第八章原子吸收分光光度分析法教學目的和要求：1、了解譜線變寬的原因。2、了解積分吸收，理解峰值吸收測定的原理。3、熟悉原子吸收分光光度計各組成部件的構造、性能特點及其作用。熟悉空氣-乙炔火焰類型及其適用范圍。掌握原子吸收定量的方法。了解常見的干擾及其抑制或消除方法。熟悉測定條件的選擇。了解靈敏度、特征濃度及檢出限的定義及計算。講授內容提要：§8-1原子吸收光譜分析概述§8-2原子吸收光譜分析基本原理§8-3原子吸收分光光度計§8-4定量分析方法§8-5干擾及其抑制§8-6測定條件的選擇§8-7靈敏度、特征濃度和檢出限§8-8原子吸收光譜分析法的特點及其應用教學重點難點：§8-2原子吸收光譜分析基本原理§8-3原子吸收分光光度計§8-4定量分析方法§8-5干擾及其抑制§8-6測定條件的選擇§8-7靈敏度、特征濃度和檢出限解決方法：以火焰原子吸收光度法測定水中鎂為案例介紹原子吸收分光光度計。結合分析化學中吸光光度法測定的原理來探討原子吸收光譜分析基本原理。從原子吸收光譜分析基本原理，討論、學習定量分析方法。以干擾產生的原因為切入點，引導學生分析問題、解決問題。從原子吸收分光光度計的結構，討論學習測定條件的選擇。通過實際案例學習靈敏度、特征濃度和檢出限課后布置相應的作業，以加深學生的理解和掌握教學時數：6學時教學方法：以問題為導向，實際案例、課堂討論相結合的講授方式第一節原子吸收光譜分析基本原理一、概述generalization原子吸收現象：原子蒸氣對其原子共振輻射吸收的現象；1802年被人們發現；1955年以前，一直未用于分析化學，為什么？澳大利亞物理學家WalshA（瓦爾西）發表了著名論文：《原子吸收光譜法在分析化學中的應用》奠定了原子吸收光譜法的基礎，之后迅速發展。特點：(1)檢出限低，10-10～10-14g；(2)準確度高，1%～5%；(3)選擇性高，一般情況下共存元素不干擾；(4)應用廣，可測定70多個元素（各種樣品中）；局限性：難熔元素、非金屬元素測定困難、不能同時多元素二、原子吸收光譜的產生formationofAAS1.原子的能級與躍遷基態?第一激發態,吸收一定頻率的輻射能量。產生共振吸收線（簡稱共振線）吸收光譜激發態?基態發射出一定頻率的輻射。產生共振吸收線（也簡稱共振線）發射光譜2.元素的特征譜線（1）各種元素的原子結構和外層電子排布不同基態?第一激發態:躍遷吸收能量不同——具有特征性。（2）各種元素的基態?第一激發態最易發生，吸收最強，最靈敏線。特征譜線。（3）利用原子蒸氣對特征譜線的吸收可以進行定量分析三、譜線的輪廓與譜線變寬¨原子結構較分子結構簡單，理論上應產生線狀光譜吸收線。¨實際上用特征吸收頻率輻射光照射時，獲得一峰形吸收(具有一定寬度)。¨由：It=I0e-Kvb，透射光強度It和吸收系數及輻射頻率有關。以Kv與n作圖：表征吸收線輪廓(峰)的參數：中心頻率nO(峰值頻率)：最大吸收系數對應的頻率；中心波長：λ(nm)半寬度：ΔnO吸收峰變寬原因：（1）自然寬度照射光具有一定的寬度。（2）溫度變寬（多普勒變寬）ΔVD多普勒效應：一個運動著的原子發出的光，如果運動方向離開觀察者（接受器），則在觀察者看來，其頻率較靜止原子所發的頻率低，反之，高。（3）壓力變寬（勞倫茲變寬，赫魯茲馬克變寬）ΔVL由于原子相互碰撞使能量發生稍微變化。勞倫茲（Lorentz）變寬：待測原子和其他原子或分子碰撞。隨原子區壓力增加而增大。赫爾茲馬克（Holtsmark）變寬（共振變寬）：同種原子碰撞。濃度高時起作用，在原子吸收中可忽略（4）自吸變寬光源空心陰極燈發射的共振線被燈內同種基態原子所吸收產生自吸現象。燈電流越大，自吸現象越嚴重。（5）場致變寬外界電場、帶電粒子、離子形成的電場及磁場的作用使譜線變寬的現象；影響較小；在一般分析條件下ΔVD為主。四、積分吸收和峰值吸收1.積分吸收鎢絲燈光源和氘燈，經分光后，光譜通帶0.2mm。而原子吸收線半寬度：10-3mm。如圖：若用一般光源照射時，吸收光的強度變化僅為0.5%。靈敏度極差。理論上：討論如果將公式左邊求出，即譜線下所圍面積測量出（積分吸收）。即可得到單位體積原子蒸氣中吸收輻射的基態原子數N0。這是一種絕對測量方法，現在的分光裝置無法實現。(△λ=10-3，若λ取600nm，單色器分辨率R=λ/△λ=6×105)長期以來無法解決的難題！能否提供共振輻射（銳線光源），測定峰值吸收？2.銳線光源在原子吸收分析中需要使用銳線光源，測量譜線的峰值吸收，銳線光源需要滿足的條件：（1）光源的發射線與吸收線的ν0一致。（2）發射線的Δν1/2小于吸收線的Δν1/2。提供銳線光源的方法：空心陰極燈3.峰值吸收將It=I0e-Kvb代入上式：則：采用銳線光源進行測量，則Δνe<Δνa，由圖可見，在輻射線寬度范圍內，Kν可近似認為不變，并近似等于峰值時的吸收系數K0在原子吸收中，譜線變寬主要受多普勒效應影響，則：上式的前提條件：（1）Δνe<Δνa；（2）輻射線與吸收線的中心頻率一致。五、基態原子數與原子化溫度原子吸收光譜是利用待測元素的原子蒸氣中基態原子與共振線吸收之間的關系來測定的。需要考慮原子化過程中，原子蒸氣中基態原子與待測元素原子總數之間的定量關系。熱力學平衡時，兩者符合Boltzmann分布定律：上式中Pj和PO分別為激發態和基態的統計權重，激發態原子數Nj與基態原子數No之比較小,<1%.可以用基態原子數代表待測元素的原子總數。公式右邊除溫度T外，都是常數。T一定，比值一定。六、定量基礎當使用銳線光源時，可用K0代替Kv，則：峰值吸收系數：A=kN0bN0∝N∝c（N0激發態原子數，N基態原子數，c待測元素濃度）所以：A=lg(IO/I)=K'c第二節原子吸收光譜儀及主要部件一、流程1.特點(1)采用銳線光源(2)單色器在火焰與檢測器之間(3)原子化系統2.原子吸收中的原子發射現象在原子化過程中，原子受到輻射躍遷到激發態后，處于不穩定狀態，將再躍遷至基態，故既存在原子吸收，也有原子發射。但返回釋放出的能量可能有多種形式，產生的輻射也不在一個方向上，但對測量仍將產生一定干擾。消除干擾的措施：將發射的光調成一定頻率；檢測器只接受該頻率的光信號；原子化過程發射的非調頻干擾信號不被檢測；二、光源1.作用提供待測元素的特征光譜。獲得較高的靈敏度和準確度。光源應滿足如下要求；（1）能發射待測元素的共振線；（2）能發射銳線；（3）輻射光強度大，穩定性好。2.空心陰極燈構造3.空心陰極燈的原理（1）施加適當電壓時，電子將從空心陰極內壁流向陽極;與充入的惰性氣體碰撞而使之電離，產生正電荷，其在電場作用下，向陰極內壁猛烈轟擊;使陰極表面的金屬原子濺射出來，濺射出來的金屬原子再與電子、惰性氣體原子及離子發生撞碰而被激發，于是陰極內輝光中便出現了陰極物質和內充惰性氣體的光譜。（2）用不同待測元素作陰極材料，可制成相應空心陰極燈。空心陰極燈的輻射強度與燈的工作電流有關。（3）使用前要預熱5-20分鐘，使發光強度達到穩定。優點：（1）輻射光強度大，穩定，譜線窄，燈容易更換。（2）只有一個操作參數---電流。缺點：每測一種元素需更換相應的燈。三、原子化系統1.作用將試樣中的待測元素轉變成氣態原子。是AAS法的關鍵部分，影響測定靈敏度、干擾、準確度等2.原子化方法（1）火焰法---預混合型（2）無火焰法—電熱高溫石墨管，激光3.火焰原子化裝置——霧化器和燃燒器。（1）霧化器結構如圖所示主要缺點：霧化效率低。原子化器結構如圖所示（2）火焰試樣霧滴在火焰中，經蒸發，干燥，離解（產生大量基態原子），同時被激發而產生共振吸收。層流火焰預熱區：小于4mm，干燥氣溶膠，溫度350度第一反應區：4-6mm，溫度小于2300度，不適于AAS。中間薄層區：6-12mm，原子化區，溫度最高，基態原子濃度最大。第二反應區：大于12mm，部分原子可能重新結合為分子（3）火焰性質：（a）化學計量焰：溫度高，干擾少，穩定，背景低，常用。乙炔/空氣（1/4）（b）富燃焰：還原性火焰，燃燒不完全，測定較易形成難熔氧化物的元素Mo、Cr、Al、稀土等。乙炔/空氣（1/3）（c）貧燃焰：火焰溫度低，氧化性氣氛，適用于堿金屬測定。乙炔/空氣（1/6）4.石墨爐原子化裝置（1）結構如圖所示：外氣路中Ar氣體沿石墨管外壁流動，冷卻保護石墨管；內氣路中Ar氣體由管兩端流向管中心，從中心孔流出，用來保護原子不被氧化，同時排除干燥和灰化過程中產生的蒸汽。（2）原子化過程原子化過程分為干燥、灰化（去除基體）、原子化、凈化（去除殘渣）四個階段，待測元素在高溫下生成基態原子。（3）優缺點優點：原子化程度高（90%以上），試樣用量少（1-100μL），可測固體及粘稠試樣，靈敏度比火焰法幾個數量級高，檢測極限10-12g/L。缺點：精密度差，測定速度慢，操作不夠簡便，裝置復雜，有時記憶效應很嚴重。5.其他原子化方法（1）低溫原子化方法主要是氫化物原子化方法，原子化溫度700~900゜C；主要應用于：As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Te等元素。原理：在酸性介質中，與強還原劑硼氫化鈉反應生成氣態氫化物。例AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2將待測試樣在專門的氫化物生成器中產生氫化物，送入原子化器中檢測。特點：原子化溫度低，靈敏度高（對砷、硒可達10-9g）；基體干擾和化學干擾小（其氫化反應實際也是分離過程）；（2）冷原子化法低溫原子化方法（一般700~900゜C）；主要應用于：各種試樣中Hg元素的測量；原理：將試樣中的汞離子用SnCl2或鹽酸羥胺完全還原為金屬汞后，用氣流將汞蒸氣帶入具有石英窗的氣體測量管中進行吸光度測量。特點：常溫測量；靈敏度、準確度較高（可達10-8g汞）；四、單色器1.作用將待測元素的共振線與鄰近線分開。2.組件色散元件（棱鏡、光柵），凹凸鏡、狹縫等。3.單色器性能參數（1）倒線色散率（D）單位長度焦面上所包含的譜線范圍，nm/mm（2）分辨率儀器分開相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長與其波長差的比值，R=λ/Δλ表示。（3）通帶寬度（W）指通過單色器出射狹縫的光的波長范圍。當倒色散率（D）一定時，可通過選擇狹縫寬度S（mm）來確定：W=D′S（nm）五、檢測系統主要由檢測器、放大器、對數變換器、顯示記錄裝置組成。1.檢測器--------將單色器分出的光信號轉變成電信號。如：光電池、光電倍增管、光敏晶體管等。分光后的光照射到光敏陰極K上，轟擊出的光電子又射向光敏陰極1，轟擊出更多的光電子，依次倍增，在最后放出的光電子比最初多到106倍以上，最大電流可達10μA，電流經負載電阻轉變為電壓信號送入放大器。2.放大器------將光電倍增管輸出的較弱信號，經電子線路進一步放大。3.對數變換器------光強度與吸光度之間的轉換。4.顯示、記錄新儀器配置：原子吸收計算機工作站第三節干擾及其抑制一、光譜干擾包括：譜線干擾和背景干擾，主要來自光源和原子化器。（一）與光源有關的光譜干擾1.光譜通帶內有非吸收線，導致靈敏度下降。可通過調小狹縫或另選分析線的方法來抑制。2.空心陰極燈內有單色器不能分離的干擾元素輻射，導致假吸收。換純度較高的單元素燈或另選分析線減小干擾。（二）與原子化器有關的光譜干擾1．.來自火焰本身或原子蒸氣中待測元素的發射。可將光源的光調成一定頻率；檢測器只接受該頻率的光信號的方法減免。2.背景吸收主要是指原子化過程中所產生的光譜干擾，主要有分子吸收干擾和散射干擾，干擾嚴重時，不能進行測定。（1）分子吸收與光散射分子吸收：原子化過程中，存在或生成的分子對特征輻射產生的吸收。分子光譜是帶狀光譜，勢必在一定波長范圍內產生干擾。光散射：原子化過程中，存在或生成的微粒使光產生的散射現象。產生正偏差，石墨爐原子化法比火焰法產生的干擾嚴重如何消除？火焰種類及對光的吸收：火焰本身也對光有吸收。根據待測元素的共振線，選擇不同的火焰，可避開干擾：例：As的共振線193.7nm由圖可見，采用空氣-乙炔火焰時，火焰產生吸收，而選氫-空氣火焰則較好；空氣-乙炔火焰：最常用；可測定30多種元素；N2O-乙炔火焰：火焰溫度高，可測定70多種元素。（2）背景干擾校正方法A.氘燈連續光譜背景校正旋轉斬光器交替使氘燈提供的連續光譜和空心陰極燈提供的共振線通過火焰；連續光譜通過時：測定的為背景吸收(此時的共振線吸收相對于總吸收可忽略)；共振線通過時，測定總吸收；差值為有效吸收；只能校正190-380nmB.塞曼(Zeeman)效應背景校正法Zeeman效應：在磁場作用下簡并的譜線發生裂分的現象；校正原理：原子化器加磁場后，隨旋轉偏振器的轉動，當平行磁場的偏振光通過火焰時，產生總吸收；當垂直磁場的偏振光通過火焰時，只產生背景吸收；見下頁圖示：方式：光源調制法和共振線吸收線調制法（應用較多），后者又分為恒定磁場調制方式和可變磁場調制方式。優點：校正能力強（可校正背景A1.2～2.0）；可校正波長范圍寬：190～900nm；二、物理干擾及抑制試樣在轉移、蒸發過程中物理因素變化引起的干擾效應，主要影響試樣噴入火焰的速度、霧化效率、霧滴大小等。可通過控制試液與標準溶液的組成盡量一致的方法來抑制。三、化學干擾及抑制指待測元素與其它組分之間的化學作用所引起的干擾效應,主要影響待測元素的原子化效率，是主要干擾源。待測元素與共存物質作用生成難揮發的化合物，致使參與吸收的基態原子減少。例（1）陽離子的干擾測Ca時Al干擾，生成尖晶石CaAlO4（2）陰離子的干擾硫酸、磷酸等與Ca、Mg反應2.化學干擾的抑制通過在標準溶液和試液中加入某種光譜化學緩沖劑來抑制或減少化學干擾：（1）釋放劑—與干擾元素生成更穩定化合物使待測元素釋放出來。例：鍶和鑭可有效消除磷酸根對鈣的干擾。（2）保護劑—與待測元素形成穩定的絡合物，防止干擾物質與其作用。例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根與鈣作用。（3）緩沖劑—加入足夠的干擾元素，使干擾趨于穩定。例：用N2O—C2H2火焰測鈦時，在試樣和標準溶液中加入300mgL-1以上的鋁鹽，使鋁對鈦的干擾趨于穩定。（4）電離緩沖劑—加入大量易電離的一種緩沖劑以抑制待測元素的電離。例：加入足量的銫鹽，抑制K、Na的電離。四、電離干擾待測離子發生電離，生成離子，不產生原子吸收，總吸收強度減弱；電離電位≤6eV的元素易發生電離，火焰溫度越高，干擾越嚴重，（如堿及堿土元素）。消除方法加消電離劑----堿金屬元素第四節分析條件的選擇與應用一、特征參數1.靈敏度(1)靈敏度（S）——指在一定濃度時，測定值（吸光度）的增量（ΔA）與相應的待測元素濃度（或質量）的增量（Δc或Δm）的比值：Sc=ΔA/Δc或Sm=ΔA/Δm(2)特征濃度——指對應與1%凈吸收（IT-IS）/IT=1/100的待測物濃度（cc），或對應與0.0044吸光度的待測元素濃度.cc=0.0044Δc/ΔA單位：μg(mol1%)-1(3)特征質量mc=0.0044Δm/ΔA單位：g(mol1%)-1二、測定條件的選擇1．分析線一般選待測元素的共振線作為分析線，測量高濃度時，也可選次靈敏線2．通帶（可調節狹縫寬度改變）無鄰近干擾線（如測堿及堿土金屬）時，選較大的通帶，反之（如測過渡及稀土金屬），宜選較小通帶。3．空心陰極燈電流在保證有穩定和足夠的輻射光通量的情況下，盡量選較低的電流。4．火焰依據不同試樣元素選擇不同火焰類型。5．觀測高度調節觀測高度（燃燒器高度），可使元素通過自由原子濃度最大的火焰區，靈敏度高，觀測穩定性好。三、定量分析方法1.標準曲線法配制一系列不同濃度的標準試樣，由低到高依次分析，將獲得的吸光度A數據對應于濃度作標準曲線，在相同條件下測定試樣的吸光度A數據，在標準曲線上查出對應的濃度值；或由標準試樣數據獲得線性方程，將測定試樣的吸光度A數據帶入計算。注意：在高濃度時，標準曲線易發生彎曲，壓力變寬影響所致；2.標準加入法取若干份體積相同的試液（cX），依次按比例加入不同量的待測物的標準溶液（cO），定容后濃度依次為：cX，cX+cO，cX+2cO，cX+3cO，cX+4cO……分別測得吸光度為：AX，A1，A2，A3，A4……。以A對濃度c做圖得一直線，圖中cX點即待測溶液濃度。該法可消除基體干擾；不能消除背景干擾；四、應用應用廣泛的微量金屬元素的首選測定方法(非金屬元素可采用間接法測量)。(1)頭發中微量元素的測定—微量元素與健康關系；(2)水中微量元素的測定—環境中重金屬污染分布規律；(3)水果、蔬菜中微量元素的測定；(4)礦物、合金及各種材料中微量元素的測定；(5)各種生物試樣中微量元素的測定。第五節原子熒光光譜分析法一、概述原子在輻射激發下發射的熒光強度來定量分析的方法；1964年以后發展起來的分析方法；屬發射光譜但所用儀器與原子吸收儀器相近；1.特點(1)檢出限低、靈敏度高Cd：10-12g·cm-3；Zn：10-11g·cm-3；20種元素優于AAS(2)譜線簡單、干擾小(3)線性范圍寬（可達3～5個數量級）(4)易實現多元素同時測定（產生的熒光向各個方向發射）2.缺點存在熒光淬滅效應、散射光干擾等問題；二、基本原理1．原子熒光光譜的產生過程：當氣態原子受到強特征輻射時，由基態躍遷到激發態，約在10-8s后，再由激發態躍遷回到基態，輻射出與吸收光波長相同或不同的熒光；特點：（1）屬光致發光；二次發光；（2）激發光源停止后，熒光立即消失；（3）發射的熒光強度與照射的光強有關；（4）不同元素的熒光波長不同；（5）濃度很低時，強度與蒸氣中該元素的密度成正比，定量依據(適用于微量或痕量分析)；2.原子熒光的產生類型三種類型：共振熒光、非共振熒光與敏化熒光（1）共振熒光共振熒光：氣態原子吸收共振線被激發后，激發態原子再發出與共振線波長相同的熒光；見A、C；熱共振熒光：若原子受熱激發處于壓穩態，再吸收輻射進一步激發，然后再發射出相同波長的共振熒光；見圖B、D；（2）非共振熒光當熒光與激發光的波長不相同時，產生非共振熒光；分為：直躍線熒光、階躍線熒光、anti-Stokes熒光三種；直躍線熒光（Stokes熒光）：躍回到高于基態的亞穩態時所發射的熒光；熒光波長大于激發線波長（熒光能量間隔小于激發線能量間隔）；Pb原子：吸收線283.13nm；熒光線407.78nm；同時存在兩種形式。鉈原子：吸收線337.6nm；共振熒光線337.6nm；直躍線熒光535.0nm；階躍線熒光：光照激發，非輻射方式釋放部分能量后，再發射熒光返回基態；熒光波長小于激發線波長（熒光能量間隔大于激發線能量間隔）；非輻射方式釋放能量：碰撞，放熱；光照激發，再熱激發，返至高于基態的能級，發射熒光，圖(c)B、D；Cr原子：吸收線359.35nm；再熱激發，熒光發射線357.8