生物仪器分析第讲原子发射光谱法

生物仪器分析第讲原子发射光谱法第1页，共53页，2023年，2月20日，星期六本章讲授要点原子发射光谱的产生原子发射光谱线谱线强度及其影响因素（重点）原子发射光谱仪原子发射光谱摄谱法的定性分析（重点）原子发射光谱摄谱法的定量分析（重点）原子荧光分析法原子发射光谱法的应用第2页，共53页，2023年，2月20日，星期六一、何谓发射光谱分析法？

物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M*，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。

M*M+hv

通过测量物质的激发态原子发射光谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫发射光谱分析法。E2E0E1E3第3页，共53页，2023年，2月20日，星期六二.原子发射光谱的产生气态激发态原子、离子的核外层电子，迅速回到低能态时以光辐射的形式释放能量。原子发射光谱E2E0E1E3电能、热能、光能等激发气态原子、离子的核外层电子跃迁至高能态。hi第4页，共53页，2023年，2月20日，星期六（一）原子发射光谱线1.激发电位低能态电子被激发到高能态需要的能量。2.共振线、主共振线由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线称为共振线。由第一激发态直接跃迁至基态的谱线称为主共振线（第一共振线）第5页，共53页，2023年，2月20日，星期六3.分析线、灵敏线、最后线用来定性或定量分析的特征谱线称分析线。每种元素的原子光谱线中，凡具有一定强度、能标记某元素存在的特征谱线，称为该元素的灵敏线。当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能坚持出现的最后一条谱线，称最后线，也是最灵敏线。最后线不一定是最强的谱线。

（主共振线通常是最强的谱线）第6页，共53页，2023年，2月20日，星期六4.原子线、离子线原子线(Ⅰ)：原子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。M*M(I)离子线(Ⅱ,Ⅲ)：离子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。

M+

*M+(Ⅱ)M2+*M2+(Ⅲ)第7页，共53页，2023年，2月20日，星期六（二）谱线强度及其影响因素（重点）谱线的强度是原子发射光谱的定量定性依据。

Iqp=Aqp•N0•(gq/g0)•hυqp•e-Eq/kT——谱线强度的基本公式。Aqp

为原子由q能态向p能态跃迁的概率Iqp为谱线强度N0基态原子数Nq激发态原子数gq

、g0—激发态和基态的统计权重（粒子在某一能级下可能具有的几种不同的状态数）

Eq—激发电位

k—Boltzmann常数

T—温度K第8页，共53页，2023年，2月20日，星期六谱线强度与激发能的关系：当N0和T一定时，Eq越低，Nq越多，Apq越大，谱线强度越强；Ipq与Eq呈反比关系。每种元素的主共振线激发能最小，是原子中最易激发的谱线，因此主共振线通常是最强的谱线。谱线强度与温度的关系：每一条谱线都有一个最合适的温度，此温度下谱线强度最大。第9页，共53页，2023年，2月20日，星期六谱线强度与试样中元素含量的关系：

I＝a×c（a为与谱线性质、试验条件有关的常数）即在一定的分析条件下，谱线强度与该元素在试样中的浓度成正比。因浓度大时发生自吸，所以上式修正为：I＝a×cb或

lgI=blgc+lga原子发射光谱法定量分析的基本公式（记住！）第10页，共53页，2023年，2月20日，星期六（三）谱线的自吸和自蚀自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外围的基态或低能态的原子所吸收，从而降低了谱线的强度。（P25）自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线将被吸收很多，从而使原来的一条谱线分裂成两条谱线。基态原子对共振线的自吸最严重。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期六对于自吸和自蚀可用下图表示：第12页，共53页，2023年，2月20日，星期六三、原子发射光谱仪低压交流电弧ICP平面衍射光栅摄谱仪感光板中阶梯光栅交叉色散光学系统全谱直读CID电荷注入式检测器激发源(光源)单色器检测器数据处理与显示原子发射光谱法的分析过程第13页，共53页，2023年，2月20日，星期六（一）激发源（光源）

1.激发源(光源)的作用:2.激发源的性能要求：

灵敏度高稳定性和再现性强谱线背景低适应范围广。第14页，共53页，2023年，2月20日，星期六3.激发源的类型：A.直流电弧（DCA）B.低压交流电弧（ACA）

C.ICP(InductivelyCoupledPlasma)电感耦合等离子体D.高压火花E.微波等离子体……….第15页，共53页，2023年，2月20日，星期六ICP应用：70多种无机元素的定性、定量分析环境化学、生物化学、海洋化学、材料化学一般只能测定液体ICP－MS可进行超痕量分析HPLC与ICP－MS联用可测定一些金属的有机态（有机汞、有机锡）第16页，共53页，2023年，2月20日，星期六（二）分光系统

作用：将样品中待测元素的激发态原子或离子所发射的特征光经分光后，得到按波长顺序排列的光谱。

类型：a、棱镜分光系统（折射）b、光栅分光系统（衍射和干涉）第17页，共53页，2023年，2月20日，星期六（三）检测器摄谱检测系统1.1摄谱步骤：a.安装感光板在摄谱仪的焦面上b.激发试样，产生光谱而感光c.显影，定影，制成谱板d.特征波长，定性分析e.特征波长下的谱线强度，定量分析第18页，共53页，2023年，2月20日，星期六1.2感光板乳剂特性曲线A．曝光量(H)与曝光强度(I)的关系B.黑度(S)

C．黑度(S)与曝光量(H)的关系对比度γ：曝光量改变时，黑度改变的程度定量分析:采用γ较高的感光板---紫外型感光板。定性分析:采用Hi较小即灵敏度较高的感光板---紫外型感光板。i0iγi0

未曝光部分的透光强度

i曝光部分的透光强度第19页，共53页，2023年，2月20日，星期六2.光电检测系统光电转换器（光电倍增管）将光信号变为电信号。特点：检测速度快，准确度较高；适用于较宽的波长范围；线性范围宽；受固定的出口狭缝限制，全定性分析较难。3.阵列检测器

光电二极管阵列检测器，电荷耦合和电荷注入式检测器第20页，共53页，2023年，2月20日，星期六1、结构：火焰激发源、单色器和光电检测器2、类型：按单色器和检测器组成分：a)火焰光度计：滤光片、硒光电池及检流计b)火焰分光光度计：光栅（或棱镜）和光电管3、应用：碱金属、钙等几种谱线简单的元素测定（四）火焰光度计FP6410火焰光度计

参考价格：RMB9800第21页，共53页，2023年，2月20日，星期六四、原子发射光谱摄谱法的定性分析1.定性分析的基本原理

原子的核外电子能级不同时，跃迁产生不同波长的光谱线，通过检测特征光谱线存在与否，确证某元素可否存在。一般利用2~3根原子线、离子线的第一共振线、最灵敏线、最后线、分析线进行定性分析。第22页，共53页，2023年，2月20日，星期六2.定性分析的方法A．标准样品与试样光谱比较法用标准样品与试样在相同的条件下摄谱比较标准样品与试样所出现的特征谱线若试样光谱中出现标准样品所含元素的2~3条特征谱线（一般看最后线），就可以证实试样中含有该元素，否则不含有该元素。第23页，共53页，2023年，2月20日，星期六B.标准铁光谱图比较法以铁光谱作为波长标尺标有65种元素的480条特征谱线上标：谱线的强度级（1~10级）下标：原子线(Ⅰ)与离子线(Ⅱ→+、Ⅲ→2+、Ⅳ→3+)底标：波长十位后尾数，12.3→2712.3埃、47.3→2747.3埃第24页，共53页，2023年，2月20日，星期六标准铁光谱比较法操作：摄制试样光谱时，在感光板上摄制1~2条铁光谱在8W-光谱投影仪上将感光板上光谱放大20倍以铁光谱作为波长标尺，使感光板上的铁光谱与标准铁光谱上的铁光谱对齐且平行找出标准铁光谱上所标有各元素的特征谱线在试样光谱中是否出现若某元素的2~3条特征谱线出现，该元素就存在再根据所出现的谱线相对强度级，估计相对含量第25页，共53页，2023年，2月20日，星期六五、原子发射光谱摄谱法的半定量分析1.谱线强度（黑度）比较法将试样与已知不同含量的系列标准样品在一定条件下摄谱于同一光谱感光板上在映谱仪上用目视法直接比较被测试样与标样光谱中分析线黑度根据黑度，估计欲测元素的近似含量2.谱线强度（黑度）比较法的应用地质普查地质勘探矿物品位标样-1：0.001%标样-2：0.003%标样-3：0.01%标样-4：0.03%标样-5：0.1%未知样-1未知样-2第26页，共53页，2023年，2月20日，星期六六、原子发射光谱摄谱法的定量分析1.定量分析的基本关系式：

I=ACb求对数，得：

logI=blogC+logA式中：b=1没有自吸,b＜1,有自吸A：gi/g0e-Ei/kT(1-)k/

Aihυi与跃迁几率、统计权重、激发电位、激发温度、逸出速率常数、蒸发速率常数、电离度有关第27页，共53页，2023年，2月20日，星期六2.内标法A.内标法的原理在待测元素的谱线中选一条谱线作为分析线。选择一种元素的一条特征谱线---称为：内标线可以是人为加入特定含量的元素，也可以是试样中的基体成份-----称为：内标元素以分析线与内标线强度比进行定量分析--内标法所选用的分析线与内标线的组合称为分析线对。logR=log(I分/I内)=blogC+logK第28页，共53页，2023年，2月20日，星期六B.内标法的公式设分析线和内标线的强度分别为I分和I内，则:I分=a分C分b分

I内=a内C内b内分析线和内标线的相对强度比：R=I分/I内=a分C分b分

/a内C内b内当内标元素的含量固定时，C内为常数；无自吸时，b内=1

内标元素与分析元素的逸出速率、蒸发速率、电离度、跃迁几率、统计权重、激发电位、激发温度相近时：a分=a内因此：R=I分/I内=KC分b分

，式中：K=a分/(a内C内b内)取对数后得到:logR=log(I分/I内)=b分logC分+logK简化后得到:logR=log(I分/I内)=blogC+logK此为内标法定量分析的基本公式，请记住！第29页，共53页，2023年，2月20日，星期六分析线对应具有相同或相近的激发电位和电离电位内标元素与分析元素应具有相近的沸点，化学活性及相近的原子量内标元素的含量，应不随分析元素的含量变化而变化内标线及分析线自吸要小分析线和内标线附近的背景应尽量小分析线对的波长、强度及宽度也尽量接近C.使用内标法必须具备下列条件第30页，共53页，2023年，2月20日，星期六D.摄谱法定量分析的基本关系式I=ACbH=It

摄谱法系以光谱感光板作为检测器，故此时应考虑谱线黑度与被测定元素含量的关系.当分析线对的谱线所产生的黑度均落在乳剂特性曲线的直线部分时，对于分析线和内标线分别得到:S分

=γ分logH分–i分=γ分logI分·t分-i分

S内

=γ内logH内–i内=γ内logI内·t内-i内在同一块的同一条谱带上，曝光时间相等，即:t分=t内两条谱线的波长一般要求很接近，且其黑度都落在乳剂特性曲线的直线部分:i分=i内,

γ分=γ内=γ故将S1减S2，得到黑度差:ΔS=S分

–S内

=γ分logI分–γ内logI内=γlg(I分/I内)第31页，共53页，2023年，2月20日，星期六将内标法定量分析的基本公式logR=log(I分/I内)=blogC+logK代入前式（即左下式）得下列右式：ΔS=S分

–S内

=γ分logI分–γ内logI内

=γlg(I分/I内)ΔS=S分

–S内

=γ

logR=γ

log(I分/I内)=γ

blogC+

γlogK此即基于内标法原理的以摄谱法进行光谱定量分析的基本关系式。第32页，共53页，2023年，2月20日，星期六E、基体效应的影响试样组份影响弧焰温度，弧焰温度又直接影响待测元素的谱线强度，由于其它元素共存而影响待测元素谱线强度的作用称为第三元素的影响或基体效应，对于成分复杂的样品来说，第三元素的影响往往是很显著的同并引起较大的分析误差。为了减少试样成分对弧焰温度的影响，稳定弧焰温度，经常加入一些光谱添加剂（如缓冲剂）。第33页，共53页，2023年，2月20日，星期六3、AES定量分析方法

a.工作曲线法：三标准试样法

logI

logClogI=blogC+logAΔSlogCΔS=blogC+γlogAlogClogRlogR=log(I分/I内)=blogC+logA第34页，共53页，2023年，2月20日，星期六b.标准加入法（增量法）当测定低含量元素，无合适的基体配制标准样品时采用此法。见P35此法在火焰光度法中有应用，此外还有标准加入比较法。第35页，共53页，2023年，2月20日，星期六特征谱线△E3=hc/λ3△E2=hc/λ2λ不同△E1=hc/λ1不同原子自己独特的特征谱线第36页，共53页，2023年，2月20日，星期六分析依据定性定量某物质特征谱线存在与否应用：元素/特别是金属分析第37页，共53页，2023年，2月20日，星期六仪器光源试样原子蒸气激发态特征谱线单色器检测器第38页，共53页，2023年，2月20日，星期六第39页，共53页，2023年，2月20日，星期六原子发射光谱法特点及适用范围（1）操作简单、分析快速

（2）灵敏度高

（3）选择性好

（4）试样用量较少

（5）微量分析准确度高

（6）只能确定物质的元素组成与含量，不能给出物质分子及其结构的信息。第40页，共53页，2023年，2月20日，星期六原子发射光谱法的应用生物、食品、环境样品的分析植物灰分组成测定土壤常量和微量组分的分析元素的价态分析第41页，共53页，2023年，2月20日，星期六原子发射光谱法的应用举例潮州草药、凉茶中的微量元素分析垃圾焚烧飞灰中重金属元素血液中铁铜镁钙的快速测定山药、人参不同部位、不同产地贝母中多种微量元素原油中的微量金属元素测定CPU导热硅脂中的铅和镉饮用水中微量钼聚氯乙烯塑料中的重金属元素玩具涂层可迁移重金属含量木材及木制品中的铜铬砷MPT-AES法测定乳胶手套中的铁、镍、镁、钙、锌汽车气门合金中8种元素ICP-AES测定口香糖中的Ti桂皮和小茴香中砷、铅、镉和汞的测定第42页，共53页，2023年，2月20日，星期六六、原子荧光光谱法（AFS）原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法。该法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。所用仪器与原子吸收光谱法相近。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期六（一）原子荧光光谱法的原理1.原子荧光光谱的产生：气态自由原子吸收特征辐射后跃迁到较高能级，然后又跃迁回到基态或较低能级。同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。原子荧光为光致发光，二次发光，激发光源停止时，再发射过程立即停止。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期六2．原子荧光的类型（了解部分）：共振荧光、非共振荧光、敏化荧光。（1）共振荧光发射与原吸收线波长相同的荧光为共振荧光。（2）非共振荧光

荧光的波长与激发光不同时，称非共振荧光。（3）敏化荧光受激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再从辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期六(1)共振荧光特点是激发线与荧光线的高低能级相同。如锌原子吸收213.86nm的光，它发射荧光的波长也为213.86nm。若原子受热激发处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，