第十五章 原子吸收分光光度法
一、教學(xué)目的
1、掌握原子吸收分光光度法的基本原理。
2、熟悉原子吸收分光光度計的儀器基本組成。
3、掌握原子吸收分光光度計的定量和定性方法，熟悉它的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
4、了解原子吸收分光光度法的應(yīng)用。
二、教學(xué)內(nèi)容
l、概述
2、基本原理
（1)原子吸收光譜和共振線。
（2)譜線輪廓與吸收值的測量。
（3)基態(tài)原子數(shù)與激發(fā)態(tài)原子數(shù)。
3、原子化方法
（1)火焰原子化法：火焰原子化法、火焰結(jié)構(gòu)及原子化過程、常用的火焰及火焰狀態(tài)的劃分。
（2)石墨爐原子化法：石墨爐原子化器、石墨爐原子化法的升溫過程。
（3)氫化物發(fā)生原子化法氫化物的發(fā)生方法、氫化物發(fā)生原子化器的裝置。
4原子吸收分光光度計
（1)光源。
（2)分光系統(tǒng)。
（3)檢測系統(tǒng)。
4 原子吸收分光光度計類型：單光束型、雙光束型。
5、原子吸收分光光度法的實(shí)驗(yàn)技術(shù)
（1)定量分析方法：標(biāo)準(zhǔn)曲線、直接比較法、標(biāo)準(zhǔn)加入法。
（2)干擾及其消除方法：電離干擾、物理干擾、化學(xué)干擾、光譜干擾、背景干擾。
（3)分析條件的選擇：分析線、狹縫寬度、燈電流的選祥、原子化條件的選擇。
（4)靈敏度和檢出限；靈敏度、檢出限。
第十五章 原子吸收分光光度法
Atomicabsorption spectrometry (AAS)
第一節(jié) 概述
原子吸收分光光度法又稱原子吸收光譜法是測量特征波長通過吸收介質(zhì)(氣態(tài)自由原子)后入射光強(qiáng)度減弱程度，進(jìn)行定量分析的方法，屬光譜化學(xué)分析（spectrochemical analysis)范疇，根據(jù)粒子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)對輻射的吸收原理建立各種吸收光譜法，如分子、原子吸收光譜分析。
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較其它分析技術(shù)，原子吸收光譜法是屬于較近發(fā)展起來的一門分析技術(shù)，它是由Walsh 在1955年創(chuàng)立。1802年Wollaston在觀察太陽光譜時首次發(fā)現(xiàn)了原子吸收現(xiàn)象。1955年Walsh利用火焰作為原子化能源并提出銳線光源和峰值吸收理論，建立了原子吸收光譜分析，1959年L’vov設(shè)計了電加熱原子化器，1968年Massman設(shè)計了使用的石墨爐原子化器，使得石墨爐原子吸收走向商品化。
下面是我們熟悉的可見分光光度和本章介紹的原子吸收光譜儀器裝置：
前面已經(jīng)討論了比色法、可見及紫外吸光光度法是基于物質(zhì)對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。那么，原子吸收又是
如何實(shí)現(xiàn)原子呢？
第二節(jié) 原子吸收光譜分析的基本原理
一、 元素的特征譜線
原子是由原子核和核外電子所組成。電子在原子核周圍空間按一定的狀態(tài)運(yùn)動，即在特定的軌道上運(yùn)動也就是原子具有殼層結(jié)構(gòu)，不同的殼層具有不同的能量，最外層電子通常稱為光學(xué)電子，原子光譜是由光學(xué)電子狀態(tài)躍遷所產(chǎn)生的，見圖。
原子能級示意圖
吸收光譜(absorptionspectrum高級職稱考試網(wǎng))：當(dāng)有輻射投射到吸收原子上時，如果入射輻射的能量和原子中的電子由低能態(tài)躍遷到所容許的較高能態(tài)所需要的能量相匹配，原子就要從光波場中吸收能量由低能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)。原子由基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)，吸收一定頻率的輻射能量，產(chǎn)生共振吸收線（簡稱共振線)
發(fā)射光譜（emission spectrum)：原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，發(fā)射出一定頻率的輻射，也產(chǎn)生共振吸收線（也簡稱共振線)
特征光譜 (characteristic spectrum)：各種元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布不同，基態(tài)→第一激發(fā)態(tài)，躍遷吸收能量不同，且最易發(fā)生，吸收最強(qiáng)，最靈敏，具有特征性，稱之為特征光譜。
二、 譜線的輪廓
理論上原子譜線應(yīng)該是線光譜，但實(shí)際上原子譜線并非是一條嚴(yán)格的幾何線，而是具有一定形狀，即譜線輪廓，也就是譜線強(qiáng)度與頻率有一分布值，如圖所示。
原子吸收示意圖
當(dāng)光線通過含有某元素的蒸氣基態(tài)原子時，基態(tài)原子對照射線產(chǎn)生吸收，將透過強(qiáng)度I對頻率n作圖，得到如圖所示的吸收線輪廓。
理論上應(yīng)產(chǎn)生線狀光譜吸收線，實(shí)際上用特征吸收頻率左右具有一定寬度吸收峰，為什么？
三、 譜線變寬的原因
1、自然變寬：是指不受任何外界影響時的譜線寬度，取決于激發(fā)態(tài)原子的壽命，根據(jù)量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理推導(dǎo)的
由此可知，壽命越長譜線越窄，反之越寬。
2、多普勒變寬（溫度變寬) DnD
多普勒效應(yīng)：一個運(yùn)動著的原子發(fā)出的光，如果運(yùn)動方向離開觀察者（接受器)，則在觀察者看來，其頻率較靜止原子所發(fā)的頻率低，反之，高。多普勒變寬是由于溫度引起的，又稱之為溫度變寬。
3、壓力變寬（碰撞變寬)
由于原子相互碰撞使能量發(fā)生稍微變化, 勞倫茲變寬（ΔL):待測原子和其他原子碰撞。赫魯茲馬克變寬:同種原子碰撞。
通常條件下吸收線變寬主要受多普勒和勞倫茲變寬效應(yīng)控制。
四、 積分吸收和峰值吸收
若將原子吸收用于分析，需要測量光吸收變化。若使用鎢絲燈和氘燈作為光源，則經(jīng)分光后，光譜通帶0.2nm。而原子吸收線的半寬度：10-3nm。如圖所示。
即若用一般光源照射時，吸收光的強(qiáng)度變化僅為0.5%，靈敏度極差，無法滿足分析需要。若將原子蒸氣吸收的全部能量，即譜線下所圍面積測量出（積分吸收)。則是一種絕對測量方法，要在如此小的輪廓準(zhǔn)確積分，要求單色器的分辨率高達(dá)50萬以上（R=2B/l . B為光柵寬度)現(xiàn)在的分光裝置也無法實(shí)現(xiàn)。所以在原子吸收分析中，目前還不能采用一般光源，1955年提出采用銳線光源可提供吸收峰處的極窄范圍的波長的光，產(chǎn)生峰值吸收。通過測量峰值吸收代替積分吸收，成功地解決了原子吸收分析測量的難題。
吸收峰測量示意圖
由于使用了銳線光源原子吸收的峰值測量也遵循Lambert-Beer定律，此時，峰值吸收系數(shù)為：
在其他試驗(yàn)條件一定的情況下，簡化為：
五、 基態(tài)原子數(shù)與原子化溫度
原子吸收光譜是利用待測元素的原子蒸氣中基態(tài)原子數(shù)與共振吸收之間的關(guān)系來進(jìn)行測定的。即待測元素的原子蒸氣中基態(tài)原子數(shù)越大，對特征頻率的光吸收越多。 但在原子化過程中（高溫下由離子態(tài)轉(zhuǎn)化為原子態(tài)的過程)，可能造成部分基態(tài)原子受熱激發(fā)， 因而需要考慮原子蒸氣中待測元素的基態(tài)原子與原子總數(shù)之間的定量關(guān)系。
熱力學(xué)平衡時，上式中Pj和PO分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重。表列出幾種元素共振線的Nj/N0值（見書218頁)。
討論：
1. 公式右邊除溫度T外，都是常數(shù)。T一定，比值一定。
2. 通過計算可知。鈉離子在原子化過程中，當(dāng)原子化溫度改變10K時，激發(fā)態(tài)原子數(shù)增加4%。因此測定過程中，必須嚴(yán)格控制原子化溫度恒定。
3. 激發(fā)態(tài)原子數(shù)Nj與基態(tài)原子數(shù)No之比較小,通常小于1%�？梢杂没鶓B(tài)原子數(shù)代表待測元素的原子總數(shù)。
4. 在溫度及其他條件一定的情況下，原子總數(shù)與待測元素的濃度成正比，故有：A=K’C 即為原子吸收光譜分析的定量基礎(chǔ)。
第三節(jié) 原子化方法
原子吸收分析中如何實(shí)現(xiàn)待測
1、火焰原子化法
霧化器，霧化穩(wěn)定、霧化效率高、霧滴均勻。
A 原子化器 霧化室，良好的浸水性、防止掛水珠、減少記憶。
燃燒器，火焰平穩(wěn)、不易阻塞、不易回火、可調(diào)節(jié)。
B 火 焰：要求其背景吸收和背景發(fā)射小。
l 火焰的結(jié)構(gòu)：就火焰的結(jié)構(gòu)而可分四個區(qū)：
（a)預(yù)熱區(qū)：燃?xì)饨?jīng)過此區(qū)加熱到著火溫度。
（b)第一反應(yīng)區(qū)：燃燒不充分，發(fā)生著復(fù)雜反應(yīng)，有一個
藍(lán)心。
（c)中間薄層區(qū)：溫度較高、厚度較小，是產(chǎn)生自由原子的主要區(qū)域。
（d)第二反應(yīng)區(qū)：氧化劑較充分，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散進(jìn)入大氣
l 火焰種類：根據(jù)燃?xì)夂椭細(xì)獗壤煌鹧婵煞譃槿N類型。
（a)化學(xué)計量火焰：溫度高，干擾少，穩(wěn)定，背景低，常用。
（b)富燃火焰：還原性火焰，燃燒不完全，測定較易形成難熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。
（c)貧燃火焰：火焰溫度低，氧化性氣氛，適用于堿金屬測定。
l特 點(diǎn)：穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、應(yīng)用廣；原子化效率低，靈敏度低、 液體進(jìn)樣。
2、無火焰原子化法
無火焰原子化器種類較多，但石墨爐原子化器（見圖)具有性能好、結(jié)果簡單、使用方便，被廣泛應(yīng)用，通常稱之為電熱石墨爐原子化法。
電熱原子化過程一般分為四個階段，即干燥、灰化(熱解)、原子化和凈化(除殘)。
3、還原氣化法
（1)氫化物發(fā)生原子化法：
銻、砷、鉍、鉛、硒、碲和錫等元素，在酸性介質(zhì)中用硼氫化鈉處理后，都可形成揮發(fā)性氫化物。
待測物X+KBH4---XHn(易分解)--石英管加熱---原子化。
（2)冷原子吸收法：
汞在酸性介質(zhì)中與氯化亞錫發(fā)生還原作用時就可產(chǎn)生元素態(tài)的汞蒸汽。在燃燒器上方裝有石英吸收池，調(diào)節(jié)燃燒器使光束通過石英吸收池。Hg(II)+SnCl2—Hg(carriergas)—吸收池
第三節(jié) 原子吸收分光光度計
一、儀器的主要部件
原子吸收分光光度計由光源、原子化器、分光系統(tǒng)和檢測讀數(shù)系統(tǒng)四部分組成，分別介紹如下。
(一)、光源:
在原子吸收分析中需要一個能提供被自由原子蒸氣吸收的輻射源，光源是原子吸收分光光度計的一個重要部件，因?yàn)樵游展庾V法的各種優(yōu)點(diǎn)都直接或間接地與光源發(fā)射的待測元素譜線半寬度有關(guān)，如果這個半寬度比吸收線寬度窄，這種優(yōu)點(diǎn)將更為突出。
一般來說，原子吸收對光源有以下幾點(diǎn)要求。
1. 光譜純度高，只發(fā)射分析元素的光譜，不含雜質(zhì)元素的輻射。
2. 發(fā)射銳線(即很窄的譜線)，發(fā)射的共振線強(qiáng)度高而穩(wěn)定，背景小。
3. 起輝電壓低，特別是用高頻率點(diǎn)燈時如此，因?yàn)閷Ω哳l來說，較難起輝。
4.結(jié)構(gòu)牢固可靠，使用方便。
5.有較長的壽命，價錢便宜。
空心陰極燈、蒸氣放電燈、高頻無極放電燈等，均符合上述要求。但在這些光源中，效果最好的是空心陰極燈。不論是在光譜范圍、譜線銳度、輻射強(qiáng)度和光譜輸出穩(wěn)定性等方面，空心陰極燈都比較理想，所以得到最廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖所示：
（二)分光系統(tǒng)
1. 作用 ：將待測元素的共振線與鄰近線分開。
2. 組件：色散元件（棱鏡、光柵)，凹凸鏡、狹縫等。
3.單色器性能參數(shù)：
（1)線色散率（D)：兩條譜線間的距離與波長差的比值ΔX/Δλ。實(shí)際工作中常用其倒數(shù)Δλ/ΔX成稱之為倒色散率。
（2)分辨率：儀器分開相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長與其波長差的比值λ/Δλ表示。
（3)通帶寬度（W)：指通過單色器出射狹縫某標(biāo)稱波長處的輻射范圍。當(dāng)?shù)股⒙蔇一定時，通過選擇狹縫寬度S來確定：W=D´ S。
（三)檢測系統(tǒng)
主要由檢測器、放大器、對數(shù)變換器、顯示記錄裝置組成。
1. 檢測器—將單色器分出的光信號轉(zhuǎn)變成電信號。如：光電池、光電倍增管、光敏晶體管等。
2.放大器—將光電倍增管輸出的信號，經(jīng)電子線路進(jìn)一步放大。
3. 對數(shù)變換器—光強(qiáng)度與吸光度之間的轉(zhuǎn)換。
4. 顯示、記錄裝置—讀出或記錄電信號的大小。
二、 原子吸收分光光度類型
（一)、單道單光束原子吸收分光光度計
（二)、單道雙光束原子吸收分光光度計
第四節(jié) 原子吸收分光光度法的實(shí)驗(yàn)技術(shù)
一、定量分析方法
1、標(biāo)準(zhǔn)曲線法
2、直接比較法
3、標(biāo)準(zhǔn)加入法
二、干擾及其消除方法
1、物理干擾
試樣粘度、表面張力使樣品進(jìn)入火焰的速度或噴霧效率改變所引起的干擾。可通過配制與試樣具有相似組成的標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)加入法來克服。
2、化學(xué)干擾
指Analytes(Target species)與共存元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難揮發(fā)的化合物所引起的干擾，主要引起原子化效率，使待測元素的A降低。
抑制方法：
l加入釋放劑：
SO42-、PO43-對Ca2+的干擾—加入La(III)、Sr(II)—釋放Ca2+；
l加入保護(hù)劑(配合劑):
1) PO43-對Ca2+的干擾—EDTA—CaY(穩(wěn)定且易破壞)；
2) 含氧酸中Mg、Al—MgAl2O4—使吸光度急劇下降—加入8-羥基喹啉作保護(hù)劑。
l加入緩沖劑或基體改進(jìn)劑：主要對GFAAS，如加入EDTA可使Cd的原子化溫度降低。
l化學(xué)分離。
3、電離干擾
熱激發(fā)—電離—電子數(shù)增加—原子數(shù)減少—吸光度A下降。如對堿金屬和堿土金屬元素—加入大量易電離的元素可消除之。
4、光譜干擾
（1)、光譜干擾：
l 非共振線干擾：多譜線元素—減小狹縫寬度或另選譜線。
l 非待測元素干擾：充入氣體和氧化物的背景干擾—將HCL反接；
l 譜線重疊干擾—選其它分析線；
5、背景干擾：主要來自原子化器，包括蒸汽中氣態(tài)分子對光的吸收(無機(jī)酸、氣體燃燒等)及高鹽度顆粒的散射干擾
背景校正方法：
1)鄰近非共振線校正法：
A=AT-AB
2) 連續(xù)光源(H燈或氘燈)背景較正法
3)Zeeman 效應(yīng)背景校正法
譜線在磁場中發(fā)生分裂的現(xiàn)象(n2S+1LJ—n2S+1L2J+1)。Zeeman背景校正是根據(jù)磁場將（簡并的)譜線分裂成具有不同偏振特性的成份，即平行于磁場的p線和垂直于磁場的±s線，由譜線的磁特性和偏振特性來區(qū)別被測元素吸收和背景吸收。
三、條件的優(yōu)化
1．分析線：一般選待測元素的共振線作為分析線，測量高濃度時，也可選次靈敏線。
2．通帶（調(diào)節(jié)狹縫寬度)：無鄰近干擾線（如測堿及堿土金屬)時，選較大的通帶，反之（如測過渡及稀土金屬)，宜選較小通帶。
3．空心陰極燈電流：在保證有穩(wěn)定和足夠的輻射光通量的情況下，盡量選較低的電流。
4. 原子化條件
Flame: 火焰類型；燃助比；燃燒器高度；
Graphite Furnace: 升溫程序(干燥、灰化、原子化、凈化)
四、分析方法評價
一)靈敏度
IUPAC規(guī)定：分析標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率(S)。
在原子吸收實(shí)際應(yīng)用中通常用特征濃度來表示：
1、 特征濃度(1%吸收靈敏度)：產(chǎn)生1%吸收(A=0.0044)信號所對應(yīng)的元素濃度。
2、 特征質(zhì)量(對GFAAS)：
三、 檢測限(DL)
檢出限是指以其能檢出的最小濃度（或最小量)，為此，必須確定最小測量值，根據(jù)IUPAC規(guī)定：可測量到的最小信號AL以下式確定：
K表示置信水平，K=2，置信度為95.46%；K=3，置信度為99.7%
可以看出，檢出限不僅與靈敏度有關(guān)，而且還考慮到儀器噪聲！因而DL比S具有更明確的意義，更能反映儀器的性能。只有同時具有高靈敏度和高穩(wěn)定性時，才有低的檢出限。
