原子吸收分光光度法

1原子吸收分光光度法2第一節(jié)概述原子吸收分光光度法（atomicabsorptionspectrophotometry，AAS）又稱原子吸收光譜法，是痕量金屬元素分析最主要的方法之一。3

原子吸收分光光度法是根據(jù)物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣對特征輻射的吸收作用來進行元素定量的分析方法。

當光源輻射出待測元素的特征譜線，通過樣品的原子蒸氣時，被蒸氣中的待測元素的基態(tài)原子所吸收，測量基態(tài)原子對特征譜線的吸收程度，進行定量分析。4

1802年，發(fā)現(xiàn)原子吸收現(xiàn)象；1955年，Australia物理學家A.Walsh將該現(xiàn)象應用于分析；70年代以來得到迅速發(fā)展和廣泛應用。能測定幾十種金屬元素和一些類金屬元素，廣泛應用于物理學、環(huán)境科學、生命科學、醫(yī)學等研究領域。在研究微量元素和疾病的關系方面發(fā)揮了很大作用。5AAS特點：1）靈敏度高：火焰原子化法，10-6g/ml級，有時可達10-9g/ml級；石墨爐原子化可達10-9~10-14g/ml級。2）準確度高:RE火焰原子化法RE<1%，石墨爐原子化RE<3%~5%3）干擾小，選擇性極好；4）分析速度快5）試樣用量少6）測定范圍廣，可測70種元素。6不足：

多元素同時測定有困難；對非金屬及難熔元素的測定尚有困難對復雜樣品分析干擾也較嚴重；石墨爐原子吸收分析的重現(xiàn)性較差。7第二節(jié)基本原理一、原子吸收光譜的產(chǎn)生

每種元素的原子都有特定數(shù)目的電子圍繞原子核運動，每種原子有多種不同能量的運動狀態(tài)，不同的運動狀態(tài)對應不同的能級，其中最穩(wěn)定的狀態(tài)稱為基態(tài)。當原子吸收一定頻率的輻射時，將從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。8

原子對光的選擇性吸收而產(chǎn)生的光譜稱為原子吸收光譜（absorptionspectrum）。激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，可發(fā)射出相同頻率的輻射回到基態(tài)，由此而產(chǎn)生的光譜稱為原子發(fā)射光譜（emissionspectrum）。9原子光譜的特點：2.E=1～20eV，UV-Vis3.線狀光譜

吸收光譜只產(chǎn)生在基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)或有限激發(fā)態(tài)的躍遷，譜線簡單。(P79圖15-1)4.不同元素原子結(jié)構(gòu)不同，E不同，原子吸收光譜不同，各元素原子吸收光譜之間的干擾少。1.E=hv光吸收的量子化特征10

原子有多種激發(fā)態(tài)，從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的吸收譜線稱為共振吸收線，簡稱共振線。----原子吸收分光光度法。當電子從第一激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時，則發(fā)射相同頻率的光，產(chǎn)生的發(fā)射譜線稱為共振發(fā)射線，也簡稱共振線（resonanceline）。----原子熒光法11

由于原子結(jié)構(gòu)不同，不同元素的原子從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)所需能量不同，因此各種元素的共振線不同，是元素的特征譜線。12

從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷最容易發(fā)生，譜線強度最強，是該元素所有譜線中最靈敏的，對大多數(shù)元素來說，共振線就是元素的靈敏線。13

原子吸收光譜法就是利用待測原子的氣態(tài)基態(tài)原子對共振線的吸收來定量的，因此，共振線又稱為分析線。14二、譜線輪廓與譜線寬度

理論上講原子光譜應是線狀光譜，但實際上無論是原子發(fā)射線還是原子吸收線都不是理想的幾何線，而是具有一定的寬度，稱為譜線輪廓。15I0I0K0000(a)(c)（a）發(fā)射線輪廓（b）吸收線輪廓（c）吸收系數(shù)輪廓(b)原子光譜的譜線輪廓呈峰形，即譜線強度隨頻率或波長不同而改變，如圖

16

譜線輪廓常以中心頻率0

（或中心波長0）和半寬度來表征。中心頻率0

是指最大發(fā)射或吸收線強度I0所對應的頻率，半寬度則為最大發(fā)射或吸收線強度一半1/2I0處譜線輪廓上兩點之間的頻率差。K0稱為峰值吸收系數(shù)，即對應于中心頻率0的（最大）吸收系數(shù)。17三、原子吸收值---積分吸收與峰值吸收1.積分吸收

在原子吸收光譜中，原子所產(chǎn)生的吸收值應包括原子蒸氣所吸收的全部能量，即吸收線所包括的全部面積，稱為積分吸收（integratedabsorption），即式中，e為電子電荷；m為電子質(zhì)量；f為振子強度，N0為受到激發(fā)的每個原子的平均電子數(shù)(待測元素的基態(tài)原子數(shù))，與吸收幾率成正比。18

此式說明，在一定條件下，“積分吸收”與基態(tài)原子數(shù)成正比。只要測得積分吸收值，即可求出基態(tài)原子數(shù)或濃度。因此AAS法是一種不需要標準比較的絕對分析方法！

19但是，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0.01～0.05nm。要分辨如此寬度的譜線，現(xiàn)代儀器（單色器）是不可能達到的！20

所以，盡管原子吸收現(xiàn)象早在18世紀就被發(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”。積分吸收難于測量的困難得以間接地解決。

212.峰值吸收

1955年，Walsh指出，在溫度不太高時，當發(fā)射線和吸收線滿足以下兩個條件，即:

當e

a時，發(fā)射線很窄，發(fā)射線的輪廓可認為是一個矩形，則在發(fā)射線的范圍內(nèi)各波長的吸收系數(shù)近似相等，即K＝K0，因此可以“峰值吸收”代替“積分吸收”。223.銳線光源

根據(jù)Walsh的兩點假設，發(fā)射線必須是“銳線”（半寬度很小的譜線），

0

與吸收線相同。峰值吸收的測量I吸收線發(fā)射線

023通常K0與譜線的寬度有關，即上式表明，當用銳線光源作原子吸收測定時，可以“峰值吸收”代替“積分吸收”，所得峰值吸收與原子蒸氣中待測元素的基態(tài)原子數(shù)成正比。244.基態(tài)原子數(shù)與總原子數(shù)的關系

待測元素在進行原子化時，其中必有一部分原子吸收了較多的能量而處于激發(fā)態(tài)，據(jù)熱力學原理，當在一定溫度下處于熱力學平衡時，激發(fā)態(tài)原子數(shù)與基態(tài)原子數(shù)之比服從Boltzmann分配定律：25

可見，Nj/N0

的大小主要與“波長”及“溫度”有關。a）當溫度保持不變時：激發(fā)能（h）小或波長大，Nj/N0則大，即吸收波長長的原子處于激發(fā)態(tài)的數(shù)目多。b）溫度增加，則Nj/N0大，即處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)增加；且Nj/N0隨溫度T增加而呈指數(shù)增加。實際工作中，T通常小于3000K、波長小于600nm，故對大多數(shù)元素來說Nj/N0均小于1％，Nj與N0相比可忽略不計，處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)遠遠小于處于基態(tài)的原子數(shù)！N0可認為就是原子總數(shù)。26當一束頻率為，強度為I0

的光通過厚度為l的原子蒸汽時，其中一部分光被吸收，使該入射光的光強降低為It

，原子蒸汽lhI0

It

5.峰值吸收與原子濃度的關系27根據(jù)光吸收定律得

由于N∝c，l在一定的儀器中是確定的，所以在一定的實驗條件下，通過測定基態(tài)原子的吸光度，即可求出樣品中待測元素的含量----AAS法的定量基礎。28第三節(jié)原子吸收分光光度計

原子吸收分光光度計類型很多，其基本結(jié)構(gòu)相同，主要由光源、原子化系統(tǒng)（類似于吸收池）、分光系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)五部分組成。29一、光源AAS的光源的作用是發(fā)射待測元素特征譜線。為了實現(xiàn)峰值吸收的測量，要求：a）銳線；b）強度大，背景??；c）操作方便，壽命長。

1.空心陰極燈(HollowCathodeLamp,HCL)2.無極放電燈（Electrodelessdischargelamps）30二.原子化系統(tǒng)

原子化系統(tǒng)是原子吸收分光光度計的核心部分。其作用是將試樣中的待測元素轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)原子蒸氣，使其對光源發(fā)出的特征輻射產(chǎn)生吸收，相當于UV—Vis的吸收池。

原子化效率的高低直接影響元素測定的靈敏度。其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，又影響測定的精密度和準確度。原子化法有火焰原子化法、無火焰（石墨爐）原子化法和化學原子化法。31（一）火焰原子化法flameatomization

它是利用火焰的溫度及火焰的氧化還原氣氛，將試樣中待測元素原子化的方法。具有穩(wěn)定性高、使用方便等優(yōu)點，是常用的原子化方法之一?；鹧嬖踊饔扇糠纸M成：

a）霧化器

b）霧化室

c）燃燒器32a）霧化器：將試樣溶液霧化。要求穩(wěn)定、霧粒細而均勻、霧化效率高、適應性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面張力的溶液）。b）霧化室：使大霧滴沉降、凝聚并從廢液口排出；使小霧滴與各種氣體充分混勻形成氣溶膠，然后進入燃燒器，所以又稱預混合室；起緩沖作用，使混合氣更均勻、氣壓更穩(wěn)定、以便產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰。為了防止腐蝕和減小記憶效應，內(nèi)壁有塑料涂層。c）燃燒器：產(chǎn)生火焰并使試樣干燥、熔化、蒸發(fā)和原子化的裝置。有單縫和三縫兩種形式，其高度和角度可調(diào)（讓光通過火焰適宜的部位并有最大吸收）。燃燒器質(zhì)量主要由燃燒狹縫的性質(zhì)和質(zhì)量決定。33火焰溫度：不同類型火焰其溫度不同，如下表所示。34

由于各種元素的性質(zhì)不同，原子化的難易程度也不同。在實際測定中，需要根據(jù)元素的特性選擇不同類型的火焰，通過實驗調(diào)整燃助比及流量，調(diào)節(jié)火焰的溫度及氧化還原氣氛，以達到最佳的原子化效果。

同時，還要調(diào)節(jié)燃燒器的位置及高度，讓光源的光束準確地通過原子化區(qū)，以獲得最大的吸光度，從而提高測定的靈敏度。35

改變?nèi)細馀c助燃氣的物質(zhì)的量比（燃助比），對火焰的形狀和性質(zhì)也會產(chǎn)生影響。最適宜的比例一般通過實驗來確定。任何一種火焰均可按燃氣與助燃氣的比例分為三類具不同性質(zhì)的火焰：1）化學計量型：指燃助比近似于二者反應的計量關系，又稱中性火焰。溫度高、穩(wěn)定、干擾小、背景低，適于大多數(shù)元素分析；2）富燃火焰：燃氣比例較大的火焰（燃助比大于化學計量比）。燃燒不完全、溫度略低，具還原性，適于難分解的氧化物的元素分析。但干擾較大、背景高。3）貧燃火焰：助燃氣大于化學計量的火焰。溫度最低，具氧化性，適于易解離和易電離的元素，如堿金屬。36

火焰原子化法的局限：1.靈敏度不高:火焰原子化器的霧化效率低，原子化效率也低，基態(tài)原子蒸氣在火焰吸收區(qū)停留時間短，同時，原子蒸氣在火焰中被大量氣體稀釋，使得其靈敏度不高。2.測定時，試液消耗量在0.5ml以上，使?jié)舛鹊?、試樣量少的試樣分析受到限制?7（二）石墨爐原子化法

也稱無火焰原子化法，是利用電熱的方法使試樣原子化。它克服了火焰原子化法溫度較低、試樣消耗大、原子化效率低的缺點，把測定的靈敏度提高幾個數(shù)量級，所需試樣量少，原子化效率高，是痕量元素分析的較好方法。取樣量少，測定重見性依賴于樣品均勻性，較差。38石墨爐原子化器包括電源、保護系統(tǒng)和石墨管三部分。39原子化的程序升溫四個步驟：干燥：100℃，蒸發(fā)掉樣品中的溶劑灰化：350~1200℃，減少來自于樣品中低沸點無機/有機物的基體干擾原子化：2000~3000℃，同時測定峰值吸收凈化：100~200℃，除去殘留物，消除記憶效應。40P88表5-5

火焰原子化法和石墨爐原子化法的比較（自學）41(三）化學還原原子化法---氫化物發(fā)生法、冷原子化法對于一些元素如As、Sb、Si、Se、Ge、Sn、Pb等，用常規(guī)火焰/無火焰法分析時，背景吸收嚴重，信噪比低。而這些元素的氫化物是揮發(fā)性的，且容易解離，因此常以氫化物原子化法測定這些元素。具體方法是：在鹽酸溶液中與NaBH4發(fā)生還原反應，生成揮發(fā)性的氫化物。反應式如下：42

用氮氣將氫化物帶到加熱的石英管中，氫化物在不太高的溫度下（約300～900℃）就可分解出待測元素的原子蒸氣，然后進行吸光度測定。

該方法的靈敏度高，可檢測到10-9g數(shù)量級的含量。由于生成揮發(fā)性的氫化物使待測元素與基體分離，所以選擇性好，基體干擾和化學干擾較少。

P89圖5-11冷原子化法P90圖5-1243三、分光系統(tǒng)

同樣，原子吸收光度計中的分光系統(tǒng)亦包括出射、入射狹縫、反射鏡和色散原件。

必須注意：在原子吸收光度計中，單色器通常位于原子化器之后，這樣可分掉火焰的雜散光并防止光電管疲勞。由于銳線光源的譜線簡單，故對單色器的色散率要求不高(線色散率為1~3nm/mm)。44四、檢測器

使用光倍增管并可直接得到測定的吸收度信號。45第四節(jié)定量分析方法1.標準曲線法

標液配制注意事項：合適的濃度范圍；扣除空白；標樣和試樣的測定條件相同；每次測定重配標準系列。462.直接比較法簡化了的標準曲線法，也稱單標校正法。前提：標準曲線過原點；標準曲線線性好；要求：樣品溶液濃度和標準溶液濃度相近，以減小測量誤差473.標準加入法（外推法）：主要是為了克服標樣與試樣基體不一致所引起的誤差（基體效應）。注意事項：須線性良好；至少四個點（在線性范圍內(nèi)可用兩點直接計算—單點加入法）；只能消除基體效應，不能消除分子和背景吸收；斜率小時誤差大。標液濃度大，加標體積小。P100圖5-19（自學+討論）48第五節(jié)干擾及其消除一、基體干擾（matrixinterference）

來源：又稱物理干擾，由于溶液的粘度、表面張力等物理因素，影響溶液的輸送速度、霧化效率及原子化效率。消除：可通過配制與試樣溶液具有相似物理性質(zhì)的標準溶液，消除干擾。也可通過適當稀釋溶液，減少干擾。在基體性質(zhì)不清楚或比較復雜時，使用標準加入法能較好地消除基體干擾。49

二、化學干擾（chemicalinterference）來源：待測元素與共存的其他物質(zhì)發(fā)生化學反應生成難揮發(fā)的化合物所引起的干擾，主要影響原子化效率，通常使測定結(jié)果偏低。如用空氣/乙炔火焰測定Ca時，溶液中若存在磷酸根會生成難于原子化的磷酸鈣，使結(jié)果偏低。消除：1.加入釋放劑：與干擾組分形成更穩(wěn)定或更難揮發(fā)的化合物，使待測元素釋放出來。502.加入保護劑（配位劑）:與被測元素形成穩(wěn)定又易于分解和原子化的化合物，阻止被測元素和干擾元素結(jié)合。對Ca2+的干擾—加入EDTA—CaY(穩(wěn)定但易破壞)。含氧酸中Mg和Al形成MgAl2O—使A急劇下降—加8-羥基喹啉作保護劑。51三、電離干擾來源：高溫導致原子電離，從而使基態(tài)原子數(shù)減少，吸光度下降。消除：加入消電離劑（主要為堿金屬元素）產(chǎn)生大量電子，從而抑制待測原子的電離。如大量KCl的加入可抑制Ca的電離，

KK+eCa++eCa52四、光譜干擾1.譜線重疊干擾：由于光源發(fā)射銳線，譜線重疊干擾的較少。但是有些元素的光譜線很近。消除：另選分析線。如V線（3082.11?）對Al線（3082.15?）的干擾；2.多譜線的元素產(chǎn)生的譜線之間的干擾。如Mn的靈敏線279.5nm旁還有279.8nm和280.1nm兩條靈敏度低的吸收線，當光譜通帶為0.7nm時，它們都進入通帶內(nèi)，而且每條吸收線的具有不同的吸收系數(shù)，使測定靈敏度下降，線性變壞。533.非吸收線干擾：光譜通帶內(nèi)存在光源發(fā)射的非吸收線，分析用的譜線與原子吸收無關的相鄰非吸收線不能完全分開。消除：減小狹縫和燈電流或另選分析線54五.背景吸收背景吸收也可看作光譜干擾。它是一種非原子吸收信號，包括分子吸收及固體微粒對光的散射所引起的干擾。

分子吸收是指在原子化過程中生成的氣體、氧化物、鹽類及氫氧化物等分子對分析線的吸收引起的干擾。

粒子散射是指在原子化過程中形成的固體微粒對光產(chǎn)生散射，被散射光偏離光路，不被檢測器所檢測。波長愈短，影響愈大。消除：以上兩種干擾方式都產(chǎn)生正誤差（A增加）。因干擾主要來自燃燒氣，因此可通過空白進行校正。55非火焰背景干擾非火焰的電熱原子化（石墨爐）中產(chǎn)生的背景干擾，通常要比火焰原子化的干擾嚴重。最近，采用石墨爐平臺技術（Platformtechnology）、高新石墨材料、快速測光計和Zeeman背景校正等方法可將石墨爐背景干擾降低到和火焰背景干擾相同的水平。56第六節(jié)實驗技術和應用示例一、測量條件的選擇1.分析線的選擇

通常選共振線（最靈敏線）作為分析線。但當元素的共振線受到其它譜線干擾，或位于遠紫外區(qū)時，則不宜選用共振線作分析線。如Hg185nm比Hg254nm靈敏50倍，但前者處于遠紫外區(qū)；共振線Ni232nm附近231.98和232.12nm的原子線和231.6nm的離子線干擾測定，可選取341.48nm作分析線。此外當待測原子濃度較高時，為避免過度稀釋，可選取次靈敏線！572.狹縫寬度選擇狹縫寬度影響光譜通帶和通過光的強度。狹縫寬度的選擇應以能去除分析線鄰近的干擾線為前提。由于吸收光譜比較簡單，譜線重疊的幾率很少，在原子吸收測定時允許使用較寬的狹縫。這樣可以增加光強，提高信躁比，改善檢出限。當吸收線附近有干擾譜線與非吸收光譜存在時，使用較寬的狹縫反而會導致靈敏度降低。合適的寬度可通過實驗確定。不引起吸光度減小的最大狹縫寬度，就是應該選擇的最佳狹縫寬度。583.燈電流選擇燈電流過小，光強低且不穩(wěn)定；燈電流過大，發(fā)射線變寬，靈敏度下降，且影響光源壽命。選擇原則：在保證光源穩(wěn)定且有足夠光輸出時，選用最小燈電流（通常是最大燈電流的1/2~2/3），最佳燈電流通過實驗確定。594.原子化條件火焰原子化:

火焰類型（溫度-背景-氧還環(huán)境）；燃助比（溫度-氧還環(huán)境)；燃燒器高度（火焰部位-溫度）和霧化器調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)燃燒器高度可控制光束通過火焰的區(qū)域。調(diào)節(jié)霧化器可以改變和控制進樣速