和化学原子化法。31（一）火焰原子化法flameatomization

它是利用火焰的温度及火焰的氧化还原气氛，将试样中待测元素原子化的方法。具有稳定性高、使用方便等优点，是常用的原子化方法之一。火焰原子化器由三部分组成：

a）雾化器

b）雾化室

c）燃烧器32a）雾化器：将试样溶液雾化。要求稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液）。b）雾化室：使大雾滴沉降、凝聚并从废液口排出；使小雾滴与各种气体充分混匀形成气溶胶，然后进入燃烧器，所以又称预混合室；起缓冲作用，使混合气更均匀、气压更稳定、以便产生稳定的火焰。为了防止腐蚀和减小记忆效应，内壁有塑料涂层。c）燃烧器：产生火焰并使试样干燥、熔化、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。33火焰温度：不同类型火焰其温度不同，如下表所示。34

由于各种元素的性质不同，原子化的难易程度也不同。在实际测定中，需要根据元素的特性选择不同类型的火焰，通过实验调整燃助比及流量，调节火焰的温度及氧化还原气氛，以达到最佳的原子化效果。

同时，还要调节燃烧器的位置及高度，让光源的光束准确地通过原子化区，以获得最大的吸光度，从而提高测定的灵敏度。35

改变燃气与助燃气的物质的量比（燃助比），对火焰的形状和性质也会产生影响。最适宜的比例一般通过实验来确定。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：1）化学计量型：指燃助比近似于二者反应的计量关系，又称中性火焰。温度高、稳定、干扰小、背景低，适于大多数元素分析；2）富燃火焰：燃气比例较大的火焰（燃助比大于化学计量比）。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。3）贫燃火焰：助燃气大于化学计量的火焰。温度最低，具氧化性，适于易解离和易电离的元素，如碱金属。36

火焰原子化法的局限：1.灵敏度不高:火焰原子化器的雾化效率低，原子化效率也低，基态原子蒸气在火焰吸收区停留时间短，同时，原子蒸气在火焰中被大量气体稀释，使得其灵敏度不高。2.测定时，试液消耗量在0.5ml以上，使浓度低、试样量少的试样分析受到限制。37（二）石墨炉原子化法

也称无火焰原子化法，是利用电热的方法使试样原子化。它克服了火焰原子化法温度较低、试样消耗大、原子化效率低的缺点，把测定的灵敏度提高几个数量级，所需试样量少，原子化效率高，是痕量元素分析的较好方法。取样量少，测定重见性依赖于样品均匀性，较差。38石墨炉原子化器包括电源、保护系统和石墨管三部分。39原子化的程序升温四个步骤：干燥：100℃，蒸发掉样品中的溶剂灰化：350~1200℃，减少来自于样品中低沸点无机/有机物的基体干扰原子化：2000~3000℃，同时测定峰值吸收净化：100~200℃，除去残留物，消除记忆效应。40P88表5-5

火焰原子化法和石墨炉原子化法的比较（自学）41(三）化学还原原子化法---氢化物发生法、冷原子化法对于一些元素如As、Sb、Si、Se、Ge、Sn、Pb等，用常规火焰/无火焰法分析时，背景吸收严重，信噪比低。而这些元素的氢化物是挥发性的，且容易解离，因此常以氢化物原子化法测定这些元素。具体方法是：在盐酸溶液中与NaBH4发生还原反应，生成挥发性的氢化物。反应式如下：42

用氮气将氢化物带到加热的石英管中，氢化物在不太高的温度下（约300～900℃）就可分解出待测元素的原子蒸气，然后进行吸光度测定。

该方法的灵敏度高，可检测到10-9g数量级的含量。由于生成挥发性的氢化物使待测元素与基体分离，所以选择性好，基体干扰和化学干扰较少。

P89图5-11冷原子化法P90图5-1243三、分光系统

同样，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。

必须注意：在原子吸收光度计中，单色器通常位于原子化器之后，这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳。由于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1~3nm/mm)。44四、检测器

使用光倍增管并可直接得到测定的吸收度信号。45第四节定量分析方法1.标准曲线法

标液配制注意事项：合适的浓度范围；扣除空白；标样和试样的测定条件相同；每次测定重配标准系列。462.直接比较法简化了的标准曲线法，也称单标校正法。前提：标准曲线过原点；标准曲线线性好；要求：样品溶液浓度和标准溶液浓度相近，以减小测量误差473.标准加入法（外推法）：主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应）。注意事项：须线性良好；至少四个点（在线性范围内可用两点直接计算—单点加入法）；只能消除基体效应，不能消除分子和背景吸收；斜率小时误差大。标液浓度大，加标体积小。P100图5-19（自学+讨论）48第五节干扰及其消除一、基体干扰（matrixinterference）

来源：又称物理干扰，由于溶液的粘度、表面张力等物理因素，影响溶液的输送速度、雾化效率及原子化效率。消除：可通过配制与试样溶液具有相似物理性质的标准溶液，消除干扰。也可通过适当稀释溶液，减少干扰。在基体性质不清楚或比较复杂时，使用标准加入法能较好地消除基体干扰。49

二、化学干扰（chemicalinterference）来源：待测元素与共存的其他物质发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰，主要影响原子化效率，通常使测定结果偏低。如用空气/乙炔火焰测定Ca时，溶液中若存在磷酸根会生成难于原子化的磷酸钙，使结果偏低。消除：1.加入释放剂：与干扰组分形成更稳定或更难挥发的化合物，使待测元素释放出来。502.加入保护剂（配位剂）:与被测元素形成稳定又易于分解和原子化的化合物，阻止被测元素和干扰元素结合。对Ca2+的干扰—加入EDTA—CaY(稳定但易破坏)。含氧酸中Mg和Al形成MgAl2O—使A急剧下降—加8-羟基喹啉作保护剂。51三、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）产生大量电子，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++eCa52四、光谱干扰1.谱线重叠干扰：由于光源发射锐线，谱线重叠干扰的较少。但是有些元素的光谱线很近。消除：另选分析线。如V线（3082.11Å）对Al线（3082.15Å）的干扰；2.多谱线的元素产生的谱线之间的干扰。如Mn的灵敏线279.5nm旁还有279.8nm和280.1nm两条灵敏度低的吸收线，当光谱通带为0.7nm时，它们都进入通带内，而且每条吸收线的具有不同的吸收系数，使测定灵敏度下降，线性变坏。533.非吸收线干扰：光谱通带内存在光源发射的非吸收线，分析用的谱线与原子吸收无关的相邻非吸收线不能完全分开。消除：减小狭缝和灯电流或另选分析线54五.背景吸收背景吸收也可看作光谱干扰。它是一种非原子吸收信号，包括分子吸收及固体微粒对光的散射所引起的干扰。

分子吸收是指在原子化过程中生成的气体、氧化物、盐类及氢氧化物等分子对分析线的吸收引起的干扰。

粒子散射是指在原子化过程中形成的固体微粒对光产生散射，被散射光偏离光路，不被检测器所检测。波长愈短，影响愈大。消除：以上两种干扰方式都产生正误差（A增加）。因干扰主要来自燃烧气，因此可通过空白进行校正。55非火焰背景干扰非火焰的电热原子化（石墨炉）中产生的背景干扰，通常要比火焰原子化的干扰严重。最近，采用石墨炉平台技术（Platformtechnology）、高新石墨材料、快速测光计和Zeeman背景校正等方法可将石墨炉背景干扰降低到和火焰背景干扰相同的水平。56第六节实验技术和应用示例一、测量条件的选择1.分析线的选择

通常选共振线（最灵敏线）作为分析线。但当元素的共振线受到其它谱线干扰，或位于远紫外区时，则不宜选用共振线作分析线。如Hg185nm比Hg254nm灵敏50倍，但前者处于远紫外区；共振线Ni232nm附近231.98和232.12nm的原子线和231.6nm的离子线干扰测定，可选取341.48nm作分析线。此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释，可选取次灵敏线！572.狭缝宽度选择狭缝宽度影响光谱通带和通过光的强度。狭缝宽度的选择应以能去除分析线邻近的干扰线为前提。由于吸收光谱比较简单，谱线重叠的几率很少，在原子吸收测定时允许使用较宽的狭缝。这样可以增加光强，提高信躁比，改善检出限。当吸收线附近有干扰谱线与非吸收光谱存在时，使用较宽的狭缝反而会导致灵敏度降低。合适的宽度可通过实验确定。不引起吸光度减小的最大狭缝宽度，就是应该选择的最佳狭缝宽度。583.灯电流选择灯电流过小，光强低且不稳定；灯电流过大，发射线变宽，灵敏度下降，且影响光源寿命。选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的1/2~2/3），最佳灯电流通过实验确定。594.原子化条件火焰原子化:

火焰类型（温度-背景-氧还环境）；燃助比（温度-氧还环境)；燃烧器高度（火焰部位-温度）和雾化器调节。调节燃烧器高度可控制光束通过火焰的区域。调节雾化器可以改变和控制进样速