原子吸收光谱使用的方法

王中泰

原子吸收光谱使用的方法

一、原子吸收分光光度计
英文Atomic Absorption Spectrometry
缩写 (AAS)。
太阳光暗线：
暗线是由于大气层中的钠原子对太阳光选择性吸收的结果：
第一激发态：
E基态：E = hv = h  C

  1955年Walsh博士发表了一篇论文：
“Application of atomic absorption
spectrometry to analytical chemistry”，
解决了原子吸收光谱的光源问题，  
50 年代末推出了原子吸收商品仪器。

火焰  空心阴极灯  棱镜
1 、灵敏度高
火焰法：  1 ng/ml；
石 墨炉： 100-0.01 pg 。
2 、准确度好
火焰法：  RSD <1%，
石墨炉 ： 3%-5%）。
3、选择性高（可测元素达70个，相互干扰很小） 。
缺点：不能多元素同时分析。

  原子吸收是一个受激吸收跃迁的过程。当有辐射通过 自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中外层电子 由基态跃迁到较高能态所需能量的频率时，原子就产生 共振吸收。原子吸收分光光度法就是根据物质产生的原 子蒸气对特定波长光的吸收作用来进行定量分析的。   原子吸收光的波长通常在紫外和可见区。

共振吸收
  当光源发射的某一特征波长的辐射通过原子蒸气时，被 原子中的外层电子选择性地吸收，使透过原子蒸气的入射 辐射强度减弱，其减弱程度与蒸气相中该元素的原子浓度成正比。当实验条件一定时，蒸气相中的原子浓度与试样 中该元素的含量（浓度）成正比。  因此，入射辐射减弱的程
度与试样中该元素的含量（浓度）成正比。其定量关系式是：
式中：  A— 吸光度；
I0—入射辐射强度；
I—透过原子蒸气吸收层的透射辐射强度； K— 吸收系数；
c— 样品溶液中被测元素的浓度；
L— 原子吸收层的厚度。

Ni   = N0    Ni, N0 gi，g0，
Exp(-   Ei  )g0
激发态和基态原子数
激发态和基态统计权重
Boltzman常数
热力学温度
激发能
由此可以看出：
   原子吸收线指强度随频率变化的曲线，从理论上讲原子吸收线应是一条无 限窄的线，但实际上它有一定宽度。
1 、自然宽度
   由于激发寿命原因，原子吸收线有一定自然宽度，约为10-5 nm  2 m 。
K     Boltzmann常数
C     光速  m 。  
若用M （原子量）代替m,
则：m=1.6605 10-24 M

原子质量：T    M  T  D
多普勒(Dopple)变宽可达10-3 nm 数量级

3、压力变宽
  压力变宽指压力增大后，原子之间相互碰撞引起的变宽。分为：                                Lorentz 变宽：
  指被测元素原子和其他粒子碰撞引起的 变宽( <10-3 nm )；
Holtsmart 变宽：
  指同种原子碰撞引起的变宽。在原子 吸收法中可忽略。

4、原子吸收线的轮廓
  综合上述因素，实际原子吸收线的宽度约为10-3 nm 数 量级
1 、积分吸收
吸光原子数 No 越多，吸光曲线面积越大（峰越高） ，因此，理论上积分吸收与 No 成正比：
K Ko  K1   K2   K3  K4  K5  K6
E - 电子电荷   No - 基态原子数
m - 电子质量  f - 振子强度  c - 光速
由于：   No = aC,       因此：ne
若能获得积分吸收，即可测得原子浓度。
(~10-3 nm)个分光系统，谱带宽度为 0.0001 nm, 且连续可调。
  通常光栅可分开0.1nm，要分开0.01 nm
的两束光需要很昂贵的光栅；要分开两束
波长相差0.0001 nm的光，目前技术上
难以实现；此外，即使光栅满足了要求，
分出的光也太弱，难以用于实际测量。

2.峰值吸收  即K =2   
积分吸收亦可用峰值吸收替代
K =2     ln2                ne2          N f
  即中心吸收与基态原子数成正比，因此只要用一个固定波长的光源，在  o处测量峰值吸收，即可定量Ko。

3、原子吸收光谱测量
   实际上，原子吸收光谱测量的是透过光的强度 I； 即当频率为k、强度为平行辐射垂直通过均匀的原子蒸汽时，原子蒸汽将对辐射产生吸收，IO  L
根据吸收定律，有：
I = I e-K  L
  当在原子吸收线中心频率附近一定频率范围测量时，则A v:
Io= j A vIv d vo    v
根据吸光度的定义：
Io= j  A v  Iv d v
A= lg  = lgo    vo= lg  I   do
若令：  k  = ko= 0.43k
A = 0.43 K   No=aC   D    mC
令 K =0.43  则    A=KC

原子吸收光谱分析的基本关系式：
A = K C
A吸光度        K常数     C浓度
A= Lgkc
值得指出的是
( 1 )由于基体成分的影响和化学干扰影响原子化过程，上式 不成立，导致曲线弯曲；
(2)对易电离的物质，温度较高时Ni很大，  Boltzmann分布 中Ni/No增大，影响曲线弯曲；
(3)发射光源的辐射半宽度要小于吸收线宽度，因此光源温度不能高。

思考题
.  如果光源辐射宽度比原子吸收线宽，原子吸收测量 能否进行？
• 你已经知道了原子吸收光谱分析的原理，你认为要用此原理实现原子浓度的测量方法，需要哪些仪器组件？

原子化器    单色器    检测器
1、光源
    光源的作用是发射被测元素的特征共振辐射
对光源的基本要求是：
锐线   （发射线半宽〈   吸收线半宽），
高强度
稳定  (30分钟漂移不超过1%)
背景低(低于特征共振辐射强度的±1%)。
光源内部充Ar氩气(或氮气）。
灯电流是空心阴极灯的主要控制因素
高温           温度梯度       自蚀
原子吸收分析中需要研究的条件之一：
灯电流的选择
太小：信号弱;         太大：产生自吸

2、原子化器
  原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发和原 子化。
火焰原子化
1、火焰原子化
由火焰提供能量，在火焰原子化器中实现被测元素原子化。 对火焰的基本要求是：
温度高,稳定,背景发射噪声低,燃烧安全。
  火焰原子化系统将被分析溶液转化成自由基态原子并置于光 路中。通常的方法是用雾化器将样品雾化，用雾化室将较大的 雾滴滤除掉。雾化器通过毛细管将溶液吸入，液流通过文丘里管撞在撞击 球上，将溶液打碎，成为不同大小的雾滴。雾化室将大的雾滴 滤除，剩下的小雾滴与火焰气体混合。雾化室对于雾化气与燃 气混合起到十分关键的作用。然后，混合气到达燃烧头。为得 到最大灵敏度，使空芯阴极灯所发出的光尽可能多地通过火焰 是十分必要的。因此若要得到某种元素的 最高灵敏度，必须调 整燃烧头的位置是该被分析元素的自由原子在火焰中最密集的 部分与光路重合。所有原子吸收仪都有调节燃烧头高度、前后 及角度的机构，通过调整可得到最大吸光度。在火焰底部，溶 剂被蒸发掉，样品成为非常小的固体颗粒，进而形成基态自由 原子出现在光路中。

直接燃烧型：
•雾化效率低• 背景影响大。
(样品,雾化器,混合室,燃烧器,助燃气,燃烧器
试 样）。
预混合室
( 1 )气溶胶产生
  雾化过程的关键是要产生直径足够小的气溶胶。对气动 雾化器，产生气溶胶的平均直径与下列因素有关：
do = 0.5a+597p
式中：  a 气流速度；p ：溶液密度；
1.5 QL    Q
s ：液体速度；  Y： 表面张力；
Q：溶液粘度；  QL ：溶液流量；
do ：气溶胶平均直径
  当液体流量小， Qg/QL  > 5000，第一项起支配作用 当液体流量大，
Qg/QL   <5000，第二项起支配作用，
平均直径均在10-20 pm 之间。
在火焰中通过 0.03 mm 就脱溶剂
在火焰中通过 30 mm  才脱溶剂
因此应创造条件，产生直径小于10 pm 的气溶胶。
IO:  超声雾化产生的气溶胶平均直径分布范围窄，直径 小，雾化效率高。但记忆效应大。
超声雾化的气溶胶直径计算公式为：
do= (  n Y   )  1/ 3       F — 超声频率
火焰原子吸收的灵敏度目前受雾化效率制约，因为目 前商品雾化器的雾化效率小于15% 。

(2)燃烧过程
两个关键因素：
燃烧温度;火焰氧化－还原性
燃烧温度由火焰种类决定：
燃气；助燃气；温度(K)。
乙炔--空气       笑气--乙炔     氢气--空气   
   2300               2500              3000

火焰的氧化－还原性
火焰的氧化－还原性与火焰组成有关
化学计量火焰  贫燃火焰   富燃火焰
燃气=助燃气；燃气(助燃气;燃气)助燃气。
中性火焰     氧化性火焰     还原性火
温度  中         温度  低         温度  高
   适于多种元素，适于易电离元素，适于难解离氧化物。

火焰高度对不同稳定性氧化物的影响
原子吸收分析中需要研究的条件之二：
火焰原子化条件的选择：
火焰类型：
燃气－助燃气比例
测量高度：10mm   8mm  6mm。

石墨炉的优点是：
   热解平台是一片固体热解涂层石墨，中央有一可 盛40mL样品的凹槽。平台可安装在石墨管中。石 墨管与平台只在平台边沿部分与石墨管壁保持最少的接触点。平台的作用是推迟样品原子化的时间，使原子化 在石墨管达到稳定高温状态时发生。其 好处是在较 高温度下，可减少干扰及背景。但平台的使用有一定局限性，一是最大进样量只能到40μL；再者平台的安装，略微降低了光通量----因此需要仔细调整石墨炉炉体的位置，尽量使光通量最大；编程时温度需略微高一些，同时所得结果的托尾现象也较为严重。因此，在涂层管能满足要求时应尽量采用涂层管。热解石墨涂层。
原子化在Ar气中进行有利于氧化物分解。
原子化效率高，检出限比火焰低。
样品量小。

缺点：
基体干扰；管壁的时间不等温性；管内的 空 间不等温性。
实现等温原子化的措施：
( 1 )采用里沃夫平台• •
(2)提高升温速率
石墨炉原子化采用程序升温
干燥：温度二百左右，稍高于沸点，
目的：清除干扰物质
灰化：800度左右，
目的：烧掉基体有机物，
原子化：二千度左右，使被测试样品成气态，被仪器测试出来。
温度 升温速度1000--2000
除残：  2500度左右  高于原子化温度一二百度，清除残留物。

石墨炉法可大大 提高元素分析的灵敏度，因而应用领域广泛。
原子吸收分析中需要研究的条件之三：
石墨炉原子化条件的选择：
干燥，灰化、原子化 。
思考题
   原子吸收空心阴极灯发射的是宽度很窄 的锐线，也是待测元素的特征谱线，因 此分光系统可以省略，这种说法对不对？

3、低温原子化
  低温原子化是利用某些元素自身或其氢化物在低温下 的易挥发性实现原子化的。
例如：
AsO33- +BH4- + H+  AsH3个+AsH3个
检测元件：狭缝
作  用 —— 将所需要的共振吸收线分离出来
部  件 —— 狭 缝、反射镜、色散元件
要  求 —— 能分辨开 Ni 三线
Ni  230.003  nm
Ni  231.603  nm
Ni  231.096
或能分辨Mn的两条谱线
Mn  279.5，Mn  280.0
分辨率   0.3 nm

5、检测系统
作用—— 检测光信号的强度                          部件 —— 光电倍增管      
要求 —— 足够的光谱灵敏度
光谱范围；打拿极数；工作电压。

思考题：
( 1 )光电倍增管接受光源信号的同时，也接收日光信号， 怎样区分这两种信号？
(2)光电倍增管检测待测原子吸收信号的同时，也检测火焰中分子发射信号，怎样区分这两种信号？
答：采用脉冲光源，交流放大器
可以消除直流发射线的影响。

垂直磁场  平行磁场  磁场
塞曼扣背景优点:
  其最主要的一个优点是背景的扣除准确地在被分析元素的共振谱线处进行，且只需一个 光源。
波长覆盖整个波长范围；
可准确扣除结构背景；
可扣除某些谱线干扰；
背景校正速度快提高了扣背景的准确性；
可扣除高背景吸收；

塞曼扣背景也存在两个缺点：
1.校正曲线向下翻转
  在较高浓度时，校正曲线通常是趋于某一极限值。但在塞曼 系统中，校正曲线（采用峰 高法）可能出现向下翻转的情  况（依据波长不同弯曲程度不一），这样就会有两个浓度值对应同一个吸光度值的现象发生。

校正曲线向下翻转现象
  为防止此类情况的发生，在实践中，需对每种元素在不同的波长条件下所允许的最大吸光度值做出限 定，所有测量必须在该值以下进行。
1 、样品制备
  样品制备第一步是取样，取样一定要具有代表性。取样量大小要适当， 取样量过小，不能保证必要的测定精度和灵敏度，取样量太大，增加了工作量和实际的消耗量。取样量的大小取决于试样中被测元素的含量、分析 方法和所要求的测量精度。
    在样品制备过程中的一个重要的问题就是要防止玷污。污染是限制灵敏 度和检出限的重要原因之一，主要污染来源是水、大气、容器和所用的试 剂。即使最纯的离子交换水，仍含有10-7~10-9%的杂质。在普通的化学实验室中，空气中常含有Fe 、Cu 、Ga 、Mg 、Si等元素，一般来说，大气污染是很难校正的。容器污染程度视其质料、经历而不同，且随温度升高而 增大。对于容器的选择要根据测定的要求而定，容器必须洗净，对于不同 容器，应采取各自合适的洗涤方法。
  避免损失是样品制备过程中的又一个重要问题。浓度很低（小于1pg/mL）的溶液，由于吸附等原因，一般说来是不稳定的，不能作为储备溶液，使用时间最好不要超过1~2天。作为储备溶液，应该配置浓度较大，（例如 1000pg/mL以上的溶液）。
   无机储备液或试样溶液置放在聚乙烯容器里，维持必要的酸度，保存在清洁、低温、阴暗的地方。有机溶液在储存过程     中，应避免它与塑料、胶木瓶盖等直接接触。

2、标准样品的配制
  标准样品的组成要尽可能接近未知试样的组成。溶液中总含盐量对雾珠 的形成和蒸发速度都有影响，其影响大小与盐类性质、含量、火焰温度、  雾珠大小有关，因此当含盐量在0.1%以上时，在标准样品中也应加入等量 的同一盐类，以期在喷雾时和在火焰中发生的过程相似。在石墨炉高温原  子化时，样品中微量元素与基体元素的含量比对测定的灵敏度和检出限有  重要影响，因此，对样品中的含盐量也应控制，一般希望微量元素与基体  元素的含量比能达到0.1pg /g。
  标准溶液的浓度下限，取决于检出限。从测定精度的观点出发，合适 的浓度范围应该是在能产生0.2~0.8单位吸光度或15 ~ 65％透过率之间的 浓度。

3、样品预处理
固体样品，黏稠样品，含杂质的样品测试要提前处理为水溶液样品。

4、测定条件的选择
   每种元素都有若干条分析线，通常选择其中最灵敏线（共振吸收线）作为吸收线。但是，当测定元素的浓 度很高，或是为了避免邻近光谱线的干扰等，可以选择 次灵敏线（非共振线）作为吸收线 。

原子吸收分光光度法中常用的分析线
B249.68, 249.77     K766.49, 769.90
Si251.61, 250.69    Ba553.55, 455.40
La550.13, 418.73    Sm429.67, 520.06
Be234.86                 Li670.78, 323.26
Sn224.61, 286.33   Bi223.06, 222.83
Lu335.96, 328.17   Sr460.73, 407.77
Ca422.67, 239.86   Mg285.21, 279.55
Ta271.47, 277.59   Cd228.80, 326.11
Mn279.48, 403.68  Tb432.65, 431.89
Ce520.0, 369.7        Mo313.26, 317.04
Te214.28, 225.90    Co240.71, 242.49
Na589.00, 330.30    Th371.90, 380.30
Cr357.87, 359.35    Nb334.37, 358.03
Ti364.27, 337.15     Cs852.11, 455.54
Nd463.42, 471.90   Tl267.79, 377.58
Cu324.75, 327.40   Ni232.00, 341.48
Tm409.40                Dy421.17, 404.60
Os290.91, 305.87   U351.46, 358.49
Er400.80, 415.11    Pb216.70, 283.31
V318.40, 385.58     Eu459.40, 462.72
Pd247.64, 244.79   W255.14, 294.74
Fe248.33, 352.29    Pr495.14, 513.34
Y410.24, 412.83     Ga287.42, 294.42
Pt265.95, 306.47    Yb398.80, 346.44
Gd368.41, 407.87    Rb780.02, 794.76
Zn213.86, 307.59    Ge265.16, 275.46
Re346.05, 346.47     Zr360.12, 301.18
Hf  307.29, 286.64   Rh  343.49, 339.69

  狭缝宽度直接影响光谱通带宽度与检测器接受的能量。 选择通带宽度是以吸收线附近无干扰谱线存在并能够分开最靠近的非共振线为原则，适当放宽狭缝宽度，以增加检   测的能量，提高信噪比和测定的稳定性。过小的光谱通带使可利用的光强度减弱，不利于测定。合适的狭缝宽度由   实验确定。测定每一种元素都需选择它合适的通带，对谱线复杂的元素如铁、钴、镍等就要采用较窄的通带，否则会使工作曲线线性范围变窄。以不引起吸光度减小的最大   狭缝宽度，即为应选取的合适的狭缝宽度。

  空心阴极灯的发射特征与灯电流有，一般要预热10~30分钟才能达到稳定的输出。灯电流小，发射线半峰 宽窄，放电不稳定，光谱输出强度小，灵敏度高。灯电流 大，发射线强度大，发射谱线变宽，但谱线轮廓变坏，导 致灵敏度下降信噪比大，灯寿命缩短。因此，必须选择合 适的灯电流。选择灯电流的一般原则是，在保证有足够强 且稳定的光强输出条件下，尽量使用较低的工作电流。通常以空心阴极灯上标明的最大灯电流的一半至三分之二为工作电流。

  在火焰中进行原子化的过程是一种极为复杂的反应过程。 不同元素在火焰中形成的基态原子的最佳浓度区域高度不同， 因而灵敏度也不同，选择燃烧器高度以使光束从原子浓度最大的区域通过。燃烧器高度影响测定灵敏度、稳定性和干扰程度。
  一般地讲约在燃烧器狭缝口上方2~5mm附近处火焰具有最大的基态原子密度，灵敏度最高。但对于不同测定   元素和不同性质的火焰而有所不同。最佳的燃烧器高度，可   通过绘制吸光度－燃烧器高度曲线来优选。

  火焰中燃烧气体由燃气与助燃气混合组成。不同种  类火焰，其性质各不相同，应该根据测定需要，选择合  适种类的火焰，通常使用空气－乙炔气火焰。通过绘制吸 光度－燃气、助燃气流量曲线，选出最佳的助燃气和燃气 流量。
一般空气－乙炔火焰的流量在
3:1到4:1之间。
贫燃火焰（助燃比1:4~6）
  为清晰不发亮兰焰，适于不易生成氧  化物的元素的测定。
富燃火焰（助燃比1.2~1.5:4）
  发亮，还 原性比较强。适合于易生成氧化物的元素的测定。

  在石墨炉原子化法中，应合理选择干燥、灰化、原子 化及除残温度与时间。干燥条件直接影响分析结果的重现性。干燥温度应稍   低于溶剂沸点，以防止试液飞溅，又应有较快的蒸干速度。 条件选择是否得当可以用蒸馏水或者空白溶液进行检查。   干燥时间可以调节，并和干燥温度相配合。灰化阶段的作用是尽量使待测元素以相同的化学形态   进入原子化阶段，除去基体和局外组分，减少基体对测定的干扰，它的另一个作用是减少原子化过程中的背景吸收。 在保证被测元素没有损失的前提下应尽可能使用较高的灰化温度。一般来说，较低的灰化温度和较短的灰化时间有   利于减少待测元素的损失。对中、高温元素，使用较高的灰化温度不易发生损失，而对低温元素，因为它较易损失， 所以不能用提高灰化温度的方法来降低干扰。

原子化温度的选择原则是:
   选用达到最大吸收信号的最 低温度作为原子化温度，这样可以延长石墨管的使用寿命。 但是原子化温度过低，除了造成峰值灵敏度降低外，重现性 也将受到影响。原子化时间是应以保证完全原子化为准。

  除残的目的是消除残留物产生的记忆效应，除残温度应高于原子化温度。一些石墨管材料的纯度不够，特别是分析一些常见元素 时，空白值较高。如果在测定前不进行热排除，即使不加样 品，原子化阶段也会出现吸收信号，将影响测定。可以按通 常加热程序进行“空烧”处理石墨管，  “空烧”时的原子化温度比 分析时使用的温度要高。
  试样的进样量一般在3~6mL/min较为适宜。进样量过小，由于进入火焰的溶液太少，吸收信号弱，灵敏  度低，不便测量；进样量过大，在火焰原子化法中，   对火焰产生冷却效应，同时较大雾滴进入火焰，难以  完全蒸发，原子化效率下降，灵敏度低。在石墨炉原  子化法中，会增加除残的困难。在实际工作中，应根  据吸光度随进样量的变化，以选择最佳进样量。