生物儀器分析原子發(fā)射光譜法

生物儀器分析原子發(fā)射光譜法第1頁/共53頁一、何謂發(fā)射光譜分析法？

物質(zhì)通過電致激發(fā)、熱致激發(fā)或光致激發(fā)等激發(fā)過程獲得能量，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子或分子M*，當(dāng)從激發(fā)態(tài)過渡到低能態(tài)或基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)射光譜。

M*M+hv

通過測量物質(zhì)的激發(fā)態(tài)原子發(fā)射光譜線的波長和強(qiáng)度進(jìn)行定性和定量分析的方法叫發(fā)射光譜分析法。E2E0E1E3第2頁/共53頁二.原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生氣態(tài)激發(fā)態(tài)原子、離子的核外層電子，迅速回到低能態(tài)時以光輻射的形式釋放能量。原子發(fā)射光譜E2E0E1E3電能、熱能、光能等激發(fā)氣態(tài)原子、離子的核外層電子躍遷至高能態(tài)。hi第3頁/共53頁

（一）原子發(fā)射光譜線1.激發(fā)電位低能態(tài)電子被激發(fā)到高能態(tài)需要的能量。2.共振線、主共振線由激發(fā)態(tài)直接躍遷至基態(tài)時輻射的譜線稱為共振線。由第一激發(fā)態(tài)直接躍遷至基態(tài)的譜線稱為主共振線（第一共振線）第4頁/共53頁3.分析線、靈敏線、最后線用來定性或定量分析的特征譜線稱分析線。每種元素的原子光譜線中，凡具有一定強(qiáng)度、能標(biāo)記某元素存在的特征譜線，稱為該元素的靈敏線。當(dāng)被測某元素含量降低到最低限度時，仍能堅持出現(xiàn)的最后一條譜線，稱最后線，也是最靈敏線。最后線不一定是最強(qiáng)的譜線。

（主共振線通常是最強(qiáng)的譜線）第5頁/共53頁4.原子線、離子線原子線(Ⅰ)：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(Ⅱ,Ⅲ)：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+(Ⅱ)M2+*M2+(Ⅲ)第6頁/共53頁（二）譜線強(qiáng)度及其影響因素（重點(diǎn)）譜線的強(qiáng)度是原子發(fā)射光譜的定量定性依據(jù)。

Iqp=Aqp?N0?(gq/g0)?hυqp?e-Eq/kT——譜線強(qiáng)度的基本公式。Aqp

為原子由q能態(tài)向p能態(tài)躍遷的概率Iqp為譜線強(qiáng)度N0基態(tài)原子數(shù)Nq激發(fā)態(tài)原子數(shù)gq

、g0—激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重（粒子在某一能級下可能具有的幾種不同的狀態(tài)數(shù)）

Eq—激發(fā)電位

k—Boltzmann常數(shù)

T—溫度K第7頁/共53頁譜線強(qiáng)度與激發(fā)能的關(guān)系：當(dāng)N0和T一定時，Eq越低，Nq越多，Apq越大，譜線強(qiáng)度越強(qiáng)；Ipq與Eq呈反比關(guān)系。每種元素的主共振線激發(fā)能最小，是原子中最易激發(fā)的譜線，因此主共振線通常是最強(qiáng)的譜線。譜線強(qiáng)度與溫度的關(guān)系：每一條譜線都有一個最合適的溫度，此溫度下譜線強(qiáng)度最大。第8頁/共53頁譜線強(qiáng)度與試樣中元素含量的關(guān)系：

I＝a×c（a為與譜線性質(zhì)、試驗條件有關(guān)的常數(shù)）即在一定的分析條件下，譜線強(qiáng)度與該元素在試樣中的濃度成正比。因濃度大時發(fā)生自吸，所以上式修正為：I＝a×cb或

lgI=blgc+lga原子發(fā)射光譜法定量分析的基本公式（記住?。┑?頁/共53頁（三）譜線的自吸和自蝕自吸:由弧焰中心發(fā)射出來的輻射光，被外圍的基態(tài)或低能態(tài)的原子所吸收，從而降低了譜線的強(qiáng)度。（P25）自蝕：自吸嚴(yán)重時，中心部分的譜線將被吸收很多，從而使原來的一條譜線分裂成兩條譜線?；鶓B(tài)原子對共振線的自吸最嚴(yán)重。第10頁/共53頁對于自吸和自蝕可用下圖表示：第11頁/共53頁三、原子發(fā)射光譜儀低壓交流電弧ICP平面衍射光柵攝譜儀感光板中階梯光柵交叉色散光學(xué)系統(tǒng)全譜直讀CID電荷注入式檢測器激發(fā)源(光源)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理與顯示原子發(fā)射光譜法的分析過程第12頁/共53頁（一）激發(fā)源（光源）

1.激發(fā)源(光源)的作用:2.激發(fā)源的性能要求：

靈敏度高穩(wěn)定性和再現(xiàn)性強(qiáng)譜線背景低適應(yīng)范圍廣。第13頁/共53頁3.激發(fā)源的類型：

A.直流電?。―CA）

B.低壓交流電弧（ACA）

C.ICP(InductivelyCoupledPlasma)

電感耦合等離子體

D.高壓火花

E.微波等離子體

……….第14頁/共53頁ICP應(yīng)用：70多種無機(jī)元素的定性、定量分析環(huán)境化學(xué)、生物化學(xué)、海洋化學(xué)、材料化學(xué)一般只能測定液體ICP－MS可進(jìn)行超痕量分析HPLC與ICP－MS聯(lián)用可測定一些金屬的有機(jī)態(tài)（有機(jī)汞、有機(jī)錫）第15頁/共53頁（二）分光系統(tǒng)

作用：將樣品中待測元素的激發(fā)態(tài)原子或離子所發(fā)射的特征光經(jīng)分光后，得到按波長順序排列的光譜。

類型：a、棱鏡分光系統(tǒng)（折射）b、光柵分光系統(tǒng)（衍射和干涉）第16頁/共53頁（三）檢測器攝譜檢測系統(tǒng)1.1攝譜步驟：a.安裝感光板在攝譜儀的焦面上b.激發(fā)試樣，產(chǎn)生光譜而感光c.顯影，定影，制成譜板d.特征波長，定性分析e.特征波長下的譜線強(qiáng)度，定量分析第17頁/共53頁1.2感光板乳劑特性曲線A．曝光量(H)與曝光強(qiáng)度(I)的關(guān)系B.黑度(S)

C．黑度(S)與曝光量(H)的關(guān)系對比度γ：曝光量改變時，黑度改變的程度定量分析:采用γ較高的感光板---紫外型感光板。定性分析:采用Hi較小即靈敏度較高的感光板---紫外型感光板。i0iγi0

未曝光部分的透光強(qiáng)度

i曝光部分的透光強(qiáng)度第18頁/共53頁2.光電檢測系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換器（光電倍增管）將光信號變?yōu)殡娦盘枴Ｌ攸c(diǎn)：檢測速度快，準(zhǔn)確度較高；適用于較寬的波長范圍；線性范圍寬；受固定的出口狹縫限制，全定性分析較難。3.陣列檢測器

光電二極管陣列檢測器，電荷耦合和電荷注入式檢測器第19頁/共53頁1、結(jié)構(gòu)：火焰激發(fā)源、單色器和光電檢測器2、類型：按單色器和檢測器組成分：a)火焰光度計：濾光片、硒光電池及檢流計b)火焰分光光度計：光柵（或棱鏡）和光電管3、應(yīng)用：堿金屬、鈣等幾種譜線簡單的元素測定（四）火焰光度計FP6410火焰光度計

參考價格：RMB9800第20頁/共53頁四、原子發(fā)射光譜攝譜法的定性分析1.定性分析的基本原理

原子的核外電子能級不同時，躍遷產(chǎn)生不同波長的光譜線，通過檢測特征光譜線存在與否，確證某元素可否存在。一般利用2~3根原子線、離子線的第一共振線、最靈敏線、最后線、分析線進(jìn)行定性分析。第21頁/共53頁2.定性分析的方法A．標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣光譜比較法用標(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2~3條特征譜線（一般看最后線），就可以證實試樣中含有該元素，否則不含有該元素。第22頁/共53頁B.標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜圖比較法以鐵光譜作為波長標(biāo)尺標(biāo)有65種元素的480條特征譜線上標(biāo)：譜線的強(qiáng)度級（1~10級）下標(biāo)：原子線(Ⅰ)與離子線(Ⅱ→+、Ⅲ→2+、Ⅳ→3+)底標(biāo)：波長十位后尾數(shù)，12.3→2712.3埃、47.3→2747.3埃第23頁/共53頁標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜比較法操作：攝制試樣光譜時，在感光板上攝制1~2條鐵光譜在8W-光譜投影儀上將感光板上光譜放大20倍以鐵光譜作為波長標(biāo)尺，使感光板上的鐵光譜與標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜上的鐵光譜對齊且平行找出標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜上所標(biāo)有各元素的特征譜線在試樣光譜中是否出現(xiàn)若某元素的2~3條特征譜線出現(xiàn)，該元素就存在再根據(jù)所出現(xiàn)的譜線相對強(qiáng)度級，估計相對含量第24頁/共53頁五、原子發(fā)射光譜攝譜法的半定量分析1.譜線強(qiáng)度（黑度）比較法將試樣與已知不同含量的系列標(biāo)準(zhǔn)樣品在一定條件下攝譜于同一光譜感光板上在映譜儀上用目視法直接比較被測試樣與標(biāo)樣光譜中分析線黑度根據(jù)黑度，估計欲測元素的近似含量2.譜線強(qiáng)度（黑度）比較法的應(yīng)用地質(zhì)普查地質(zhì)勘探礦物品位標(biāo)樣-1：0.001%標(biāo)樣-2：0.003%標(biāo)樣-3：0.01%標(biāo)樣-4：0.03%標(biāo)樣-5：0.1%未知樣-1未知樣-2第25頁/共53頁六、原子發(fā)射光譜攝譜法的定量分析1.定量分析的基本關(guān)系式：

I=ACb求對數(shù)，得：

logI=blogC+logA式中：b=1沒有自吸,b＜1,有自吸A：gi/g0e-Ei/kT(1-)k/

Aihυi與躍遷幾率、統(tǒng)計權(quán)重、激發(fā)電位、激發(fā)溫度、逸出速率常數(shù)、蒸發(fā)速率常數(shù)、電離度有關(guān)第26頁/共53頁2.內(nèi)標(biāo)法A.內(nèi)標(biāo)法的原理在待測元素的譜線中選一條譜線作為分析線。選擇一種元素的一條特征譜線---稱為：內(nèi)標(biāo)線可以是人為加入特定含量的元素，也可以是試樣中的基體成份-----稱為：內(nèi)標(biāo)元素以分析線與內(nèi)標(biāo)線強(qiáng)度比進(jìn)行定量分析--內(nèi)標(biāo)法所選用的分析線與內(nèi)標(biāo)線的組合稱為分析線對。logR=log(I分/I內(nèi))=blogC+logK第27頁/共53頁B.內(nèi)標(biāo)法的公式設(shè)分析線和內(nèi)標(biāo)線的強(qiáng)度分別為I分和I內(nèi)，則:I分=a分C分b分

I內(nèi)=a內(nèi)C內(nèi)b內(nèi)分析線和內(nèi)標(biāo)線的相對強(qiáng)度比：R=I分/I內(nèi)=a分C分b分

/a內(nèi)C內(nèi)b內(nèi)當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素的含量固定時，C內(nèi)為常數(shù)；無自吸時，b內(nèi)=1

內(nèi)標(biāo)元素與分析元素的逸出速率、蒸發(fā)速率、電離度、躍遷幾率、統(tǒng)計權(quán)重、激發(fā)電位、激發(fā)溫度相近時：a分=a內(nèi)因此：R=I分/I內(nèi)=KC分b分

，式中：K=a分/(a內(nèi)C內(nèi)b內(nèi))取對數(shù)后得到:logR=log(I分/I內(nèi))=b分logC分+logK簡化后得到:logR=log(I分/I內(nèi))=blogC+logK此為內(nèi)標(biāo)法定量分析的基本公式，請記??！第28頁/共53頁分析線對應(yīng)具有相同或相近的激發(fā)電位和電離電位內(nèi)標(biāo)元素與分析元素應(yīng)具有相近的沸點(diǎn)，化學(xué)活性及相近的原子量內(nèi)標(biāo)元素的含量，應(yīng)不隨分析元素的含量變化而變化內(nèi)標(biāo)線及分析線自吸要小分析線和內(nèi)標(biāo)線附近的背景應(yīng)盡量小分析線對的波長、強(qiáng)度及寬度也盡量接近C.使用內(nèi)標(biāo)法必須具備下列條件第29頁/共53頁D.攝譜法定量分析的基本關(guān)系式I=ACbH=It

攝譜法系以光譜感光板作為檢測器，故此時應(yīng)考慮譜線黑度與被測定元素含量的關(guān)系.當(dāng)分析線對的譜線所產(chǎn)生的黑度均落在乳劑特性曲線的直線部分時，對于分析線和內(nèi)標(biāo)線分別得到:S分

=γ分logH分–i分=γ分logI分·t分-i分

S內(nèi)

=γ內(nèi)logH內(nèi)–i內(nèi)=γ內(nèi)logI內(nèi)·t內(nèi)-i內(nèi)在同一塊的同一條譜帶上，曝光時間相等，即:t分=t內(nèi)兩條譜線的波長一般要求很接近，且其黑度都落在乳劑特性曲線的直線部分:i分=i內(nèi),

γ分=γ內(nèi)=γ故將S1減S2，得到黑度差:ΔS=S分

–S內(nèi)

=γ分logI分–γ內(nèi)logI內(nèi)=γlg(I分/I內(nèi))第30頁/共53頁將內(nèi)標(biāo)法定量分析的基本公式logR=log(I分/I內(nèi))=blogC+logK代入前式（即左下式）得下列右式：ΔS=S分

–S內(nèi)

=γ分logI分–γ內(nèi)logI內(nèi)

=γlg(I分/I內(nèi))ΔS=S分

–S內(nèi)

=γ

logR=γ

log(I分/I內(nèi))=γ

blogC+

γlogK此即基于內(nèi)標(biāo)法原理的以攝譜法進(jìn)行光譜定量分析的基本關(guān)系式。第31頁/共53頁E、基體效應(yīng)的影響試樣組份影響弧焰溫度，弧焰溫度又直接影響待測元素的譜線強(qiáng)度，由于其它元素共存而影響待測元素譜線強(qiáng)度的作用稱為第三元素的影響或基體效應(yīng)，對于成分復(fù)雜的樣品來說，第三元素的影響往往是很顯著的同并引起較大的分析誤差。為了減少試樣成分對弧焰溫度的影響，穩(wěn)定弧焰溫度，經(jīng)常加入一些光譜添加劑（如緩沖劑）。第32頁/共53頁3、AES定量分析方法

a.工作曲線法：三標(biāo)準(zhǔn)試樣法

logI

logClogI=blogC+logAΔSlogCΔS=blogC+γlogAlogClogRlogR=log(I分/I內(nèi))=blogC+logA第33頁/共53頁b.標(biāo)準(zhǔn)加入法（增量法）當(dāng)測定低含量元素，無合適的基體配制標(biāo)準(zhǔn)樣品時采用此法。見P35此法在火焰光度法中有應(yīng)用，此外還有標(biāo)準(zhǔn)加入比較法。第34頁/共53頁特征譜線△E3=hc/λ3△E不同△E2=hc/λ2λ不同△E1=hc/λ1不同原子自己獨(dú)特的特征譜線第35頁/共53頁分析依據(jù)定性定量某物質(zhì)特征譜線存在與否某物質(zhì)特征譜線的強(qiáng)度應(yīng)用：元素/特別是金屬分析第36頁/共53頁儀器光源試樣原子蒸氣激發(fā)態(tài)特征譜線單色器檢測器第37頁/共53頁第38頁/共53頁原子發(fā)射光譜法特點(diǎn)及適用范圍（1）操作簡單、分析快速

（2）靈敏度高

（3）選擇性好

（4）試樣用量較少

（5）微量分析準(zhǔn)確度高

（6）只能確定物質(zhì)的元素組成與含量，不能給出物質(zhì)分子及其結(jié)構(gòu)的信息。第39頁/共53頁原子發(fā)射光譜法的應(yīng)用生物、食品、環(huán)境樣品的分析植物灰分組成測定土壤常量和微量組分的分析元素的價態(tài)分析第40頁/共53頁原子發(fā)射光譜法的應(yīng)用舉例潮州草藥、涼茶中的微量元素分析垃圾焚燒飛灰中重金屬元素血液中鐵銅鎂鈣的快速測定山藥、人參不同部位、不同產(chǎn)地貝母中多種微量元素原油中的微量金屬元素測定CPU導(dǎo)熱硅脂中的鉛和鎘飲用水中微量鉬聚氯乙烯塑料中的重金屬元素玩具涂層可遷移重金屬含量木材及木制品中的銅鉻砷MPT-AES法測定乳膠手套中的鐵、鎳、鎂、鈣、鋅汽車氣門合金中8種元素ICP-AES測定口香糖中的Ti桂皮和小茴香中砷、鉛、鎘和汞的測定第41頁/共53頁六、原子熒光光譜法（AFS）

原子熒光光譜法是1964年以后發(fā)展起來的分析方法。該法是以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。所用儀器與原子吸收光譜法相近。第42頁/共53頁（一）原子熒光光譜法的原理1.原子熒光光譜的產(chǎn)生：氣態(tài)自由原子吸收特征輻射后躍遷到較高能級，然后又躍遷回到基態(tài)或較低能級。同時發(fā)射出與原激發(fā)輻射波長相同或不同的輻射即原子熒光。原子熒光為光致發(fā)光，二次發(fā)光，激發(fā)光源停止時，再發(fā)射過程立即停止。第43頁/共53頁2．原子熒光的類型（了解部分）：共振熒光、非共振熒光、敏化熒光。（1）共振熒光發(fā)射與原吸收線波長相同的熒光為共振熒光。（2）非共振熒光

熒光的波長與激發(fā)光不同時，稱非共振熒光。（3）敏化熒光受激發(fā)的原子與另一種原子碰撞時，把激發(fā)能傳遞給另一個原子使其激發(fā)，后者再從輻射形式去激發(fā)而發(fā)射熒光即為敏化熒光。第44頁/共53頁(1)共振熒光特點(diǎn)是激發(fā)線與熒光線的高低能級相同。如鋅原子吸收213.86nm的光，它發(fā)射熒光的波長也為213.86nm。若原子受熱激發(fā)處于亞穩(wěn)態(tài)，再吸收輻射進(jìn)一步激發(fā)，然后再發(fā)射相同波長的共振熒光，此種原子熒光稱為熱助共振熒光。