4 2原子吸收光譜分析 AAS 4 2 1概述 原子吸收光譜分析 AtomicAbsorptionSpectrometry AAS 又稱原子吸收分光光度分析 原子吸收光譜分析是基于試樣蒸氣相中被測元素的基態原子對由光源發出的該原子的特征性窄頻輻射產生共振吸收 其吸光度在一定范圍內與蒸氣相中被測元素的基態原子濃度成正比 以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法 原子吸收分光光度法具有以下特點 1 靈敏度高火焰原子吸收分光光度法測定大多數金屬元素的相對靈敏度為1 0 10 8 1 0 10 10g mL 1 非火焰原子吸收分光光度法的絕對靈敏度為1 0 10 12 1 0 10 14g 這是由于原子吸收分光光度法測定的是占原子總數99 以上的基態原子 而原子發射光譜測定的是占原子總數不到1 的激發態原子 所以前者的靈敏度和準確度比后者高的多 2 精密度好由于溫度的變化對測定影響較小 該法具有良好的穩定性和重現性 精密度好 一般儀器的相對標準偏差為1 2 性能好的儀器可達0 1 0 5 3 選擇性好 方法簡便由光源發出特征性入射光很簡單 且基態原子是窄頻吸收 元素之間的干擾較小 可不經分離在同一溶液中直接測定多種元素 操作簡便 4 準確度高 分析速度快測定微 痕量元素的相對誤差可達0 1 0 5 分析一個元素只需數十秒至數分鐘 5 應用廣泛可直接測定巖礦 土壤 大氣飄塵 水 植物 食品 生物組織等試樣中70多種微量金屬元素 還能用間接法測度硫 氮 鹵素等非金屬元素及其化合物 該法已廣泛應用于環境保護 化工 生物技術 食品科學 食品質量與安全 地質 國防 衛生檢測和農林科學等各部門 對原子吸收分析法基本理論的討論 主要是解決兩個方面的問題 基態原子的產生以及它的濃度與試樣中該元素含量之間的定量關系 基態原子吸收光譜的特性及基態原子的濃度與吸光度之間的關系 4 2 2原子吸收光譜分析的基本原理 1原子吸收光譜的產生基態原子吸收其共振輻射 外層電子由基態躍遷至激發態而產生原子吸收光譜 原子吸收光譜位于光譜的紫外區和可見區 2原子吸收光譜的譜線輪廓 原子吸收光譜線并不是嚴格地幾何意義上的線 幾何線無寬度 而是有相當窄的頻率或波長范圍 即有一定的寬度 一束不同頻率強度為I0的平行光通過厚度為l的原子蒸氣 一部分光被吸收 透過光的強度Iv服從吸收定律Iv I0 exp kvl 4 34 式中kv是基態原子對頻率為v的光的吸收系數 不同元素原子吸收不同頻率的光 透過光強度對吸收光頻率作圖 圖4 15Iv與v的關系圖4 16原子吸收光譜輪廓圖 半寬度受到很多因素的影響 1 自然寬度沒有外界影響 譜線仍有一定的寬度稱為自然寬度 它與激發態原子的平均壽命有關 平均壽命愈長 譜線寬度愈窄 不同譜線有不同的自然寬度 在多數情況下約為10 5nm數量級 2 Doppler 多普勒 變寬 通常在原子吸收光譜法測定條件下 Doppler變寬是影響原子吸收光譜線寬度的主要因素 Doppler寬度是由于原子熱運動引起的 又稱為熱變寬 從物理學中可知 無規則熱運動的發光的原子運動方向背離檢測器 則檢測器接收到的光的頻率較靜止原子所發的光的頻率低 反之 發光原子向著檢測器運動 檢測器接受光的頻率較靜止原子發的光頻率高 這就是Doppler效應 4 35 3 壓力變寬 當原子吸收區氣體壓力變大時 相互碰撞引起的變寬是不可忽略的 原子之間的相互碰撞導致激發態原子平均壽命縮短 引起譜線變寬 根據與其碰撞的原子不同 又可分為Lorentz變寬及Holtsmark變寬兩種 Lorentz 勞倫茨 變寬是指被測元素原子和其它種粒子碰撞引起的變寬 它隨原子區內氣體壓力增大和溫度升高而增大 Holtsmark 赫魯茲馬克 變寬是指和同種原子碰撞而引起的變寬 也稱為共振變寬 只有在被測元素濃度高時才起作用 在原子吸收法中可忽略不計 Lorentz變寬與Doppler變寬有相同的數量級 也可達10 3nm 4 自吸變寬 由自吸現象而引起的譜線變寬稱為自吸變寬 光源空心陰極燈發射的共振線被燈內同種基態原子所吸收產生自吸現象 從而使譜線變寬 燈電流愈大 自吸變寬愈嚴重 此外 由于外界電場或帶電粒子 離子形成的電場及磁場的作用 使譜線變寬稱為場致變寬 這種變寬影響不大 3原子吸收光譜的測量 1 積分吸收在吸收線輪廓內 吸收系數的積分稱為積分吸收系數 簡稱為積分吸收 它表示吸收的全部能量 從理論上可以得出 積分吸收與原子蒸氣中吸收輻射的原子數成正比 數學表達式為 4 38 式中 e為電子電荷 m為電子質量 c為光速 N0為單位體積內基態原子數 f為振子強度 即能被入射輻射激發的每個原子的平均電子數 它正比于原子對特定波長輻射的吸收幾率 式 4 38 是原子吸收光譜法的重要理論依據 2 峰值吸收 1955年WalshA提出 在溫度不太高的穩定火焰條件下 峰值吸收系數與火焰中被測元素的原子濃度也成正比 吸收線中心波長處的吸收系數K0為峰值吸收系數 簡稱峰值吸收 前面指出 在通常原子吸收測定條件下 原子吸收線輪廓取決于Doppler寬度 吸收系數為 4 39 積分式 4 39 得將式 4 38 代入 得峰值吸收系數與原子濃度成正比 只要能測出K0就可得到N0 4 40 4 41 3 銳線光源 峰值吸收的測定是至關重要的 在分子光譜中光源都是使用連續光譜 連續光譜的光源很難測準峰值吸收 Walsh還提出用銳線光源測量峰值吸收 從而解決了原子吸收的實用測量問題 銳線光源是發射線半寬度遠小于吸收線半寬度的光源 如空心陰極燈 在使用銳線光源時 光源發射線半寬度很小 并且發射線與吸收線的中心頻率一致 這時發射線的輪廓可看作一個很窄的矩形 即峰值吸收系數Kv在此輪廓內不隨頻率而改變 吸收只限于發射線輪廓內 這樣 一定的K0即可測出一定的原子濃度 見圖4 17 圖4 17峰值吸收測量示意圖 4 實際測量 強度為I0的某一波長的輻射通過均勻的原子蒸氣時 根據吸收定律 有I I0 exp Kvl 式中 I0與I分別為入射光與透射光的強度 Kv為峰值吸收系數 l為原子蒸氣吸收層厚度 當在原子吸收線中心頻率附近一定頻率范圍 v測量 則 4 42 4 43 使用銳線光源 v很小 用中心頻率處的峰值吸收系數K0來表示原子對輻射的吸收 吸光度A為 4 44 將 4 41 式代入 4 44 式 得到 4 55 在原子吸收測定條件下 如前所述原子蒸氣中基態原子數N0近似地等于原子總數N 在實際測量中 要測定的是試樣中某元素的含量而不是蒸氣中的原子總數 但是 實驗條件一定 被測元素的濃度c與原子蒸氣中原子總數保持一定的比例關系 即N0 ac 4 56 式中a為比例常數代入式 4 55 中 則實驗條件一定 各有關的參數都是常數 吸光度為A kc 4 58 式中k為常數 4 58 式為原子吸收測量的基本關系式 4 57 4基態原子數與原子吸收定量基礎 在通常的原子吸收測定條件下 原子蒸氣中基態原子數近似地等于總原子數 在原子蒸氣中 包括被測元素原子 可能會有基態與激發態存在 根據熱力學原理 在一定溫度下達到熱平衡時 基態與激發態的原子數的比例遵循Boltzmann分布定律 式中 Ni與N0分別為激發態與基態的原子數 gi與g0為激發態與基態能級的統計權重 它表示能級的簡并度 k為Boltzmann常數 其值為1 38 10 23J K 1 T為熱力學溫度 Ei為激發能 在原子吸收光譜法中 原子化溫度一般小于3000K 大多數元素的最強共振線都低于600nm Ni N0值絕大部分都在10 3以下 激發態和基態原子數之比小于千分之一 激發態原子可以忽略 因此 可以認為 基態原子數N0近似地等于總原子數N 4 2 3原子吸收分光光度計 原子吸收分光光度計由光源 原子化器 分光器 檢測系統等幾部分組成 基本構造見圖4 18 圖4 18原子吸收分光光度計基本構造示意圖 1光源 光源的功能是發射被測元素的特征共振輻射 對光源的基本要求是 發射的共振輻射的半寬度要明顯小于吸收線的半寬度 輻射強度大 背景低 低于特征共振輻射強度的1 穩定性好 30min之內漂移不超過1 噪聲小于0 1 使用壽命長于5A h 空心陰極燈放電是一種特殊形式的低壓輝光放電 放電集中于陰極空腔內 當兩極之間施加幾百伏電壓時 便產生輝光放電 在電場作用下 電子在飛向陽極的途中 與載氣原子碰撞并使之電離 放出二次電子 使電子與正離子數目增加 以維持放電 正離子從電場獲得動能 如果正離子的動能足以克服金屬陰極表面的晶格能 當其撞擊在陰極表面時 就可以將原子從晶格中濺射出來 除濺射作用之外 陰極受熱也要導致陰極表面元素的熱蒸發 濺射與蒸發出來的原子進入空腔內 再與電子 原子 離子等發生第二類碰撞而受到激發 發射出相應元素的特征共振輻射 2原子化器 原子化器的功能是提供能量 使試樣干燥 蒸發和原子化 在原子吸收光譜分析中 試樣中被測元素的原子化是整個分析過程的關鍵環節 實現原子化的方法 最常用有兩種 一種是火焰原子化法 是原子光譜分析中最早使用的原子化方法 至今仍在廣泛地被應用 另一種是非火焰原子化法 其中應用最廣的是石墨爐電熱原子化法 1 火焰原子化器 火焰原子化法中常用的預混合型原子化器 其結構如圖4 20所示 這種原子化器由霧化器 混合室和燃燒器組成 圖4 20預混合型火焰原子化器示意圖 2 非火焰原子化器 非火焰原子化器中 常用的是管式石墨爐原子化器 其結構如圖4 21所示 圖4 21管式石墨爐原子化器示意圖 石墨爐原子化器的操作分為干燥 灰化 原子化和凈化4步 由微機控制實行程序升溫 圖4 22為一程序升溫過程的示意圖 圖4 22無火焰原子化器程序升溫過程 3 低溫原子化器 低溫原子化是利用某些元素 如Hg 本身或元素的氫化物 如AsH3 在低溫下的易揮發性 將其導入氣體流動吸收池內進行原子化 目前通過該原子化方式測定的元素有Hg As Sb Se Sn Bi Ge Pb Te等 生成氫化物是一個氧化還原過程 所生成的氫化物是共價分子型化合物 沸點低 易揮發分離分解 以As為例 反應過程可表示如下 AsCl3 4NaBH4 HCl 8H2O AsH3 4KCI 4HBO2 13H2AsH3在熱力學上是不穩定的 在900 溫度下就能分解出自由As原子 實現快速原子化 3分光器 分光器由入射和出射狹縫 反射鏡和色散元件組成 其作用是將所需要的共振吸收線分離出來 分光器的關鍵部件是色散元件 現在商品儀器都是使用光柵 原子吸收光譜儀對分光器的分辨率要求不高 曾以能分辨開鎳三線Ni230 003 Ni231 603 Ni231 096nm為標準 后采用Mn279 5和Mn279 8nm代替Ni三線來檢定分辨率 光柵放置在原子化器之后 以阻止來自原子化器內的所有不需要的輻射進入檢測器 4檢測系統 原子吸收光譜儀中廣泛使用的檢測器是光電倍增管 最近一些儀器也采用CCD作為檢測器 4 2 4干擾及其消除方法 1物理干擾物理干擾是指試樣在轉移 蒸發過程中任何物理因素變化而引起的干擾效應 屬于這類干擾的因素有 試液的粘度 溶劑的蒸汽壓 霧化氣體的壓力等 物理干擾是非選擇性干擾 對試樣各元素的影響基本是相似的 配制與被測試樣相似的標準樣品 是消除物理干擾的常用的方法 在不知道試樣組成或無法匹配試樣時 可采用標準加入法或稀釋法來減小和消除物理干擾 2化學干擾 化學干擾是指待測元素與其它組分之間的化學作用所引起的干擾效應 它主要影響待測元素的原子化效率 是原子吸收分光光度法中的主要干擾來源 它是由于液相或氣相中被測元素的原子與干擾物質組成之間形成熱力學更穩定的化合物 從而影響被測元素化合物的解離及其原子化 消除化學干擾的方法有 化學分離 使用高溫火焰 加入釋放劑和保護劑 使用基體改進劑等 3電離干擾 在高溫下原子電離 使基態原子的濃度減少 引起原子吸收信號降低 此種干擾稱為電離干擾 電離效應隨溫度升高 電離平衡常數增大而增大 隨被測元素濃度增高而減小 加入更易電離的堿金屬元素 可以有效地消除電離干擾 4光譜干擾 光譜干擾包括譜線重疊 光譜通帶內存在非吸收線 原子化池內的直流發射 分子吸收 光散射等 當采用銳線光源和交流調制技術時 前3種因素一般可以不予考慮 主要考慮分子吸收和光散射地影響 它們是形成光譜背景的主要因素 分子吸收干擾是指在原子化過程中生成的氣體分子 氧化物及鹽類分子對輻射吸收而引起的干擾 光散射是指在原子化過程中產生的固體微粒對光產生散射 使被散射的光偏離光路而不為檢測器所檢測 導致吸光度值偏高 在石墨爐原子吸收法中 背景吸收的影響比火焰原子吸收法嚴重 若不扣除背景 有時根本無法進行測定 測量時必須予以校正 1 用鄰近非共振線校正背景 先用分析線測量原子吸收與背景吸收的總吸光度 再用鄰近線測量背景吸收的吸光度 兩次測量值相減即得到校正了背景之后原子吸收的吸光度 非共振線與分析線波長相近 可以模擬分析線的背景吸收 但這種方法只適用于分析線附近背景分布比較均勻的場合 先用分析線測量原子吸收與背景吸收的總吸光度 再用鄰近線測量背景吸收的吸光度 兩次測量值相減即得到校正了背景之后原子吸收的吸光度 非共振線與分析線波長相近 可以模擬分析線的背景吸收 但這種方法只適用于分析線附近背景分布比較均勻的場合 2 連續光源校正背景 先用銳線光源測量分析線的原子吸收和背景吸收的總吸光度 再用氘燈 紫外區 或碘鎢燈 氙燈 可見區 測量同一波長處的背景吸收 由于原子吸收譜線波長范圍僅10 3 10 2nm 所以原子吸收可以忽略 計算兩次測量的吸光度之差 即得到校正了背景的原子吸收 由于商品儀器多采用氘燈為連續光源扣除背景 故此法亦常稱為氘燈扣除背景法 3 塞曼效應校正背景塞曼效應校正背景是基于光的偏振特性 分為光源調制法和吸收線調制法兩大類 后者應用較廣 調制吸收線的方式有恒定磁場調制方式和可變磁場調制方式 兩種調制方式儀器的光路如圖4 23和圖4 24所示 圖4 23恒定磁場調制方式光路圖 圖4 24可變磁場調制方式光路圖 塞曼效應校正背景不受波長限制 可校正吸光度高達1 5 2 0的背景 而氘燈只能校正吸光度小于1的背景 背景校正的準確度較高 恒定磁場調制方式 測量靈敏度比常規原子吸收法有所降低 可變磁場調制方式的測量靈敏度與常規原子吸收法相當 4 自吸效應校正背景 低電流脈沖供電時 空心陰極燈發射銳線光譜 測定的是原子吸收和背景吸收的總吸光度 高電流脈沖供電時 空心陰極燈發射線變寬 當空心陰極燈內積聚的原子濃度足夠高時 發射線產生自吸 在極端的情況下出現譜線自蝕 這是測得的是背景吸收的吸光度 上述兩種脈沖供電條件下測得的吸光度之差 即為校正了背景吸收的原子吸收的吸光度 4 2 5原子吸收光譜分析的實驗技術 1測量條件的選擇 1 分析線通常選用共振吸收線為分析線 測定高含量元素時 可以選用靈敏度較低的非共振吸收線為分析線 2 狹縫寬度 狹縫寬度影響光譜通帶寬度與檢測器接受的能量 原子吸收光譜分析中 光譜重疊干擾的幾率小 可以允許使用較寬的狹縫 調節不同的狹縫寬度 測定吸光度隨狹縫寬度而變化 當有其他的譜線或非吸收光進入光譜通帶內 吸光度將立即減小 不引起吸光度減小的最大狹縫寬度 即為應選取的合適的狹縫寬度 3 空心陰極燈的工作電流 空心陰極燈一般需要預熱10 30min才能達到穩定輸出 燈電流過小 放電不穩定 故光譜輸出不穩定 且光譜輸出強度小 燈電流過大 發射譜線變寬 導致靈敏度下降 校正曲線彎曲 燈壽命縮短 選用燈電流的一般原則是 在保證有足夠強且穩定的光強輸出條件下 盡量使用較低的工作電流 通常以空心陰極燈上標明的最大電流的1 2 2 3作為工作電流 在具體的分析場合 最適宜的工作電流由實驗確定 4 原子化條件的選擇 在火焰原子化法中 火焰類型和特征是影響原子化效率的主要因素 對低 中溫元素 使用空氣 乙炔火焰 對高溫元素 采用氧化亞氮 乙炔高溫火焰 對分析線位于短波區 200nm以下 的元素 使用空氣 氫火焰是合適的 5 進樣量 進樣量過小 吸收信號弱 不便于測量 進樣量過大 在火焰原子化法中 對火焰產生冷卻效應 在石墨爐原子化法中 會增加除殘的困難 在實際工作中 應測定吸光度隨進樣量的變化 達到最滿意的吸光度的進樣量 即為應選擇的進樣量 2定量分析方法 1 標準曲線法配制一組合適的標準溶液 由低濃度到高濃度 依次噴入火焰 分別測定其吸光度A 以測得的吸光度為縱坐標 待測元素的含量或濃度c為橫坐標 繪制A c標準曲線 在相同的試驗條件下 噴入待測試樣溶液 根據測得的吸光度 由標準曲線求出試樣中待測元素的含量 在使用本法時要注意以下幾點 所配制的標準溶液的濃度 應在吸光度與濃度呈直線關系的范圍內 1 標準溶液與試樣溶液都應用相同的試劑處理 2 應該扣除空白值 3 在整個分析過程中操作條件應保持不變 4 由于噴霧效率和火焰狀態經常變動 標準曲線的斜率也隨之變動 因此 每次測定前應用標準溶液對吸光度進行檢查和校正 2 標準加入法 取相同體積的試樣溶液兩份 分別移入容量瓶A及B中 另取一定量的標準溶液加入B中 然后將兩份溶液稀釋至刻度 測出A及B兩溶液的吸光度 設試樣中待測元素 容量瓶A中 的濃度為cx 加入標準溶液 容量瓶B中 的濃度為c0 A溶液的吸光度為Ax B溶液的吸光度為A0 則可得 Ax kcxA0 k c0 cx 由上兩式得 cx c0 實際測定中 都采用下述作圖法 取若干份 例如四份 體積相同的試樣溶液 從第二份開始按比例加入不同量的待測元素的標準溶液 然后用溶劑稀釋至一定體積 設試樣中待測元素的濃度為cx 加入標準溶液后濃度分別為cx c0 cx 2c0 cx 4c0 分別測得其吸光度 Ax A1 A2及A3 以A對加入量作圖 得圖4 25所示的直線 這時曲線并不通過原點 顯然 相應的截距所反映的吸收值正是試樣中待測元素所引起的效應 如果外延此曲線使與橫坐標相交 相