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原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法 Atomic Absorption Spectrometry (AAS) 周勰 zhouxiemail.sysu.edu.cn 2010-9-15 今年8月，陕西凤翔县长青镇发生615名儿童 血铅超标事件，引起社会各界广泛关注。其中 部分超标严重，已达到中毒标准 。 中国药典口服补液中总钠的含量测定采 用何种方法？ 莲子中含有钙、镁、铁、锰、锌、铜、钴、钾 等元素，如何测定其微量元素的含量？ 原子吸收分光光度法，它是基于从光源辐射出具有待测元素特 征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸 收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素含 量的方法。 历史 1. 原子吸收现象的发现 1802年，英国化学家 W.H.Wollaston发现太阳光 谱的暗线 第一节 概述 1814年，弗朗荷费 J.Fraunhofer用更精密的方法 进行观察，发现太阳光谱中的 黑线多达500多条 1820年布鲁斯特（D.Brewater ）首先对Fraunhofer线产生的 原因做出了基本正确的解释， 认为Fraunhofer线是由于太阳 外围大气圈对太阳光吸收的结 果。 1859年本生（R.Bunsen）和克希霍夫（G.R.Kirchhoff）对暗线 的产生做出透彻解释 2.二十世纪中叶，原子吸收分析法建立，并迅速发展。 1955年澳大利亚 A.Walsh 发表原子吸收光谱在化学分 析中的应用 ，展示仪器。 荷兰 J.T.J.Alkemade 同期独立设计仪器 火焰作 光源。 1961年苏联 . 非火焰原子吸收法 1965年英国 J.B.Willis 采用氧化亚氮-乙炔火焰 从30个元素6070个。 AAS的发展巳成为化学实验室元素定量分析常规武器 3.国内发展： 1963年 化学通报介绍第一篇文章 1964年 蔡祖泉教授造成第一个空心阴极灯 1965年 冶金部有色金属研究院组装成功第一台测量装置 1971年 国内开始生产原子吸收光谱仪随后广泛使用 4.特点： （1）检出限低，10-1010-14 g； （2）准确度高，1%5%； （3）选择性高，一般情况下共存元素不干扰； （4）应用广，可测定70多个元素 5.局限性： （1）多元素同时测定有困难； （2）对非金属及难熔元素的测定尚有困难； （3）对复杂样品分析干扰也较严重； （4）石墨炉原子吸收分析的重现性较差。 物质产生原子蒸气对特定谱线的吸收作用进行定 量分析 装置 Mg Mg+ Mg0 285.2 nm 空气阴极灯 单色光器 光电检测器 记录指示 原子化器 乙炔 空气 Mg+ 第二节 基本原理 待测元素在进行原子化时，其中必有一部分原子吸收了较多的能 量而处于激发态，据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平 衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从 Boltzmann 分配定律 ： 可见，Ni/N0 的大小主要与“波长” 及“温度”有关。即 a）当温度保持不变时：激发能(h)小或波长长，Ni/N0则大，即波长长的 原子处于激发态的数目多；但在 AAS 中，波长不超过 600nm。换句话说，激 发能对 Ni/N0 的影响有限！ b）温度增加，则 Ni/N0 大，即处于激发态的原子数增加；且Ni/N0随温度 T 增加而呈指数增加。 一、基态原子数与总原子数的关系 尽管原子的激发电位和温度 T 使 Ni /N0 值有数量级的变化 ，但 Ni /N0 值本身都很小。或者说，处于激发态的原子数小小 于处于基态的原子数！ 实际工作中，T 通常小于3000K、波长小于 600nm，故对大多 数元素来说Ni /N0 均小于1，Ni 与N0 相比可勿略不计，N0 可认 为就是原子总数。 总之，AAS 对 T 的变化迟钝，或者说温度对 AAS 分析的影 响不大！ 而 AES 因测定的是激发态原子发射的谱线强度，故其激发态 原子数直接影响谱线强度，从而影响分析的结果。也就是说，在 AES 中须严格控制温度。 二、共振线与吸收线 （1）原子谱线的描述 激发态 Ei = E0 + h 吸收光谱 吸收 h h 发射光谱 基态 E0 当电子从基态跃迁至第一激发态时所产生的吸收谱线称为 共振吸收线； 当原子再跃迁回基态时所产生的发射谱线称为共振发射线 原子结构较分子结构简 单，理论上应产生线状光 谱吸收线。 实际上用特征吸收频率 辐射光照射时，获得一峰 形吸收(具有一定宽度)。 由：It=I0e-Kvb ， 透射 光强度 It和吸收系数及 辐射频率有关。 以Kv与 作图： 表征吸收线轮廓(峰)的参数 中心频率O(峰值频率):最大吸收 系数对应的频率； 中心波长：(nm) 半 宽 度：O 三、谱线的轮廓与谱线变宽 以频率为，强度为 I0 的光通过原子蒸汽，其中一部分光 被吸收，使该入射光的光强降低为 I ： 据吸收定律，得 其中K 为一定频率的光吸收系数。 注意： K 不是常数，而是与谱线频率或波长有关。由于任 何谱线并非都是无宽度的几何线，而是有一定频率或波长宽 度的，即谱线是有轮廓的！因此将 K 作为常数而使用此式 将带来偏差！ 原子蒸汽 l h I0 I (一）原子谱线轮廓 I0 K0/2 K K0 0 I 0 I （吸收强度与频率的关系） K （谱线轮廓） 根据吸收定律的表达式，以 I- 和 K- 分别作图得 吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。可见谱线是有宽度的 。 图中： K吸收系数；K0最大吸收系数； 0，0中心频率或波长(由原子能级 决定)；，谱线轮廓半宽度（K0/2处的宽度）； 1. 自然变宽： 无外界因素影响时谱线具有的宽度。其大小为 K 为激发态寿命或电子在高能级上停留的时间，10-7-10-8 s 原子在基态和激发态的寿命是有限的。电子在基态停留的时间 长，在激发态则很短。由海森堡测不准(Uncertainty principle )原理，这种情况将导致激发态能量具有不确定的 量，该不确定量使谱线具有一定的宽度N (10-5nm)，即自然 宽度。 该宽度比光谱仪本身产生的宽度要小得多，只有极高分辨率的 仪器才能测出，故可勿略不计。 （二）谱线变宽因素（Line broadening） 2. Doppler变宽：它与相对于观察者的原子的无规 则热运动有关。又称热变宽。 光子观测 光子观测 （0+D ） （0-D） 可见，Doppler变宽 与谱线波长、相对原子质量和温 度有关， 多在10-3 nm数量级 3. 压力变宽（Pressure effect） 吸收原子与外界气体分子之间的相互作用引起的变宽，又称为 碰撞（Collisional broadening）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。可 分为 a） Lorentz 变宽：待测原子与其它原子之间的碰撞。变宽在 10-3nm。 b） Holtzmark 变宽：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。 外界压力增加谱线中心频率0位移、形状和宽度发生变化发射线与吸 收线产生错位影响测定灵敏度； v 温度在1500-30000C之间，压力为1.01310-5Pa 热变宽和压变宽有相同的 变宽程度； v 火焰原子化器压变宽为主要；石墨炉原子化器热变宽为主要。 4. 场致变宽(Field broadening)： 包括Stark变宽（电场）和Zeeman 变宽（磁场） 在场致（外加场、带电粒子形成）的场作用下，电子能 级进一步发生分裂（谱线的超精细结构）而导致的变宽效 应，在原子吸收分析中，场变宽不是主要变宽）。 5. 自吸与自蚀（Self-absorption & self- reversal）： 光源（如空心阴极灯）中同种气态原子吸收了由阴极 发射的共振线所致。与灯电流和待测物浓度有关。 1. 积分吸收 在原子吸收光谱中，无论是光源辐射的发射线还是吸收线都 有一定的宽度，亦即吸收定律(AKl)中用于K不是常数， 而应是一定频率范围内的积分值，或称其为积分吸收： 式中，e为电子电荷；m为电子质量；f为振子强度，为受到激发的每个 原子的平均电子数，与吸收几率成正比。 此式说明，在一定条件下，“积分吸收”只与基态原子 数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。只要测得积分 吸收值，即可求出基态原子数或浓度。因此 AAS 法是一种 不需要标准比较的绝对分析方法！ 四、原子吸收值与原子浓度的关系 但积分吸收的测定非常困难。因为原子吸收线的半宽度 很小，只有0.001-0.005A。要分辨如此窄的谱线，对波长为 500 nm，其分辨率应为： 这样高的分辨率，对现代仪器不可能达到的！ 如果用连续光谱作光源，所产生的吸收值将是微不足道 的，仪器也不可能提供如此高的信噪比！ 尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现，但一直未用于 分析。直到1955年，Walsh 提出以“峰值吸收”来代替“积 分吸收”。从此，积分吸收难于测量的困难得以间接地解决 。 1955年，Walsh指出，在温度不太高时，当发射线和吸收线满足以下两个 条件，即: 当e a时，发射线很窄，发射线的轮廓可认为是一个矩形，则 在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等，即KK0，因此可以“ 峰值吸收”代替“积分吸收”: 通常K0与谱线的宽度有关，即 上式表明，当用锐线光源作原子吸收测定时，所得A与原子蒸气中待测元 素的基态原子数成正比。 2. 峰值吸收 根据Walsh的两点假设，发射线必须是“锐线”（半宽度很小的 谱线）。 1）锐线半宽很小，锐线可以看作一个很“窄”的矩形； 2）二者中心频率相同，且发射线宽度被吸收线完全“包含”， 即在可吸收的范围之内； 3）Walsh的理论为AAS光源设计具有理论指导意义。 0 I 吸收线 发射线 峰值吸收的测量 3. 锐线光源 第三节 原子吸收分光光度计 组成部分：锐线光源、原子化器、单色器和检测系统 一、原子吸收分光光度计的主要部件 与紫外可见分光光度计比较 光源 分光系统 原子化器 试样系统 样品池 检测记录系统 与紫外可见分光光度计比较 共同点： 测量辐射波段UV-Vis区 光学总体设计相似、双光束、单光束 设计上的不同点： 获得单色光的方式不同，形成结构上重大差异 吸光质点系统结构不同 单色器的功能、性能、位置上的不同 （一）光源 作用:提供待测元素特征谱线 要求： 锐线辐射 辐射待测元素共振谱线 强度大、稳定、背景小 类型： 空心阴极灯 气体（蒸气）放电灯 （ Hg 灯）（ Na 灯 ） 无极放电灯 空心阴极灯(Hollow Cathode Lamp, HCL) 空心阴极灯 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。 用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。 空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。 优缺点： 辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。 每测一种元素需更换相应的灯。 工作过程：由于没有电极提供能量，该灯依靠射频（RF）或微波 作用于低压惰性气体并使之电离，高速带电离子撞击金属原子产 生锐线。 特点：无电极；发射的光强度高（是HCL的1-2个数量级）；但可 靠性及寿命比HCL低，只有 约15 种元素可制得该灯。 无极放电灯（Electrodeless discharge lamps） （二）原子化器(Atomizer) 作用：提供能量、使样品干燥、蒸发、原子化 要求： 原子化效率要高、并不受试样浓度影响 稳定性能好、重现性好 背景及噪声小 简单易行 类型： 火焰原子化器 非火焰原子化器 1、火焰原子化法（flame atomization) 火焰原子化器 组成： 喷雾器 雾化室 燃烧器 火焰 喷雾器：将试样溶液转为雾状。要求稳定、雾粒 细而均匀、雾化效率 高、适应性高（可用于不同 比重、不同粘度、不同表面张力的溶液）。 雾化室：内装撞击球和扰流器（去除大雾滴并使 气溶胶均匀）。将雾状溶液与各种气体充分混合 而形成更细的气溶胶并进入燃烧 器。 该类雾化 器因雾化效率低（进入火焰的溶液量与排出的废 液量的比值），现已少用。目前多用超声波雾化 器等新型装置。 燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置 。有单缝和三缝两种形式，其高度和角度可调（ 让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收）。 燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定（ 光程、回火、堵塞、耗气量）。 天然气-空气火 焰 火焰 火焰分焰心（发射强的分子 带和自由基，很少用于分析 ）、内焰（基态原子最多， 为分析区）和外焰（火焰内 部生成的氧化物扩散至该区 并进入环境）。 燃烧速度：混合气着火点向 其它部分的传播速度。当供 气速度大于燃烧速度时，火 焰稳定。但过大则导致火焰 不稳或吹熄火焰，过小则可 造成回火。 火焰温度： 任何一种火焰均可按燃气与助燃气的比例分为三类具不同 性质的火焰： 1）化学计量型：指燃助比近似于二者反应的计量关系，又 称中性火焰。温度高、稳定、干扰小、背景低，知适于大 多数元素分析； 2）富燃火焰：燃气比例较大的火焰（燃助比大于化学计量 比）。燃烧不完全、温度略低，具还原性，适于难分解的 氧化物的元素分析。但干扰较大、背景高。 3）贫燃火焰：助燃气大于化学计量的火焰。温度最低，具 氧化性，适于易解离和易电离的元素，如碱金属。 火焰的燃助比： 2. 石墨炉原子化器（Graphite furnace Atomizer） 石墨炉组成 电源 保护系统 石墨管三部分 电源：10-25V，500A。用于产生高温。 保护系统： 保护气（Ar）分成两路 管外气防止空气进入，保护石墨管不被氧化、烧蚀。 管内气流经石墨管两端及加样口，可排出空气并驱 除加热初始阶段样品产生的蒸汽 冷却水金属炉体周围通水，以保护炉体。 石墨管：多采用石墨炉平台技术。如前图 b)，在管内置一 放样品的石墨片，当管温度迅速升高时，样品因不直接受热 （热辐射），因此原子化时间相应推迟。或者说，原子化温 度变化较慢，从而提高重现性。 另外，从经验得知，当石墨管孔隙度小时，基体效应和重现 性都得到改善，因此通常使用裂解石墨作石墨的材料。 原子化过程 原子化过程可分为四个阶段，即干燥、灰化、原子化和净化。如图 干燥 温 度 oC 时间，t 净化 原子化灰化 虚线：阶梯升温 实线：斜坡升温 干 燥：去除溶剂，防样品溅射； 灰 化：使基体和有机物尽量挥发除去； 原子化：待测物化合物分解为基态原子，此时停止通 Ar，延长原子停 留时间，提高灵敏度； 净 化：样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管。 包括汞蒸汽原子化和氢化 物原子化。 1）汞蒸汽原子化（测汞仪） 将试样中汞的化合物以还 原剂（如SnCl2）还原为汞蒸 汽，并通过Ar 或N2 将其带入 吸收池进行测定。 2）氢化物原子化 特点：可将待测物从在一定 酸度条件下，将试样以还原 剂（NaBH4）还原为元素的气 态氢化物，并通过Ar或N2将其 带入热的石英管内原子化并 测定(右图)。 大量基体中分离出来，DL比 火焰法低1-3个数量级，选择 性好且干扰也小。 3. 低温原子化（化学原子化） (三）单色器 作用：将带测元素的特征谱线与临近干扰线分 开 组成： 色散元件（多用光栅） 反射镜 狭缝 在原子吸收光度计中，单色器通常位于光焰之 后，这样可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲 劳。 （四）监测系统 组成：检测器、放大器、对数变换器、 显示装置 检测器：光电倍增管 放大器：将电压信号放大 对数变换器：将吸收前后的光强度的变化与 试样中带测元素的浓度关系进行对数变换 显示装置：将测定值显示出来 二、原子吸收分光光度计的类型 单光束 双光束 原子吸收仪器类型 单光束： 1）结构简单，体积小，价格低； 2）易发生零漂移，空心阴极灯要预热 双光束： 零漂移小，空心阴极灯不需预热，降低了方 法检出限（MDL）； 仍不能消除火焰的波动和背景的影响 第四节 实验方法 一、测定条件的选择 分析线的选择 通常选共振线（最灵敏线或且大多为最后线），但 不是绝对的。如Hg185nm比Hg254nm灵敏50倍 ，但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生 吸收；共振线Ni232nm附近231.98和232.12nm 的原子线和231.6nm的离子线，不能将其分开，可 选取 341.48nm 作分析线。 此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向 试样中引入杂质，可选取次灵敏线！ 一、测定条件的选择 狭缝（Slit） 宽度选择 调节 Slit 宽度，可改变光谱带宽(=SD)， 也可改变照射在检测器上的光强。一般狭缝宽 度选择在通带为0.44.0nm 的范围内，对谱 线复杂的元素如Fe、Co 和 Ni，需在通带相当 于1Å 或更小的狭缝宽度下测定。 一、测定条件的选择 灯电流选择 灯电流过小，光强低且不稳定；灯电流过大 ，发射线变宽，灵敏度下降，且影响光源寿 命。 选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出 时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的 1/22/3），最佳灯电流通过实验确定。 一、测定条件的选择 原子化条件 火焰原子化: 火焰类型（温度-背景-氧还环境）；燃助比（温 度-氧还环境)；燃烧器高度（火焰部位-温度）； 石墨炉原子化: 升温程序的优化。具体温度及时间通过实验确 定。 干燥105oC除溶剂，主要是水； 灰化基体，尤其是有机质的去除。在不损失待测 原子时，使用尽可能高的温度和长的时间； 原子化通过实验确定何时基态原子浓度达最大值 ； 净化短时间（35s）内去除试样残留物，温度应 高于原子化温度。 四种：电离干扰、化学干扰、物理干扰和光谱干扰 （一）电离干扰 1. 产生的原因：基态原子电离； (1) 该干扰造成火焰中待测元素的基态原子数量减少， 使测定结果偏低。 (2) 火焰温度越高,元素电离电位越低,元素越易电离。 2. 消除与抑制方法:(1) 降低火焰温度； (2) 加电离缓冲剂。 二、干扰及其抑制 1.产生的原因：待测元素与试样中共存组分或火焰成 分发生化学反应,引起原子化程度改变所造成的干扰。 (1) 原子吸收光谱分析中主要干扰来源； (2) 产生的原因是多方面的； (3) 典型的化学干扰是待测元素与共存元素之间形成 更加稳定的化合物，使基态原子数目减少。 2.消除与抑制方法：加释放剂、保护剂或基体改进剂 （二）化学干扰 (1) 加入释放剂与干扰元素生成更稳定化合物，使待 测元素释放出来。 例：锶和镧可有效消除磷酸根对钙的干扰。 (2) 加入保护剂与待测元素形成稳定的化合物，防止 干扰元素与它作用。 例：加入EDTA生成EDTA-Ca,避免磷酸根与钙作用。 (3) 加入基体改进剂与基体形成易挥发的化合物，在 原子化前除去，避免与待测元素共挥发。 例：石墨炉法测镉，加入硝酸铵,氯化钠氯化铵,硝酸钠去除。 （三）物理干扰 1.产生的原因：试样在转移、蒸发过程中物理因素变 化引起的干扰。 主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴 大小等。 2. 消除或抑制方法： (1)通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致。 (2)标准加入法或稀释法来减小和消除。 （四）光谱干扰 光谱发射和吸收有关的干扰，主要来自光源和原 子化装置。 1. 谱线干扰 (1) 产生的原因：共振线附近存在有非待测元素的谱 线，或试样中待测元素共振线与另一元素吸收线十分 接近时，均会产生谱线干扰。 (2) 消除或抑制方法：通过采用调小狭缝的方法。 2.背景干扰 (1) 产生的原因：分子吸收和光散射引起的干扰。 分子吸收：原子化过程中生成的气态分子、氧化物和盐 类分子等对光源共振辐射产生吸收而引起的干扰； 光散射：在原子化过程中，产生的固体微粒对光产生散 射而引起的干扰。 (2) 消除或抑制方法：多采用氘灯扣背景和塞曼效应扣 背景的方法来消除这种干扰。 三、灵敏度和检出限 （一）灵敏度(Sensitivity) IUPAC规定，分析标准函数的一次导数，即标 准曲线的斜率。 i）特征浓度(1%吸收灵敏度)：产生1%吸收 (A=0.00434)信号所对应的元素浓度。 ii）特征质量(对GFAAS)： 三、灵敏度和检出限 （二）检测限(Detection limit, DL) 给定分析条件和某一置信度下可被检出的最小浓度或 最小量。通常以待测元素产生的信号强度等于其噪声 强度标准偏差三倍时质量浓度或质量分数 检出限比灵敏度具有更明确的意义，它考虑到了噪声 的影响，并明确地指出了测定的可靠程度 四、定量分析方法 （一）标准曲线法 适于共存组分互不干扰的试样。 一组浓度合适的标准溶液； 由低到高分别测定吸光度； 以浓度为横坐标，吸光度为纵作标作图； 在相同条件下，测定试样溶液吸光度； 由标准曲线内插求得试样溶液中待测元素浓度。 四、定量分析方法 （二）标准加入法 若试样基体组成复杂， 且基体成分对测定又有明显干 扰时采用。 (1) 取若干份体积相同的试液（cx），依次按比例加入不同量 的待测物的标准溶液（cO）； (2) 定容后浓度依次为： cx , cx +cO , cx +2cO , ； (3) 分别测得吸光度为： AX，A1，A2，； (4) 以A对浓度c 做图， 图中cx点即待测溶液浓度。 使用标准加入法时的注意点： 此法可消除基体效应带来的影响，但不能消 除分子吸收、背景吸收的影响； 加入标准溶液量要适中，应与待测元素的含 量在同一数量级内，且使测定浓度与相应的 吸光度在线性范围内。 对于斜率太小的曲线（灵敏度差）容易引起 较大的误差 四、定量分析方法 （三）内标法 在标准溶液和试样溶液中分别加入一定量的试样中 不存在的第二元素做内标元素 分别测定标准溶液中待测元素和内标元素的吸光度 AS和A内以及试样溶液中待测元素的吸光度值Ax 绘制AS/A内-c标准曲线 根据试样溶液的Ax/A内，即可从标准曲线上求得被 测元素的含量 可消除在原子化过程中由于实验条件变化而引起的 误差 （四）直接比较法 简易，适用于样品数量少，浓度范围低