基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)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(jiǎn)述2.方法原理3.儀器設(shè)備 4.火焰原子化法測(cè)試的工作參數(shù)選擇 5.石墨爐原子化法測(cè)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(jiǎn)述n1802年，伍朗斯頓(W. H. Wollaston)在進(jìn)行太 陽(yáng)觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光譜中存在一些暗線。n夫郎霍費(fèi)(J. Fraunhofer)在18141817年，布魯 斯特(

2、D. Brewster) 在1820年相繼對(duì)這些暗線 進(jìn)行仔細(xì)的觀察，認(rèn)為是由于太陽(yáng)外圍較冷 的氣體吸收了太陽(yáng)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，克希霍夫(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(duì)鈉光有吸收現(xiàn)象。 他們又對(duì)其它幾種堿金屬以及堿土金屬的火焰進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們都對(duì)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(yáng)光譜暗D線有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，于是他們認(rèn)為太陽(yáng)光譜中的暗線由于太陽(yáng)外圍氣體中的某些元素吸收

3、了太陽(yáng)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(zhǎng)的光形成特征光譜，也能發(fā)射出同樣波長(zhǎng)的譜線。并進(jìn)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(xué)家沃爾什(A. Walsh)對(duì)原子吸收光譜應(yīng)用的可行性進(jìn)行了一系列的研究和實(shí)驗(yàn)。1955年他發(fā)表了著名的原子吸收光譜在分析化學(xué)中的應(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)(后面部分我們會(huì)有簡(jiǎn)要介紹)。這就為原子吸收分光光度法奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)他還研制了第一臺(tái)

4、原子吸收分光光度計(jì)，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(guó)際光譜學(xué)大會(huì)(CSI)上授予他第一屆CSI獎(jiǎng)。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(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，操作煩瑣，未能獲得推廣。 1961年美國(guó)Perkin-Elmer公司推出了世界上第一臺(tái)火焰原子吸收分光光度計(jì)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(cè)試高溫元素氧化物，使原子吸收光譜

5、儀可測(cè)定元素?cái)U(kuò)展到70多種。 1968年，馬斯曼(H. Massmann)對(duì)里沃夫提出的電加熱裝置進(jìn)行了重大改進(jìn)，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(jiǎn)化了石墨爐。優(yōu)點(diǎn)： 檢出限低 火焰原子吸收法的檢出限可達(dá)到ng/mL量級(jí),石墨爐原子吸收光譜法的檢出限可達(dá)到10-1310-14g。 選擇性好 由于原子吸收是線狀吸收，又采用待測(cè)元素特征譜線作為光源，即使在溶液中有多個(gè)元素共存，只要它們不與待測(cè)元素產(chǎn)生難原子化的化合物，就不會(huì)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。火焰原子吸收方法由于6/

6、13/2022原子吸收光譜分析104.原子吸收光譜分析的特點(diǎn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差一般達(dá)到1%沒有困難，最好時(shí)可以達(dá)到0.3%或更好。 抗干擾能力強(qiáng) 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(xué)干擾。 應(yīng)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(jìn)樣量為3mL/min6mL/min，采用微量進(jìn)樣時(shí)甚至可以小至10L50L。GFAAS液體進(jìn)樣量為10L20L，固體進(jìn)樣

7、量為毫克量級(jí)。 儀器設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，易于掌握( )缺點(diǎn)1.單元素測(cè)定 每個(gè)元素需要特定的空心陰極燈，不能多元素同時(shí)測(cè)定。2.線性范圍窄 給對(duì)未知樣品的測(cè)定帶來不便，有時(shí)需多次稀釋或濃縮才能滿足測(cè)試的需求。3.高溫元素準(zhǔn)確性差 如Zr,Nb,Ta,Mo,W,稀土等測(cè)得的準(zhǔn)確性較差，有的儀器甚至不能測(cè)定，原因是靈敏度太低。 為克服這些缺點(diǎn)，現(xiàn)在不少?gòu)S家也在進(jìn)行改進(jìn)。如同時(shí)可點(diǎn)亮多個(gè)燈，通過程序進(jìn)行燈與燈的自動(dòng)切換，利用蠕動(dòng)泵進(jìn)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(shí)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(cè)光束，另一束光為參比光束。由于參比光與檢測(cè)光處于相同的測(cè)試條件下，可有效地克服光源強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的比較，求得待測(cè)元素的含量。具體地說，就是首先測(cè)定若干個(gè)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液中待測(cè)元素的吸收強(qiáng)度，按溶液的濃度對(duì)吸收強(qiáng)度作工作曲線，再測(cè)定未知樣品溶液中該元素的吸收強(qiáng)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(yù)處理，還應(yīng)根據(jù)處理前后的量的變化關(guān)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(gè)一個(gè)的能級(jí)。在不受到外界擾動(dòng)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(jìn)行非彈性碰撞時(shí)便吸收能量。當(dāng)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(shí)，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(zhǎng)n原子吸收光譜的波長(zhǎng)和頻率由產(chǎn)生躍遷的兩能級(jí)的能量差E決定： 高能態(tài) 其中 -波長(zhǎng) -頻率 低能態(tài) c-光速 h-普朗克常數(shù)。 原子光譜波長(zhǎng)是進(jìn)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(qiáng)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(huì)產(chǎn)生自旋偶合，激發(fā)態(tài)會(huì)出現(xiàn)能級(jí)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(jìn)行原子吸收分析的譜線。但對(duì)于過渡元素，由于能態(tài)的復(fù)雜性，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)最靈敏線不是共振線的情況。8.3實(shí)際測(cè)量 在實(shí)際工作中，對(duì)于原子吸收值的測(cè)量是以一定光強(qiáng)的單色光I0通過原子蒸氣，然后測(cè)出被吸收后的光強(qiáng)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(shí)際分析過程中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，N正比于待測(cè)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(jì)算機(jī)原子化系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)分光系統(tǒng)光 源樣品第三節(jié) 儀器設(shè)備 原子吸收儀器的種類繁多，型號(hào)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(cè)系統(tǒng)等四部分組成?，F(xiàn)在的原子吸收儀器增加了計(jì)算機(jī)控制部分，用于對(duì)上述各部分工作狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)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(duì)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(gè)條件：一是波長(zhǎng)必須單一，二是光源必須

14、有足夠的強(qiáng)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?yàn)檫@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(qiáng)度。如果增加光源的功率，勢(shì)必增加了儀器制造的成本，而且大功率的光強(qiáng)照射道光柵上，對(duì)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(jī)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(zhǎng)的不同選用不同材質(zhì)的玻璃，譜線波長(zhǎng)在可見光區(qū)(370 nm以上)選用光學(xué)玻璃片，譜線波長(zhǎng)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(yáng)極。圓筒用濺射率低并且發(fā)射譜線簡(jiǎn)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(duì)于低熔點(diǎn)金屬、活性較強(qiáng)的金屬、價(jià)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(yáng)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(dāng)燈的兩極加上電壓，會(huì)在兩極間產(chǎn)生電場(chǎng)，同時(shí)陰極上的電子向陽(yáng)極移動(dòng)并被電場(chǎng)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(shí)產(chǎn)生輝光現(xiàn)象。這些電子迅速移向陽(yáng)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(qiáng)負(fù)輝光區(qū)，提高所需元素的譜線強(qiáng)度，還能延長(zhǎng)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(gè)特點(diǎn)，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(huì)發(fā)生改變，燈的發(fā)光強(qiáng)度，穩(wěn)定性等會(huì)逐漸變差，當(dāng)這些指標(biāo)達(dá)不到要求時(shí)就該換新的了。其二，我們?nèi)魷y(cè)定某個(gè)元素的含量，必須使用與其相應(yīng)的空心陰極燈，如測(cè)定銅，就必須采用銅燈，因?yàn)橹挥秀~燈才能發(fā)射出銅元素的譜線來。也就是說光源與待測(cè)元素有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。雖然現(xiàn)在有復(fù)合燈，即同一燈的陰極表面含有幾種元素，能進(jìn)行多種元素測(cè)定，但由于這種燈在測(cè)定某一元素時(shí)，也在消耗其它的所有元素，因此燈的工作時(shí)間