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(jì)的儀器基本組成。
3、掌握原子吸收分光光度計(jì)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(cè)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(guò)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(guò)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(jì)
（1)光源。
（2)分光系統(tǒng)。
（3)檢測(cè)系統(tǒng)。
4 原子吸收分光光度計(jì)類(lèi)型：?jiǎn)喂馐�、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(chēng)原子吸收光譜法是測(cè)量特征波長(zhǎng)通過(guò)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(duì)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(lái)的一門(mén)分析技術(shù)，它是由Walsh 在1955年創(chuàng)立。1802年Wollaston在觀察太陽(yáng)光譜時(shí)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(jì)了電加熱原子化器，1968年Massman設(shè)計(jì)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(jiàn)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(jiàn)及紫外吸光光度法是基于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)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?chē)臻g按一定的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，即在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)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(chēng)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(jiàn)圖。
原子能級(jí)示意圖
吸收光譜(absorptionspectrum高級(jí)職稱(chēng)考試網(wǎng))：當(dāng)有輻射投射到吸收原子上時(shí)，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(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)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(guò)含有某元素的蒸氣基態(tài)原子時(shí)，基態(tài)原子對(duì)照射線產(chǎn)生吸收，將透過(guò)強(qiáng)度I對(duì)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(shí)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(cè)不準(zhǔn)原理推導(dǎo)的
由此可知，壽命越長(zhǎng)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(gè)運(yùn)動(dòng)著的原子發(fā)出的光，如果運(yùn)動(dòng)方向離開(kāi)觀察者（接受器)，則在觀察者看來(lái)，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(chēng)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(cè)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(cè)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(shí)，吸收光的強(qiáng)度變化僅為0.5%，靈敏度極差，無(wú)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(cè)量出（積分吸收)。則是一種絕對(duì)測(cè)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(wàn)以上（R=2B/l . B為光柵寬度)現(xiàn)在的分光裝置也無(wú)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(zhǎng)的光，產(chǎn)生峰值吸收。通過(guò)測(cè)量峰值吸收代替積分吸收，成功地解決了原子吸收分析測(cè)量的難題。
吸收峰測(cè)量示意圖
由于使用了銳線光源原子吸收的峰值測(cè)量也遵循Lambert-Beer定律，此時(shí)，峰值吸收系數(shù)為：
在其他試驗(yàn)條件一定的情況下，簡(jiǎn)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(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)定的。即待測(cè)元素的原子蒸氣中基態(tài)原子數(shù)越大，對(duì)特征頻率的光吸收越多。 但在原子化過(guò)程中（高溫下由離子態(tài)轉(zhuǎn)化為原子態(tài)的過(guò)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(cè)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(shí)，上式中Pj和PO分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。表列出幾種元素共振線的Nj/N0值（見(jiàn)書(shū)218頁(yè))。
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(guò)計(jì)算可知。鈉離子在原子化過(guò)程中，當(dāng)原子化溫度改變10K時(shí)，激發(fā)態(tài)原子數(shù)增加4%。因此測(cè)定過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)
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(gè)區(qū)：
（a)預(yù)熱區(qū)：燃?xì)饨?jīng)過(guò)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(gè)
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(lèi)：根據(jù)燃?xì)夂椭細(xì)獗壤煌鹧婵煞譃槿N類(lèi)型。
（a)化學(xué)計(jì)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(cè)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(cè)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(wú)火焰原子化法
無(wú)火焰原子化器種類(lèi)較多，但石墨爐原子化器（見(jiàn)圖)具有性能好、結(jié)果簡(jiǎn)單、使用方便，被廣泛應(yīng)用，通常稱(chēng)之為電熱石墨爐原子化法。
電熱原子化過(guò)程一般分為四個(gè)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(cè)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(shí)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(guò)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(jì)
一、儀器的主要部件
原子吸收分光光度計(jì)由光源、原子化器、分光系統(tǒng)和檢測(cè)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(gè)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(jì)的一個(gè)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(cè)元素譜線半寬度有關(guān)，如果這個(gè)半寬度比吸收線寬度窄，這種優(yōu)點(diǎn)將更為突出。
一般來(lái)說(shuō)，原子吸收對(duì)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(shí)如此，因?yàn)閷?duì)高頻來(lái)說(shuō)，較難起輝。
4.結(jié)構(gòu)牢固可靠，使用方便。
5.有較長(zhǎng)的壽命，價(jià)錢(qián)便宜。
空心陰極燈、蒸氣放電燈、高頻無(wú)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(cè)元素的共振線與鄰近線分開(kāi)。
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(zhǎng)差的比值ΔX/Δλ。實(shí)際工作中常用其倒數(shù)Δλ/ΔX成稱(chēng)之為倒色散率。
（2)分辨率：儀器分開(kāi)相鄰兩條譜線的能力。用該兩條譜線的平均波長(zhǎng)與其波長(zhǎng)差的比值λ/Δλ表示。
（3)通帶寬度（W)：指通過(guò)單色器出射狹縫某標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)處的輻射范圍。當(dāng)?shù)股⒙蔇一定時(shí)，通過(guò)選擇狹縫寬度S來(lái)確定：W=D´ S。
（三)檢測(cè)系統(tǒng)
主要由檢測(cè)器、放大器、對(duì)數(shù)變換器、顯示記錄裝置組成。
1. 檢測(cè)器—將單色器分出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。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(hào)，經(jīng)電子線路進(jìn)一步放大。
3. 對(duì)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(hào)的大小。
二、 原子吸收分光光度類(lèi)型
（一)、單道單光束原子吸收分光光度計(jì)
（二)、單道雙光束原子吸收分光光度計(jì)
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(guò)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(lái)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(cè)元素的A降低。
抑制方法：
l加入釋放劑：
SO42-、PO43-對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(lái)自原子化器，包括蒸汽中氣態(tài)分子對(duì)光的吸收(無(wú)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(chǎng)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(chǎng)將（簡(jiǎn)并的)譜線分裂成具有不同偏振特性的成份，即平行于磁場(chǎng)的p線和垂直于磁場(chǎng)的±s線，由譜線的磁特性和偏振特性來(lái)區(qū)別被測(cè)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(cè)元素的共振線作為分析線，測(cè)量高濃度時(shí)，也可選次靈敏線。
2．通帶（調(diào)節(jié)狹縫寬度)：無(wú)鄰近干擾線（如測(cè)堿及堿土金屬)時(shí)，選較大的通帶，反之（如測(cè)過(guò)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(lèi)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(píng)價(jià)
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(lái)表示：
1、 特征濃度(1%吸收靈敏度)：產(chǎn)生1%吸收(A=0.0044)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的元素濃度。
2、 特征質(zhì)量(對(duì)GFAAS)：
三、 檢測(cè)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(cè)量值，根據(jù)IUPAC規(guī)定：可測(cè)量到的最小信號(hào)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(shí)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性時(shí)，才有低的檢出限。
