第十三章 原子吸收分光光度法
(atomic absorption
spectrophotometry;AAS)
原子吸收分光光度法基本原理1
原子吸收分光光度计2
实验方法3
原子吸收分光光度法
根据 蒸气相中 被测元素的 基态原子对特征辐射的吸收来测定试样中该元素含量的方法。主要用于化合物中金属元素的测定或可与金属反应的化合物的测定。
原子吸收分光光度法的特点
优点
1.准确度高:火焰法相对误差 <1%;石墨炉
3%~5%。
2.灵敏度高:常规 10-6g/ml以上,火焰法可达
10-9g/ml,非火焰法可达 10-13g/ml;
微量测定 5~100 μl或 0.05~30 mg。
3.选择性好:吸收带宽很窄,抗干扰能力强。
4.测量范围广:可测元素达 70多种。
原子吸收分光光度法的特点
缺点,
1.标准工作曲线的线性范围窄,一个数量级。
2.通常每测一种元素要使用一种元素灯,
使用不便。
3.对难熔元素 W,Nb,Ta,Zr,Hf、
稀土等和非金属元素分析较困难。
原子的量子能级描述量子能级的形式:光谱项 n2S+1LJ
n:主量子数,核外电子的分布层次,0,1,2…
L:总角量子数,电子的轨道性状,0,1,2…,
相应的符号为 S,P,D,F
S:总自旋量子数,价电子自旋量子数的矢量和,
0,± 1/2,± 1,± 3/2
J:内量子数,电子运动过程中,轨道磁矩与自旋磁矩耦合形成的能级分裂,取值 L+ S,
L+ S- 1,… L - S。
2S+1:光谱项的多重性。
Na原子的光谱项( n2S+1LJ)
基态结构,1S2 2S2 2P6 3S1
n=3; L=0; S=1/2;
J=L+S=1/2; 2S+1=2
光谱项符号为 3 2S1/2
第一激发态,1S2 2S2 2P6 3P1
n=3; L=1; S=1/2;
J为 L+S=3/2,L-S=1/2; 2S+1=2
光谱项符号为 3 2P1/2 和 3 2P3/2
钠原子部分电子能级图共振线钾原子部分电子能级图原子在各能级的分布玻尔兹曼分布
)e x p (
0
00 KT
EE
g
g
N
N jjj?

g,统计权重 (Statistical weight),2J+1
K:玻尔兹曼常数,1.38× 10-23J·K-1。
Ej- Ej越小,T越大,Nj/ N0越大。
共振吸收线
各种元素的基态?第一激发态,共振激发,产生的谱线称为共振吸收线。
最易发生,吸收最强,最灵敏线,特征谱线。
原子吸收线的轮廓和宽度
中心频率或中心波长,最大吸收系数所对应的频率或波长称为中心频率或中心波长。 由原子能级分布决定。
峰值吸收系数( K0),中心频率或中心波长处的最大吸收系数又称为峰值吸收系数 。 由两能级之间的跃迁几率决定。
半宽度,最大吸收系数一半( Kυ/2)
处所对应的频率差或波长差,用△ υ或
△ λ表示。
影响吸收线半宽度的主要因素:
自然变宽( natural width)
多普勒变宽( Doppler broadening)
压力变宽( pressure broadening)
赫鲁兹马克变宽 (Holtsmark broadening)
劳伦茨变宽( Lorentz broadening )
自然变宽
原子在基态和激发态的寿命是有限的。电子在基态停留的时间长,在激发态则很短。
由海森堡测不准 (Uncertainty principle)原理( )这种情况将导致激发态能量具有不确定的量,该不确定量使谱线具有一定的宽度,即自然宽度。原子 寿命越短,吸收线的自然宽度越宽,通常
10-5 nm,对于共振线而言,自然宽度很小,可忽略。
Nv?
htE
多普勒变宽
这是运动波源表现出来的频率移位效应。
当运动波源(运动原子发出的光),背向”
或“向着” 检测器运动时,被检测到的频率较静止波源所发出的 频率低或高,由此而引起谱线变宽。由无规则的热运动产生,
又称热变宽( 10-3 nm)。 是谱线变宽的主要因素。
Dv?
多普勒效应示意图压力变宽
由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级的微小变化,使发射或吸收的光子频率改变而导致的变宽。
Holtsmark变宽,又称共振变宽,由 同种 原子碰撞引起。它随试样原子蒸气浓度增加而增加。可忽略不计。
Lorentz变宽,由吸收原子与蒸气中其他 原子或分子等相互碰撞引起。谱线频移与不对称变化。它随原子区内气体压力的增加和温度升高 而增大。 ( 10-3 nm)
Lv?
Rv?
原子吸收法的定量基础
1.积分吸收原子蒸气所吸收的全部能量,在原子吸收光谱法中称为积分吸收,图中吸收线下面所包括的整个面积。
KN
fN
mc
dvK
v

2

c — 光速
e — 电子电荷
m — 电子质量
N — 单位体积基态原子数
f — 振子强度一种绝对测量方法,现在的分光装置无法实现。
2.峰值吸收钨丝灯光源和氘灯,经分光后,光谱通带 0.2 nm。而原子吸收线的半宽度为 10-3 nm。
用一般光源照射时,吸收光强度变化仅为 0.5%。 灵敏度极差
1955年瓦尔什( Walsh)提出用测定峰值吸收系数
K0 来代替积分吸收系数 Kυ的测定。
并采用 锐线光源 测量谱线的峰值吸收。
原子吸收法的定量基础
3.峰值吸收系数



2
0
0
2ln)(2
e x p
D
v v
vv
KK
在通常原子吸收测定条件下,原子吸收线轮廓取决于 Doppler宽度,吸收系数为:
KN
v
K
D?
2ln
Δ
2
0?
锐线光源与原子吸收谱线轮廓对比示意图
0.001~0.005nm
0.0005~0.002nm
原子吸收法的定量基础
Dv vKdvK 02ln2
1?
KNdvK v
代入
LK veII 0? LKII
0e0tr
K N L
vI
IA
Dtr?
2ln
Δ
24 3 4.0lg 0
在一定实验条件下,N ∝ C
CKLNkA
原子吸收法的定量基础
K
v
k
D?
2ln
Δ
24 3 4.0?设
4,峰值吸收系数与试样浓度的关系原子吸收光谱仪原子吸收分光光度计的主要部件光源 原子化器 检测器单色器锐线光源
空心阴极灯 (hollow cathode lamp;HCL)
优点,辐射光强度大,稳定,
谱线窄,灯容易更换缺点,每测一种元素需更换相应的灯作用:
待测离子转变成原子蒸气原子化方法:
火焰法:结构简单、操作方便。准确度和重现性较好。
雾化效率低,试样用量大。
无火焰法:原子化效率和测定灵敏度高。
精密度不如火焰法,复杂。
原子化系统是原子吸收光谱仪的核心原子化系统火焰原子化法原子化器
作用:将试液雾化。
要求:喷雾稳定、雾滴细小、均匀和雾化效率高,约 (10% )
雾化器与雾化室火焰原子化法原子化器
作用:形成火焰,
使进入火焰的试样微粒原子化。
火焰组成影响测定灵敏度、稳定性和干扰,对不同元素选择不同的火焰。乙炔 -
空气焰最常用。
燃烧器几种类型火焰及温度燃料气体助燃气体 最高温度
K
燃烧速度
cm · s
- 1
煤 气 空 气 21 10 55
丙 烷 空 气 21 95 82
氢 气 空 气 23 20 320
乙 炔 空 气 25 70 160
氢 气 氧 气 29 70 900
乙 炔 氧 气 33 30 11 30
乙 炔 氧化亚氮 33 65 180
非火焰原子化器石墨炉原子化器
( graphite furnace atomizer,GFA)
石墨炉原子化器特点
原子化在充满惰性保护气体的气室内,于强还原性石墨介质中进行,有利于难熔氧化物的分解。
取样量少( 固体 0.1 ~10mg,液体 1~50μl),
固、液均可用,灵敏度高。
排除火焰与样品的作用,减少化学干扰。
取样量少,样品不均匀性大,精密度不如火焰法;有强的背景;设备复杂、较贵。
氢化原子化法应用,As,Sb,Bi,Sn,Ge,Se,Pb,Ti等。
(火焰法中,火焰分子对其共振线有吸收,灵敏度很低 )
原理,在酸性介质中,与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物 (原子化温度 700~900℃ )
AsCl3 +4NaBH4 + HCl +8H2O = AsH3 +4NaCl +4HBO2+13H2
载气将氢化物送入石英管,在低温下即可进行原子化。
特点,原子化温度低,灵敏度高,干扰小;
氢化物均有毒;精密度差。
测定条件的选择
分析线
狭缝宽度
空心阴极灯的工作电流
原子化条件测定条件的选择
分析线通常选择待测元素的共振线作为分析线。
但测量浓度较高或稳定性差时,可选用次灵敏线。其他情况,如 Hg185nm比 Hg254nm灵敏 50倍
,但前者处于真空紫外区,大气和火焰均对其产生吸收;共振线 Ni232nm附近 231.98和 232.12nm
的原子线和 231.6nm的离子线,不能将其分开,
可选取 341.48nm 作分析线。
测定条件的选择
狭缝宽度
AAS中,谱线重叠干扰的几率小,允许使用较宽的狭缝 。 最宜狭缝宽度一般为吸光度大且平稳时的最大狭缝 。 一般狭缝宽度选择在通带为 0.4~4.0nm 的范围内,对谱线复杂的元素如 Fe,Co 和 Ni,需在通带相当于 1? 或更小的狭缝宽度下测定 。
测定条件的选择
空心阴极灯的工作电流在保证有稳定和足够的辐射光强度的情况下,尽量选用较低的灯电流,以延长空心阴极灯的寿命和降低谱线宽度。
测定条件的选择
原子化条件
火焰的选择:火焰类型、燃助比、燃烧器的高度等。
石墨炉原子化条件:干燥、灰化、原子化和净化各阶段的温度和持续时间。
干扰及其抑制-电离干扰
产生的原因,基态原子电离
该干扰造成火焰中待测元素的基态原子数量减少,使测定结果偏低。
火焰温度越高,元素电离电位越低,元素越易电离。
消除与抑制方法,降低火焰温度;
加消电离剂。
干扰及其抑制-物理干扰
产生的原因,试样在转移、蒸发过程中物理因素变化引起的干扰。
消除或抑制方法,
通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致。
标准加入法或稀释法来减小和消除。
干扰及其抑制-光学干扰
谱线干扰
产生的原因:共振线附近存在有非待测元素的谱线,或试样中待测元素共振线与另一元素吸收线十分接近时,均会产生谱线干扰。
消除或抑制方法:另选分析线,调小狭缝或化学分离。
干扰及其抑制-光学干扰
背景干扰
产生的原因:分子吸收和光散射引起的干扰。
消除或抑制方法:
1.氘灯扣背景,190~350nm,A<0.5的背景吸收。
2.塞曼( Zeeman)效应扣背景:
190~900nm,A<1.7,价格贵。
干扰及其抑制-化学干扰
产生的原因,待测元素与试样中共存组分或火焰成分发生化学反应,引起原子化程度改变所造成的干扰。
消除与抑制方法,加释放剂、保护剂或基体改进剂、适当提高火焰温度。
标准加入法若试样基体组成复杂,
且基体成分对测定又有明显干扰时采用。
1.取若干份体积相同的试液( cx),依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液;
2,定容后浓度依次为,cx,cx +cO,cx +2cO,…… ;
3,分别测得吸光度为,AX,A1,A2,…… ;
4,以 A对浓度 c 做图,图中 cx点即待测溶液浓度。
注意
1.被测元素的浓度应在校正曲线线性范围之内。
2.外推法的测量点不能少于 4个。
3.此法可消除基体效应带来的影响,但不能消除分子吸收、背景吸收的影响。
4.应保证标准曲线的线性,否则曲线外推易造成较大的误差。
原子吸收分光光度法应用示例
碱金属、碱土金属的测定,灵敏度高
含有金属原子的有机药物的测定,如维生素 B12的含量测定(测定其中的钴),肝素钠中杂质钾盐的限量测定。
人体体液中金属元素的测定,食品、中药中重金属含量的测定。
有机药物与金属离子生成金属配合物,间接测定金属药物,如 8-羟基喹啉可制成 8-羟基喹啉铜进行测定,溴丁东莨菪碱可制成溴丁东莨菪碱硫氰酸钴进行测定。