第十五章  原子吸收分光光度法

一、教学目的

1、掌握原子吸收分光光度法的基本原理。

2、熟悉原子吸收分光光度计的仪器基本组成。

3、掌握原子吸收分光光度计的定量和定性方法，熟悉它的实验技术。

4、了解原子吸收分光光度法的应用。

二、教学内容

l、概述

2、基本原理

  （1)原子吸收光谱和共振线。

  （2)谱线轮廓与吸收值的测量。

  （3)基态原子数与激发态原子数。

3、原子化方法

（1)火焰原子化法：火焰原子化法、火焰结构及原子化过程、常用的火焰及火焰状态的划分。

  （2)石墨炉原子化法：石墨炉原子化器、石墨炉原子化法的升温过程。

  （3)氢化物发生原子化法氢化物的发生方法、氢化物发生原子化器的装置。

4原子吸收分光光度计

  （1)光源。

  （2)分光系统。

  （3)检测系统。

  4 原子吸收分光光度计类型：单光束型、双光束型。

5、原子吸收分光光度法的实验技术

  （1)定量分析方法：标准曲线、直接比较法、标准加入法。

  （2)干扰及其消除方法：电离干扰、物理干扰、化学干扰、光谱干扰、背景干扰。

  （3)分析条件的选择：分析线、狭缝宽度、灯电流的选祥、原子化条件的选择。

  （4)灵敏度和检出限；灵敏度、检出限。

第十五章  原子吸收分光光度法

Atomicabsorption spectrometry (AAS)

第一节 概述

原子吸收分光光度法又称原子吸收光谱法是测量特征波长通过吸收介质(气态自由原子)后入射光强度减弱程度，进行定量分析的方法，属光谱化学分析（spectrochemical analysis)范畴，根据粒子从基态到激发态对辐射的吸收原理建立各种吸收光谱法，如分子、原子吸收光谱分析。

较其它分析技术，原子吸收光谱法是属于较近发展起来的一门分析技术，它是由Walsh 在1955年创立。1802年Wollaston在观察太阳光谱时首次发现了原子吸收现象。1955年Walsh利用火焰作为原子化能源并提出锐线光源和峰值吸收理论，建立了原子吸收光谱分析，1959年L’vov设计了电加热原子化器，1968年Massman设计了使用的石墨炉原子化器，使得石墨炉原子吸收走向商品化。

下面是我们熟悉的可见分光光度和本章介绍的原子吸收光谱仪器装置：

前面已经讨论了比色法、可见及紫外吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。那么，原子吸收又是

如何实现原子呢？

第二节 原子吸收光谱分析的基本原理

一、  元素的特征谱线

原子是由原子核和核外电子所组成。电子在原子核周围空间按一定的状态运动，即在特定的轨道上运动也就是原子具有壳层结构，不同的壳层具有不同的能量，最外层电子通常称为光学电子，原子光谱是由光学电子状态跃迁所产生的，见图。

原子能级示意图

吸收光谱(absorptionspectrum高级职称考试网)：当有辐射投射到吸收原子上时，如果入射辐射的能量和原子中的电子由低能态跃迁到所容许的较高能态所需要的能量相匹配，原子就要从光波场中吸收能量由低能态跃迁到较高的能态。原子由基态跃迁至第一激发态，吸收一定频率的辐射能量，产生共振吸收线（简称共振线)

发射光谱（emission spectrum)：原子由激发态回到基态，发射出一定频率的辐射，也产生共振吸收线（也简称共振线)

特征光谱 (characteristic spectrum)：各种元素的原子结构和外层电子排布不同，基态→第一激发态，跃迁吸收能量不同，且最易发生，吸收最强，最灵敏，具有特征性，称之为特征光谱。

二、  谱线的轮廓

理论上原子谱线应该是线光谱，但实际上原子谱线并非是一条严格的几何线，而是具有一定形状，即谱线轮廓，也就是谱线强度与频率有一分布值，如图所示。

原子吸收示意图

当光线通过含有某元素的蒸气基态原子时，基态原子对照射线产生吸收，将透过强度I对频率n作图，得到如图所示的吸收线轮廓。

理论上应产生线状光谱吸收线，实际上用特征吸收频率左右具有一定宽度吸收峰，为什么？

三、  谱线变宽的原因

1、自然变宽：是指不受任何外界影响时的谱线宽度，取决于激发态原子的寿命，根据量子力学测不准原理推导的

  由此可知，寿命越长谱线越窄，反之越宽。

2、多普勒变宽（温度变宽) Dn_D

多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器)，则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。多普勒变宽是由于温度引起的，又称之为温度变宽。

3、压力变宽（碰撞变宽)

由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化, 劳伦兹变宽（ΔL):待测原子和其他原子碰撞。赫鲁兹马克变宽:同种原子碰撞。

通常条件下吸收线变宽主要受多普勒和劳伦兹变宽效应控制。

四、 积分吸收和峰值吸收

若将原子吸收用于分析，需要测量光吸收变化。若使用钨丝灯和氘灯作为光源，则经分光后，光谱通带0.2nm。而原子吸收线的半宽度：10-3nm。如图所示。

即若用一般光源照射时，吸收光的强度变化仅为0.5%，灵敏度极差，无法满足分析需要。若将原子蒸气吸收的全部能量，即谱线下所围面积测量出（积分吸收)。则是一种绝对测量方法，要在如此小的轮廓准确积分，要求单色器的分辨率高达50万以上（R=2B/l . B为光栅宽度)现在的分光装置也无法实现。所以在原子吸收分析中，目前还不能采用一般光源，1955年提出采用锐线光源可提供吸收峰处的极窄范围的波长的光，产生峰值吸收。通过测量峰值吸收代替积分吸收，成功地解决了原子吸收分析测量的难题。

吸收峰测量示意图

由于使用了锐线光源原子吸收的峰值测量也遵循Lambert-Beer定律，此时，峰值吸收系数为：

在其他试验条件一定的情况下，简化为：

五、 基态原子数与原子化温度

原子吸收光谱是利用待测元素的原子蒸气中基态原子数与共振吸收之间的关系来进行测定的。即待测元素的原子蒸气中基态原子数越大，对特征频率的光吸收越多。 但在原子化过程中（高温下由离子态转化为原子态的过程)，可能造成部分基态原子受热激发， 因而需要考虑原子蒸气中待测元素的基态原子与原子总数之间的定量关系。

热力学平衡时，上式中P_j和P_O分别为激发态和基态的统计权重。表列出几种元素共振线的N_j/N₀值（见书218页)。

讨论：

1. 公式右边除温度T外，都是常数。T一定，比值一定。

2. 通过计算可知。钠离子在原子化过程中，当原子化温度改变10K时，激发态原子数增加4%。因此测定过程中，必须严格控制原子化温度恒定。

3.  激发态原子数N_j与基态原子数N_o之比较小,通常小于1%。可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。

4.  在温度及其他条件一定的情况下，原子总数与待测元素的浓度成正比，故有：A=K^’C 即为原子吸收光谱分析的定量基础。

第三节 原子化方法

原子吸收分析中如何实现待测

1、火焰原子化法

雾化器，雾化稳定、雾化效率高、雾滴均匀。

A 原子化器  雾化室，良好的浸水性、防止挂水珠、减少记忆。

  燃烧器，火焰平稳、不易阻塞、不易回火、可调节。

B 火  焰：要求其背景吸收和背景发射小。

l 火焰的结构：就火焰的结构而可分四个区：

（a)预热区：燃气经过此区加热到着火温度。

（b)第一反应区：燃烧不充分，发生着复杂反应，有一个

蓝心。

（c)中间薄层区：温度较高、厚度较小，是产生自由原子的主要区域。

（d)第二反应区：氧化剂较充分，反应产物扩散进入大气

l 火焰种类：根据燃气和助燃气比例不同火焰可分为三种类型。

（a)化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。

（b)富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。

（c)贫燃火焰：火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。

l特  点：稳定、重现性好、应用广；原子化效率低，灵敏度低、  液体进样。

2、无火焰原子化法

无火焰原子化器种类较多，但石墨炉原子化器（见图)具有性能好、结果简单、使用方便，被广泛应用，通常称之为电热石墨炉原子化法。

电热原子化过程一般分为四个阶段，即干燥、灰化(热解)、原子化和净化(除残)。

3、还原气化法

（1)氢化物发生原子化法：

锑、砷、铋、铅、硒、碲和锡等元素，在酸性介质中用硼氢化钠处理后，都可形成挥发性氢化物。

待测物X+KBH₄---XH_n(易分解)--石英管加热---原子化。

（2)冷原子吸收法：

汞在酸性介质中与氯化亚锡发生还原作用时就可产生元素态的汞蒸汽。在燃烧器上方装有石英吸收池，调节燃烧器使光束通过石英吸收池。Hg(II)+SnCl₂—Hg(carriergas)—吸收池

第三节 原子吸收分光光度计

一、仪器的主要部件

原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光系统和检测读数系统四部分组成，分别介绍如下。

(一)、光源:

   在原子吸收分析中需要一个能提供被自由原子蒸气吸收的辐射源，光源是原子吸收分光光度计的一个重要部件，因为原子吸收光谱法的各种优点都直接或间接地与光源发射的待测元素谱线半宽度有关，如果这个半宽度比吸收线宽度窄，这种优点将更为突出。

一般来说，原子吸收对光源有以下几点要求。

1. 光谱纯度高，只发射分析元素的光谱，不含杂质元素的辐射。

2. 发射锐线(即很窄的谱线)，发射的共振线强度高而稳定，背景小。

3. 起辉电压低，特别是用高频率点灯时如此，因为对高频来说，较难起辉。

4.结构牢固可靠，使用方便。

5.有较长的寿命，价钱便宜。

空心阴极灯、蒸气放电灯、高频无极放电灯等，均符合上述要求。但在这些光源中，效果最好的是空心阴极灯。不论是在光谱范围、谱线锐度、辐射强度和光谱输出稳定性等方面，空心阴极灯都比较理想，所以得到最广泛的应用。其结构如图所示：

（二)分光系统

1. 作用 ：将待测元素的共振线与邻近线分开。

2. 组件：色散元件（棱镜、光栅)，凹凸镜、狭缝等。

3.单色器性能参数：

（1)线色散率（D)：两条谱线间的距离与波长差的比值ΔX/Δλ。实际工作中常用其倒数Δλ/ΔX成称之为倒色散率。

（2)分辨率：仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值λ/Δλ表示。

（3)通带宽度（W)：指通过单色器出射狭缝某标称波长处的辐射范围。当倒色散率D一定时，通过选择狭缝宽度S来确定：W=D´ S。

（三)检测系统

主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。

1. 检测器—将单色器分出的光信号转变成电信号。如：光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。

2.放大器—将光电倍增管输出的信号，经电子线路进一步放大。

3. 对数变换器—光强度与吸光度之间的转换。

4. 显示、记录装置—读出或记录电信号的大小。

二、 原子吸收分光光度类型

（一)、单道单光束原子吸收分光光度计

（二)、单道双光束原子吸收分光光度计

第四节 原子吸收分光光度法的实验技术

一、定量分析方法

1、标准曲线法

2、直接比较法

3、标准加入法

二、干扰及其消除方法

1、物理干扰

试样粘度、表面张力使样品进入火焰的速度或喷雾效率改变所引起的干扰。可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。

2、化学干扰

指Analytes(Target species)与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰，主要引起原子化效率，使待测元素的A降低。

抑制方法：

l加入释放剂：

SO₄^2-、PO₄^3-对Ca²⁺的干扰—加入La(III)、Sr(II)—释放Ca²⁺；

l加入保护剂(配合剂):

1) PO₄^3-对Ca²⁺的干扰—EDTA—CaY(稳定且易破坏)；

2) 含氧酸中Mg、Al—MgAl₂O₄—使吸光度急剧下降—加入8-羟基喹啉作保护剂。

l加入缓冲剂或基体改进剂：主要对GFAAS，如加入EDTA可使Cd的原子化温度降低。

l化学分离。

3、电离干扰

热激发—电离—电子数增加—原子数减少—吸光度A下降。如对碱金属和碱土金属元素—加入大量易电离的元素可消除之。

4、光谱干扰

（1)、光谱干扰：

l 非共振线干扰：多谱线元素—减小狭缝宽度或另选谱线。

l  非待测元素干扰：充入气体和氧化物的背景干扰—将HCL反接；

l  谱线重叠干扰—选其它分析线；

5、背景干扰：主要来自原子化器，包括蒸汽中气态分子对光的吸收(无机酸、气体燃烧等)及高盐度颗粒的散射干扰

背景校正方法：

1)邻近非共振线校正法：

A=A_T-A_B

2) 连续光源(H灯或氘灯)背景较正法

3)Zeeman 效应背景校正法

谱线在磁场中发生分裂的现象(n^2S+1L_J—n^2S+1L_2J+1)。Zeeman背景校正是根据磁场将（简并的)谱线分裂成具有不同偏振特性的成份，即平行于磁场的p线和垂直于磁场的±s线，由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收。

三、条件的优化

1．分析线：一般选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线。

2．通带（调节狭缝宽度)：无邻近干扰线（如测碱及碱土金属)时，选较大的通带，反之（如测过渡及稀土金属)，宜选较小通带。

3．空心阴极灯电流：在保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量选较低的电流。

4. 原子化条件

Flame: 火焰类型；燃助比；燃烧器高度；

Graphite Furnace: 升温程序(干燥、灰化、原子化、净化)

四、分析方法评价

一)灵敏度

IUPAC规定：分析标准函数的一次导数，即标准曲线的斜率(S)。

在原子吸收实际应用中通常用特征浓度来表示：

1、  特征浓度(1%吸收灵敏度)：产生1%吸收(A=0.0044)信号所对应的元素浓度。

2、  特征质量(对GFAAS)：

三、  检测限(DL)

检出限是指以其能检出的最小浓度（或最小量)，为此，必须确定最小测量值，根据IUPAC规定：可测量到的最小信号A_L以下式确定：

K表示置信水平，K=2，置信度为95.46%；K=3，置信度为99.7%

可以看出，检出限不仅与灵敏度有关，而且还考虑到仪器噪声！因而DL比S具有更明确的意义，更能反映仪器的性能。只有同时具有高灵敏度和高稳定性时，才有低的检出限。