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(duì)特征輻射的吸收作用來(lái)進(jìn)行元素定量的分析方法。

當(dāng)光源輻射出待測(cè)元素的特征譜線，通過樣品的原子蒸氣時(shí)，被蒸氣中的待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，測(cè)量基態(tài)原子對(duì)特征譜線的吸收程度，進(jìn)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(xué)家A.Walsh將該現(xiàn)象應(yīng)用于分析；70年代以來(lái)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。能測(cè)定幾十種金屬元素和一些類金屬元素，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域。在研究微量元素和疾病的關(guān)系方面發(fā)揮了很大作用。5AAS特點(diǎn)：1）靈敏度高：火焰原子化法，10-6g/ml級(jí)，有時(shí)可達(dá)10-9g/ml級(jí)；石墨爐原子化可達(dá)10-9~10-14g/ml級(jí)。2）準(zhǔn)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(cè)定范圍廣，可測(cè)70種元素。6不足：

多元素同時(shí)測(cè)定有困難；對(duì)非金屬及難熔元素的測(cè)定尚有困難對(duì)復(fù)雜樣品分析干擾也較嚴(yán)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(yùn)動(dòng)，每種原子有多種不同能量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的能級(jí)，其中最穩(wěn)定的狀態(tài)稱為基態(tài)。當(dāng)原子吸收一定頻率的輻射時(shí)，將從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。8

原子對(duì)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(diǎn)：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(jiǎn)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(jiǎn)稱共振線。----原子吸收分光光度法。當(dāng)電子從第一激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)，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(jiǎn)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(qiáng)度最強(qiáng)，是該元素所有譜線中最靈敏的，對(duì)大多數(shù)元素來(lái)說(shuō)，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(cè)原子的氣態(tài)基態(tài)原子對(duì)共振線的吸收來(lái)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(yīng)是線狀光譜，但實(shí)際上無(wú)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(qiáng)度隨頻率或波長(zhǎng)不同而改變，如圖

16

譜線輪廓常以中心頻率0

（或中心波長(zhǎng)0）和半寬度來(lái)表征。中心頻率0

是指最大發(fā)射或吸收線強(qiáng)度I0所對(duì)應(yīng)的頻率，半寬度則為最大發(fā)射或吸收線強(qiáng)度一半1/2I0處譜線輪廓上兩點(diǎn)之間的頻率差。K0稱為峰值吸收系數(shù)，即對(duì)應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度，N0為受到激發(fā)的每個(gè)原子的平均電子數(shù)(待測(cè)元素的基態(tài)原子數(shù))，與吸收幾率成正比。18

此式說(shuō)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)比較的絕對(duì)分析方法！

19但是，積分吸收的測(cè)定非常困難。因?yàn)樵游站€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(dá)到的！20

所以，盡管原子吸收現(xiàn)象早在18世紀(jì)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(lái)代替“積分吸收”。積分吸收難于測(cè)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(shí)，當(dāng)發(fā)射線和吸收線滿足以下兩個(gè)條件，即:

當(dāng)e

a時(shí)，發(fā)射線很窄，發(fā)射線的輪廓可認(rèn)為是一個(gè)矩形，則在發(fā)射線的范圍內(nèi)各波長(zhǎng)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(diǎn)假設(shè)，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(cè)量I吸收線發(fā)射線

023通常K0與譜線的寬度有關(guān)，即上式表明，當(dāng)用銳線光源作原子吸收測(cè)定時(shí)，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(cè)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(guān)系

待測(cè)元素在進(jìn)行原子化時(shí)，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(xué)原理，當(dāng)在一定溫度下處于熱力學(xué)平衡時(shí)，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(zhǎng)”及“溫度”有關(guān)。a）當(dāng)溫度保持不變時(shí)：激發(fā)能（h）小或波長(zhǎng)大，Nj/N0則大，即吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)際工作中，T通常小于3000K、波長(zhǎng)小于600nm，故對(duì)大多數(shù)元素來(lái)說(shuō)Nj/N0均小于1％，Nj與N0相比可忽略不計(jì)，處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處于基態(tài)的原子數(shù)！N0可認(rèn)為就是原子總數(shù)。26當(dāng)一束頻率為，強(qiáng)度為I0

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

，原子蒸汽lhI0

It

5.峰值吸收與原子濃度的關(guān)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(shí)驗(yàn)條件下，通過測(cè)定基態(tài)原子的吸光度，即可求出樣品中待測(cè)元素的含量----AAS法的定量基礎(chǔ)。28第三節(jié)原子吸收分光光度計(jì)

原子吸收分光光度計(jì)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(cè)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(cè)元素特征譜線。為了實(shí)現(xiàn)峰值吸收的測(cè)量，要求：a）銳線；b）強(qiáng)度大，背景??；c）操作方便，壽命長(zhǎng)。

1.空心陰極燈(HollowCathodeLamp,HCL)2.無(wú)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(jì)的核心部分。其作用是將試樣中的待測(cè)元素轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)原子蒸氣，使其對(duì)光源發(fā)出的特征輻射產(chǎn)生吸收，相當(dāng)于UV—Vis的吸收池。

原子化效率的高低直接影響元素測(cè)定的靈敏度。其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，又影響測(cè)定的精密度和準(zhǔn)確度。原子化法有火焰原子化法、無(wú)火焰（石墨爐）原子化法和化學(xué)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(cè)元素原子化的方法。具有穩(wěn)定性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，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(xì)而均勻、霧化效率高、適應(yīng)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(jìn)入燃燒器，所以又稱預(yù)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(yīng)，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(shí)際測(cè)定中，需要根據(jù)元素的特性選擇不同類型的火焰，通過實(shí)驗(yàn)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(dá)到最佳的原子化效果。

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

改變?nèi)細(xì)馀c助燃?xì)獾奈镔|(zhì)的量比（燃助比），對(duì)火焰的形狀和性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響。最適宜的比例一般通過實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。任何一種火焰均可按燃?xì)馀c助燃?xì)獾谋壤譃槿惥卟煌再|(zhì)的火焰：1）化學(xué)計(jì)量型：指燃助比近似于二者反應(yīng)的計(jì)量關(guān)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?xì)獗壤^大的火焰（燃助比大于化學(xué)計(jì)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?xì)獯笥诨瘜W(xué)計(jì)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(shí)間短，同時(shí)，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(cè)定時(shí)，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(wú)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(diǎn)，把測(cè)定的靈敏度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)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(hù)系統(tǒng)和石墨管三部分。39原子化的程序升溫四個(gè)步驟：干燥：100℃，蒸發(fā)掉樣品中的溶劑灰化：350~1200℃，減少來(lái)自于樣品中低沸點(diǎn)無(wú)機(jī)/有機(jī)物的基體干擾原子化：2000~3000℃，同時(shí)測(cè)定峰值吸收凈化：100~200℃，除去殘留物，消除記憶效應(yīng)。40P88表5-5

火焰原子化法和石墨爐原子化法的比較（自學(xué)）41(三）化學(xué)還原原子化法---氫化物發(fā)生法、冷原子化法對(duì)于一些元素如As、Sb、Si、Se、Ge、Sn、Pb等，用常規(guī)火焰/無(wú)火焰法分析時(shí)，背景吸收嚴(yán)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(cè)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(yīng)，生成揮發(fā)性的氫化物。反應(yīng)式如下：42

用氮?dú)鈱浠飵У郊訜岬氖⒐苤?，氫化物在不太高的溫度下（約300～900℃）就可分解出待測(cè)元素的原子蒸氣，然后進(jìn)行吸光度測(cè)定。

該方法的靈敏度高，可檢測(cè)到10-9g數(shù)量級(jí)的含量。由于生成揮發(fā)性的氫化物使待測(cè)元素與基體分離，所以選擇性好，基體干擾和化學(xué)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(jì)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(jì)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(jiǎn)單，故對(duì)單色器的色散率要求不高(線色散率為1~3nm/mm)。44四、檢測(cè)器

使用光倍增管并可直接得到測(cè)定的吸收度信號(hào)。45第四節(jié)定量分析方法1.標(biāo)準(zhǔn)曲線法

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

來(lái)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(biāo)準(zhǔn)溶液，消除干擾。也可通過適當(dāng)稀釋溶液，減少干擾。在基體性質(zhì)不清楚或比較復(fù)雜時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)加入法能較好地消除基體干擾。49

二、化學(xué)干擾（chemicalinterference）來(lái)源：待測(cè)元素與共存的其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(cè)定結(jié)果偏低。如用空氣/乙炔火焰測(cè)定Ca時(shí)，溶液中若存在磷酸根會(huì)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(cè)元素釋放出來(lái)。502.加入保護(hù)劑（配位劑）:與被測(cè)元素形成穩(wěn)定又易于分解和原子化的化合物，阻止被測(cè)元素和干擾元素結(jié)合。對(duì)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(hù)劑。51三、電離干擾來(lái)源：高溫導(dǎo)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(cè)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(duì)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(dāng)光譜通帶為0.7nm時(shí)，它們都進(jìn)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(cè)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(wú)關(guān)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(hào)，包括分子吸收及固體微粒對(duì)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(duì)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(duì)光產(chǎn)生散射，被散射光偏離光路，不被檢測(cè)器所檢測(cè)。波長(zhǎng)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(lái)自燃燒氣，因此可通過空白進(jìn)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(yán)重。最近，采用石墨爐平臺(tái)技術(shù)（Platformtechnology）、高新石墨材料、快速測(cè)光計(jì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用示例一、測(cè)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(dāng)元素的共振線受到其它譜線干擾，或位于遠(yuǎn)紫外區(qū)時(shí)，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(yuǎn)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(cè)定，可選取341.48nm作分析線。此外當(dāng)待測(cè)原子濃度較高時(shí)，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(qiáng)度。狹縫寬度的選擇應(yīng)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(jiǎn)單，譜線重疊的幾率很少，在原子吸收測(cè)定時(shí)允許使用較寬的狹縫。這樣可以增加光強(qiáng)，提高信躁比，改善檢出限。當(dāng)吸收線附近有干擾譜線與非吸收光譜存在時(shí)，使用較寬的狹縫反而會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低。合適的寬度可通過實(shí)驗(yàn)確定。不引起吸光度減小的最大狹縫寬度，就是應(yīng)該選擇的最佳狹縫寬度。583.燈電流選擇燈電流過小，光強(qiáng)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)樣速