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1、第十三章第十三章 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法药物分析教研室药物分析教研室原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法(atomic absorption spectrophotometry) 根据蒸气相中被测元素的基态原子对特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征辐射的吸收来测定试样中该元素含量的方法。法。选择性高，干扰少。选择性高，干扰少。原子吸收分光光度法特点：原子吸收分光光度法特点：2.灵敏度高。灵敏度高。 火焰原子化法：火焰原子化法：10-9g/mL；石墨炉：；石墨炉：10-13g/mL 。3.测定的范围广，测定测定的范围广，测定70多种元素。多种
2、元素。4.操作简便、分析速度快。操作简便、分析速度快。5.准确度高。火焰法误差准确度高。火焰法误差1% ，石墨炉法，石墨炉法3%-5。局限性：局限性：工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级范围；工作曲线的线性范围窄，一般为一个数量级范围；使用不方便，一种元素对应一个空心阴极灯；使用不方便，一种元素对应一个空心阴极灯；某些元素检出能力差，干扰严重某些元素检出能力差，干扰严重原子吸收分光光度法与原子吸收分光光度法与 紫外可见吸收光度法异同点紫外可见吸收光度法异同点相同点：相同点：1 1）都是依据样品对入射光的吸收进行测量的。）都是依据样品对入射光的吸收进行测量的。2 2）两种方法都遵循朗伯）两种方
3、法都遵循朗伯- -比耳定律。比耳定律。3 3）就设备而言，均由四大部分组成，即光源、单）就设备而言，均由四大部分组成，即光源、单色器、吸收池（或原子化器）、检测器。色器、吸收池（或原子化器）、检测器。不同点：不同点：1 1）吸收物质的状态不同。）吸收物质的状态不同。 紫外可见光谱：紫外可见光谱：溶液中分子、离子，宽带分子溶液中分子、离子，宽带分子光谱，可以使用光谱，可以使用连续光源连续光源。 原子吸收光谱：原子吸收光谱：基态原子，窄带原子光谱，必基态原子，窄带原子光谱，必须使用须使用锐线光源锐线光源。2 2）单色器与吸收池的位置不同。）单色器与吸收池的位置不同。紫外可见：光源紫外可见：光源单色
4、器单色器比色皿。比色皿。原子吸收：光源原子吸收：光源原子化器原子化器单色器。单色器。第一第一节 原子吸收分光光度法的基本原理原子吸收分光光度法的基本原理光谱项光谱项(spectral term) 描述核外原子量子能级的形式描述核外原子量子能级的形式n M LJ 主量子数主量子数 （价电子所处电子层）（价电子所处电子层）总角量子数总角量子数（电子的轨道形状，相应的符号：（电子的轨道形状，相应的符号：S、P、D等）等）内量子数（光谱支项）内量子数（光谱支项）光谱项的多重性光谱项的多重性（分裂能级数目）（分裂能级数目）一、原子的量子能级和能级图一、原子的量子能级和能级图原子能原子能级图光光谱学中将原
5、子所有各种可能的能学中将原子所有各种可能的能级状状态用用图解形式表示。解形式表示。u纵坐坐标 表示原子的能量表示原子的能量E E，单位是位是电子伏特子伏特(eV)(eV) 或波数或波数(cm(cm-1-1) )。u横横线 用光用光谱支支项表示原子表示原子实际所所处的能的能级。原子的价电子在不同能级间的跃迁就产生了原子谱线。原子的价电子在不同能级间的跃迁就产生了原子谱线。原子从基原子从基态激激发到能量最低的激到能量最低的激发态（称（称为第一第一激激发态），），为共振激共振激发，产生的生的谱线称称为共振吸共振吸收收线。 共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。常用元共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。
6、常用元素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。元素的特征元素的特征谱线（1 1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同）各种元素的原子结构和外层电子排布不同 基态基态第一激发态第一激发态: : 跃迁吸收能量不同跃迁吸收能量不同具有具有特征性特征性。（2 2）各种元素的基态）各种元素的基态第一激发态第一激发态 最易发生，吸收最强，最灵敏线。最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线特征谱线。（3 3） 利利用用原原子子蒸蒸气气对对特特征征谱谱线线的的吸吸收收可可以以进进行行定定量分析（符合朗伯比尔定律）量分析（符合朗伯比尔定律）二、原子在各能二、原子在各能级的分布的分布
7、理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子理论研究和实验观测表明，在热平衡状态时，激发态原子数数N Nj j与基态原子数与基态原子数N N N No o o o的关系可用玻尔兹曼的关系可用玻尔兹曼 （BoltzmannBoltzmann）方程表示方程表示一般在原子化温度（一般在原子化温度（3000K）大多数元素的最强共振线）大多数元素的最强共振线都低于都低于600nm， Nj/ No值绝大部分在值绝大部分在10-3（1%）即）即Nj 与与No相比，相比，激发态原子数可以忽略激发态原子数可以忽略 。三、原子吸收三、原子吸收线的的轮廓和廓和变宽 若将吸收系数若将吸收系数K Kv v 对频率
8、对频率v v 作图，称为原子吸收线的轮廓。作图，称为原子吸收线的轮廓。 若将透过光强若将透过光强 ( (I I0 0) ) 对频率对频率v v 作图由图可见在中心频率处透过作图由图可见在中心频率处透过光强度最小。（红线表示部分）光强度最小。（红线表示部分）半半宽度度( (half width) )指中心指中心频率率( )( )的吸收系数一半的吸收系数一半处谱线轮廓上两廓上两点之点之间的的频率差。吸收率差。吸收线的半的半宽度主要受下列因度主要受下列因素的影响。素的影响。分两类：分两类： 由原子本身的性质决定由原子本身的性质决定, ,如谱线的自然宽度和同如谱线的自然宽度和同位素效应。位素效应。 由
9、外界影响引起，如热变宽、压力变宽、电场由外界影响引起，如热变宽、压力变宽、电场变宽、磁场变宽、自吸变宽等。变宽、磁场变宽、自吸变宽等。自然宽度（自然宽度（natural width ， ） 在无外界影响下，谱线固有的宽度。激发态原子的寿命愈在无外界影响下，谱线固有的宽度。激发态原子的寿命愈短，吸收线的自然宽度愈宽。短，吸收线的自然宽度愈宽。 多数情况下，可忽略不计。多数情况下，可忽略不计。多普勒变宽（多普勒变宽（Doppler broadening， ） 由由无规则的热运动无规则的热运动产生，所以又称为热变宽，是谱线变宽产生，所以又称为热变宽，是谱线变宽的的主要因素主要因素。 测定的温度越高，
10、被测元素的原子质量越小，原子的相对测定的温度越高，被测元素的原子质量越小，原子的相对热运动越剧烈，热变宽越大。热运动越剧烈，热变宽越大。 赫鲁茲马克变宽（赫鲁茲马克变宽（Holtsmark broadening， ） 又称共振变宽，同种原子间碰撞引起的谱线变宽，它随又称共振变宽，同种原子间碰撞引起的谱线变宽，它随试样原子蒸气浓度增加而增加。试样原子蒸气浓度增加而增加。压力变宽压力变宽(pressure broadening) 由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级稍微变由于吸光原子与蒸气原子相互碰撞而引起能级稍微变化，发射或吸收光量子频率改变而导致的变宽。化，发射或吸收光量子频率改变而导致的
11、变宽。 劳沦茨变宽（劳沦茨变宽（Lorentz broadening， ） 吸光原子与蒸气中其它原子或分子等相互碰撞而引起的谱吸光原子与蒸气中其它原子或分子等相互碰撞而引起的谱线变宽。随原子区内气体压力的增加和温度升高而增大。线变宽。随原子区内气体压力的增加和温度升高而增大。四、原子吸收四、原子吸收值与原子与原子浓度的关系度的关系积分吸收分吸收(integrated absorption) 透过光强度服从透过光强度服从Lambert定律，数学表达式为定律，数学表达式为u在原子吸收光在原子吸收光谱分析中，把分析中，把测量气量气态原子吸收共振原子吸收共振线的的总能量称能量称为积分吸收。分吸收。u是
12、指在原子吸收光是指在原子吸收光谱中中, ,原子蒸气所吸收的全部能量原子蒸气所吸收的全部能量, ,即一即一条吸收曲条吸收曲线下面所包括的整个面下面所包括的整个面积。积分吸收与基分吸收与基态原子原子数的关系式数的关系式为： 这是原子吸收法的重要理论基础，如能准确测量积分吸这是原子吸收法的重要理论基础，如能准确测量积分吸收，即可求得原子浓度。收，即可求得原子浓度。积分吸收系数积分吸收系数K Kv v 基态原子数基态原子数N N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010-3 nm (10-3 nm)需要一个分光系统，谱带宽度为需要一个分光系统，谱带宽度为 0.0001 nm, 且连续可调且连续可调
13、K 0.0001nm通常光栅分开通常光栅分开0.1nm,分开分开0.01nm的两束光需要的两束光需要很昂贵的光栅很昂贵的光栅要分开两束波长相差要分开两束波长相差0.0001nm的光，目前技术的光，目前技术上仍难以实现。上仍难以实现。此外，即使光栅满足要求，此外，即使光栅满足要求，分出的光也太弱，难以用分出的光也太弱，难以用于实际测量于实际测量关键性难题关键性难题峰峰值吸收法吸收法(peak absorption) 采用锐线光源，通过测定吸收线中心频率的峰值吸收系采用锐线光源，通过测定吸收线中心频率的峰值吸收系数计算待测元素的原子数。数计算待测元素的原子数。K0N峰值吸收测量的吸光度与试样中被测
14、组分的浓度呈线性峰值吸收测量的吸光度与试样中被测组分的浓度呈线性用峰用峰值吸收代替吸收代替积分吸收分吸收进行定量的必要条件行定量的必要条件 锐线光源的发射线与原子吸收线的锐线光源的发射线与原子吸收线的中心频率完全一致。中心频率完全一致。 锐线光源发射线的半宽度比吸收线锐线光源发射线的半宽度比吸收线的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的的1/51/51/10 1/10 。 普析普析TAS990原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪 第二第二节 原子吸收分光光度原子吸收分光光度计原子吸收原子吸收线原子吸收过程原子吸收过程一、原子吸收分光光度一、原子吸收分光光度计的主要部件的主要部
15、件锐线光源、原子化器、光源、原子化器、单色器和色器和检测系系统作用作用： 发射被射被测元素基元素基态原子所吸收的特征共振原子所吸收的特征共振线，称，称为锐线光源光源（narrow-line source）。）。光源的基本要求光源的基本要求： 发射射辐射波射波长的半的半宽度要明度要明显小于吸收小于吸收线的半的半宽度，度，辐射射强度大，度大，稳定性好，背景信号低，使用定性好，背景信号低，使用寿命寿命长等。等。光源光源空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯空心阴极灯（hollow cathode lamphollow cathode lamp，HCLHCL） 空心阴极灯发射的光空心阴极灯发射的光谱主要是阴极
16、元素的光谱，谱主要是阴极元素的光谱，因此用不同的被测元素作因此用不同的被测元素作阴极材料，可制成各种被阴极材料，可制成各种被测元素的空心阴极灯。测元素的空心阴极灯。 缺点是测一种元素换缺点是测一种元素换一个灯，使用不便。一个灯，使用不便。原子化器原子化器 (atomizer) 作用：作用： 提供能量，使提供能量，使试样干燥，蒸干燥，蒸发并并转化化为所需的基所需的基态原原子蒸气。被子蒸气。被测元素由元素由试样转入气相，并入气相，并转化化为基基态原子原子的的过程，称程，称为原子化原子化过程。程。火焰原子化法火焰原子化法火焰原子化法火焰原子化法（flame atomizationflame atom
17、ization） 由化学火焰提供能量，使被由化学火焰提供能量，使被测元素原子化。常用的是元素原子化。常用的是预混混合型原子化器，它包括合型原子化器，它包括雾化器、化器、雾化室和燃化室和燃烧器三部分。器三部分。雾化器（化器（nebulizer） 将将试液液雾化。并使化。并使雾滴均匀化。滴均匀化。雾滴越小，火焰中生成的基滴越小，火焰中生成的基态原子就越多。原子就越多。雾化室的作用，化室的作用，一是使一是使较大大雾粒沉降，凝聚从粒沉降，凝聚从废液口排液口排除；二是使除；二是使雾粒与燃气，助燃气均匀混合形成气溶胶，粒与燃气，助燃气均匀混合形成气溶胶，再再进入火焰原子化；三是起入火焰原子化；三是起缓冲冲
18、稳定混合气气定混合气气压的作用，的作用，以便使燃以便使燃烧气气产生生稳定的火焰。定的火焰。燃燃烧器（器（burner）的作用是的作用是产生火焰，使生火焰，使进入火焰的入火焰的试样气溶胶蒸气溶胶蒸发和原子化，常用的是和原子化，常用的是单缝燃燃烧器。器。石墨炉原子化器石墨炉原子化器（graphite furnace atomizer） 它是一个它是一个电加加热器，利器，利用用电能加能加热盛放盛放试样的石的石墨容器，使之达到高温以墨容器，使之达到高温以实现试样的蒸的蒸发和原子化。和原子化。 氢化物化物发生原子化器生原子化器（hydrogen generation atomizer）一定酸度下，用一定
19、酸度下，用强还原原剂KBHKBH4 4或或NaBHNaBH4 4将将AsAs、SbSb、BiBi、SnSn、GeGe、SeSe、PbPb、TiTi元素元素还原成极易原成极易挥发与易受与易受热分解的分解的氢化物化物。 载气将这些氢化物送入石英管后，在低温下即可进行载气将这些氢化物送入石英管后，在低温下即可进行原子化原子化检测检测。特点：原子化温度低，基体干扰和化学干扰小。特点：原子化温度低，基体干扰和化学干扰小。冷蒸气冷蒸气发生器原子化器生器原子化器（cold atom atomizer） 低温原子化方法（一般低温原子化方法（一般700700900900C C）；）；专门用用于汞的于汞的测定定酸
20、性溶液中，酸性溶液中， SnCl SnCl2 2将无机汞化物将无机汞化物还原原为金属汞，金属汞，它在常温常它在常温常压下易形成汞原子蒸气。用下易形成汞原子蒸气。用载气将汞蒸气将汞蒸气气导入石入石英英吸收管中吸收管中进行行测定定。 特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达1010-8-8g g）作用作用：将：将所需的共振吸收所需的共振吸收线与与邻近干近干扰线分离。分离。 为了防止原子化了防止原子化时产生的生的辐射不加射不加选择地都地都进入入检测器以及避免光器以及避免光电倍增管的疲倍增管的疲劳，单色器通常色器通常配置在原子化器后。配置在原子化器后。 单色器中
21、的关色器中的关键部件是色散元件，部件是色散元件，现多用光多用光栅。单色器单色器 主要由主要由检测器、放大器、器、放大器、对数数变换器、器、显示装示装置所置所组成。成。 检测器的作用是将器的作用是将单色器分出的光信号色器分出的光信号进行光行光电转换，常用光，常用光电倍增管。倍增管。检测系统检测系统原子吸收分光光度原子吸收分光光度计的的类型型2 2双光束原子吸收分光光度计双光束原子吸收分光光度计 1 1单光束原子吸收分光光度计单光束原子吸收分光光度计第三第三节 实验方法方法试样取取样及及处理理 分析分析线(analytical line) 通常通常选择共振吸收共振吸收线作作为分析分析线，因共振吸收
22、，因共振吸收线是最灵敏是最灵敏的吸收的吸收线。 狭狭缝宽度度 在原子吸收分光光度法中，在原子吸收分光光度法中，谱线重叠干重叠干扰的几率小，因此，的几率小，因此，允允许使用使用较宽的狭的狭缝，有利于增加灵敏度，提高信噪比。，有利于增加灵敏度，提高信噪比。 一、一、测定条件的定条件的选择空心阴极灯的工作空心阴极灯的工作电流流 在保在保证放放电稳定和足定和足够光光强的条件下，尽量的条件下，尽量选用低的工用低的工作作电流。流。 原子化条件的原子化条件的选择 在火焰原子化法中，火焰的在火焰原子化法中，火焰的选择和和调节是保是保证原子化效率原子化效率的关的关键之一。之一。 石墨炉原子化法中，原子化程序要石
23、墨炉原子化法中，原子化程序要经过干燥、灰化、原子干燥、灰化、原子化和化和净化几个化几个阶段，各段，各阶段的温度与持段的温度与持续时间，均要通，均要通过实验选择。原子吸收光原子吸收光谱分析的干分析的干扰有光有光谱干干扰、物理干、物理干扰、化学干化学干扰、电离干离干扰和背景吸收等。和背景吸收等。 二、干扰及其抑制二、干扰及其抑制电离干离干扰（ionization interference）现象象： 待待测元素在原子化元素在原子化过程中程中发生生电离，使参与吸离，使参与吸收的基收的基态原子数减少而造成吸光度下降原子数减少而造成吸光度下降。消除方法：消除方法： 加入消加入消电离离剂（易（易电离元素）离
24、元素）基体干基体干扰（mareix interference）现象象：试样在处理、转移、蒸发和原子化过程中，由于试试样在处理、转移、蒸发和原子化过程中，由于试样物理特性的变化引起吸光度下降样物理特性的变化引起吸光度下降。消除方法：消除方法：可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。抑制。光学干光学干扰（optical interference） 原子光原子光谱对分析分析线的干的干扰。包括光包括光谱线干干扰和非吸收和非吸收线干干扰。u现象象 光光谱线干干扰是是试样中共存元素的吸收中共存元素的吸收线与待与待测元素的分析元素的分析线相近（吸收相
25、近（吸收线重叠）而重叠）而产生的干生的干扰。u消除方法：消除方法： 另另选波波长或用化学方法分离干或用化学方法分离干扰元素。元素。非吸收非吸收线干干扰是一种背景吸收（是一种背景吸收（background absorption）。）。现象：象： 原子化原子化过程中生成的气体分子、氧化物、程中生成的气体分子、氧化物、盐类等等对共振共振线的吸收及微小固体的吸收及微小固体颗粒使光粒使光产生散射而引起的干生散射而引起的干扰。消除方法：消除方法： 邻近近线法、法、连续光源（在紫外光区通常用光源（在紫外光区通常用氘灯）法、塞灯）法、塞曼（曼（Zeeman）效）效应法等。法等。化学干化学干扰（chemical
26、 interference）现象：象： 在溶液或气相中由于待在溶液或气相中由于待测元素与其他共存元素与其他共存组分之分之间发生生化学反化学反应而影响待而影响待测元素化合物的离解和原子化元素化合物的离解和原子化。消除方法：消除方法： 加入加入释放放剂、加保加保护剂、适当提高火焰温度适当提高火焰温度等。等。被被测元素元素浓度含量或改度含量或改变一个一个单位，吸光度的位，吸光度的变化量。化量。 火焰原子吸收法中常用火焰原子吸收法中常用“特征特征浓度度”表达式：表达式： 灵敏度灵敏度（sensitivity）非火焰法非火焰法( (石墨炉石墨炉) )中常用中常用“特征质量特征质量”表示表示 ：三、灵敏度
27、和检出限三、灵敏度和检出限信号等于空白溶液的测量信号的标准偏差信号等于空白溶液的测量信号的标准偏差3 3倍时所对应的倍时所对应的的浓度（的浓度（ug/mlug/ml）或质量（）或质量（g g或或ugug）来表示。）来表示。u计算公式为：计算公式为：检出限检出限（detection limit）四、定量分析方法四、定量分析方法n标准曲准曲线法：法： （A Ac c ）( ( 同分光光度法同分光光度法 ) )n标准加入法：（准加入法：（增量法）增量法） 当当试样基体影响基体影响较大，又没有大，又没有纯净的基体空白，的基体空白，或或测定定纯物物质中极微量的元素中极微量的元素时，可以采用此法。，可以采
28、用此法。待待测溶液的溶液的浓度可用度可用计算法和作算法和作图法法cx+0， cx+cs ， cx +2cs ， cx +3cs ， cx +4cs分分别别测测得得吸吸光光度度为为：A0，A1，A2，A3，A4。如将直线外推至与横坐如将直线外推至与横坐标相交，此时浓度标相交，此时浓度c cx即即为试样中被测元素的浓为试样中被测元素的浓度。度。外推作图法外推作图法内内标法法对照品溶液和试样溶液中分别加入一定量的对照品溶液和试样溶液中分别加入一定量的内标内标，同时测定这两种溶液的吸光度比值，同时测定这两种溶液的吸光度比值，A As/ /A A内内，A Ax/ /A A内内。绘制。绘制A As/ /A
29、 A内内 c c标准曲线。标准曲线。根据试样溶液的根据试样溶液的A Ax/ /A A内内，从标准曲线上即可，从标准曲线上即可求出试样中待测元素的浓度。求出试样中待测元素的浓度。小小 结基本概念基本概念光光谱项、原子能、原子能级图、共振吸收共振吸收线、半半宽度、度、热变宽、压力力变宽、积分吸收、分吸收、峰峰值吸收、空心阴极灯、原子化器、特吸收、空心阴极灯、原子化器、特征征浓度、特征度、特征质量量吸收吸收线轮廓廓具有一定具有一定频率范率范围和形状的和形状的谱线，它可用，它可用谱线的半的半宽度来表征。度来表征。吸收吸收线轮廓是由自然廓是由自然变宽、热变宽、压力力变宽等原子本身的性等原子本身的性质和外
30、界因素影响而和外界因素影响而产生的。生的。峰峰值吸收代替吸收代替积分吸收分吸收必必须满足条件：足条件：u 发射射线轮廓小于吸收廓小于吸收线轮廓廓u 发射射线与吸收与吸收线频率的中心率的中心频率重合率重合原子吸收分光光度原子吸收分光光度计主要主要组成成： 锐线光源光源 原子化器原子化器 分光系分光系统 检测系系统干干扰与与消除消除干干扰效效应主要有：主要有：电离干离干扰、物理干、物理干扰、光学干光学干扰及非吸收及非吸收线干干扰（背景干（背景干扰）、）、化学干化学干扰等。等。消除方法有：加入消除方法有：加入缓冲冲剂、保、保护剂、消、消电离离剂、配位、配位剂等；采用等；采用标准加入法和改准加入法和改变仪器条件（如分辨率、狭器条件（如分辨率、狭缝宽度）或背景度）或背景扣除等。扣除等。定量定量方法方法定量关系式：定量关系式： A A= =KcKc常用的方法：常用的方法： 标准曲准曲线法、法、标准加入法、内准加入法、内标法。法。
