原子吸收光谱分析法（食品仪器分析课件）

原子吸收光谱分析的特点和局限性一、特点

1、灵敏度高，比原子发射光谱高几个数量级，绝对灵敏度达10-13-10-15g原子发射光谱测定的是占原子总数不到1%的激发态原子。原子吸收光谱测定的是占原子总数99%以上的基态原子。

2、精密度高，准确度高。相对误差：火焰原子吸收小于1％；石墨炉原子吸收法约为3％-5％原子吸收程度受温度变化影响较小。重现性好，稳定性高。3、选择性好，抗干扰能力强。4、应用范围广。可测70多种元素，既可测常量元素，又可测微量、痕量和超痕量元素。二、局限性工作曲线的线性范围窄测定不同元素要使用不同相应的光源对难溶性元素和非金属元素及同时多种元素的分析，存在一定的困难原子吸收光谱分析法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。原子吸收光谱分析基本过程为：1.用该元素的锐线光源发射出特征辐射；原子吸收光谱分析基本过程为：2.试样在原子化器中被蒸发、解离为气态基态原子；原子吸收光谱分析基本过程为：3.当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原子区时，部分光被蒸气中基态原子吸收而减弱，通过单色器和检测器测得特征谱线被减弱的程度，即吸光度，根据吸光度与被测元素的浓度成线性关系，从而进行元素的定量分析。原子吸收分析法谱线

一、共振线1、共振吸收线

E0E1E2E3AB

A产生吸收光谱

B产生发射光谱

E0

基态能级

E1、E2、E3、激发态能级

使电子由基态跃迁到第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线（也简称共振线）

一、共振线2、共振发射线

E0E1E2E3AB

A产生吸收光谱

B产生发射光谱

E0

基态能级

E1、E2、E3、激发态能级

电子从基态跃迁到能量最低的激发态(第一激发态）时需要吸收一定频率的光，它再迁回基态时，则发射出同样频率的光（谱线），这种谱线称为共振发射线（简称共振线）

3、元素的特征谱线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，因而各种元素的共振线不同，各具有特征性。这种共振线是元素的特征谱线。

二、谱线轮廓与谱线变宽1、谱线轮廓吸收线不是一条几何线，而是具有一定宽度的谱线。将不同频率的光（强度为I0v）通过厚度为L的原子蒸气，一部分光被吸收，在原子蒸气的浓度一定时，其透过光的强度Iv与原子蒸气的厚度的关系为2、吸收线的半宽度L原子蒸气IvI0vKv为原子蒸气对频率为V的光的吸收系数。中心频率

O（峰值频率）:最大吸收系数对应的频率或波长;半宽度Δ

：指最大吸收一半处的宽度。谱线的宽度常用半宽度表示若将吸收系数Kv随频率的变化关系作图得原子吸收光谱法定量基础一、积分吸收

将原子蒸气吸收的全部能量称为积分吸收，即吸收线下面所包括的全部面积式中，e为电子电荷，m为电子质量，c为光速，No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，代表每个原子中能够吸收或发射特定频率光的平均电子数，在一定条件下对一定元素，f可视为一定值。积分吸收与单位体积原子蒸气中吸收辐射的原子数目成正比。

但原子吸收线的半宽度很小，要测积分吸收需要分辨率高达五十万的单色器，目前的技术难以做到。若吸收线轮廓单纯取决于多普勒变宽，则有：二、峰值吸收

使用锐线光源进行测量，峰值吸收系数K0与谱线的宽度有关。所谓锐线光源就是能发射出谱线半宽度很窄的发射线的光源。将上式带入朗伯比尔定律中得到由于N0∝N∝c（N0基态原子数，N原子总数，c待测元素浓度）

所以：A=KLN0=K′LN=K′′c

这表明当吸收厚度一定，在一定的工作条件下，峰值吸收测量的吸光度与被测元素的含量成正比。这是原子吸收光谱定量分析法的基础。原子吸收线变宽的原因

原子吸收线的宽度受多种因素影响，一类是由原子性质所决定，另一类是外界因素。一、自然宽度Δ

N无外界因素影响时，谱线固有的宽度叫自然宽度。自然宽度与激发态原子的平均寿命有关。一般约10-5nm。照射光都具有一定的宽度。与其他变宽相比可完全忽略。二、多普勒变宽（热变宽）Δ

D多普勒变宽是由于原子在空间作无规则热运动所引起的，又称为热变宽。热变宽引起的宽度为10-3nm数量级，是谱线变宽的一种主要因素。

多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，则高。DETECTORVVn0n0-Dnn0+Dn多普勒变宽与吸收原子自身的相对原子质量的平方根成反比，与火焰的温度平方根成正比，与谱线频率有关。多普勒变宽变宽程度

三、压力变宽

由于原子相互碰撞使能级发生稍微变化引起的变宽，又称为碰撞（Collisionalbroadening）变宽。它是由于碰撞使激发态寿命变短所致。外加压力越大，浓度越大，变宽越显著。根据碰撞粒子不同可分为两类，劳伦兹变宽和赫鲁兹马克变宽。1.Lorentz

变宽（劳伦兹变宽）Δ

L

：待测原子与其它粒子之间的碰撞。变宽在10-3nm。2.

Holtzmark变宽（赫鲁兹马克变宽，又称共振变宽）：

同种待测原子之间的碰撞，又称共振变宽；但由于AAS分析时，待测物浓度很低，该变宽可忽略。四、自吸变宽

光源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。灯电流越大，自吸现象越严重。五、场致变宽

外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象；影响较小。

在一定条件下，谱线变宽主要受热变宽和压力变宽的影响。当气相中与待测原子共存的其它粒子浓度很小时，以热变宽为主。原子吸收分光光度计的单色器一、作用

将待测元素的共振线与邻近线分开。二、组件

色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等。

三、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。实际工作中常用其倒数Δλ/ΔX（2）分辨率

仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值λ/Δλ表示。

（3）通带宽度（W）

若光强度一定，就要选用合适的光栅色散率与狭缝宽度配合，构成适于测定的通带（或带宽）来满足上述要求。通带是由色散元件的色散率与入射狭缝宽度决定的，其表达式如下W=D

S10-3W为单色器的通带宽度（nm），D为光栅线色散率的倒数（nm·mm-1），S为狭缝宽度（um）。原子吸收分光光度计的光源

原子吸收分光光度计的光源主要是提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。

一、光源应满足以下要求1.能发射待测元素的共振线，并具有足够的强度；2.能发射锐线，否则测出的不是峰值吸收；3.辐射光强度稳定性好且背景小。常用的有空心阴极灯，无极放电灯等。空心阴极灯发光强度大，输出光谱稳定，结构简单，操作方便，获得广泛的应用。

它是一个封闭的气体放电管。用被测元素纯金属或合金制成圆柱形空心阴极，用钨、钛或锆做成阳极。灯内充Ne或Ar惰性气体，压力为数百帕。发射线波长在370.0nm以下的用石英窗口，370.0nm以上的用光学玻璃窗口。二、空心阴极灯1.材料

2.作用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。3.类型可制成单元素灯、多元素灯，但多元素灯谱线干扰大，价格贵使用受限制。4.工作条件

灯电流：空心阴极灯的光强度和稳定性与灯电流有关，增大灯的工作电流，可增加发射强度，但太大，温度上升，热变宽增加，谱线变宽，寿命缩短；灯电流过低，光强度减弱，导致稳定性信噪比下降。

灯工作电流一般在1~20mA，根据情况选择合适的灯电流，满足要求的情况下，选用较低的工作电流。特点：（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。原子吸收分光光度计的火焰原子化系统

原子吸收分光光度计的火焰原子化系统的作用为将试样中待测元素转变成原子蒸气。目前主要有火焰原子化法和非火焰原子化法。

火焰原子化法具有简单，快速，对大多数元素有较高的灵敏度和检测限的优点，因而至今使用仍最广泛。但近年来，无火焰原子化技术有了很大改进，它比火焰原子化技术具有较高的原子化效率、灵敏度和检测限，因而发展很快。一、雾化器—它的作用是将试液雾化对雾化器的要求：雾化效率高(一般为10%-12%)，雾滴细，喷雾稳定。当助燃气以一定压力高速从喷嘴中喷出时，毛细管尖端产生负压，将试液吸上来经喷雾器形成雾珠，较大的雾珠在撞击球上撞成更小的雾珠，较小的雾珠在混合器中与助燃气、燃气混合后进入燃烧器燃烧，大的雾珠冷凝后沿废液管流出。二、燃烧器

全消耗型燃烧器将试液直接喷入火焰预混和型燃烧器是用雾化器将试液雾化，在雾化室（预混和室）内将较大的雾滴除去，使试液的雾滴均匀化，然后再喷入火焰。三、火焰

火焰的作用是提供能量使试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，离解（还原）等过程产生大量基态原子。1.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，产生激发态原子越多，电离度增加；（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。但紫外短波区吸收较大。化学计量火焰：燃助比1:4

温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。富燃火焰：燃助比大于1:3

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。贫燃火焰：燃助比小于1:6火焰温度高，燃烧充分，能产生原子吸收的区域较窄，还原性差，适用于不易氧化的元素如碱金属及Ag﹑Cu﹑Ni﹑Co﹑Pd等。2.火焰类型的选择：3.常见类型火焰及温度4.火焰种类及对光的吸收

选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素的共振线，选择不同的火焰，可避开干扰：

例：As的共振线193.7nm由图可见，采用空气-乙炔火焰时，火焰产生吸收，而选氢-空气或氩-氢气火焰；空气-乙炔火焰：最常用；可测定30多种元素；N2O-乙炔火焰：火焰温度高，可测定的增加到70多种。四、火焰原子化系统的优点

火焰原子吸收法装置不太复杂，操作方便快速，测定精度好，已经成为完善和定型的方法，广泛用于常规分析。五、火焰原子化系统的缺点

1.雾化效率低，到达火焰的试样仅为提升量（4-6mL/min）的10%，大部分试液排泄掉了。2.火焰气氛的稀释作用和高速燃烧限制了灵敏度的提高。这些作用不但使原子化效率低而且使基态原子在吸收区内停留的时间很短（约10-3s）。3.消耗试液一般为0.5-1mL。对于数量很少的试样（如血液、活体组织等）的分析，受到限制。4.不能直接分析固体试样。

原子吸收分光光度计的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。一、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。

分光后的光照射到光敏阴极K上，轰击出的光电子又射向光敏阴极1，轰击出更多的光电子，依次倍增，在最后放出的光电子比最初多到106倍以上，最大电流可达10μA，电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器。二、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。三、对数变换器：光强度与吸光度之间的转换。四、显示、记录

原子吸收计算机工作站。原子吸收分光光度计的石墨炉原子化系统一、石墨炉结构

外气路中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；内气路中Ar气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被氧化，同时排除干燥和灰化过程中产生的蒸气。二、原子化过程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。

干燥：目的是蒸发除去溶剂，或样品中挥发性较大的组分。

灰化：目的是在较高温度下，不损失被测元素的前提下，进一步去除有机物或低沸点的无机物，以减少基体组分对待测元素的干扰。

原子化：施加大功率于石墨炉上，使待测残渣受到突然的功率脉冲，从而原子化。

净化：用较高温度除去残留在管内的残渣。

三、石墨炉原子化法的优点1.检出限很低，对许多元素的测定比火焰法低2-3个数量级。该法的利用率达100%，并且不被稀释，能够在很短的时间获得较高浓度的基态原子并能有较长的停留时间（0.1-1s）；2.试样用量少，每次测定仅需5-100

L；3.能够在原子化器内处理很大的试样，便于通过控制升温条件，提高测定的选择性和灵敏度；4.能直接进行粘度很大的样液、悬浮液和固体样品的分析。四、石墨炉原子化法的缺点

1.由于干扰大，必须有扣除背景装置，设备比火焰法复杂、昂贵；

2.测定的精密度较差（相对偏差约等于3%）；

3.分析所需的时间比火焰法要长。原子吸收分光光度计类型原子吸收分光光度计又叫原子吸收光谱仪。特点1.采用锐线光源2.单色器在火焰与检测器之间3.原子化系统一、原子吸收分光光度计特点按照原子化方式不同可分为火焰原子化型和非火焰原子化型。二、原子吸收分光光度计分类按照入射光不同可分为单光束原子吸收分光光度计和双光束原子吸收分光光度计。单光束型：仪器结构简单，体积小，价格低，但不能消除光源波动造成的影响（基线漂移）空心阴极灯预热时间长。双光束型：光源的任何漂移都可由参比光束的作用而得到补偿，空心阴极灯不需预热即可工作。三、原子吸收分光光度计的组成原子吸收光谱分析测定条件的选择分析方法的精密度和准确度除了与仪器的性能有关外，还与测定条件有关，注意选择：1、试样取量及处理火焰法：达到最大吸光度的试样喷雾量石墨炉法：依赖于石墨管的大小，固体0.1-10mg，液体1-5μL2、分析线选择无干扰，选共振线，激发能低，灵敏度高。若主共振线附近有干扰线，为避免干扰，可选择灵敏度稍低的其它共振线为分析线测高含量元素时，可用元素次灵敏线作分析线。3、灯电流的选择在保证光强度和稳定情况下，尽量选用低工作电流。灯电流过小时，光强不足，影响精密度；灯电流过大，灵敏度下降，灯寿命缩短4、原子化条件选择（1）火焰原子吸收法：依据不同试样元素选择不同火焰类型。调整喷雾器达到最佳雾化状态；改变燃助比选择最佳火焰类型和状态；调节燃烧器高度，从原子密度最大处通过入射光。（2）石墨炉原子吸收法：原子化程序要经过干燥，灰化，原子化，除残四阶段，各阶段的温度及持续时间要通过实验选择，进行升温程序的优化。5、单色器光谱通带选择——狭缝宽度以排除光谱干扰和具有一定透光强度为原则进行选择对于谱线简单的元素，如碱金属，碱土金属，通带可大些；以便提高信噪比和测量精密度，降低检出限对于谱线复杂的元素，如过渡金属、稀土金属用较小的通带。以便提高仪器的分辨率，改善线性范围，提高灵敏度狭缝宽度的选择与单色器的分辨能力有关，分辨能力大时，选择较宽的狭缝。在光源辐射较弱或共振线吸收较弱时，必须使用较宽的狭缝。但当背景发射较强时，在吸收线附件有干扰谱线与非吸收光存在时，就使用较窄的狭缝。狭缝宽度——测不同狭缝A，不引起A减小的最大狭缝宽度是最合适的狭缝宽度。原子吸收光谱分析的干扰及其抑制

原子吸收光谱法由于采用锐线光源，干扰较少，但是在某些情况下，干扰不能忽略。按干扰的性质和产生原因分为物理干扰化学干扰

光谱干扰

一、物理干扰（基体效应）及其抑制物理干扰——试样在转移、蒸发等过程中任何物理因素变化而起的干扰效应。这些物理因素是指溶液的粘度、蒸气压和表面张力。非选择性干扰

在火焰原子化法中，试液的粘度、表面张力的变化和雾化气压的变化，会影响进样速度和雾化效率，这样会影响进入火焰的待测元素的原子数量，从而影响吸光度。消除物理干扰的最常用方法：

使待测液与标准溶液组成相似，当试液组成确定时，也可用标准加入法来消除物理干扰。避免用粘度较大的H2SO4、H3PO4处理试样，可用有机溶剂

指待测元素与其它组分之间的化学作用所引起的干扰效应,主要影响到待测元素的原子化效率，是选择性干扰，为主要干扰源。二、化学干扰及其抑制1、化学干扰的类型（1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。

a、铝、硅、硼、钛、铍在火焰中易生成难熔化合物

b、硫酸盐、磷酸盐与钙生成难挥发物。（2）

待测原子发生电离反应，生成离子，不产生共振吸收，总吸收强度减弱，电离电位≤6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重，（如碱及碱土元素）。（1）加入释放剂

加入释放剂与干扰物质生成更稳定或更难挥发的化合物，使待测元素释放出来，从而排除干扰。

例：

PO43-生成更稳定的LaPO4，抑制了PO43-对Ca2+的化学干扰，Ca2+被释放出来，提高了测定的灵敏度。常用的释放剂：LaCl3、Sr(NO3)2等。2、消除化学干扰的常用方法加入LaCl3作为释放剂

LaCl3+H3PO4=LaPO4+3HCl（2）加入保护剂

保护剂（通常是配位剂）的加入可使干扰元素不能与待测元素结合。

例：Al3+干扰Mg2+的测定，它们在火焰中生成MgO·Al2O3，加入保护剂8–羟基喹啉，与干扰元素Al生成对热稳定性较强的配合物，抑制了Al对Mg的干扰

例：为消除PO43-对Ca2+测定的干扰，可加入过量EDTA，EDTA与Ca2+生成稳定的配合物，CaY2-，它在火焰中易于原子化，抑制了PO43-对Ca2+测定的干扰使用有机络合剂有利于提高原子化效率。

（3）加入饱和剂（缓冲剂）

加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。

例：用N2O—C2H2火焰测钛时，在试样和标准溶液中加入300mgL-1以上的铝盐，使铝对钛的干扰趋于稳定。（4）加入消电离剂

加入的易电离的物质，抑制待测元素电离。碱金属常作为消电离剂：CsCl、KCl、NaCl等

例如：钙电离，在溶液中加入大量易电离的钾或铯，有大量电子存在，抑制钙的电离，提高测定灵敏度。

K----K++eCa2++2e---Ca此外还可采用萃取、沉淀、离子交换等分离方法提前把干扰离子与待测元素分离，然后再测定。三、光谱干扰及其抑制

这类干扰主要来自光源和原子化装置。

1、与光源有关的光谱干扰，主要有以下几种：

（1）在分析线附近有待测元素的谱线。可以通过调小狭缝的方法来抑制这种干扰。（2）在分析线附近有非待测元素的谱线换用纯度较高的单元素灯，合适的惰性气体减小干扰。

（3）灯的辐射中有连续背景辐射。如有共存元素的吸收线处于连续背景的发射区，可能产生假吸收。由于灯制作不良或长期不用引起。将灯反接，并用大电流空点，纯化灯内气体。或更换灯。

（1）原子化器的发射

火焰本身或原子蒸气中待测元素的发射。

可以适当增加灯电流，提高信噪比。

（2）背景吸收

气态分子对光的吸收和高浓度盐的固体颗粒对光的散射引起的干扰。A火焰气体的吸收：火焰成分有OH、CO、CN、CH，它们都会出现分子吸收，但火焰点燃后，通过“调零”方法即能克服这些影响。B金属的卤化物、氧化物、氢氧化物、部分硫酸盐和磷酸盐分子对光的吸收。随着温度的升高，它们的吸收减弱。例：在空气-乙炔焰中，Ca形成CaOH在530~560nm有一个吸收带，干扰Ba553.6nm的测定2、与原子化器有关的干扰

NaCl,KCl,CaCl2在300nm以下的紫外区有很强的分子吸收带，干扰Zn,Cd,Ni等元素的测定。C无机酸的分子吸收：H2SO4、H3PO4在250nm以下有强的分子吸收，测在紫外吸收的元素时，一般用HNO3，HCl，王水处理样品，而不用H2SO4、H3PO4D固体颗粒对光的散射原子化过程中产生的固体微粒散射光，造成虚假吸收，使吸光度升高。I0I分子吸收、微粒散射都是带光谱，产生虚假吸收，产生正误差。

（3）校正背景吸收的方法

a.邻近线校正法：可以测量与分析线临近的非吸收线的吸收（即背景吸收），再从分析线的总吸收中扣除非吸收线的吸收。b.用与试样溶液有相似组成的标准溶液来校正c.用分离基体的方法来消除影响现在很多仪器附有氘灯背景校正器。空心阴极灯提供的预测元素的共振线吸收和背景吸收的和，由氘灯测得是背景吸收，分别由两个检测器检测到，最后由减法器得到此两种信号的差。塞曼效应背景校正法是另外一种有效的背景校正方法。是指在磁场作用下简并的谱线发生分裂的现象。塞曼效应背景校正法是磁场将吸收线分裂为具有不同偏振方向的成分，利用这些偏振成分来区分被测元素和背景的吸收。分析线有好几条，可选用选用其它谱线分离干扰元素被测元素共振线干扰元素共振线信号相等时浓度比火焰Cu324.754Eu324.753500:1C2H2-N2OFe271.903Pt271.904500:1C2H2-N2OSi250.689V250.6908:1C2H2-N2OAl308.215V308.211200:1C2H2-N2OHg253.652Co253.6498:1C2H2-空气Mn403.307Ca403.29820:1C2H2-N2OGa403.298Mn403.3073:1C2H2-空气3、光谱线重叠干扰

（概率很小，但是仍有个别现象）4、有机溶剂的影响有机溶剂可改变火焰的温度和组成，影响原子化效率；溶剂的产物会引起发射和吸收，有机溶剂燃烧不完全将产生微粒碳而引起散射；有机溶剂既是干扰元素之一，也可有效提高测定的灵敏度。原子吸收光谱分