单元一原子吸收光谱法基本原理与定量分析方法

单元名称5-1-3-1原子吸收光谱法基本原理与定量分析的方法授课班级授课时间2教学重点、难点解决方案重点：原子吸收光谱分析原理，光吸收定律，工作曲线法原理难点：影响原子吸收谱线轮廓的主要因素，工作曲线法定量，标准加入法。解决方案：问题引入，教师讲解，学生讨论，教师指导，总结提高，拓展引申教学目标知识目标：原子吸收光谱法的基本原理，工作曲线法，标准加入法定量原理。技能目标：原子吸收法特点；分析流程。工作曲线法测定，标准加入法课后体会第1页/共52页天文学研究中经常需要测定各种恒星、行星的组成、结构，然而，这些星球距离我们非常遥远并且恒星表面具有极高的温度使我们无法接近，不可能直接取样进行测定，天文学家是如何知道天体组成的呢？

问题引入第2页/共52页早在1802年，伍朗斯顿（W.H.Wollaston）在研究太阳连续光谱时，就发现了太阳连续光谱中出现的暗线。

太阳光谱的暗线第3页/共52页1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）与本生（R.Bunson）在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时，会引起钠光的吸收，并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实，断定太阳连续光谱中的暗线，正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。

原子吸收的发现第4页/共52页1955年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文“原子吸收光谱在化学分析中的应用”奠定了原子吸收光谱法的基础。之后经过几代人的不懈努力，衍生出了石墨炉原子化技术、塞曼效应背景校正等先进技术，特别是近年来微电子技术的发展使原子吸收技术的应用不断进步，尤其在临床检验、环境保护、生物化学等方面应用广泛。在分析化学中的应用利用前面的介绍，请讨论原子吸收现象如何应用到分析化学领域。第5页/共52页依据原子蒸气对特征谱线的吸收进行定量分析。测定对象：金属元素及少数非金属元素。

原子吸收法概述

第6页/共52页特点(1)灵敏(2)准确,精密(3)选择性好(4)简便(5)设备费用相对低,易普及(6)应用广第7页/共52页缺点:(1)一次测定一个元素(2)样品成分复杂时干扰严重(3)对某些高温元素,如稀土元素,钨,硼,铀等灵敏度较低第8页/共52页当有辐射通过自由原子（如镁、铜原子）蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。（如镁原子吸收285.2nm279.6nm，铜原子吸收324.8nm327.4nm的光）

基态激发态共振吸收共振发射基本原理第9页/共52页共振吸收线:当电子吸收一定能量从基态跃迁到能量最低的激发态时所产生的吸收谱线，称为共振吸收线，简称共振线。共振发射线：当电子从第一激发态跃回基态时，则发射出同样频率的光辐射，其对应的谱线称为共振发射线，也简称共振线。分析线：用于原子吸收分析的特征波长的辐射称为分析线，由于共振线的分析灵敏度高，光强大常作分析线使用。几个基本概念第10页/共52页原子吸收谱线并不是严格几何意义上的线，而是具有着一定波长范围的谱线，其形状见下图，谱线的形状称为谱线轮廓。

吸收线轮廓υ0：中心频率；K0:峰值吸收系数；△υ:吸收曲线半宽度，约为10-3～10-2nm

原子吸收谱线轮廓第11页/共52页自然变宽⊿υ：谱线本身固有的宽度称为自然宽度，与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命越长，则谱线宽度越窄，一般约10-5nm。多普勒变宽⊿υD：多普勒变宽是由于原子在空间作无规则热运动而引起的,所以又称热变宽。

式中υ0为中心频率；T为热力学温度；Ar为相对原子质量。多普勒宽度与元素的原子量、温度和谱线频率有关。随温度升高和原子量减小，多普勒宽度增加。多普勒变宽可达10-3nm。谱线变宽1第12页/共52页压力变宽：压力变宽是由被测元素的原子与蒸气中原子或分子相互碰撞而引起谱线的变宽，又称为碰撞变宽，压力变宽约10-3nm。劳伦兹变宽：被测元素的原子与其他粒子碰撞而引起的谱线变宽。随原子区内原子蒸气压力增大和温度升高而增大,中心频率发生位移,谱线轮廓不对称。赫鲁兹马克变宽：又称共振变宽，它是由同种原子之间发生碰撞而引起的谱线变宽。

谱线变宽2第13页/共52页积分吸收：在一定条件下，基态原子数N0正比于吸收曲线下面所包围的整个面积：式中e为电子电荷，m为电子质量，c为光速，N0为单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数，亦即基态原子密度；f为振子强度。积分吸收第14页/共52页峰值吸收：基态原子蒸气对入射光中心频率线的吸收。峰值吸收的大小以峰值吸收系数K0表示。由于在目前的技术条件下无法测量积分吸收，可以用峰值吸收代替积分吸收。在一定条件下峰值吸光度与基态原子浓度N0成正比，A∝N0，而N0∝试样中待测元素的浓度C，因此：

A=KC

A：原子吸收吸光度；C：试液中元素的浓度；这是原子吸收光谱分析的基本关系式。由于在原子吸收测量温度下基态原子数近似等于原子总数，原子吸收光谱法灵敏度高。峰值吸收第15页/共52页实现峰值吸收测量的条件：光源发射线的半宽度应小于吸收线的半宽度，且通过原子蒸气的发射线的中心频率恰好与吸收线的中心频率ν0相重合。因此在选择光源时不能采用钨灯、氘灯等连续光源，而应采用空心阴极灯，无极放电灯等线光源。

0I

吸收线发射线峰值吸收测量条件第16页/共52页

与UV－Vis的比较

相同点均属于吸收光谱分析；均服从光吸收定律。不同点原子吸收光谱分析的吸收物质是基态原子蒸气；紫外-可见分光光度分析的吸光物质是溶液中的分子或离子。原子吸收光谱是线状光谱；紫外-可见吸收光谱是带状光谱。第17页/共52页仪器结构光源原子化系统检测系统分光系统第18页/共52页光源

作用：产生原子吸收所需要的特征辐射。要求：锐线光源；光强大；稳定；背景小；寿命长；价格便宜。种类：空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯、激光光源灯。空心阴极灯无极放电灯第19页/共52页

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）

空心阴极灯结构第20页/共52页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第21页/共52页HCL操作参数：灯电流。为了获得稳定高强度的窄线光谱，空心阴极灯通常采用脉冲供电方式，灯电流的大小是脉冲信号的平均值。

灯电流的设置一般在1～20mA。不同的元素灯根据需要选用合适的灯电流。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增加，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。灯电流设置第22页/共52页空心阴极灯使用前应预热20min～30min以上；灯在点燃后可从灯的阴极辉光的颜色判断灯的工作是否正常；（充氖气，橙红色；充氩气，淡紫色；汞灯是蓝色。灯内有杂质气体时，负辉光颜色变淡，如充氖气的灯颜色可变为粉红，发蓝或发白，此时应对灯进行处理。）元素灯长期不用，应定期（每月或每隔二、三个月）点燃处理，即在工作电流下点燃1h。若灯内有杂质气体，辉光不正常，可进行反接处理。使用元素灯时，应轻拿轻放。低熔点的灯用完后，要等冷却后才能移动。为了使空心阴极灯发射强度稳定，要保持空心阴极灯石英窗口洁净，点亮后要盖好灯室盖。空心阴极灯使用第23页/共52页

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。火焰原子化器雾化器燃烧器预混合室无火焰（电热）原子化器原子化系统第24页/共52页通入助燃气\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

火焰原子化器工作原理第25页/共52页空气-乙炔火焰：温度2300℃，适合大部分元素测定，最常用。N2O-乙炔火焰:温度高，可达3000℃。具有还原性，适合易生成难熔氧化物元素的测定。氢气－空气火焰：温度低，背景小，适合分析线在200nm以下元素（如As、Se）的测定。火焰的重要特性：1、温度2、氧化还原性常用火焰第26页/共52页火焰原子化法的操作简便，重现性好，有效光程大，对大多数元素有较高灵敏度，因此应用广泛。但火焰原子化法原子化效率低，灵敏度不够高，而且一般不能直接分析固体样品。火焰原子化法特点第27页/共52页电热原子化器又称石墨炉原子化器。电热原子化法特点：温度高，灵敏度高、样品用量少、能够直接测定固体样品。6mm4mm30mm石墨管电热原子化法第28页/共52页

电热原子化解决了火焰法试样利用率不高的问题，因而灵敏度高，但变异系数较大。通常使用大电流通过石墨炉达到原子化的目的石墨炉原子化器的操作有四步：（1）干燥蒸发溶剂

<110℃（2）灰化除去有机物200~500℃（3）原子化测定2000~3000℃（4）净化消除记忆效应比上温度高10%电热原子化第29页/共52页其它原子化方法

（1）氢化物原子化装置测定As,Sb,Bi,Sn,Ge,Se,Pb,Te,……如测定砷：用KI及SnCl2还原砷为三价砷，再在酸性环境中用金属锌还原或用NaBH4还原为极易挥发的AsH3：AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2AsH3气体受热分解，放出砷原子。（2）冷原子吸收测定汞汞离子用SnCl2还原为金属汞，然后用空气将汞蒸气带入气体吸收管进行测定。第30页/共52页光源发出的光经入射狭缝-凹面镜反射到达光栅光栅分光后由凹面镜聚焦于出射狭缝转动光栅选择所需的吸收线

分光系统工作原理要求分辨率

0.3nm，能分辨Mn279.5nmMn279.8nm两条谱线光谱通带：单色器出射狭缝所包括的波长范围。光谱通带＝狭缝（mm）X

线色散率倒数（nm/mm）

第31页/共52页检测系统

作用：将光吸收信号转变为电信号并放大读出。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。

第32页/共52页光由出射狭缝照射到光敏阴极K上经打拿极逐级放大最后照射到阳极将光电流转换为电压输出

光电倍增管的工作原理（动画m2-2-12.swf）操作参数：光电倍增管负高压。增大负高压信号放大倍数增大，但稳定性降低。第33页/共52页单道双光束原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计类型光源的漂移通过参比光束的作用而得到补偿，能获得一个稳定的输出信号。但是火焰扰动和背景吸收影响无法消除。

单道单光束原子吸收分光光度计这类仪器简单，操作方便，体积小，价格低，能满足一般原子吸收分析的要求。其缺点是不能消除光源波动造成的影响，基线漂移。

第34页/共52页定量方法原子吸收根据测定元素选择使用相应的锐线光源。定量方法主要有：1.比例法：C1/C2=A1/A22.标准曲线法AC第35页/共52页

根据光吸收定律

A=KbC=K′C

式中：A－原子吸收吸光度；

K－常数；

b－光程长度；

C－试液中待测元素浓度。吸光度A与试液浓度C呈直线关系，通过测量试液的吸光度求得待测元素的浓度。

工作曲线法定量原理第36页/共52页

工作曲线的绘制与样品浓度的测量：配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，按浓度由低到高的顺序测定吸光度值。绘制吸光度对浓度的校准曲线。在与标准系列测定完全相同的条件下测定试样的吸光度，从校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。工作曲线

工作曲线法定量原理第37页/共52页影响工作曲线法测定准确度的因素：标准系列及样品溶液的制备（移液管，容量瓶的正确使用）；测量条件设置；吸喷溶液时毛细管的位置；空气对流对火焰的影响；读数开始的时间。每次分析前应该用标准溶液对系统进行校正；整个分析过程中操作条件保持不变；标准系列与被分析样品溶液的组成应该尽可能一致；标准和试样溶液的吸光度应在0.2~0.8之间当样品的情况不清或很复杂时分析误差较大，可用其他方法定量。

实训总结第38页/共52页工作曲线法特点：简单快速；适合组成较简单的大批量样品分析。注意事项：标准溶液与试液的基体要相似，以消除基体效应；浓度要合适：标准溶液浓度范围应将试液中待测元素的浓度包括在内。浓度范围大小应以获得合适的吸光度读数为准(0.2-0.8)；在测量过程中要吸喷去离子水或空白溶液来校正零点漂移；由于燃气和助燃气流量变化会引起工作曲线斜率变化，因此每次分析都应重新绘制工作曲线。

总结－方法特点、注意事项第39页/共52页配制标准溶液可选择待测元素的高纯（99.99%）金属丝、棒、片用稀酸清洗，以除去表面氧化层或使用各元素的盐类。溶于合适的溶剂中，配制成浓度为1mg·mL-1的标准储备液，配制时一般要维持一定酸度（可以用1％的稀硝酸或盐酸），以免器皿表面吸附。配好的储备液应储于聚四氟乙烯、聚乙烯或硬质玻璃容器中此溶液可长期保存。低浓度的标准系列溶液，使用时用标准储备液经逐级稀释而成。由于低浓度溶液不稳定，使用时间不应超过1～2天。

标准溶液的配制第40页/共52页配制标准储备液：光谱纯试剂；酸、碱等常用试剂：优级纯；水：原子吸收分析用水应符合GB／T6682－1992，分析试验室用水三级水的规格。原子吸收常用试剂第41页/共52页定量方法标准加入法A△CxxxxCx第42页/共52页吸取试液四份以上，第一份不加待测元素标准溶液，第二份开始，依次按比例加入不同量待测组分标准溶液，用溶剂稀释至同一的体积，以空白为参比，在相同测量条件下，分别测量各份试液的吸光度，绘出工作曲线，并将它外推至浓度轴，则在浓度轴上的截距，即为未知浓度cX，

标准加入法定量标准加入法工作曲线第43页/共52页

学生可以参照下表中所示配制标准加入系列溶液。容量瓶编号1234加入试样体积V1/mL25.0025.0025.0025.00加入ρ＝100µg/mL铜标液的体积/mL0.000.501.001.50定容体积／mL50.0050.0050.0050.00

注意：使用（2＋100）的稀硝酸定容。溶液配制（参考方案）第44页/共52页

记录实验数据容量瓶编号1234加入试样体积V1/mL25.0025.0025.0025.00ρ＝100µg/mL铜标液的体积/mL0.000.501.001.50定容体积／mL50．0050．0050．0050．00铜浓度的增加量C(Cu)/µgmL-10．001．002．003．00吸光度AAxA1..A2A3将加入铜标准溶液体积换算成溶液浓度增量填入下表，将测量的吸光度值也填入下表。

第45页/共52页绘制标准加入工作曲线，将其延长与浓度轴相交，记录交点的浓度。水试样中铜含量

式中:ρ（Cu）：水样中铜含量，μg/mL；

Cx

：标准加入曲线与浓度轴交点，μg/mL；

V0：样品溶液定容体积，50mL；

V1：取样量，25mL。

结果计算第46页/共52页