生物儀器分析原子光譜

1、山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 第三章第三章 原子發(fā)射光譜法原子發(fā)射光譜法(AES)(AES) Atomic Emission Spectroscopy 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 AES:元素的原子在受到熱或電激發(fā)時(shí)，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)， 返回到基態(tài)時(shí)，發(fā)射出特征光譜，依據(jù)所發(fā)射的光譜的波長(zhǎng)和 強(qiáng)度可以進(jìn)行元素的定性與定量分析。 特征輻射 基態(tài)激發(fā)態(tài) 能量 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 燃燒頭 棱鏡 白卡白卡 將鹽放在金屬絲上將鹽放在金屬絲上 并放入火焰中并放入火焰中 透鏡 發(fā)射線 因此發(fā)現(xiàn)了Rb 和Cs 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子發(fā)射光譜分析的優(yōu)缺點(diǎn)原子發(fā)射光譜分析的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1、具

2、有多元素同時(shí)分析能力，既可進(jìn)行定性、也可進(jìn)行定 量分析 2、具有較高的靈敏度和選擇性（ng/ml-pg/ml ） 3、準(zhǔn)確度高 4、試樣用量少（毫克） 應(yīng)用范圍： 血液，中草藥，茶葉微量元素的分析 缺點(diǎn)： 不適于部分非金屬元素如鹵素、惰性氣體元素等的分析； 只能測(cè)元素濃度，不能測(cè)元素存在形態(tài) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 激發(fā)電位（激發(fā)能）: 原子中某一外層電子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)所需要的能量， 稱該高能態(tài)為激發(fā)電位，eV表示 電離電位（電離能）: 把原子中外層電子電離所需要的能量，稱為電離電位， 以eV表示 原子線() ：原子核外激發(fā)態(tài)電子躍遷回基態(tài)所發(fā)射出的譜線。 M * ? M I 離子線(

3、,) ：離子核外激發(fā)態(tài)電子躍遷回基態(tài)所發(fā)射出的譜線。 M+ * ? M+ M2+* ? M2+ 相關(guān)術(shù)語(yǔ) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 ? 主共振線：原子由第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷，能量最小，易發(fā)生 ? 靈敏線：具有一定強(qiáng)度能標(biāo)記某種元素存在的特征譜線 ? 最后線：當(dāng)被測(cè)某元素含量降低到最低限度時(shí)，仍能堅(jiān)持出 現(xiàn)的最后一條譜線（最靈敏線） 最強(qiáng)的譜線通常是？ 相關(guān)術(shù)語(yǔ) E2 E0 E1 E3 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子由某一激發(fā)態(tài) i 向基態(tài) j 躍遷，發(fā)射譜線強(qiáng)度： ?gi，gj為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重； ?Aij兩個(gè)能級(jí)間的躍遷幾率； ?h為Plank 常數(shù)；?ij發(fā)射譜線的頻率 ?N

4、0 單位體積的基態(tài)原子數(shù) ；Ei為譜線的激發(fā)電位 ?k為玻爾茲曼常數(shù)；T為激發(fā)的絕對(duì)溫度 kT E ij j i eNhA g g I ? ? 0ij i ij ? 譜線強(qiáng)度及其影響因素 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 kT E ij j i eNhA g g I ? ? 0ij i ij ? 譜線強(qiáng)度及其影響因素 激發(fā)電位 激發(fā)溫度 樣品濃度 M*hv 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 激發(fā)源 單色器 檢測(cè)器 原子發(fā)射光譜儀 蒸發(fā)、解離、 原子化、激發(fā)、 躍遷產(chǎn)生光輻 射的作用 分光 按照波長(zhǎng)順序 排列的光譜 發(fā)射光譜進(jìn)行 檢測(cè)記錄 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子發(fā)射光譜儀 激發(fā)源： 高靈敏度和低檢

5、出限 工作過(guò)程中比較穩(wěn)定 無(wú)背景或背景較小 火焰 電弧ICP 高壓火花 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 電感耦合等離子體（ ICP） Plasma 物理學(xué)：電離度大于 0.1的氣體。（等離 子體由離子、電子和不帶電的粒子組成的電 中性的、高度離子化的氣體，它是與固體、 液體和正常氣體相區(qū)別的一種物質(zhì)狀態(tài)） 點(diǎn)火引燃工作氣， 磁場(chǎng)加速等離子， 感應(yīng)渦流產(chǎn)高熱， 氣體受熱成焰炬。 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 光源光源蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度/K/K激發(fā)溫度激發(fā)溫度/K應(yīng)用范圍 火焰低10005000 直流電弧800380040007000礦物、難揮發(fā)元素定 量分析 交流電弧比直流電弧低比直流電弧略高低含量組分

6、定量分析 火花比交流電弧低10000（瞬間）金屬，合金，難激發(fā) 元素定量分析 ICP很高60008000溶液 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子發(fā)射光譜儀 分光系統(tǒng)： a、棱鏡分光系統(tǒng)（折射） b、光柵分光系統(tǒng)（衍射和干涉） 入射狹縫 準(zhǔn)直鏡 物鏡 棱鏡 焦面 出射狹縫 f 光柵常數(shù)d N 由激發(fā)光源發(fā)出的含有不同波長(zhǎng)的復(fù)合光分解成 按波長(zhǎng)排列的單色光 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 檢測(cè)器：目視法、攝譜法、光電法 看譜鏡 感光板記錄 光譜，得到 黑度不同的 光譜線。 映譜儀光電倍增管 光信號(hào)轉(zhuǎn)變 為電信號(hào)， 并進(jìn)行放大 原子發(fā)射光譜儀 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 光譜定性和定量分析 攝譜法攝譜法

7、標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜比較法 ?用標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣在相同的條件下攝譜 ?比較標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣所出現(xiàn)的特征譜線 ?若試樣光譜中出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品所含元素的23條特征譜線 就可以證實(shí)試樣中含有該元素 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 鐵光譜比較法 光譜定性和定量分析 譜線多 在210- 660nm范圍內(nèi)有幾千條譜線。 波長(zhǎng)標(biāo)尺 每條譜線的波長(zhǎng)均已精確測(cè)定 元素標(biāo)準(zhǔn)光譜圖 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 光譜定性和定量分析 光譜定量分析主要是根據(jù) 譜線強(qiáng)度與被測(cè)元素濃度的關(guān) 系來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)溫度一定時(shí)譜線強(qiáng)度 I與被測(cè)元素濃度c 成正比，即 I = ac I = ac b a值受試樣組成、形態(tài)及放電條件等的影響，在實(shí)驗(yàn)中很難保 持

8、為常數(shù) 自吸 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 內(nèi)標(biāo)法(相對(duì)強(qiáng)度法) 光譜定性和定量分析 在分析元素的譜線中選一根譜線，稱為分析線；再在共存 的其他元素譜線中選一根譜線，作為內(nèi)標(biāo)線。這兩條線組 成分析線對(duì)。然后根據(jù)分析線對(duì)的相對(duì)強(qiáng)度與被分析元素 含量的關(guān)系式進(jìn)行定量分析。 設(shè)分析線強(qiáng)度I，內(nèi)標(biāo)線強(qiáng)度I0，被測(cè)元素濃度與內(nèi)標(biāo)元素濃 度分別為c和c0(定值) ，b和b0(1)分別為分析線和內(nèi)標(biāo)線的自 吸系數(shù) I = a c b I 0 = a 0 c 0 bo R = I / I 0 = a c b / a 0 c0 b0 A= a/ a 0 c0 b0 為常數(shù) b Ac I I R? 0 AcbRlg

9、lglg? 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 內(nèi)標(biāo)元素與被測(cè)元素在光源作用下應(yīng)有 相近的蒸發(fā)性質(zhì) 。 分析線對(duì)選擇要 匹配：或兩條都是原子線，或兩條都是 離子線，盡量避免一條是原子線、一條是離子線。 內(nèi)標(biāo)元素的含量，應(yīng)不隨分析元素的含量變化而變化 分析線自吸要小,不受其他譜線干擾 分析線對(duì)的波長(zhǎng)、強(qiáng)度及寬度也盡量接近 使用內(nèi)標(biāo)法必須具備下列條件 光譜定性和定量分析 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 log I log C 工作曲線法：三標(biāo)準(zhǔn)試樣法工作曲線法：三標(biāo)準(zhǔn)試樣法 光譜定性和定量分析 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 光譜定性和定量分析 標(biāo)準(zhǔn)加入法： 測(cè)定低含量元素時(shí)，找不到合適的基體來(lái)配制標(biāo)準(zhǔn)試樣 設(shè)試

10、樣中被測(cè)元素含量為Cx， 在數(shù)個(gè)等份試樣中分別加入不 同濃度C1、C2、C3?的被測(cè) 元素；在同一實(shí)驗(yàn)條件下，激 發(fā)光譜，測(cè)定強(qiáng)度 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子熒光分析（AFS） 熱致激發(fā)熱致激發(fā) 光致激發(fā)（空心陰極燈， 高壓氙燈） E2 E0 E1 E3 共振 熒光 非共振 熒光 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 第四章第四章 原子吸收光譜法原子吸收光譜法(AAS)(AAS) AAS：基于從 光源輻射出待測(cè)元素的 特征譜線 ，通過(guò)試 樣蒸氣時(shí)被待測(cè)元素的基態(tài)原子吸收 ，由特征譜線被 減弱的程度來(lái)測(cè)定試樣中待測(cè)元素含量的方法。 燈源 燃燒器 棱鏡 白色卡片 將鹽放在金屬絲上 并放入火焰中 透鏡

11、透鏡 暗線 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 吸收能量 外層外層 電子電子 放出能量 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 BaNaK 吸收線 發(fā)射線 ? 元素定性分析 190 nm900 nm Cu 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 能量躍遷 Eo E2 E3 E1 ?1?2?3?4?1?2?3?4 共振吸收線：原子外層電子從 基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)所吸收 的一定波長(zhǎng)的譜線 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 ?靈敏度高 ?選擇性好 ?精密度和準(zhǔn)確度高 ?測(cè)定元素多 ?需樣量少 ?分析速度快 不能多種元素同時(shí)測(cè)定 原子吸收光譜的特點(diǎn) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 預(yù)期值預(yù)期值 ?0：特征頻率 實(shí)際情況 ? 半寬

12、度 原子吸收譜線 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子吸收譜線 （1）自然寬度10-4nm 原子發(fā)生能級(jí)間躍遷時(shí)，激發(fā)態(tài)原子 壽命不一樣而產(chǎn)生。 (2)多普勒變寬(熱變寬) 原子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。 (3)壓力（碰撞）變寬 原子與外界氣體分子間的相互作用引起的。 勞倫茲變寬：待測(cè)原子與其他粒子相互碰撞。 赫爾茲馬克變寬：待測(cè)原子之間相互碰撞。 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子吸收譜線的測(cè)量 （1） 積分吸收 在吸收曲線的輪廓內(nèi)，對(duì)吸收系數(shù)的積分。 fN mc e dvKv 0 2 ? ? ? 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子吸收譜線的測(cè)量 （2） 峰值吸收 銳線光源是發(fā)射線半寬度遠(yuǎn)小于吸收線半寬度

13、的光源 （1/5 1/10），并且發(fā)射線與吸收線的中心頻率一致。 如空心陰極燈。 CKA ? 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子吸收分光光度計(jì) 原子吸收分光光度計(jì)由 光源、原子化器、分光器、 檢測(cè)系統(tǒng)等幾部分組成 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子吸收分光光度計(jì) 銳線光 源 1. 作用：發(fā)射被測(cè)元素的特征光譜。 2. 種類：空心陰極燈、無(wú)極放電燈、蒸氣放電燈。 1)結(jié)構(gòu) 陽(yáng)極：鎢或鎳棒 陰極：待測(cè)元素金屬 內(nèi)充低壓惰性氣體 2)工作原理： 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 棱鏡 白卡 透鏡 發(fā)射線 燈源 棱鏡 白色卡片 透鏡透鏡 透鏡 暗線 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 激發(fā)源 單色器 檢測(cè)器 銳線光 源

14、 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 原子化器 原子吸收分光光度計(jì) 將樣品中的待測(cè)組份轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子的裝置。 MX（試樣） 氣化 MX（氣態(tài)）原子化 M（基態(tài)原子）+ X （氣態(tài)） M*（激發(fā)態(tài)原子） 激發(fā) 離子化 M+（離子）+ e 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 主要有火焰原子化、石墨爐原子化和低溫原子化 空氣乙炔火焰：火焰溫度達(dá) 2500K ； N 2 O 乙炔火焰：火焰溫度達(dá) 3000K ； 原子吸收分光光度計(jì) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 試樣入口 石墨管 試樣 原子化效率高 靈敏度高 取樣量少，能直接分析液體和固體樣品 原子吸收分光光度計(jì) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 氫化物原子化方法(化學(xué)原子化

15、) 原理：在酸性介質(zhì)中，與強(qiáng)還原劑 NaBH 4 反應(yīng)生成易解 離的氣態(tài)氫化物，送入原子化器中檢測(cè)。 原子化溫度700900 C ； 主要應(yīng)用于：As、Sb、Bi、 Ge 、Sn、 Pb、Se、Ti等元素。 原子吸收分光光度計(jì) 冷原子化法：Hg 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 單色器 將待測(cè)元素的共振線與鄰近線分開將待測(cè)元素的共振線與鄰近線分開 檢測(cè)系統(tǒng) 原子吸收分光光度計(jì) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 0 c1c2c3c4c5 c x A1 A2 A3 A4 A5 AAS定量分析方法 標(biāo)準(zhǔn)曲線法 組成簡(jiǎn)單的試樣分析 A x 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 0Cs2Cs3CsCs2Cs 0.1 0.2

16、0.3 A C . . . Cx 標(biāo)準(zhǔn)加入法標(biāo)準(zhǔn)加入法 AAS定量分析方法定量分析方法 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 干擾及其消除方法 5. 電 離 干 擾 4. 背 景 干 擾 3. 光 譜 干 擾 2. 化 學(xué) 干 擾 1. 物 理 干 擾 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 干擾及其消除方法 指試樣在轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)和原子化過(guò)程中由于試樣任何物 理因素的變化而引起的 配制與待測(cè)試樣具有相似組成的標(biāo)準(zhǔn)溶液。1 采用標(biāo)準(zhǔn)加入法。2 一、物理干擾(基體效應(yīng)) 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 干擾及其消除方法 二、化學(xué)干擾 在溶液中或氣相中由于待測(cè)元素與其它組分之間的化在溶液中或氣相中由于待測(cè)元素與其它組分之間的化 學(xué)反應(yīng)而引起的干擾。 與干擾組分形成更穩(wěn)定的或更難揮發(fā)的化合物，使待測(cè)元素 釋放出來(lái)。 加入釋放劑1 加入保護(hù)劑 2 與待測(cè)元素形成穩(wěn)定又易于原子化的化合物 山東理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 干擾及其消除方法 三、光譜干擾 ? 來(lái)源： 1. 與分析線相鄰的待測(cè)元素的譜線 2. 與分析線相鄰的非待測(cè)元素的譜線 ? 消除：減小狹縫寬度、選用高純度的單元素?zé)粝簻p小狹縫寬度、選用