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1、原子吸收分光光度法分析手册一 原子吸收分光光度法原理和基本条件1、原子吸收分光光度法的原理1.1 为什么原子吸收光原子吸收光谱法利用原子对固有波长光的吸收进行测定。所有的原子可分类成具有低能量和高能量的。具有低能量的状态称为基态而具有高能量的状态称为激发态。处于基态的原子吸收外部能量，变成激发态。例如，钠主要有两种具有较高能量的激发态，分别比基态原子高 2.2eV 和 3.6eV，如图 1.1. (eV 是能量的计量单位, 称为“电子伏特”) 当 2.2eV 能量给于 处于基态的钠原子，原子将移动到激发态 (I) ；当 3.6eV 能量给予基态，原子将移动到激发态 (II)。给予的能量以光的形
2、式，2.2eV 和 3.6eV 分别相当于589.9nm 和 330.3nm 波长光的能量。对于钠基态原子而言，只吸收这些波长的光，而不吸收其他波长的光。图 1.1 钠的能级基态和激发态能量的差取决于元素和吸收光的波长。原子吸收光谱法使用空心阴极灯(HCL)。HCL 给出被测定元素的特征波长的光。根据光吸收从而测定原子密度。1.2 光吸收率和原子密度之间的关系当一定强度的光给予许多处于基态的原子时，部分的光被原子吸收。原子密度决定吸收率。图 1.2 原子吸收的原理如图 1.2.，当强度 Io 的光照射到密度为 C 的原子蒸气上，蒸气的长度是 1 ，光经过原子蒸气以后强度减弱为 I。I 和 Io
3、 之间具有下列关系： (k：比例常数) 或上述关系式称为 Lambert-Beer 定律 ， 值为 吸收。上述公式表明吸收正比于原子密度。例如，当1，2 和 3 ppm 样品的吸收测定后，以浓度和吸收作图，得到如图 1.3. 的直线，以图象表示的吸收和浓度的关系称为校准曲线。当一个未知样品的吸收得到后，其浓度就可如图所示求得。图 1.3 校准曲线1.3 样品原子化的方法上述原理可应用到自由原子对光的吸收。“自由原子” 意味着没有和其他原子结合的原子。然而，样品中要分析的元素并不一定处于自由状态，而常常于其他元素结合成为所谓的分子。例如，海水中的钠多数与氯结合形成 NaCl (氯化钠) 分子。分
4、子状态样品不能测定原子吸收，因为分子不吸收特定波长的光。这些结合的原子必须使用一些手段，切断相互的结合使之成为自由原子。这一过程称为原子化。最常用的原子化方法是热解离，即把样品加热到高温，使分子转换到自由原子。热解离方法又可分成火焰方法，采用化学火焰作为热源；和无火焰方法，采用非常小的电炉。a) 火焰原子吸收：用于原子化的火焰使用燃烧器产生，这是最普遍的方法。目前商品原子吸收装置作为标准配备几乎都有燃烧器。图 1.4 火焰原子吸收图 1.4.是典型的燃烧器示意图。图中说明以氯化钙形式的含钙溶液样品的测定。样品首先通过雾化器雾化。大的水滴作为废液排放，只有细的雾粒在雾化室与燃气和助燃气混合送入火
5、焰。当这些雾粒进入火焰中后，雾粒迅速蒸发产生细的氯化钙分子颗粒。这些 颗粒在火焰中由于热的作用，氯化钙进一步离解成自由的钙原子和氯原子。如果波长422.7nm(Ca)的光束照射到这部分火焰时，就产生原子吸收。在火焰的上部，部分钙原子与氧结合变成氧化钙，而一部分进一步电离。因此，光通过火焰的上部原子吸收的灵敏度就不会太高。许多不同种类的气体组合曾被用作原子化的火焰。考虑到分析灵敏度、安全、使用简单和稳定性等因素，四种标准火焰被应用于原子吸收：空气-乙炔，氧化亚氮-乙炔，空气-氢和氩-氢。这些火焰应用于不同的元素，关键取决于温度和气体的特性。2.原子吸收分光光度法分析的基本条件装置设置到最优的分析
6、条件才能获得好的测定结果。最优的条件取决于样品的组成和测定的元素。即使元素相同，但样品的组成不同其最优的测定条件也可能有所不同。因此在实际分析中需要全面探索测定条件。2.1装置的条件：a)分析线空心阴极灯发出的光包括一些阴极元素和填充气体的初级和次级光谱线。这些光谱比较复杂，尤其是周期表之间的4，5，6，7和8 列中的元素光谱更为复杂，有数千条谱线。在许多谱线中有部分产生原子吸收。使用原子吸收分析选择最灵敏的光谱线。根据样品中元素的浓度范围，选择吸收灵敏度合适的光谱线用于分析也可考虑。表 2.1.显示，一个元素也许有两条或更多的谱线呈现原子吸收性质，因此可根据情况选择光谱线使之具有合适的吸收灵
7、敏度和发射强度。此外，在分析样品中的主要组成时，由于其浓度高可选择次灵敏线进行测定，避免稀释误差。表 2.1 分析线和吸收灵敏度(空心阴极灯的特征和处理方法 火焰类型均为：空气-乙炔元素分析线波长(nm)吸收灵敏度Cu324.75327.40217.89218.17222.57104.71.21.00.6Fe248.33271.90371.99385.99102.70.90.6Zn213.86307.59100.002元素分析线波长（nm)吸收灵敏度Ag328.07338.29105.3Bi223.06222.83306.77103.02.5Ca422.67239.86100.05Cd228.
8、80326.11100.02Co240.73251.98243.58346.58104.41.30.5K766.49769.90404.41102.50.03Mg285.21202.58100.9Cr357.87425.44427.88428.97104.42.71.0Na589.00589.59330.23330.30104.80.02Mn279.48280.11403.08104.71.1元素分析线波长(nm)吸收灵敏度Ni232.00341.48352.45231.10351.50105.15.02.00.9Pb217.00283.33261.41202.20103.90.20.1如图
9、2.1. 钙、镁在其目标分析线附近没有其他光谱线。对于这样的分析线，狭缝宽适当的大些可以得到足够的能量。图 2.1 灯光谱镍在其目标分析线 232.0nm (2320A)附近有许多光谱线。由于镍原子对这些邻近波长谱线几乎不吸收，因此光谱仪的分辨能力必须增加(狭缝宽变窄) 以使这些光与 232.0nm 的光分开。如果在低分辨能力条件下测定，测定灵敏度变差，同时，校准曲线的线性也变差 (图 2.2)。钴 (Co)，铁 (Fe)，锰 (Mn)和硅 (Si) 的光谱类似镍，非常复杂。光谱仪的分辨能力必须小于 2A 才能正确测定这些元素。图 2.2 狭缝宽和校准曲线c)灯电流值如果空心阴极灯操作条件不合
10、适，光谱线产生多普勒变宽或自吸收变宽，影响测定结果。多普勒变宽是由于空心阴极灯周围的温度变化造成的，对灯的发射无贡献。由于空心阴极灯的电流增加，亮度增加；因此光谱线变宽导致吸收灵敏度下降如图2.3。空心阴极灯的寿命通常以安培-小时(A.Hr)表示。因此，灯电流增加寿命缩短。在上述情况下，阴极灯的电流低一些为好；但是如果太低的话亮度也随之下降。此时检测器灵敏度必须增大，但是导致噪声变大。灯电流值的选择取决于三个因素：灯的亮度 (噪声) 、 吸收灵敏度和灯的寿命。图 2.3 灵敏度与空心阴极灯电流值的关系2.2火焰原子吸收的分析a)火焰的选择原子吸收分析中使用的标准火焰类型有空气-乙炔、空气-氢、
11、氩-氢和氧化亚氮-乙炔火焰。这些火焰的温度、氧化还原性质、和发射特征有所不同。必须根据样品的性质和待测元素的种类选择最优的火焰。空气-乙炔火焰(空气-乙炔)这种火焰应用最为广泛可分析约30种元素 图 2.4 各种火焰的光吸收火焰类型最大温度氩-氢空气-氢空气-乙炔氧化亚氮-乙炔1577oC2045oC2300oC2955oCb)助燃气和燃气的混合比原子吸收分析的测定条件中助燃气和燃气的混合比是最重要的项目之一。混合比影响火焰温度和环境，从而也决定了基态原子生成的条件。因此，火焰的类型以及下章中要说明的光束在火焰中的位置控制了80 90 %的吸收灵敏度和稳定性(重现性)。Cu、Ca、Mg 等元素
12、的灵敏度随着火焰氧化性的增加（包含较多助燃气，贫燃气火焰）而增加；而 Sn、Cr和Mo，等的灵敏度随着火焰的还原性增加（火焰包含较多的燃气 ，富燃气火焰）而增加。由于极端的富燃气或贫燃气将导致火焰的不稳定，因此必须根据测定对象设置最优的混合比。吸收值在空气流量不变的情况下改变乙炔流量可求得吸收值最大的混合比。由于此值还受下章讨论的燃烧器位置的控制，所以必须调节 乙炔流量和燃烧器的高度才能决定最优的混合比。b) 光束在火焰中的位置：火焰中产生的基态原子的分布不是均匀的，不仅因元素而异，也与火焰的混合比有关。图 2.5 显示测定铬时，气体混合比的变化与基态原子分布的关系。由图可见，原子分布和密度随
13、混合比的改变而改变。因为吸收灵敏度随光束在火焰中的位置而改变，燃烧器必须设置到最优的位置才能得到最优的分析结果。图 2.5 空气-乙炔火焰中铬原子的分布 表 2.3 元素和测定用的火焰 3.标准样品 3.1储备标准用于原子吸收的标准样品一般是用酸溶解金属或盐类做成。当长期储存后有可能产生沉淀，或由于氢氧化和碳酸化而被容器壁吸附从而浓度改变。市场上有标准溶液销售，这些一般都是符合国家标准的金属的酸性或碱性溶液。一般这些标准溶液的保质期是 1 2 年，必须在此期间使用。储备溶液通常是高浓度的酸性或碱性溶液，金属浓度一般 1mg/ml。然而，即使是高浓度的储备液，也最好不要超过 1 年。储备标准溶液
14、，要避免阳光照射也不要存储在寒冷的地方。3.2 制作校准曲线用的标准溶液储备液经过稀释即成为制作校准曲线的标准溶液。对于火焰原子吸收，储备液一般是 1/1000 稀释 (ppm)。在电热(无火焰) 原子吸收中，储备液要经过 1/100,000 1/1,000,000 稀释。当储备标准只用水稀释，许多元素有可能产生沉淀被吸附而降低浓度。因此，校准曲线用的标准溶液往往使用0.1M 浓度的相同酸或碱溶液稀释制备。校准用的标准溶液长期使用后浓度容易改变，因此推荐在每次测定前新鲜制备。图 3.1 显示仅用水稀释的 Fe 标准溶液长期放置的变化。Fe 1000 ppm 的储备标准，盐酸浓度 0.1M，用水
15、稀释到 0.5，1.0，1.5和2.0 ppm。储备标准制备后立即稀释到需要的浓度进行测定，此后每隔 1 小时测定一次，总计测定6 次。0.5 ppm 溶液在 1 小时后呈现浓度下降， 2.0 ppm 溶液在 3 小时后也呈现浓度下降。5 小时后，0.5 和1.0 ppm 溶液的浓度几乎下降一半。图 3.1 Fe 标准样品放置的影响3.3标准溶液的制备方法1.Ag (银)1.0mg Ag/ml标准物质： 硝酸银(AgNO3)溶液的制备方法：1.575g 的硝酸银在 110 oC 干燥，用硝酸 (0.1N) 溶解后用硝酸 (0.1N) 准确稀释到 1000ml。2Ca (钙)1.0mg Ca/ml标准物质： 碳酸钙 (CaCO3)溶液的制备方法：
