第九章 原子吸收光譜分析,(Atomic Absorption Spectrometry, AAS),9.1 基本原理,原子吸收光譜分析是基于試樣的原子蒸氣中被測元素的基態(tài)原子對由光源發(fā)出的該原子的特征譜線產(chǎn)生共振吸收，其吸光度在一定范圍內(nèi)與蒸氣相中被測元素的基態(tài)原子濃度成正比，以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法。 原子吸收光譜位于光譜的紫外區(qū)和可見區(qū)。,原子吸收光譜的產(chǎn)生,當(dāng)適當(dāng)波長的光通過含有基態(tài)原子的蒸氣時，其中某些波長的光可使基態(tài)原子激發(fā)而本身被吸收，從而產(chǎn)生原子吸收光譜。,原子吸收譜線的產(chǎn)生,共振線 基態(tài)第一激發(fā)態(tài),吸收一定頻率的輻射能量。 產(chǎn)生共振吸收線 吸收光譜 激發(fā)態(tài)基態(tài),發(fā)射出一定頻率的輻射。 產(chǎn)生共振發(fā)射線 發(fā)射光譜,E,基態(tài),第一激發(fā)態(tài),熱能,9.1.1 原子吸收光譜的譜線輪廓,原子吸收光譜線并不是嚴(yán)格地幾何意義上的線,而是有相當(dāng)窄的頻率或波長范圍，即有一定的寬度。一束不同頻率強度為I0的平行光通過厚度為l的原子蒸氣，一部分光被吸收，透過光的強度Iv服從吸收定律 Iv = I0exp(-kvl) （9.1） 式中k是基態(tài)原子對頻率為的光的吸收系數(shù)。 不同元素原子吸收不同頻率的光.,Iv與v 的關(guān)系 原子吸收光譜輪廓圖,譜線輪廓 左圖：吸收線強度I大小隨頻率變化。在中心頻率0處有最大吸收； 右圖：以K-作圖，得吸收線輪廓。在中心頻率0處有最大的中心吸收系數(shù) 從圖中可知，無論是原子發(fā)射線或吸收線，譜線都有一定寬度（以半寬度表示）。這主要是由于原子的性質(zhì)及其外界因素引起的。,譜線寬度受到很多因素的影響,（1） 自然寬度 沒有外界影響，譜線仍有一定的寬度稱為自然寬度。它與激發(fā)態(tài)原子的平均壽命有關(guān)，平均壽命愈長，譜線寬度愈窄。不同譜線有不同的自然寬度，在多數(shù)情況下約為10-5nm數(shù)量級。,（2） Doppler（多普勒）變寬,通常在原子吸收光譜法測定條件下，Doppler變寬是影響原子吸收光譜線寬度的主要因素。Doppler寬度是由于原子熱運動引起的，又稱為熱變寬。 從物理學(xué)中可知，無規(guī)則熱運動的發(fā)光的原子運動方向背離檢測器，則檢測器接收到的光的頻率較靜止原子所發(fā)的光的頻率低;反之，發(fā)光原子向著檢測器運動，檢測器接受光的頻率較靜止原子發(fā)的光頻率高，這就是Doppler效應(yīng)。,（3） 壓力變寬,當(dāng)原子吸收區(qū)氣體壓力變大時，相互碰撞引起的變寬是不可忽略的。原子之間的相互碰撞導(dǎo)致激發(fā)態(tài)原子平均壽命縮短，引起譜線變寬。 根據(jù)與其碰撞的原子不同，又可分為Lorentz變寬及Holtsmark變寬兩種。 Lorentz（勞倫茨）變寬:是指被測元素原子和其它種粒子碰撞引起的變寬，它隨原子區(qū)內(nèi)氣體壓力增大和溫度升高而增大。 Holtsmark（赫魯茲馬克）變寬:是指和同種原子碰撞而引起的變寬，也稱為共振變寬。,（4） 自吸變寬,由自吸現(xiàn)象而引起的譜線變寬稱為自吸變寬。光源空心陰極燈發(fā)射的共振線被燈內(nèi)同種基態(tài)原子所吸收產(chǎn)生自吸現(xiàn)象，從而使譜線變寬。燈電流愈大，自吸變寬愈嚴(yán)重。,(5)場致變寬,此外，由于外界電場或帶電粒子、離子形成的電場及磁場的作用，使譜線變寬稱為場致變寬。這種變寬影響不大。,9.1.2 原子吸收光譜的測量,（1） 積分吸收 在吸收線輪廓內(nèi)，吸收系數(shù)的積分稱為積分吸收系數(shù)，簡稱為積分吸收，它表示吸收的全部能量。從理論上可以得出，積分吸收與原子蒸氣中吸收輻射的原子數(shù)成正比。數(shù)學(xué)表達式為 （9.3） 式中，e為電子電荷；m為電子質(zhì)量；c為光速；N0為單位體積內(nèi)基態(tài)原子數(shù)；f為振子強度，即能被入射輻射激發(fā)的每個原子的平均電子數(shù)，它正比于原子對特定波長輻射的吸收幾率。,但積分吸收的測定非常困難。因為原子吸收線的半寬度很小，只有0.001-0.005A。要分辨如此寬度的譜線，對波長為500 nm,其分辨率應(yīng)為： 這是現(xiàn)代儀器不可能達到的！ 如果用連續(xù)光譜作光源，所產(chǎn)生的吸收值將是微不足道的，儀器也不可能提供如此高的信噪比！,盡管原子吸收現(xiàn)象早在18世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)，但一直未用于分析。直到1955年，Walsh提出以“峰值吸收”來代替“積分吸收”。從此，積分吸收難于測量的困難得以間接地解決。,（2） 銳線光源,銳線光源是發(fā)射線半寬度遠小于吸收線半寬度的光源，如空心陰極燈。在使用銳線光源時，光源發(fā)射線半寬度很小，并且發(fā)射線與吸收線的中心頻率一致。這時發(fā)射線的輪廓可看作一個很窄的矩形，即峰值吸收系數(shù)Kv在此輪廓內(nèi)不隨頻率而改變，吸收只限于發(fā)射線輪廓內(nèi)。這樣，一定的K0即可測出一定的原子濃度，見圖9.1。,圖9.1 峰值吸收測量示意圖,1955年Walsh A提出，在溫度不太高的穩(wěn)定火焰條件下，峰值吸收系數(shù)與火焰中被測元素的原子濃度也成正比。吸收線中心波長處的吸收系數(shù)K0為峰值吸收系數(shù)，簡稱峰值吸收。前面指出，在通常原子吸收測定條件下，原子吸收線輪廓取決于Doppler寬度，吸收系數(shù)為,（3） 峰值吸收,積分式（7.4），得 將式（7.3）代入，得 峰值吸收系數(shù)與原子濃度成正比，只要能測出K0就可得到N0。,(9.5),(9.6),強度為I0的某一波長的輻射通過均勻的原子蒸氣時，根據(jù)吸收定律，有 II0exp(-Kvl) 式中，I0與I分別為入射光與透射光的強度，Kv為峰值吸收系數(shù)，l為原子蒸氣吸收層厚度。 當(dāng)在原子吸收線中心頻率附近一定頻率范圍v測量，則,使用銳線光源，v很小，用中心頻率處的峰值吸收系數(shù)K0來表示原子對輻射的吸收。吸光度A為 （9.9） 將（7.6）式代入（7.9）式，得到,(9.10),在原子吸收測定條件下，如前所述原子蒸氣中基態(tài)原子數(shù)N0近似地等于原子總數(shù)N。在實際測量中，要測定的是試樣中某元素的含量而不是蒸氣中的原子總數(shù)。但是，實驗條件一定，被測元素的濃度c與原子蒸氣中原子總數(shù)保持一定的比例關(guān)系，即 N0 = a c (9.11),式中a為比例常數(shù) 代入式（7.10）中，則 實驗條件一定，各有關(guān)的參數(shù)都是常數(shù)，吸光度為 A= kc (9.13) 式中k為常數(shù)。（7.13）式為原子吸收測量的基本關(guān)系式。,（9.12),9.2 原子吸收分光光度計,原子吸收分光光度計由光源、原子化器、分光器、檢測系統(tǒng)等幾部分組成?；緲?gòu)造見圖9.2,9.2.1 光源,光源的功能是發(fā)射被測元素的特征共振輻射。 光源的基本要求：1.發(fā)射的共振輻射的半寬度要明 顯小于吸收線的半寬度；2.輻射強度大；3,背 景低，低于特征共振輻射強度的1%；4,穩(wěn)定性 好，30min之內(nèi)漂移不超過1。,空心陰極燈放電是一種特殊形式的低壓輝光放電，放電集中于陰極空腔內(nèi)。 正離子從電場獲得動能。如果正離子的動能足以克服金屬陰極表面的晶格能，當(dāng)其撞擊在陰極表面時，就可以將原子從晶格中濺射出來。除濺射作用之外，陰極受熱也要導(dǎo)致陰極表面元素的熱蒸發(fā)。濺射與蒸發(fā)出來的原子進入空腔內(nèi)，再與電子、原子、離子等發(fā)生第二類碰撞而受到激發(fā)，發(fā)射出相應(yīng)元素的特征共振輻射。,空心陰極燈,9.2.2 原子化器,原子化器的功能是提供能量，使試樣干燥、蒸發(fā)和原子化。在原子吸收光譜分析中，試樣中被測元素的原子化是整個分析過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實現(xiàn)原子化的方法，最常用有兩種：一種是火焰原子化法，是原子光譜分析中最早使用的原子化方法，至今仍在廣泛地被應(yīng)用；另一種是非火焰原子化法，其中應(yīng)用最廣的是石墨爐電熱原子化法。,（1） 火焰原子化器,火焰原子化法中常用的預(yù)混合型原子化器，其結(jié)構(gòu)如圖9.3所示。這種原子化器由霧化器、混合室和燃燒器組成。,圖9.3 預(yù)混合型火焰原子化器示意圖,（2） 非火焰原子化器,非火焰原子化器中，常用的是管式石墨爐原子化器，其結(jié)構(gòu)如圖7.4所示。,圖9.4 管式石墨爐原子化器示意圖,9.2.3 分光器,分光器由入射和出射狹縫、反射鏡和色散元件組成，其作用是將所需要的共振吸收線分離出來。分光器的關(guān)鍵部件是色散元件，現(xiàn)在商品儀器都是使用光柵。原子吸收光譜儀對分光器的分辨率要求不高，曾以能分辨開鎳三線Ni230.003，Ni231.603，Ni231.096nm為標(biāo)準(zhǔn)，后采用Mn279.5和Mn279.8nm代替Ni三線來檢定分辨率。光柵放置在原子化器之后，以阻止來自原子化器內(nèi)的所有不需要的輻射進入檢測器。,9.2.4 檢測系統(tǒng),原子吸收光譜儀中廣泛使用的檢測器是光電倍增管，最近一些儀器也采用CCD作為檢測器。,9.3 干擾及其消除方法,9.3.1 物理干擾 物理干擾是指試樣在轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)過程中任何物理因素變化而引起的干擾效應(yīng)。屬于這類干擾的因素有：試液的粘度、溶劑的蒸氣壓、霧化氣體的壓力等。物理干擾是非選擇性干擾，對試樣各元素的影響基本是相似的。 配制與被測試樣相似的標(biāo)準(zhǔn)樣品，是消除物理干擾的常用的方法。在不知道試樣組成或無法匹配試樣時，可采用標(biāo)準(zhǔn)加入法或稀釋法來減小和消除物理干擾。,化學(xué)干擾是指待測元素與其它組分之間的化學(xué)作用所引起的干擾效應(yīng)，它主要影響待測元素的原子化效率，是原子吸收分光光度法中的主要干擾來源。,9.3.2 化學(xué)干擾,化學(xué)干擾的類型 （1）待測元素與其共存物質(zhì)作用生成難揮發(fā)的化合物，致使參與吸收的基態(tài)原子減少。 例：a、鈷、硅、硼、鈦、鈹在火焰中易生成難熔化合物 b、硫酸鹽、硅酸鹽與鋁生成難揮發(fā)物。 （2）待測離子發(fā)生電離反應(yīng)，生成離子，不產(chǎn)生吸收，總吸收強度減弱，電離電位6eV的元素易發(fā)生電離，火焰溫度越高，干擾越嚴(yán)重，（如堿及堿土元素）。,化學(xué)干擾的抑制,通過在標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液中加入某種光譜化學(xué)緩沖劑來抑制或減少化學(xué)干擾： （1）釋放劑：與干擾元素生成更穩(wěn)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(wěn)定的絡(luò)合物，防止干擾物質(zhì)與其作用。 例：加入EDTA生成EDTA-Ca，避免磷酸根與鈣作用。 （3）飽和劑：加入足夠的干擾元素，使干擾趨于穩(wěn)定。 例：用N2OC2H2火焰測鈦時，在試樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入300mgL-1以上的鋁鹽，使鋁對鈦的干擾趨于穩(wěn)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。 （5） 加入緩沖劑或基體改進劑： 例: 加入EDTA可使Cd的原子化溫度降低。 （6） 化學(xué)分離：溶劑萃取、離子交換、沉淀分離等,9.3.3 電離干擾,在高溫下原子電離，使基態(tài)原子的濃度減少，引起原子吸收信號降低，此種干擾稱為電離干擾。電離效應(yīng)隨溫度升高、電離平衡常數(shù)增大而增大，隨被測元素濃度增高而減小。 加入更易電離的堿金屬元素，可以有效地消除電離干擾。,與光源有關(guān)的光譜干擾 （1）與分析線相鄰的是待測元素的譜線； （2）與分析線相鄰的是非待測元素的譜線： 如果此譜線是該元素的非吸收線，則工作曲線彎曲； 如果此譜線是該元素的吸收線，而當(dāng)試樣中含有此元素時，將產(chǎn)生“假吸收”； 光譜線重疊干擾 由于大部分元素都具有好幾條分析線，因此大都可選用其他譜線而避免干涉，或者用分離干擾元素的方法來解決。,9.3.4 光譜干擾,9.4 原子吸收光譜分析的實驗技術(shù),7.4.1 測量條件的選擇 （1）分析線 通常選用共振吸收線為分析線，測定高含量元素時，可以選用靈敏度較低的非共振吸收線為分析線。,（2）狹縫寬度,狹縫寬度影響光譜通帶寬度與檢測器接受的能量。原子吸收光譜分析中，光譜重疊干擾的幾率小，可以允許使用較寬的狹縫。調(diào)節(jié)不同的狹縫寬度，測定吸光度隨狹縫寬度而變化，當(dāng)有其他的譜線或非吸收光進入光譜通帶內(nèi)，吸光度將立即減小。不引起吸光度減小的最大狹縫寬度，即為應(yīng)選取的合適的狹縫寬度。,（3）空心陰極燈的工作電流,空心陰極燈一般需要預(yù)熱1030min才能達到穩(wěn)定輸出。燈電流過小，放電不穩(wěn)定，故光譜輸出不穩(wěn)定，且光譜輸出強度?。粺綦娏鬟^大，發(fā)射譜線變寬，導(dǎo)致靈敏度下降，校正曲線彎曲，燈壽命縮短。選用燈電流的一般原則是，在保證有足夠強且穩(wěn)定的光強輸出條件下，盡量使用較低的工作電流。通常以空心陰極燈上標(biāo)明的最大電流的1/22/3作為工作電流。在具體的分析場合，最適宜的工作電流由實驗確定。,（4）原子化條件的選擇,在火焰原子化法中，火焰類型和特征是影響原子化效率的主要因素。對低、中溫元素，使用空氣乙炔火焰；對高溫元素，采用氧化亞氮乙炔高溫火焰；對分析線位于短波區(qū)（200nm以下）的元素，使用空氣氫火焰是合適的。,（5）進樣量,進樣量過小，吸收信號弱，不便于測量；進樣量過大，在火焰原子化法中，對火焰產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，在石墨爐原子化法中，會增加除殘的困難。在實際工作中，應(yīng)測定吸光度隨進樣量的變化，達到最滿意的吸光度的進樣量，即為應(yīng)選擇的進樣量。,9.4.2 定量分析方法,（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線法 配制一組合適的標(biāo)準(zhǔn)溶液，由低濃度到高濃度，依次噴入火焰，分別測定其吸光度A。以測得的吸光度為縱坐標(biāo)，待測元素的含量或濃度c為橫坐標(biāo)，繪制Ac標(biāo)準(zhǔn)曲線。在相同的試驗條件下，噴入待測試樣溶液，根據(jù)測得的吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線求出試樣中待測元素的含量。,注意： 所配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，應(yīng)在吸光度與濃度呈直線關(guān)系的范圍內(nèi)； 標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液都應(yīng)用相同的試劑處理； 應(yīng)該扣除空白值； 在整個分析過程中操作條件應(yīng)保持不變； 由于噴霧效率和火焰狀態(tài)經(jīng)常變動，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率也隨之變動，因此，每次測定前應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)溶液對吸光度進行檢查和校正。,在使用本法時要注意以下幾點： 所配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，應(yīng)在吸光度與濃度呈直線關(guān)系的范圍內(nèi)； 1）標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液都應(yīng)用相同的試劑處理； 2）應(yīng)該扣除空白值； 3）在整個分析過程中操作條件應(yīng)保持不變； 4）由于噴霧效率和火焰狀態(tài)經(jīng)常變動，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率也隨之變動，因此，每次測定前應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)溶液對吸光度進行檢查和校正。,（2）標(biāo)準(zhǔn)加入法,取相同體積的試樣溶液兩份，分別移入容量瓶A及B中，另取一定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入B中，然后將兩份溶液稀釋至刻度，測出A及B兩溶液的吸光度。設(shè)試樣中待測元素（容量瓶A中）的濃度為cx，加入標(biāo)準(zhǔn)溶液（容量瓶B中）的濃度為c0，A溶液的吸光度為Ax，B溶液的吸光度為A0，則可得： Axkcx A0k（c0cx） 由上兩式得： cx c0,實際測定中，都采用下述作圖法：取若干份（例如四份）體積相同的試樣溶液，從第二份開始按比例加入不同量的待測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后用溶劑稀釋至一定體積（設(shè)試樣中待測元素的濃度為cx，加入標(biāo)準(zhǔn)溶液后濃度分別為cxc0、 cx2c0、cx4c0 ），分別測得其吸光度（ Ax，A1，A2及A3），以A對加入量作圖，得圖4.25所示的直線。這時曲線并不通過原點。顯然，相應(yīng)的截距所反映的吸收值正是試樣中待測元素所引起的效應(yīng)。如果外延此曲線使與橫坐標(biāo)相交，相應(yīng)于原點與交點的距離，即為所求試樣中待測元素的濃度cx,圖9.6 標(biāo)準(zhǔn)加入法,使用標(biāo)準(zhǔn)加入法時應(yīng)注意以下幾點:,1）待測元素的濃度與其相應(yīng)的吸光度應(yīng)呈直線關(guān)系； 2）為了得到較為精確的外推結(jié)果，最少應(yīng)采用4個點（包括試樣溶液本身）來作外推曲線，并且第一份加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣溶液的濃度之比應(yīng)適當(dāng)，這可通過試噴試樣溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液，比較兩者的吸光度來判斷。增量值的大小可這樣選擇，使第一個加入量產(chǎn)生的吸收值約為試樣原吸收值的一半； 3）本法能消除基體效應(yīng)帶來的影響，但不能消除背景吸收的影響，這是因為相同的信號，既加到試樣測定值上，也加到增量后的試樣測定值上，因此只有扣除了背景之后，才能得到待測元素的真實含量，否則將得到偏高結(jié)果； 4）對于斜率太小的曲線（靈敏度差），容易引進較大的誤差。,9.4.3 靈敏度與檢出限,（1）靈敏度及特征濃度 在原子吸收分光光度分析中，靈敏度S定義為校正曲線的斜率，其表達式為： S= 或 S=,即當(dāng)待測元素的濃度c或質(zhì)量m改變一個單位時，吸光度A的變化量。,（2）檢出限 檢出限是指產(chǎn)生一個能夠確證在試樣中存在某元素的分析信號所需要的該元素的最小含量。亦即待測元素所產(chǎn)生的信號強度等于其噪聲強度標(biāo)準(zhǔn)偏差三倍時所相應(yīng)的質(zhì)量濃度或質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用g mL-1或g g-1表示。絕對檢出限則用m表示； Dc= (4.63) 或 Dm= （4.64）,9.5 應(yīng)用,應(yīng)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(fā)中微量元素的測定微量元素與健康關(guān)系； (2)水中微量元素的測定環(huán)境中重金屬污染分布規(guī)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。,