第十一章 原子吸收与原子荧光光谱法

第十一章原子吸收与原子荧光光谱法AtomicAbsorptionSpectrometry(AAS)AtomicFluorescenceSpectometry(AFS)干扰及消除方法原子吸收光谱法的仪器原子吸收光谱定量分析原子荧光光谱法概述原子吸收光谱法原理

原子吸收光谱法或原子吸收分光光度法(atomicabsorptionspectrometry,AAS)是以测量气态基态原子外层电子对共振线的吸收为基础的分析方法。原子吸收光谱法是一种成分分析方法,可对六十多种金属元素及某些非金属元素进行定量测定,检测限可达ng/mL,相对偏差约为1—2%。这种方法目前广泛用于低含量元素的定量测定。1802年，发现原子吸收现象；1955年，Australia物理学家WalshA建立将该现象应用于分析；60年代中期发展最快。§11-1概述原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收进行元素定量分析的方法。

基态原子吸收其共振辐射,外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。原子吸收光谱法的特点和应用（1）灵敏度高：火焰原子法，ppm级，有时可达ppb级；石墨炉可达10-9--10-14（ppt级或更低）.（2）准确度高：火焰原子吸收法（FAAS）的RSD可达1～3％。（3）干扰小，选择性极好；（4）测定范围广，可测70种元素。在冶金、地质、机械、化工、医药、卫生和环保等部门得到广泛应用AAS与AES之比较相似之处——产生光谱的对象都是原子；不同之处——AAS是基于“基态原子”选择性吸收光辐射能(h)，并使该光辐射强度降低而产生的光谱(共振吸收线)；AES是基态原子受到热、电或光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生的光谱(共振发射线和非共振发射线)。四、原子吸收光谱法与紫外可见分光光度法的比较1、相同：同属吸收光谱法的范畴（1）工作波段同在190－900nm范围内（2）仪器装置基本相似：光源、单色器、吸收池（原子化器）、检测器2、不同（1）吸收机理不同：分子吸收（带光谱，半宽10nm，分子中原子的外层电子能级跃迁；原子吸收（线状光谱，半宽10-3nm，单一电子能级跃迁引起。（2）光源：连续光源（氘灯，钨灯）；锐线光源（空心阴极灯）发射共振线（3）仪器装置排列不同光源单色器吸收池检测器（紫外可见）锐线光源原子化器单色器检测器（原子吸收）§11-2原子吸收光谱法原理一、共振线与吸收线

电子从基态跃迁至第一激发态(能量最低的激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线,简称共振线。在AAS分析中就是利用处于元素的基态原子蒸气对同种元素的原子特征谱线的共振发射线的吸收来进行分析的。各元素的原子结构不同，其共振吸收能量亦不同，共振线是最灵敏的谱线，特征谱线。E4E3E2E1E0第一激发态发射吸收主共振线更高激发态基态能级共振吸收线图7.1原子共振吸收线

原子吸收光谱线有相当窄的频率或波长范围,即有一定宽度。一束不同频率，强度为I0的平行光通过厚度为L的原子蒸气时，一部分光被吸收。透过光的强度I

服从朗伯吸收定律二、谱线轮廓与谱线变度1.谱线轮廓和吸收定律I

=I0exp(-K

L)式中k

是基态原子对频率为

的光的吸收系数。由图可知，在频率

0处透过光强度最小，即吸收最大。原子吸收线的轮廓

Iν与ν的关系

若将吸收系数对频率作图，所得曲线为吸收线轮廓。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率(或中心波长)和半宽度

来表征，中心频率由原子能级决定。半宽度是中心频率位置、吸收系数极大值一半处，谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。2、谱线变宽自然宽度Δ

N

无外界条件影响时，谱线的固有宽度。共振线的自然宽度Δ

N为10-6～10-5nm。与其它变宽宽度相比，Δ

N可忽略。

多普勒变宽（热变宽）Δ

D

由原子在空间作相对热运动引起的谱线变宽，又称热变宽。通常为10－4～10－3nm，它是谱线变宽的最主要因素。

影响因素T、M光子观测光子观测（0+D）（0-D）可见，Doppler变宽

D

与谱线波长，相对原子质量和温度有关，

D多在10-3

nm数量级Doppler变宽与相对于观察者的原子的无规则热运动有关。压力（碰撞）变宽（P↑变宽↑）

由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。劳伦兹变宽Δ

L

:待测原子和其他原子碰撞。通常为10－4～10－3nm。（引起吸收峰频率发生位移）赫鲁兹马克变宽Δ

R

:同种原子碰撞。AAS中，测定元素的浓度较低，Δ

R一般可以忽略不计。在一般分析条件下，吸收线的变宽主要受Δ

D和Δ

L影响

。谱线的变宽往往会导致原子吸收分析的灵敏度下降。

场致变宽电场：斯塔克stark变宽；磁场：塞曼效应自吸变宽

由自吸现象而引起的谱线变宽称为自吸变宽。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，从而使谱线变宽。灯电流越大，自吸变宽越严重。三、积分吸收与峰值吸收

1、积分吸收测量钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2nm。而原子吸收线的半宽度：10-3nm。如图所示：

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。若将原子蒸气吸收的全部能量，即谱线下所围面积测量出（积分吸收）：

积分吸收与原子密度成正比。积分吸收则是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。以峰值吸收测量代替积分吸收测量的必要条件是：

①锐线光源辐射的发射线与原子吸收线的中心频率

0完全一致；

②锐线光源发射线的半宽度Δ

1/2小于吸收线的Δ

1/2。2、峰值吸收测量法

1955年沃尔什提出采用锐线光源（能发射出谱线半宽度很窄的发射线的光源），测量吸收线的峰值吸收.当使用锐线光源时，可用K0代替Kv，则：

A=kNObNO∝N∝c，所以

A=lg（IO/I）=K′c

——原子吸收光谱定量分析法的基础表明:当吸收厚度一定，在一定工作条件下，峰值吸收测量的吸光度与被测定元素的含量成线性关系。

A=lgI0/I

=0.4343K

b四、基态原子数与原子吸收定量基础

原子化过程中，需要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，根据玻耳兹曼方程：式中Nj和No分别为单位体积内激发态和基态的原子数；Pj和P0分别为激发态和基态能级的统计权重，它表示能级的简并度，即相同能级的数目；k为玻茨曼常数；T为热力学温度。

在AAS中，原子化温度一般在2000－3000K，大多数元素的Nj／No值都小于1％，即Nj与No相比可以忽略不计。实际上可用No≈N，由于基态原子数基本上保持恒定，并且占原子总数的99％以上，并且受温度的影响很小，因此，一般情况下，原子吸收光谱分析法的精密度比原子发射光谱分析法要好得多。

§11-3原子吸收光谱仪器一、流程二、光源三、原子化系统四、分光系统五、检测系统原子吸收分光光度计与紫外可见分光光度计的不同：（1）锐线光源。（2）分光系统在火焰与检测器之间。（3）采用调制方式以区分光源辐射和或反辐射。一、流程二、光源1.作用

发射谱线宽度很窄的待测元素共振线。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。2.空心阴极灯：是一种低压气体放电管，结构如图所示3.空心阴极灯的工作原理

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；

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。

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。三、原子化系统1.作用：将试样蒸发并使待测定元素转化为基态原子蒸气。

2.原子化方法：火焰法无火焰法—电热高温石墨管，激光3.火焰原子化装置：雾化器、雾化室和燃烧器1）雾化器：主要缺点：雾化效率低2）雾化室作用有三个：一是使较大雾粒沉降、凝聚从废液口排出；二是使雾粒与燃气、助燃气均匀混合形成气溶胶，再进入火焰原子化，所以雾化室又称预混合室；三是起“缓冲”稳定混合气气压作用，以便使燃烧器产生稳定火焰。3）燃烧器

作用：产生火焰，使进入火焰的试样气溶胶蒸发和原子化。燃烧器是用不锈钢材料制成，耐腐蚀、耐高温。燃烧器的高度可以上下调节，以便选择适宜的火焰原子化区域。为了扩大测量元素含量范围，燃烧器可以旋转一定的角度，改变吸收光程。

4）火焰

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。

火焰特点：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。化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用贫燃火焰：温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定表 乙炔—空气火焰的种类

4.石墨炉原子化装置（1）结构石墨炉原子化器1一石墨管2一进样孔3一石墨锥4一载气入口

5一保护气6一电极7一石英窗8一冷却水

（2）原子化过程---分为干燥、灰化（去除基体）、原子化、净化（去除残渣）四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。（3）特点优点：原子化程度高，试样用量少（1～100μL），可测固体及粘稠试样，原子化效率几乎达到100％；灵敏度高，检测极限10-12g。缺点：精密度差，测定速度慢，操作不够简便，装置复杂。5.其它原子化方法（1）氢化物原子化装置

是低温原子化法的一种。主要用来测定As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb和Te等元素。

（2）冷原子化装置本法的灵敏度和准确度都较高（可检出0.01ug的汞），是测定痕量汞的好方法。四、光学系统

外光路和单色器1、外光路也称为照明系统。它是由锐线光源和两个透镜组成。

作用：使锐线光源辐射的共振发射线能正确地通过或聚焦于原子化区，并把透过光聚焦于单色器的入射狭缝2、单色器

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、狭缝必须注意：在原子吸收光度计中，单色器通常位于光焰之后，这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳。

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。常用其倒数Δλ/ΔX。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10－30Å/mm）。

（2）分辨率：仪器分开相邻两条谱线的能力。

（3）通带宽度（W）：指光线通过单色器出射狭缝的谱线宽度，它是由单色器的狭缝宽度（S）和倒色散率（D）决定。当倒色散率（D）一定时，可通过选择狭缝宽度（S）来确定：W=D

S五、检测系统

主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。作用：将待测光信号转换成电信号，经过检波放大、数据处理后显示结果。

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。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§11-4原子吸收光谱定量分析

一、定量分析方法二、分析方法评价三、测定条件的选择一、定量分析方法1、标准曲线法

最常用的分析方法。配制一系列浓度不同的标准溶液，在相同测定条件下，以空白溶液调整零吸收，测定标准系列溶液和试样溶液的吸光度，绘制A—c标准曲线，用内插法在标准曲线上求得试样中被测定元素的含量。该法简单、快速，适于大批量组成简单和相似的试样分析。注意事项：1．所配制的标准溶液的浓度，应在线性范围内；（A：0.10－0.5具有较高的准确度）2．标准溶液与试样溶液应以相同的试剂处理；3．应该扣除空白值；4．在整个分析过程中操作条件保持不变。5.每次测定前应用标准溶液对吸光度进行检查和校正。2、标准加入法当试样组成复杂，待测定元素含量很低时，为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应），应采用该法。

方法：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。

注意事项：1．待测元素的浓度与吸光度应成线性关系；2．至少采用4个点；3．能消除基体效应，不能消除背景吸收；4．斜率小时误差大。二、分析方法评价1、灵敏度

根据IUPAC规定，灵敏度S的定义是分析标准函数x=f（c）的一次导数，即标准曲线的斜率。1）特征浓度（1%吸收灵敏度）

产生1%吸收（A=0.0044）信号所对应的元素浓度。

c表示待测元素的浓度（μg/mL）；A为待测液的吸光度值2）特征质量（对GFAAS

，常用绝对灵敏度表示）

式中V为待测试液的体积（mL）。

特征浓度或特征质量越小越好。灵敏度是估计元素最适宜的测量浓度和区域量。2、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。（指产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号所需要的该元素的最小含量）。在AAS中，检出限（DL）表示被测定元素能产生的信号为空白值的标准偏差3（3

）倍时元素的质量浓度或质量。单位用µg·mL-1或g表示。

1．火焰法

单位：μg

ml-1

2．石墨炉法

单位：gSc（Sm）：待测元素的灵敏度，即工作曲线的斜率三、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．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。3．火焰

依据不同试样元素选择不同火焰类型。4．燃烧器高度(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。

5．狭缝宽度(通带)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。§11-5干扰及其抑制一、物理干扰二、化学干扰三、电离干扰四、光谱干扰一、光谱干扰

主要有谱线干扰和背景干扰两种1、与光源有关的光谱干扰1）与分析线相邻的是待测元素的谱线；

通过调小狭缝的方法来抑制。2）与分析线相邻的是非待测元素的谱线；

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。2、光谱线重叠干扰

选用其他谱线或分离干扰元素

3、与原子化器有关的干扰（1）原子化器的发射：火焰或待测元素的辐射适当增加等电流，提高信噪比。（2）背景吸收（分子吸收）主要是指原子化过程中产生的分子吸收和高浓度盐的固体微粒产生的光散射干扰效应。背景干扰往往使吸光度增大，产生正误差。分子吸收来源于：①火焰成分(生成的气体分子):调整零点消除②金属卤化物氧化物、氢氧化物和盐类分子对元素共振线的吸收。分子吸收是一种宽带吸收，产生的背景干扰比较严重。光散射干扰：在火焰中固体微粒对空心阴极灯发射的共振线的散射造成假吸收。

2）背景干扰的抑制和校正背景干扰的抑制在实际工作中，多采用改变火焰类型、燃助比（高温火焰）和调节火焰观测区高度来抑制分子吸收干扰。背景的校正方法：仪器调零法；邻近线校正背景法；配制与试夜有相似组成的标准溶液；分离基体；氘灯校正背景法；塞曼效应校正背景法。背景的校正

仪器的光学系统原理图

只能在氘灯辐射较强的波长范围（190—350nm）内应用，并且只有在背景吸收不很大时，才能较完全地扣除背景。

氘灯是一种高压氘气气体（D2）放电灯，辐射190～350nm的连续光谱。

切光器使锐线源和氘灯源交替进入原子化器，分别测吸光值：

A锐=A+AB

A氘=a+AB=AB则

A=A锐-AB=A锐-A氘式中a为基态原子对连续光源的吸光值，因待测原子浓度很低，因此，a可勿略。二、物理干扰（基体效应）

来源：试样粘度、表面张力使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰。

消除：

（1）可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。

（2）尽可能避免使用粘度大的硫酸、磷酸来处理试样；当试液浓度较高时，适当稀释试液也可以抑制物理干扰。

三、化学干扰（主要干扰来源）来源：待测元素与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物或高温下待测元素原子的电离所引起的干扰，主要影响原子化效率，使待测元素的吸光度降低。消除：1.加入消电离剂（主要为碱金属元素），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2.加入释放剂：SO42-、PO43-对Ca2+的干扰----加入La(III)、Sr(II)----释放Ca2+；3.加入保护剂（配合剂）:

PO43-对Ca2+的干扰---加入EDTA----CaY（稳定但易破坏）含氧酸中Mg和Al形成MgAl2O4---使A急剧下降-----加8-羟基喹啉作保护剂。4.加入缓冲剂或基体改进剂：例如测钛时在试样和标准溶液中加入超过缓冲量的铝，使铝对钛的干扰趋于稳定。5.标准加入法。6.化学分离：溶剂萃取、离子交换、沉淀分离等。四、有机溶剂的影响

干扰：

有机溶剂会改变火焰温度和组成，因而影响原子化效率；溶剂的产物会引起发射和吸收，有的溶剂燃烧不完全产生微碳粒而引致散射，因而影响背景。

消除：使用酯类、酮类等溶剂

提高灵敏度：提高原子化效率。§11-6AAS的特点和应用AAS特点：1）灵敏度高：火焰原子法，ppm

级，有时可达ppb级；石墨炉可达10-9--10-14（ppt

级或更低）.2）准确度高：GFAAS的RSD可达1～3％。3）干扰小，选择性极好；4）测定范围广，可测70种元素。不足：1）多元素同时测定有困难；2）对非金属及难熔元素的测定尚有困难；3）对复杂样品分析干扰也较严重；4）石墨炉原子吸收分析的重现性较差。应用：

1．头发中微量元素的测定2．水中微量元素的测定3．水果、蔬菜中微量元素的测定……………AAS与AES之比较相似之处——产生光谱的对象都是原子；不同之处——1）研究对象有区别。

AAS是基于“基态原子”选择性吸收光辐射能（h），并使该光辐射强度降低而产生的光谱（共振吸收线），利用的是原子吸收现象；而AES是基态原子受到热、电或光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生的光谱（共振发射线和非共振发射线），利用的是原子的发射现象。它们是互相联系的两种相反的过程。

2）谱线数目、复杂程度不同，光谱干扰程度也有很大差别。原子的吸收线多以基态为低能级的共振线，其谱线数目比发射线少得多，谱线重叠引起光谱干扰也较少且易于克服；AES光谱谱线数目多，由谱线重叠引起光谱干扰严重。3）温度变化对原子发射强度、吸收程度的影响不同。AES受激发温度的影响较大；而AAS受温度影响很小，所以AAS比AES具有较高的准确度。且在AAS的实验条件下，原子蒸气