基礎醫(yī)學課件原子吸收光譜分析

1、原子吸收光譜分析原子吸收光譜法 Atomic Absorption Spectrometry, (AAS) 原子吸收分光光度法Atomic Absorption Spectrophotometry, (AAS) 原子吸收光譜分析6/13/2022( )1.簡述2.方法原理3.儀器設備 4.火焰原子化法測試的工作參數(shù)選擇 5.石墨爐原子化法測試的工作參數(shù)選擇 6.干擾及消除 原子吸收光譜分析6/13/2022第一節(jié).簡述n1802年，伍朗斯頓(W. H. Wollaston)在進行太 陽觀察時，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中存在一些暗線。n夫郎霍費(J. Fraunhofer)在18141817年，布魯 斯特(

2、D. Brewster) 在1820年相繼對這些暗線 進行仔細的觀察，認為是由于太陽外圍較冷 的氣體吸收了太陽光所引起的。 1.原子吸收的發(fā)現(xiàn)原子吸收光譜分析6/13/20226/13/2022原子吸收光譜分析46/13/2022原子吸收光譜分析5n1860年，克?；舴?G. R. Kirchoff)和本生(R. Bunsen)用鈉光燈照射含有食鹽的火焰，發(fā)現(xiàn)這些火焰對鈉光有吸收現(xiàn)象。 他們又對其它幾種堿金屬以及堿土金屬的火焰進行研究，發(fā)現(xiàn)它們都對某些特征光線有吸收，并且火焰中受熱的鈉蒸汽所發(fā)射的黃線與太陽光譜暗D線有準確的對應關系，于是他們認為太陽光譜中的暗線由于太陽外圍氣體中的某些元素吸收

3、了太陽的連續(xù)光譜造成的。他們還指出，原子蒸氣既能吸收一定波長的光形成特征光譜，也能發(fā)射出同樣波長的譜線。并進一步指出，在通常情況下，火焰的溫度比光源溫度低的原子能夠吸收來自光源發(fā)射的光。 6/13/2022原子吸收光譜分析66/13/2022原子吸收光譜分析71952年，澳大利亞物理學家沃爾什(A. Walsh)對原子吸收光譜應用的可行性進行了一系列的研究和實驗。1955年他發(fā)表了著名的原子吸收光譜在分析化學中的應用的論文，提出了在采用銳線光源的情況下，可以用峰值吸收代替面積吸收，并且進行了詳細的理論推導(后面部分我們會有簡要介紹)。這就為原子吸收分光光度法奠定了理論基礎。同時他還研制了第一臺

4、原子吸收分光光度計，即原子吸收光譜儀。鑒于沃爾什在建立和發(fā)展原子吸收光譜分析方面的歷史功勛，1991年在挪威卑爾根召開的第27屆國際光譜學大會(CSI)上授予他第一屆CSI獎。6/13/2022原子吸收光譜分析8Alan Walsh(1916-1998)和他的原子吸收光譜儀6/13/2022原子吸收光譜分析9 但因這種裝置結構過于復雜，操作煩瑣，未能獲得推廣。 1961年美國Perkin-Elmer公司推出了世界上第一臺火焰原子吸收分光光度計商品儀。 1965年威廉斯(J. B. Willis)和阿莫斯(Amos)又提出了采用N2O乙炔高溫火焰代替空氣乙炔火焰測試高溫元素氧化物，使原子吸收光譜

5、儀可測定元素擴展到70多種。 1968年，馬斯曼(H. Massmann)對里沃夫提出的電加熱裝置進行了重大改進，采用半封閉條件下使樣品溶液在石墨管內(nèi)低電壓大電流直接加熱，分階段將石墨爐溫度升至原子化溫度，大大簡化了石墨爐。優(yōu)點： 檢出限低 火焰原子吸收法的檢出限可達到ng/mL量級,石墨爐原子吸收光譜法的檢出限可達到10-1310-14g。 選擇性好 由于原子吸收是線狀吸收，又采用待測元素特征譜線作為光源，即使在溶液中有多個元素共存，只要它們不與待測元素產(chǎn)生難原子化的化合物，就不會產(chǎn)生較大的譜線干擾。加上吸收譜線比發(fā)射譜線少的多，各元素譜線的重疊干擾少，因此選擇性好?；鹧嬖游辗椒ㄓ捎?/

6、13/2022原子吸收光譜分析104.原子吸收光譜分析的特點譜線干擾帶來的誤差一般在2%以內(nèi)，非火焰方法的誤差在4%以內(nèi)。 精密度高 原子吸收光譜法的相對標準偏差一般達到1%沒有困難，最好時可以達到0.3%或更好。 抗干擾能力強 原子吸收線數(shù)目少，一般不存在共存元素的光譜重疊干擾。干擾主要來自化學干擾。 應用范圍廣 適用分析的元素范圍廣，可分析周期表中絕大多數(shù)的金屬與非金屬元素。2022/6/13原子吸收光譜分析116/13/2022原子吸收光譜分析12 用樣量小 FAAS進樣量為3mL/min6mL/min，采用微量進樣時甚至可以小至10L50L。GFAAS液體進樣量為10L20L，固體進樣

7、量為毫克量級。 儀器設備相對比較簡單，操作簡便，易于掌握( )缺點1.單元素測定 每個元素需要特定的空心陰極燈，不能多元素同時測定。2.線性范圍窄 給對未知樣品的測定帶來不便，有時需多次稀釋或濃縮才能滿足測試的需求。3.高溫元素準確性差 如Zr,Nb,Ta,Mo,W,稀土等測得的準確性較差，有的儀器甚至不能測定，原因是靈敏度太低。 為克服這些缺點，現(xiàn)在不少廠家也在進行改進。如同時可點亮多個燈，通過程序進行燈與燈的自動切換，利用蠕動泵進行在線稀釋等。2022/6/13原子吸收光譜分析13 原子吸收光譜儀的種類很多。如果從原子化系統(tǒng)上劃分，可分為火焰原子吸收光譜儀(FAAS)、石墨爐原子吸收光譜儀

8、(GFAAS)和火焰/石墨爐原子吸收光譜儀(G/FAAS)三種。如果從光路上劃分，可分為單光束原子吸收光譜儀和雙光束原子吸收光譜儀兩大類。前面討論的基本上是單光束原子吸收光譜儀的情形，實際上現(xiàn)在的原子吸收光譜儀基本都是雙光束原子吸收光譜儀，其中一束光為檢測光束，另一束光為參比光束。由于參比光與檢測光處于相同的測試條件下，可有效地克服光源強度漂移帶來的變化。2022/6/13原子吸收光譜分析145.原子吸收光譜儀的類型2022/6/13原子吸收光譜分析152022/6/13原子吸收光譜分析16AA 800原子吸收光譜儀光路圖6/13/2022原子吸收光譜分析17第二節(jié) 方法原理1.方法概述 原子

9、吸收分析方法，是利用呈基態(tài)的原子蒸氣吸收一定特征的輻射光，在一定的濃度范圍內(nèi)被吸收的光強度與蒸氣中自由原子的數(shù)目成正比，根據(jù)已知濃度的標準的比較，求得待測元素的含量。具體地說，就是首先測定若干個已知濃度的標準溶液中待測元素的吸收強度，按溶液的濃度對吸收強度作工作曲線，再測定未知樣品溶液中該元素的吸收強度，然后在此工作曲線上找出該元素的濃度，便完成了樣品溶液中某元素含量的分析。若樣品經(jīng)過溶樣、稀釋或濃縮等預處理，還應根據(jù)處理前后的量的變化關系，換算到原樣品中去。 原子由原子核和核外電子所組成。原子的能量是量子化的，形成一個一個的能級。在不受到外界擾動的情況下，原子處于穩(wěn)定的基態(tài)。 基態(tài)原子受到加

10、熱、輻射、其它粒子進行非彈性碰撞時便吸收能量。當輻射頻率與原子中的電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)所需要的能量E相匹配時，發(fā)生吸收，產(chǎn)生該種原子的特征原子吸收光譜。 原子吸收光譜通常位于光譜的紫外區(qū)和可見區(qū)。6/13/2022原子吸收光譜分析182.原子吸收光譜的產(chǎn)生3.原子吸收光譜的波長n原子吸收光譜的波長和頻率由產(chǎn)生躍遷的兩能級的能量差E決定： 高能態(tài) 其中 -波長 -頻率 低能態(tài) c-光速 h-普朗克常數(shù)。 原子光譜波長是進行光譜定性分析的依據(jù)。6/13/2022原子吸收光譜分析19hcEh6/13/2022原子吸收光譜分析206.共振線 如果電子是從基態(tài)吸收光后躍遷到激發(fā)態(tài)，我們稱這種吸收譜線

11、為共振線(原子發(fā)射光譜中也有共振線)，如果躍遷到第一激發(fā)態(tài)，就稱之為第一共振線，如果躍遷到第二激發(fā)態(tài)，就稱之為第二共振線，余次類推。由于電子處在基態(tài)的原子數(shù)目最大，又最容易躍遷到第一激發(fā)態(tài)，因而一般說來，第一共振線的吸收強度最大，是元素的最靈敏線，也是原子吸收分析中優(yōu)先選擇的譜線。原子中電子間會產(chǎn)生自旋偶合，激發(fā)態(tài)會出現(xiàn)能級分裂，故第一共振線往往不止一條。 6/13/2022原子吸收光譜分析21如Na元素就有兩條第一共振線：588.995 nm和589.592 nm。 除了基態(tài)電子能夠吸收光躍遷到激發(fā)態(tài)外，較低的激發(fā)態(tài)電子也能吸收光躍遷到更高能量的激發(fā)態(tài)。因此，共振線一定是吸收線，但吸收線不一

12、定是共振線。顯然，這種激發(fā)所占的比例很小，所產(chǎn)生的吸收譜線很弱，一般不能選作進行原子吸收分析的譜線。但對于過渡元素，由于能態(tài)的復雜性，會經(jīng)常出現(xiàn)最靈敏線不是共振線的情況。8.3實際測量 在實際工作中，對于原子吸收值的測量是以一定光強的單色光I0通過原子蒸氣，然后測出被吸收后的光強I，此一吸收過程符合瑯伯-比爾(Lambert)定律，即：式中K為吸收系數(shù)，N為自由原子總數(shù)（基態(tài)原子數(shù)），L為吸收層厚度。 220kNLII e6/13/2022原子吸收光譜分析 吸光度A可用下式表示 在實際分析過程中，當實驗條件一定時，N正比于待測元素的濃度。230loglog0.4343kNLIAekNLI 6/

13、13/2022原子吸收光譜分析( )6/13/2022原子吸收光譜分析24計算機原子化系統(tǒng)檢測系統(tǒng)分光系統(tǒng)光 源樣品第三節(jié) 儀器設備 原子吸收儀器的種類繁多，型號各異，但從功能上劃分，它們都是由光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等四部分組成。現(xiàn)在的原子吸收儀器增加了計算機控制部分，用于對上述各部分工作狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)的儲存和處理。原子吸收光譜儀各部分功能示意圖6/13/2022原子吸收光譜分析256/13/2022原子吸收光譜分析266/13/2022原子吸收光譜分析271.光源1.1 AAS對光源的要求 由前面的討論可知，原子吸收的理想光源必須滿足兩個條件：一是波長必須單一，二是光源必須

14、有足夠的強度。能否利用鎢燈或氙燈等連續(xù)光源經(jīng)過光柵分光之后的單色光作為AAS的光源呢？回答是否定的。因為這些光源經(jīng)過光柵分光之后的單色光很難保證有足夠的強度。如果增加光源的功率，勢必增加了儀器制造的成本，而且大功率的光強照射道光柵上，對光柵的要求也增加了。因此AAS必須采用專用光源，如空心陰極燈、無機放電燈、激光等，其中空心陰極燈是廣泛采用的線光源。6/13/2022原子吸收光譜分析281.2 低壓空心陰極燈 空心陰極燈是由玻璃制成的封閉著的低壓氣體放電管。早期的燈窗口根據(jù)分析譜線波長的不同選用不同材質(zhì)的玻璃，譜線波長在可見光區(qū)(370 nm以上)選用光學玻璃片，譜線波長在紫外區(qū)(370 nm

15、以下)選用石英玻璃片。現(xiàn)在的燈窗口均選用石英玻璃片。燈中心裝有內(nèi)徑為幾毫米的圓筒狀空心陰極和一環(huán)狀陽極。圓筒用濺射率低并且發(fā)射譜線簡單的材料如鋁等金屬制成。圓筒底部用鎢鎳合金支撐。圓筒內(nèi)壁，有的直接用某種元素金屬制成，但對于低熔點金屬、活性較強的金屬、價值較貴的金6/13/2022原子吸收光譜分析29屬或難加工的金屬，則采用它們的化合物或合金制成。陽極一般用金屬鎢支撐，上部用鈦絲或鉭片制成。鈦絲或鉭片具有吸氣的性質(zhì)，可以吸收燈內(nèi)雜質(zhì)氣體。減少干擾譜線。燈內(nèi)充有幾毫米汞柱的氖氣或氬氣。 空心陰極燈的發(fā)光是輝光放電發(fā)光。當燈的兩極加上電壓，會在兩極間產(chǎn)生電場，同時陰極上的電子向陽極移動并被電場加速

16、，電子與稀有氣體碰撞產(chǎn)生二次電子和稀有氣體離子，同時產(chǎn)生輝光現(xiàn)象。這些電子迅速移向陽極，而稀有氣體離子迅速移向陰極，轟擊陰極表面，使所需元素濺射出來，在陰極圓筒內(nèi)形成原子蒸氣，這些6/13/2022原子吸收光譜分析30蒸氣狀原子再次受到電子和離子的碰撞而被激發(fā)，于是在輝光中出現(xiàn)了所需元素的譜線。將陰極制成圓筒狀，是為了削弱正輝光區(qū)，增強負輝光區(qū)，提高所需元素的譜線強度，還能延長燈的壽命。意娛樂 煵搴精6/13/2022原子吸收光譜分析31 由上述討論可以看出空心陰極燈的兩個特點，其一、空心陰極燈是有壽命的。隨著燈的使用，其陰極表面的物理性質(zhì)和所需元素的濃度會發(fā)生改變，燈的發(fā)光強度，穩(wěn)定性等會逐漸變差，當這些指標達不到要求時就該換新的了。其二，我們?nèi)魷y定某個元素的含量，必須使用與其相應的空心陰極燈，如測定銅，就必須采用銅燈，因為只有銅燈才能發(fā)射出銅元素的譜線來。也就是說光源與待測元素有一一對應關系。雖然現(xiàn)在有復合燈，即同一燈的陰極表面含有幾種元素，能進行多種元素測定，但由于這種燈在測定某一元素時，也在消耗其它的所有元素，因此燈的工作時間