卫生化学：原子吸收分光光度分析法

*第六章原子吸收分光光度分析法21:08:511955年澳大利亚物理学家WalshA（瓦尔什）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。定义：基于光源辐射出待测元素的特征谱线通过样品的原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，通过基态原子对特征谱线吸收的程度，进行定量分析的方法。原子吸收分光光度法(atomicabsorptionspectrophotometry，AAS)

特点：(1)灵敏度高，检出限低，10-10～10-14

g；(2)准确度高，1%～5%；(3)选择性高，一般情况下共存元素不干扰；(4)分析速度快，应用广，可测定70多个元素局限性：难熔元素、非金属元素测定困难、不能同时多元素第一节基本理论21:08:51与紫外-可见分光光度法的区别：均为吸收光谱，但前者是原子光谱，后者是分子光谱。与分子荧光法的区别：前者是吸收光谱，后者是发射光谱；前者是原子光谱，后者是分子光谱。应用测定矿物,金属及其合金,玻璃,陶瓷,水泥,化工产品,土壤,食品,血液,生物试样,环境污染物等试样中的金属元素与前面所学其他光谱的区别：21:08:51一、原子吸收光谱的产生

1.原子的能级与跃迁原子基态

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）原子吸收光谱原子激发态

基态发射出相同频率的辐射。产生共振发射线（也简称共振线）原子发射光谱

2.元素的特征谱线（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，常作为分析线（3）因原子结构和电子排布不同，不同原子从基态跃迁到激发态吸收的能量不同，因此各种元素的共振线也不同，是元素的特征谱线。

如213.9和422.7nm的谱线分别为锌和钙原子的特征吸收谱线。（4）利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析21:08:51一、原子吸收光谱的产生

3.特点：(1)不连续的线光谱（2）由于原子外层两个电子能级间的能量差一般为1～20eV，因此原子吸收光谱分布于紫外-可见光区（3）吸收线比发射线数目少，谱线重叠的概率小。21:08:51二、谱线的轮廓与谱线宽度

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)，称谱线轮廓。

原子光谱的谱线轮廓呈峰形，即谱线强度随频率或波长变化

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：(1)中心频率

O(峰值频率)：最大吸收系数对应的频率；或中心波长：λ0(nm)

(2)半宽度：Δ

或Δλ21:08:51吸收峰展宽原因：

（1）自然宽度

在无外界条件影响下，谱线固有的宽度。它与激发态原子的平均寿命有关。

（2）热变宽（多普勒变宽）

ΔVＤ

由原子的无规则热运动所引起的，ΔVＤ与被测元素谱线的中心频率（Ｖ0）和热力学温度（Ｔ）的平方根成正比，与元素相对原子质量（Ｍ）的平方根成反比。

对一定元素来说，其Ｖ0和Ｍ一定，ΔVＤ只与Ｔ有关，Ｔ越高，ΔVＤ越大，吸收线变宽越严重。通常ΔVＤ约为10－3nm。21:08:51

（3）碰撞变宽（洛伦兹变宽，霍尔兹马克变宽）ΔVL

是在一定蒸气压力下，粒子间相互碰撞引起的谱线变宽。

洛伦兹（Lorentz）变宽：是被测元素原子与其他元素原子或分子等相互碰撞引起的谱线变宽，其大小随气体压力的增加和温度升高而增大，又称压力变宽。通常ΔvL与ΔvD的数值相近，在碰撞变宽中起主要作用。

霍尔兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）：是被测元素激发态原子与基态原子相互碰撞引起的谱线变宽，又称共振变宽。它随试样原子蒸气浓度增加而增加。通常浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略。

（4）场致变宽

由于电场作用而导致谱线分裂的斯塔克变宽（Starkbroadening）和由于磁场作用而导致谱线分裂的塞曼变宽（Zeemanbroadening）

火焰原子吸收分析时，主要是压力变宽；无火焰原子吸收分析低浓度试样时，主要是热变宽。但无论何种因素引起的谱线变宽，都会导致原子吸收分析的灵敏度下降。21:08:51三、原子吸收值与原子浓度的关系1.积分吸收

原子吸收值是指原子蒸气所吸收的全部能量，吸收线下面所包括的全部面积。

在一定条件下，对一定元素，e、m、c、f为定值，谱线的积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的基态原子数（Ｎ０）成正比。这是原子吸收分析方法的重要理论基础。对于半宽度仅为10－3nm的原子吸收线的积分吸收测量，一般仪器无法达到。这是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。能否提供锐线光源，测定峰值吸收？21:08:51

2.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中心频率（ν0）一致。（2）发射线的半宽度（Δνe）为吸收线半宽度（Δνa）的1/5～1/10提供锐线光源的方法：空心阴极灯

3.峰值吸收法

直接测量吸收线轮廓的中心频率（ν0）或中心波长所对应的峰值吸收系数（K0），从而确定蒸气中原子的浓度。ｂ：谱线展宽过程有关的常数Δv：吸收线半宽度N0：基态原子数ａ：与元素有关的常数

当一束光通过原子蒸气吸收层时，峰值吸收系数与蒸气中吸收辐射的基态原子数成正比。21:08:51

4.原子吸收值与待测元素浓度的关系

在原子吸收分析时，试液在高温下挥发并解离成基态原子蒸气。其中一部分基态原子进一步被激发成激发态原子，激发态原子总数Nj与基态原子总数N0之比决定于温度。在一定温度下，当处于热力学平衡时，两者之比服从玻尔兹曼分布定律（BoltzmandistributionLaw）：上式中ｇj和ｇO分别为激发态和基态的统计权重，激发态原子数Nj与基态原子数No之比较小，Nj可以忽略不计，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。若待测元素的原子化效率保持不变，在一定浓度范围内基态原子数N0与试样中待测元素的浓度

c

成正比。21:08:51A∝

K0

∝

N0∝N∝c（N0激发态原子数，N基态原子数，c待测元素浓度）

所以：A=lg(I0/I)=K‘c

........符合lambert-beer定律

当一束频率为ν、强度为I0的共振辐射通过厚度为l的原子蒸气时，透射光强度为I，吸收系数为Kν，则它们之间的关系符合朗伯-比尔定律：在峰值处，Kν=K0，所以吸光度A可根据下式计算：原子吸收分光光度法定量的基础：A∝

c21:08:51第二节原子吸收分光光度计一、仪器的基本结构主要由光源、原子化系统、分光系统、检测系统、显示系统等五大部分组成，一、仪器的基本结构

二、仪器类型21:08:511．光源光源的作用是发射待测元素的特征谱线。对光源的基本要求是：（1）光源发射待测元素的谱线必须是锐线；（2）辐射强度足够大，稳定性好，噪声小，背景低，不受其它杂质元素线的干扰。符合上述要求的光源有空心阴极灯和无极放电灯等。（1）空心阴极灯（hollowcathodelamp，HCL）

是一种低压气体放电管，管壳由带有石英窗的硬质玻璃制成，抽成真空后充入低压惰性气体氖或氩。将一个由钨、钛、钽或其它材料制成的阳极和一个由待测元素或含待测元素的合金材料制成的空心圆筒状阴极密封于管内。当在阴阳电极间施加300～500

V电压时，开始辉光放电。目前已有几十种元素的空心阴极灯，一般都是单元素灯，现在也研制出了多元素（2～4种）空心阴极灯，但多元素空心阴极灯发射强度、灵敏度、使用寿命都不如单元素灯。21:08:511．光源（2）无极放电灯（electrodelessdischargelamp，EDL）与空心阴极灯的主要区别：(1)是将待测元素充填在一圆形石英管内，石英管置于高频线圈中心，再安装于一个绝缘套内。(2)无极放电灯发射出的谱线强度比空心阴极灯高100～300倍，是一种理想的锐线光源。缺点：大多数元素的蒸气压较低，难以制成无极放电灯，目前常见的无极放电灯有As、Cd、Pb、Se、Zn、Hg、P、Sn、Te、Tl等元素灯。

空心阴极灯广泛应用

无极放电灯仅用于金属性较弱和熔点较低的元素测定，

高聚焦短弧氙灯是近年新研制的光源，可测量元素周期表中六十余种元素，实现了无需锐线光源的多元素原子吸收光谱分析。

（3）高聚焦短弧氙灯（xenonshort-arclamp）是连续光源，一个气体放电光源，辐射出从紫外到近红外的连续光谱，能量比一般氙灯大10～100倍，电极距离﹤1mm,发光点只有200μm,发光点温度10000K。21:08:512．原子化器作用：提供一定的能量，使试样中的待测元素转变为基态原子蒸气，并使其进入光源的辐射光程。待测元素由试样转入气相并解离为基态原子的过程，称为原子化过程，此过程示意如下：原子化器的性能直接影响测定的灵敏度和重现性。要求：其原子化效率高、记忆效应小和噪声低。分类：火焰原子化器、石墨炉原子化器和氢化物发生原子化器三类。21:08:512．原子化器（1）火焰原子化器：利用化学火焰固有的温度、气氛等特征，使待测元素原子化的一种装置。组成：雾化器、雾化室和燃烧器组成，雾化器：是将试样溶液雾化，由于它的性能对测定精密度和干扰因素等有显著影响，因此要求喷雾稳定，产生的雾滴细而均匀，雾化效率高。雾化器通常由不锈钢和聚四氟乙烯材料制成。影响雾滴形成的主要因素：试样溶液的物理性质（如表面张力、粘度等）、毛细管孔径、助燃气的压力、温度、流速及雾化器的结构等。因此在分析中应尽量注意控制适当的条件以消除这些因素的影响。雾化室（又称混合室）：是使细微的雾滴与燃气、助燃气充分混合均匀，平稳地输送雾滴以减少它们进入火焰时对火焰的扰动；并使大雾滴从废液管排出，要求雾化室的记忆效应小。21:08:512．原子化器燃烧器：形成火焰，并使待测试液的细微雾滴与燃气和助燃气一起在火焰中脱溶剂、熔融、蒸发和原子化。

燃烧器一般用不锈钢制成，通常制成狭缝形。可获得较长的原子蒸气吸收光程，提高测定灵敏度，又可防止回火，保证操作安全。

常用的燃烧器是单缝燃烧头，缝宽0.5～0.6mm，缝长5cm或10cm。用空气-乙炔焰时，采用10cm缝长的燃烧器，用氧化亚氮-乙炔火焰时，则用5cm缝长的燃烧器。

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。原子化器的原子化能力取决于火焰的温度及火焰气体的组成和流量。火焰气体流量（L/min）火焰温度（K）类型状态燃气助燃气空气-乙炔贫燃性＜1.28化学计量性1.2～1.582450富燃性1.7～2.282300氧化亚氮-乙炔贫燃性3.510化学计量性3.5～4.5103200富燃性4.5102955空气-丙烷化学计量性0.3～0.4582200空气-氢化学计量性682300火焰的气体组成分类：化学计量性火焰：按照燃气和助燃气化学反应的计量比构成

富燃性火焰：化学计量燃气多于助燃气贫燃性火焰：化学计量燃气少于助燃气21:08:512．原子化器化学计量性火焰：

层次分明、温度较高、背景小、干扰少，稳定性好等特点，常用。富燃性火焰：还原性较强，也称还原性火焰。温度略低于化学计量性火焰，适用于易形成难离解氧化物的元素或高熔点低惰性元素（如Ba、Mo、Al等）的原子化贫燃性火焰：氧化性较强，也称氧化性火焰。温度较高，火焰燃烧不稳定，仅适用于易离解的碱金属元素原子化。火焰原子化法操作简便、快速、稳定性好和精密度高，其缺点是原子化效率低、试液的利用率低、原子在光路中停留时间短以及燃烧气体的膨胀对基态原子的稀释等使原子吸收的灵敏度相对较低。火焰温度的选择：(1)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；(2)火焰温度越高，产生的热激发态原子越多，不利于原子吸收；(3)火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用的是乙炔-空气火焰，最高温度可达2600K；21:08:512．原子化器（2）石墨炉原子化器：将石墨管作为一个电阻，在通电时，温度可达2000～3000℃，使待测元素原子化，亦称电热原子化器。

管上有小孔，用以进样。石墨管内外都通入惰性气体，防止石墨管氧化。在石墨炉原子化器中还设有水冷却系统，能迅速降低炉温，使石墨管表面温度不超过60℃，便于开始新的一次升温。

特点：①原子化效率高，基态原子在石墨管吸收区停留时间较长，约为前者的1000倍，原子化效率可达90%以上；②试样用量少（ul或mg）③可直接分析悬浊液、粘稠液体和一些固体试样；④灵敏度比火焰原子化法高1～2个数量级。缺点：基体效应大，重现性比火焰原子化法差，在最佳条件下测定的相对标准偏差为1.5%～5.0%，而火焰原子化法仅为0.5%～1.0%。21:08:512．原子化器石墨炉原子化过程：分为干燥、灰化、原子化和净化四个阶段程序升温。干燥：是除去样品中的溶剂或水分，灰化：是除去基体中的有机物。原子化：待测元素在原子化阶段转化为基态原子（蒸气）并对来自光源的特征谱线产生吸收，由检测系统测定吸光度值。净化：对石墨管空烧处理，以除去石墨管内的残留物，防止记忆效应。在普通石墨管内放进一石墨薄片，称为L'vov平台。样品加在平台上，可以减少或消除石墨管内环境温度不均匀而产生的干扰，提高测定的精密度。特别适用于易挥发性元素的测定。（3）氢化物发生原子化器

：利用As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素在盐酸溶液中能被强还原剂NaBH4（或KBH4）还原为极易挥发的氢化物，再将其导入石英吸收管中进行原子化的装置。这种原子化法称为氢化物发生原子化法。

优点：基体干扰和化学干扰较小，具有较高的灵敏度，可达10-9g数量级。

缺点：精密度比火焰法差。因As、Sb、Bi、Se等元素的氢化物毒性较大，所以必须在良好的通风条件下操作。21:08:51将待测元素所需的共振线与临近谱线分开。主要由色散元件（光栅或棱镜）、反射镜和狭缝等组成。位置在原子化器后3．分光系统4.检测系统将来自分光系统的光信号转变为电信号，经放大后由读数装置显示读数或由记录仪记录。组成：检测器、放大器。检测器多用光电倍增管，它具有放大倍数高、信噪比大、线性关系好等特点。5.显示系统21:08:51单道单光束原子吸收分光光度计：只有一个单色器和一个检测器。优点：结构比较简单，特征谱线在外光路损失少，灵敏度较高，价格比较低，至今仍广泛应用。缺点：不能消除光源波动引起的基线漂移，使测定结果产生误差。单道双光束原子吸收分光光度计：只有一个单色器和一个检测器优点：利用切光器将来自光源的辐射分为两束，光源的任何波动都可得到补偿，使仪器的输出信号稳定，信噪比较高。双道或多道原子吸收分光光度计：这类仪器具有两个或两个以上光源、两个或两个以上单色器和检测器，优点：可同时测定两种或两种以上元素缺点：仪器的结构复杂，价格昂贵。连续光源原子吸收光谱仪：解决了谱线宽度的问题，采用氙灯进行多谱线同时波长定位和动态校正，保证波长的准确性和重现性，使连续光源在近似单色光的条件下测量原子吸收。二、仪器类型21:08:51

一、干扰及其消除

总的说来，原子吸收分光光度法的干扰较少，主要干扰有光谱干扰、电离干扰、化学干扰、物理干扰和背景吸收。第三节原子吸收分光光度法实验技术一、干扰及其消除

二、分析条件的选择

三、定量分析

四、应用示例21:08:51１.光谱干扰

被测元素吸收曲线轮廓与干扰组分吸收曲线有重叠而引起的干扰。抑制方法：（１）减小狭缝宽度或另选分析线（２）选择待测元素的其它吸收线或预先分离试样中干扰元素。来源：（1）来自仪器光源和共存元素当光源发射的被测元素共振谱线轮廓同干扰元素的吸收线重叠时产生干扰。（2）来自分子吸收分子吸收是宽带吸收，易与被测元素吸收线轮廓重叠。21:08:512.电离干扰待测元素在原子化过程发生电离，使基态原子数减少，而造成吸光度值下降的现象。原因：（1）电离电位低，易产生电离干扰；如碱金属和碱土金属。（2）电离电位较高的某些元素，在原子化温度较高时，也可能发生不同程度的电离，如铝在氧化亚氮-乙炔火焰中可发生电离干扰。消除方法:(1)加消电离剂；测K时，加Na；测Ca时，加K。（2）降低原子化温度21:08:51

3.

化学干扰待测元素在溶液或气态中与其它组分之间发生化学反应，从而降低了待测元素的原子化效率。化学干扰一般都使测定结果偏低。抑制方法：释放剂的作用是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。如磷酸根对测定钙有干扰，可加入锶和镧；保护剂的作用是与待测元素形成稳定的化合物，阻止了待测元素与干扰元素结合成难离解或难挥发的化合物，而保护剂与待测元素形成的稳定化合物在原子化条件下易离解和原子化。如磷酸根干扰钙的测定，加入EDTA作保护剂；缓冲剂的作用：将过量的干扰元素（称为缓冲剂）分别加入试样和标准溶液中，当干扰元素的量超过一定值时，干扰值趋于恒定，可消除干扰。例如，用氧化亚氮-乙炔火焰测钛时，可在试样和标准溶液中加入200mg/L以上的铝，则干扰影响达到稳定。21:08:51

4.物理干扰试样溶液在蒸发和原子化过程中，由于试液和标准溶液的物理性质（如粘度、表面张力及蒸气压等）的差异，引起进样速度、进样量、雾化效率、原子化效率的变化所产生的干扰。抑制方法：（1）配制与试样溶液有相似物理性质的标准溶液。（2）采用标准加入法（3）若试样中待测元素含量不太低时，可也用简单稀释的方法减少或消除这种干扰。21:08:515.背景吸收是一种来自原子化器的连续光谱干扰。包括：分子吸收、光的散射、折射和火焰气体的吸收等背景吸收使分析结果偏高消除方法：（1）减小进样量（2）增高灰化温度或延长灰化时间（3）增加管内气体流量（4）采用基体改进剂和平台石墨炉技术21:08:51二、分析条件的选择1．分析线（1）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）当元素的共振线受到其它谱线干扰，或者某些元素（如Hg、As、Se等）的共振线位于远紫外光区时，则不宜选用共振线作为分析线，而应通过实验选择最适宜波长的谱线作为分析线。2．狭缝宽度无邻近干扰线（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．空心阴极灯工作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。灯使用前应预热10～30min，使灯的发射强度达到稳定。4．原子化条件

（1）火焰原子化法：火焰类型和状态、燃烧器高度和雾化器的调节

火焰的类型和状态，难离解或难挥发化合物的元素，选用高温火焰，如氧化亚氮-乙炔火焰；易离解和易挥发的碱金属等，可选用低温火焰，如空气-丙烷火焰；一般元素，可选用空气-乙炔火焰。

燃烧器高度：火焰自下而上划分为：干燥区、蒸发区、原子化区和电离化合区。原子化区中含有较高的自由原子，调节观测高度（燃烧器高度），让光线通过火焰中自由原子浓度最大的区域（灵敏度高，稳定性好）。

雾化器的调节及进氧量：雾化器要经常用去离子水冲洗以消除记忆效应和防止毛细管堵塞。最佳进样量应通过实验选定，一般约4ml/min。21:08:51二、分析条件的选择4．原子化条件

（2）石墨炉原子化法：主要是选择程序升温的温度和时间。

干燥温度一般为80～130℃，时间可根据进样体积选定，干燥过程中应使试液快速蒸发而不沸腾，避免使用过高温度。

灰化温度在几百度至一千多度范围内，时间约几十