原子吸收光譜的基本原理及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1、 原子吸收光譜的基本原理及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心元素分析平臺(tái) 光譜學(xué)概念 光譜學(xué)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間相互作用。光譜是電磁輻射按照波長(zhǎng)的有序排列。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)輻射波長(zhǎng)都具有各自的特征強(qiáng)度。通過(guò)光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。在化學(xué)分析中它提供了重要的定性與定量的分析方法。 光譜學(xué)分類(lèi) 根據(jù)研究光譜方法的不同，習(xí)慣上把光譜學(xué)區(qū)分為發(fā)射光譜學(xué)、吸收光譜學(xué)與散射光譜學(xué)。這些不同種類(lèi)的光譜學(xué)從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)及不同的化學(xué)分析方法。 發(fā)射光譜

2、可以區(qū)分為三種不同類(lèi)別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。線狀光譜主要產(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子，連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于氣體放電。 吸收光譜 當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的光通過(guò)一種物質(zhì)時(shí)，光束中的某些成分便會(huì)有所減弱，當(dāng)經(jīng)過(guò)物質(zhì)被吸收的光束由光譜儀展成光譜時(shí)，就得到該物質(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜。 散射光譜 當(dāng)光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，除了光的透射和光的吸收外，還觀測(cè)到光的散射。在散射光中除了包括原來(lái)的入射光的頻率外(Rayleigh scattering and Tyndall John)，還包括一些新的頻率。這種產(chǎn)生新頻率的散射稱(chēng)為喇曼散射，其光譜稱(chēng)為喇曼光譜。 喇曼效應(yīng)起源于分子

3、振動(dòng)(和點(diǎn)陣振動(dòng))與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從喇曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)(點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)。 束箔光譜學(xué)束箔光譜學(xué)是最近十幾年國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。主要內(nèi)容是，用被加速的離子撞擊不同元素的薄箔的方法研究基礎(chǔ)原子物理學(xué)、測(cè)量電子能級(jí)的平均壽命。束箔技術(shù)主要成員應(yīng)用于天體物理問(wèn)題上，可以對(duì)日冕的性質(zhì)以及銀河系中元素的豐度得到很好的理解。 光聲光譜學(xué)光聲光譜學(xué) 以光聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種新型光譜分析檢測(cè)技術(shù)。用一束強(qiáng)度可調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周?chē)橘|(zhì)按光的調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加熱，從而導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動(dòng)，這種壓力

4、波動(dòng)可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測(cè)，并通過(guò)放大得到光聲信號(hào)，這就是光聲效應(yīng)。若入射單色光波長(zhǎng)可變，則可測(cè)到隨波長(zhǎng)而變的光聲信號(hào)圖譜，這就是光聲光譜。 由于光聲光譜測(cè)量的是樣品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等對(duì)測(cè)量干擾很小，故光聲光譜適于測(cè)量高散射樣品、不透光樣品、吸收光強(qiáng)與入射光強(qiáng)比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品等，而且樣品無(wú)論是晶體、粉末、膠體等均可測(cè)量，這是普通光譜做不到的。利用光聲技術(shù)已出現(xiàn)適用于氣體分析的二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀，適用于固體和液體分析的氙燈紫外-可見(jiàn)光聲光譜儀，以及傅里葉變換光聲光譜儀。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技

5、術(shù)都在迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和材料科學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。 原子吸收分光光度計(jì)概述 原子吸收光譜原理 原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectrometry)是基于從光源發(fā)射的待測(cè)元素的特征輻射通過(guò)樣品蒸氣時(shí),被蒸氣中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收,根據(jù)輻射強(qiáng)度的減弱程度以求得樣品中待測(cè)元素的含量。 通常情況下，原子處于基態(tài)。當(dāng)相當(dāng)于原子中的電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需要的輻射頻率通過(guò)原子蒸氣，原子就能從入射輻射中吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，從而產(chǎn)生吸收光譜。原子吸收分析就是利用基態(tài)原子對(duì)特征輻射的吸收程度的，常使用最強(qiáng)吸收線作為分析線。原子吸收光譜

6、儀構(gòu)成 原子吸收光譜儀由以下四部分組成 1 光源系統(tǒng):空心陰極燈 2 原子化系統(tǒng):火焰原子化器;石墨爐原子化器或氫化物發(fā)生器。 3 分光系統(tǒng)：?jiǎn)紊?4 檢測(cè)系統(tǒng)：光電倍增管等 光源系統(tǒng) 原子吸收光源應(yīng)滿足以下條件 1 能輻射出半寬度比吸收線半寬度還窄的譜線，并且發(fā)射線的中心頻率應(yīng)與吸收線的中心頻率相同。 2 輻射的強(qiáng)度應(yīng)足夠大。 3 輻射光的強(qiáng)度要穩(wěn)定，且背景小。 空心陰極燈則可滿足原子吸收上述三點(diǎn)要求，它是利用空心陰極效應(yīng)而制成的一種特殊輝光放點(diǎn)管。空心陰極燈發(fā)光機(jī)理 空心陰極燈為直流供電，當(dāng)在正負(fù)電極上施加適當(dāng)電壓（一般為300500伏）時(shí)，在正負(fù)電極之間便開(kāi)始放電，這時(shí)，電子從陰極內(nèi)壁

7、射出，經(jīng)電場(chǎng)加速后向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。 電子在由陰極射向陽(yáng)極過(guò)程中與載氣（惰性氣體）原子碰撞使其電離成為陽(yáng)離子，帶正電荷的惰性氣體離子在電場(chǎng)加速下，以很快的速度轟擊陰極表面，使陰極內(nèi)壁的待測(cè)元素的原子濺射出來(lái)，與其它粒子相互碰撞而被激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，大多會(huì)自動(dòng)回到基態(tài)，同時(shí)釋放能量，發(fā)出共振發(fā)射線。 銳線光源定義：光源發(fā)射線的中心頻率與吸收線的中心頻率一致，而且發(fā)射線的半寬度比吸收線的半寬度小得多時(shí)，則發(fā)射線光源叫做銳線光源。 光源能量能被原子充分吸收，測(cè)定的靈敏度就高。 如果用連續(xù)光源，則吸收光的強(qiáng)度只占入射光強(qiáng)度的極少部分，使測(cè)定的靈敏度極差。連續(xù)光源AAS構(gòu)造原理圖石墨爐石墨爐 中

8、階梯光柵中階梯光柵火焰火焰 短弧氙燈短弧氙燈 高分辨單色器高分辨單色器中階梯光柵-雙單色器分光系統(tǒng)譜線分離26543121：入射狹縫（固定式）2，離軸拋物鏡3，棱鏡4: 中間狹縫（可變式）5: 中階梯光柵6: 線陣CCD檢測(cè)器 中階梯光柵中階梯光柵 雙單色器分光系統(tǒng)雙單色器分光系統(tǒng)9/2004 Innovation Made in Germany 原子化器系統(tǒng) 原子化器是將樣品中的待測(cè)組份轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子的裝置。 1 火焰原子化器 火焰原子化法是利用氣體燃燒形成的火焰來(lái)進(jìn)行原子化的，實(shí)際上就是一個(gè)噴霧燃燒器，由三部分組成，即噴霧器（nebulizer）、霧化室（spray chamber）和燃燒

9、器（bumer）。 噴霧器:將試樣溶液轉(zhuǎn)為霧狀。 霧化室：內(nèi)裝撞擊球和擾流器（去除大霧滴并使氣溶膠均勻）。 燃燒器：產(chǎn)生火焰并使試樣蒸發(fā)和原子化。 2 無(wú)火焰原子化器 常用無(wú)火焰原子化器包括石墨爐原子化器和氫化物原子化器。 石墨爐原子化法是利用低壓、大電流來(lái)使石墨管升溫，最高溫度可升至3000，這一升溫過(guò)程可使石墨管中的試樣完成干燥、灰化、原子化和凈化等測(cè)定。 干燥 去除溶劑，防止樣品濺射。 灰化 使基體和有機(jī)物盡量揮發(fā)出去。 原子化 待測(cè)化合物分解為基態(tài)原子,此時(shí)停止通Ar氣,延長(zhǎng)原子停留時(shí)間,提高靈敏度度。 凈化 樣品測(cè)定完成，高溫去殘?jiān)?，凈化石墨?石墨爐原子化器與火焰原子化器比較 1

10、原子化效率高，可達(dá)到90%以上，而火焰法僅只有10%多一點(diǎn)。 2 絕對(duì)靈敏度高（可達(dá)到10-1210-14),試樣用量少，適合于低含量及痕量組份的測(cè)定。 3 溫度高，在惰性氣氛中進(jìn)行且有還原性碳的存在，有利于易形成難離解氧化物元素的離解和原子化。 原子吸收光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)備原子吸收光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)備 分析方法標(biāo)準(zhǔn)化及質(zhì)量控制 生物樣品中微量元素的有關(guān)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的研究,重點(diǎn)是分析方法的標(biāo)準(zhǔn)化,生物標(biāo)準(zhǔn)參比樣品的建立及微量元素分析的質(zhì)量控制。 1.1.分析方法標(biāo)準(zhǔn)化分析方法標(biāo)準(zhǔn)化 分析方法包括從樣品采集、儲(chǔ)存、樣品預(yù)處理、樣品測(cè)定、結(jié)果計(jì)算及報(bào)告的全過(guò)程。每個(gè)環(huán)節(jié)的失誤,都會(huì)影響到整個(gè)分析的成敗。目

11、前尚沒(méi)有一套完整的微量元素分析方法,樣品的預(yù)處理是由分析者自行確定或由各分析單位協(xié)同確立,所以分析前必須對(duì)上述各環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。 譬如頭發(fā)的采集,不同發(fā)段中微量元素含量是有一定差異的,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分文獻(xiàn)作者,主張從距頭皮1cm處采集近期生長(zhǎng)的24cm發(fā)段,采樣部位一般為枕部和顳部.組織取樣也應(yīng)相對(duì)固定同一部位,譬如肝臟不同部位血管分布不同,元素含量也不同,一般采取右葉前上方富于纖維的部分,以減少分析偏差。 組織樣品取后不能用自來(lái)水沖洗以免污染,而應(yīng)用無(wú)離子水沖洗.也不能象病理學(xué)研究那樣用甲醛浸泡,因?yàn)榧兹┕潭ㄒ褐幸埠形⒘吭氐奈廴?而是應(yīng)該冷凍或干燥后備用。 血樣分析大多采集靜脈血

12、,如需測(cè)全血加入抗凝劑時(shí),要首先檢測(cè)抗凝劑中待測(cè)元素的含量,選用本底值低的抗凝劑。 2. 生物標(biāo)準(zhǔn)參比樣品的建立及微量元素分析的質(zhì)量控制 由于生物樣品基本組成復(fù)雜,待測(cè)元素含量較低,使得準(zhǔn)確測(cè)定存在很大困難,致使測(cè)定值與文獻(xiàn)值相差懸殊,這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)參比樣品的使用來(lái)克服。一些國(guó)際機(jī)構(gòu)如國(guó)際原子能委員會(huì)(IAEA)及國(guó)家機(jī)構(gòu)如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)等,已研制出一些生物樣品標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì),如標(biāo)準(zhǔn)牛血清、牛肝、全血、人發(fā)、尿等等,這對(duì)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性,起了很大作用.目前我國(guó)這方面工作也取得不少進(jìn)展。如中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)所研制的牛血清、商業(yè)部研制的豬肝標(biāo)樣。上海原子核所研制的

13、頭發(fā)標(biāo)樣等都相繼問(wèn)世。 在每批樣品分析中,選用12個(gè)與被測(cè)樣品性質(zhì)組成相似的標(biāo)準(zhǔn)參比樣品進(jìn)行質(zhì)控,以增加分析結(jié)果的可靠性、可信性。在分析工作中常受到偶然因素的影響,使結(jié)果產(chǎn)生誤差,而實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控的作用,就是當(dāng)分析工作中出現(xiàn)誤差時(shí),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,以便采取措施,保證獲得最佳分析結(jié)果。 在這里需特別指出的是控制污染是保證檢測(cè)結(jié)果可靠性的首要條件,由于生物樣品中微量元素的含量極低,一般在百萬(wàn)分之一億萬(wàn)分之一,而我們周?chē)h(huán)境中某些元素又廣泛存在著,因此,在微量元素研究中,采樣工具、器皿、試劑、甚至空氣等都可能是污染源。 以血清鉻的分析值為例,檢測(cè)結(jié)果在20世紀(jì)50年代為185ng/ml,60年代為70n

14、g/ml,70年代為110ng/ml,現(xiàn)在仍有下降的趨勢(shì)。30年中血清鉻數(shù)值下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)。造成血鉻值偏高的污染因素很多,原因之一是由于采血時(shí)沒(méi)有注意到不銹鋼針頭溶出鉻的問(wèn)題。臨床上大量使用的橡皮膏、乳膠管往往會(huì)對(duì)鋅的測(cè)定造成污染。微量元素分析的各種試劑如酸類(lèi)等,盡可能使用高純度的,此外,空氣中的灰塵、煙霧等也會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)影響有條件的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)在超凈工作間處理樣品。分析人員也應(yīng)注意自身污染情況,如手上的皮屑,表皮污垢,汗和皮脂等污染源。 3 樣品前處理技術(shù) (1) 標(biāo)準(zhǔn)溶液及其配制原則 在原子吸收光譜分析中,水是最普遍使用的溶劑,對(duì)其純度要求較高,通常采用去離子交換水或去離子重蒸溜水,應(yīng)用

15、無(wú)焰法進(jìn)行ppb或ppt級(jí)的微量元素分析,則要用高純度的水,現(xiàn)多采用石英亞沸點(diǎn)高純水蒸餾器制取高純水。 無(wú)機(jī)酸也是常用的 溶劑,其中常含有少量金屬元素,使用前應(yīng)嚴(yán)格檢查.在日常分析中,一般可用優(yōu)級(jí)純的酸,在條件可能情況下,最好用超純酸。 對(duì)選用的試劑,以不玷污待測(cè)元素為原則。在實(shí)踐中,如果在儀器靈敏度范圍內(nèi),檢測(cè)不出待測(cè)元素的吸收信號(hào),就可認(rèn)為所選試劑沒(méi)玷污待測(cè)元素。 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí),應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)溶液的組分要盡可能與試樣溶液相似。溶液中總含鹽量是影響霧化和原子化效率的主要因素之一,其影響大小與鹽類(lèi)性質(zhì)、含量、火焰溫度、霧珠大小有關(guān)。如果試樣中總含鹽量在1%以上時(shí),在標(biāo)準(zhǔn)溶液中就應(yīng)加入等量的同一鹽類(lèi)

16、,以期在霧化時(shí)和在火焰中所發(fā)生的過(guò)程相似。應(yīng)用無(wú)火焰法保持標(biāo)準(zhǔn)與基體一致更具實(shí)際意義。 原子吸收分析用的標(biāo)準(zhǔn)溶液(儲(chǔ)備溶液)濃度一般為1mg/ml,有些元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液需加入少量無(wú)機(jī)酸以利儲(chǔ)存,濃度1ug/ml的標(biāo)準(zhǔn)溶液要現(xiàn)用現(xiàn)配。用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的濃度范圍,原則上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍和試樣中待測(cè)元素的濃度確定,整套標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度應(yīng)把試樣溶液的濃度包括在其范圍內(nèi)。不同元素其靈敏度不同,標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的濃度范圍也不相同,對(duì)于常規(guī)分析,從測(cè)量精度來(lái)看,最佳的濃度范圍的吸光值為0.10.6,而微量元素的測(cè)定,濃度下限的吸光值0.1。 (2) 生物材料樣品的采集 生物臨床分析樣品,按其制備的難易

17、程度可分為五種類(lèi)型：1) 全血、血清、血漿、紅血球、白血球；2) 尿; 3)毛發(fā)、指甲；4) 肝、腎等軟組織； 5)骨骼、牙齒。 血清、血漿、全血、尿以及人發(fā)中常量元素和微量元素的含量及分布,是新陳代謝失調(diào)的最可靠的信息。血液的采集部位和采樣體積取決于人的年齡、分析元素的性質(zhì)及含量,也取決于樣品處理方法和最終測(cè)定方法.末梢血液可以從耳垂穿刺或手指采取,若需血樣量較大,則最好從靜脈采血。1%肝素鈉水溶液、檸檬酸或檸檬酸銨可作為血液的抗凝劑。 尿的臨床分析,以早晨首次排出的尿最為合適,它是夜間積存在膀胱內(nèi)的,是24h內(nèi)最濃縮的尿,也是各日間性質(zhì)上差別最小的尿樣。 毛發(fā)中元素的含量與取樣部位及離發(fā)根

18、的距離有關(guān),現(xiàn)多從后頸部采取發(fā)樣。 (3) 樣品的預(yù)處理 測(cè)定生物樣品中的元素,一般均需首先破壞樣品中的有機(jī)物質(zhì)。選用何種方法,在某種程度上取決于分析元素和被測(cè)樣品及基體性質(zhì)。目前主要有以下幾種破壞有機(jī)物的方法用于原子吸收分析。 1) 高溫干灰化法 為破壞樣品中有機(jī)物基體,常將樣品在450500 進(jìn)行干灰化,灰化溫度若高于500會(huì)引起一些元素的損失.灰化輔助劑的使用,可促進(jìn)有機(jī)物的分解和提高金屬元素的回收率,硝酸有助于形成易溶解的灰分,硫酸常用來(lái)將金屬轉(zhuǎn)化成硫酸鹽以降低金屬元素的灰化損失。高溫干灰化法的優(yōu)點(diǎn)是能灰化大量樣品,方法簡(jiǎn)單,無(wú)試劑污染,空白低。但對(duì)于低沸點(diǎn)的元素常有損失,其損失程度取決于灰化溫度和時(shí)間,還取決于元素在樣品中的存在形式。 2) 低溫干灰化法 為了克服高溫干灰化因揮發(fā)、滯留和吸附而損失痕量金屬等問(wèn)題,現(xiàn)使用射頻激發(fā)低壓氧氣流,產(chǎn)生等離子體,在低溫(70)下氧化樣品而不致引起易揮發(fā)元素如As、Se、Pb等損失。并能保持樣品無(wú)機(jī)元素的組成和結(jié)構(gòu)。如果使用活性混合氣體或用過(guò)氧化氫預(yù)先氧化樣品,則可縮短灰化時(shí)間。 3) 濕法消化法 濕法消化是破壞有機(jī)物最常用方法之一,通常使用的是氧化性酸的混合液.使用較為廣泛的混合酸有：硝酸-高氯酸、硝酸-硫酸-過(guò)氧化氫等。濕法消