1、第二章原子吸收光谱法 第二章 原子吸收光谱法Atomic Absorption Spectrometry (AAS)2.1 概述原子吸收光谱法是本世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法，这种方法根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量。它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。插一幅原子吸收光谱仪器的照片211 原子吸收光谱法的优点与不足（1） 检出限低，灵敏度高。火焰原子吸收法的检出限可达到ppb级，石墨炉原子吸收法的检出限可达到10-10-10-14 g。（2） 准确
2、度好。火焰原子吸收法测定中等和高含量元素的相对标准差可1%，其准确度已接近于经典化学方法。石墨炉原子吸收法的准确度一般约为3-5%。（3） 分析速度快。原子吸收光谱仪在35分钟内，能连续测定50个试样中的6种元素。（4） 应用范围广。可测定的元素达70多个，不仅可以测定金属元素，也可以用间接原子吸收法测定非金属元素和有机化合物。（5） 仪器比较简单，操作方便。（6） 原子吸收光谱法的不足之处是多元素同时测定尚有困难，有相当一些元素的测定灵敏度还不能令人满意。212 原子吸收光谱的发展历史第一阶段 原子吸收现象的发现与科学解释早在1802年，伍朗斯顿（W.H.Wollaston）在研究太阳连续光
3、谱时，就发现了太阳连续光谱中出现的暗线。1817年，弗劳霍费（J. Fraunhofer）在研究太阳连续光谱时，再次发现了这些暗线，由于当时尚不了解产生这些暗线的原因，于是就将这些暗线称为弗劳霍费线。1859年，克希荷夫（G. Kirchhoff）与本生（R. Bunson）在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时，会引起钠光的吸收，并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实，断定太阳连续光谱中的暗线，正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。第二阶段 原子吸收光谱仪器的产生原子吸收光谱作为一种实用的分析方法是从1955年开始的。这一年
4、澳大利亚的瓦尔西（A. Walsh）发表了他的著名论文原子吸收光谱在化学分析中的应用奠定了原子吸收光谱法的基础。50年代末和60年代初，Hilger, Varian Techtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器，发展了瓦尔西的设计思想。到了60年代中期，原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期。 阅读资料A. Walsh, Spectrochim. Acta, 7, 108 (1955)第三阶段 电热原子吸收光谱仪器的产生阅读资料B.V. Lvov, Spectrochim. Acta, 17, 761(1961)1959年，苏联里沃夫发表了电热原子化技术的第一篇论文
5、。电热原子吸收光谱法的绝对灵敏度可达到10-12-10-14g，使原子吸收光谱法向前发展了一步。近年来，塞曼效应和自吸效应扣除背景技术的发展，使在很高的的背景下亦可顺利地实现原子吸收测定。基体改进技术的应用、平台及探针技术的应用以及在此基础上发展起来的稳定温度平台石墨炉技术（STPF）的应用，可以对许多复杂组成的试样有效地实现原子吸收测定。第四阶段 原子吸收分析仪器的发展随着原子吸收技术的发展，推动了原子吸收仪器的不断更新和发展，而其它科学技术进步，为原子吸了仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来，使用连续光源和中阶梯光栅，结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器，设计出了微机
6、控制的原子吸收分光光度计，为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构，提高了仪器的自动化程度，改善了测定准确度，使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术（色谱-原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用）日益受到人们的重视。色谱原子吸收联用，不仅在解决元素的化学形态分析方面，而且在测定有机化合物的复杂混合物方面，都有着重要的用途，是一个很有前途的发展方向。2.2 原子吸收分析的理论2.2.1 原子吸收光谱的产生当有辐射通过自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能
7、量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。插一幅动态图说明原子的价电子吸收辐射能量发生跃迁的情况222原子吸收光谱与原子结构由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。2.2.3 原子吸收光谱的轮廊原子吸收光谱线并不是严格几何意义上的线，而是占据着有限的相当窄的频率或波长范围，即有一定的宽度。原子吸收光谱的轮廓以原子吸收谱线的中心波长和半宽度来表征。中心波长由原子能级决定
8、。半宽度是指在中心波长的地方，极大吸收系数一半处，吸收光谱线轮廓上两点之间的频率差或波长差。半宽度受到很多实验因素的影响。原子吸收光谱的轮廓如图2.1所示。图2.1 原子吸收光谱轮廓图影响原子吸收谱线轮廓的两个主要因素1、多普勒变宽多普勒宽度是由于原子热运动引起的。从物理学中已知，从一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观测者，则在观测者看来，其频率较静止原子所发的光的频率低；反之，如原子向着观测者运动，则其频率较静止原子发出的光的频率为高，这就是多普勒效应。原子吸收分析中，对于火焰和石墨炉原子吸收池，气态原子处于无序热运动中，相对于检测器而言，各发光原子有着不同的运动分量，即使每个原子发
9、出的光是频率相同的单色光，但检测器所接受的光则是频率略有不同的光，于是引起谱线的变宽。多普勒变宽的定量表示式谱线的多普勒变宽D可由下式决定： 式中，R为气体常数；c为光速；M为原子量；T为热力学温度（K）；0为谱线的中心频率。由式（2.1）可见，多普勒宽度与元素的原子量、温度和谱线频率有关。随温度升高和原子量减小，多普勒宽度增加。2、碰撞变宽当原子吸收区的原子浓度足够高时，碰撞变宽是不可忽略的。因为基态原子是稳定的，其寿命可视为无限长，因此对原子吸收测定所常用的共振吸收线而言，谱线宽度仅与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命越长，则谱线宽度越窄。原子之间相互碰撞导致激发态原子平均寿命缩短，引起谱
10、线变宽。碰撞变宽分为两种，即赫鲁兹马克变宽和洛伦茨变宽。赫鲁兹马克变宽被测元素激发态原子与基态原子相互碰撞引起的变宽，称为共振变宽，又称赫鲁兹马克变宽或压力变宽。在通常的原子吸收测定条件下，被测元素的原子蒸气压力很少超过10-3mmHg，共振变宽效应可以不予考虑，而当蒸气压力达到0.1mmHg时，共振变宽效应则明显地表现出来。洛伦茨变宽被测元素原子与其它元素的原子相互碰撞引起的变宽，称为洛伦茨变宽。洛伦茨变宽随原子区内原子蒸气压力增大和温度升高而增大。其它变宽除上述因素外,影响谱线变宽的还有其它一些因素,例如场致变宽、自吸效应等。但在通常的原子吸收分析实验条件下，吸收线的轮廓主要受多普勒和洛伦
11、茨变宽的影响。在2000-3000K的温度范围内，原子吸收线的宽度约为10-3-10-2nm。224 原子吸收光谱的测量1、吸收曲线的面积与吸光原子数的关系原子吸收光谱产生于基态原子对特征谱线的吸收。在一定条件下，基态原子数N0正比于吸收曲线下面所包括的整个面积。根据经典色散理论，其定量关系式为：式中e为电子电荷，m为电子质量，c为光速，N0为单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数，亦即基态原子密度；f为振子强度，代表每个原子中能够吸收或发射特定频率光的平均电子数，在一定条件下对一定元素，f可视为一定值。 2、吸收曲线的峰值与吸光原子数的关系从式（2.2）可见，只要测得积分吸收值，即可算出待测
12、元素的原子密度。但由于积分吸收测量的困难，通常以测量峰值吸收代替测量积分吸收，因为在通常的原子吸收分析条件下，若吸收线的轮廓主要取决于多普勒变宽，则峰值吸收系数K0与基态原子数N0之间存在如下关系： 3、峰值吸收测量的实现实现峰值吸收测量的条件是光源发射线的半宽度应小于吸收线的半宽度，且通过原子蒸气的发射线的中心频率恰好与吸收线的中心频率0相重合（见图2.2）。图2.2 峰值吸收测量示意图若采用连续光源，要达到能分辨半宽度为10-3nm，波长为500nm的谱线，按计算 需要有分辨率高达50万的单色器，这在目前的技术条件下还十分困难。因此，目前原子吸收仍采用空心阴极灯等特制光源来产生锐线发射。原
13、子吸收测量的基本关系式当频率为、强度为I 的平行辐射垂直通过均匀的原子蒸气时，原子蒸气对辐射产生吸收，符合朗伯（Lambert）定律，即I = I0 e-kL (2.4)式中I0为入射辐射强度；I为透过原子蒸气吸收层的辐射强度；L为原子蒸气吸收层的厚度；k为吸收系数。当在原子吸收线中心频率附近一定频率范围测量时，则当使用锐线光源时，很小，可以近似地认为吸收系数在内不随频率而改变，并以中心频率处的峰值吸收系数k0来表征原子蒸气对辐射的吸收特性，则吸光度A为将式（2.3）代入式（2.7），得到在通常的原子吸收测定条件下，原子蒸气相中基态原子数N0近似地等于总原子数N（见表2.1）。表2.1 某些元
14、素共振线的Ni/N0值共振线（nm）gi/g0激发能（eV）Ni/N0T = 2000KT = 3000KNa 589.0Sr 460.7Ca 422.7Fe 372.0Ag 328.1Cu 324.8Mg 285.2Pb 283.3Zn 213.9233223332.1042.6902.9323.3323.7783.8174.3464.3755.7950.9910-54.9910-71.2210-72.9910-96.0310-104.8210-103.3510-112.8310-117.4510-135.8310-49.0710-53.5510-51.3110-68.9910-76.651
15、0-71.5010-71.3410-75.5010-10在实际工作中，要求测定的并不是蒸气相中的原子浓度，而是被测试样中的某元素的含量。当在给定的实验条件下，被测元素的含量C与蒸气相中原子浓度N之间保持一稳定的比例关系时，有N = C （2.9）式中是与实验条件有关的比例常数。因此，(2.8)式可以写为当实验条件一定时，各有关参数为常数，(2.10)式可以简写为A = k C (2.11)式中k为与实验条件有关的常数。(2.10)与(2.11)式即为原子吸收测量的基本关系式。 2.3 原子吸收光谱仪器原子吸收光谱仪由光源、原子化器、分光器、检测系统等几部分组成。基本构造见图2.3。图2.3 原
16、子吸收光谱仪基本构造示意图2.3.1 光源光源的功能是发射被测元素的特征共振辐射。对光源的基本要求是：1、 发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；2、 辐射强度大、背景低，低于特征共振辐射强度的1%；3、 稳定性好，30分钟之内漂移不超过1%；噪声小于0.1%；4、 使用寿命长于5安培小时。空心阴极放电灯是能满足上述各项要求的理想的锐线光源，应用最广。空心阴极放电灯 空心阴极放电灯的结构如图2.4所示。它有一个由被测元素材料制成的空心阴极和一个由钛、锆、钽或其它材料制作的阳极。阴极和阳极封闭在带有光学窗口的硬质玻璃管内，管内充有压强为2-10mmHg的惰性气体氖或氩，其作用是载带电流
17、、使阴极产生测射及激发原子发射特征的锐线光谱。云母屏蔽片的作用是使放电限制在阴极腔内，同时使阴极定位。图2.4A 空心阴极放电灯的结构示意图 空心阴极灯放电是一种特殊形式的低压辉光放电，放电集中于阴极空腔内。当在两极之间施加几百伏电压时，便产生辉光放电。在电场作用下，电子在飞向阳极的途中，与载气原子碰撞并使之电离，放出二次电子，使电子与正离子数目增加，以维持放电。正离子从电场获得动能。如果正离子的动能足以克服金属阴极表面的晶格能，当其撞击在阴极表面时，就可以将原子从晶格中溅射出来。除溅射作用之外，阴极受热也要导致阴极表面元素的热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内，再与电子、原子、离子等发生第
18、二类碰撞 而受到激发，发射出相应元素的特征的共振辐射。空心阴极灯常采用脉冲供电方式，以改善放电特性，同时便于使有用的原子吸收信号与原子化池的直流发射信号区分开，称为光源调制。在实际工作中，应选择合适的工作电流。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增加，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。由于原子吸收分析中每测一种元素需换一个灯，很不方便，现亦制成多元素空心阴极灯，但发射强度低于单元素灯，且如果金属组合不当，易产生光谱干扰，因此，使用尚不普遍。无极放电灯对于砷、锑等元素的分析，为提高灵敏度，亦常用无极放电灯做光源。无极放电灯是由一个数厘米长、直径
19、5-12厘米的石英玻璃圆管制成。管内装入数毫克待测元素或挥发性盐类，如金属、金属氯化物或碘化物等，抽成真空并充入压力为67-200Pa的惰性气体氩或氖，制成放电管，将此管装在一个高频发生器的线圈内，并装在一个绝缘的外套里，然后放在一个微波发生器的同步空腔谐振器中。这种灯的强度比空心阴极灯大几个数量级，没有自吸，谱线更纯。图4。2 B 无极放电灯2.3.2 原子化器原子化器的功能是提供能量，使试样干燥，蒸发和原子化。 在原子吸收光谱分析中，试样中被测元素的原子化是整个分析过程的关键环节。实现原子化的方法，最常用的有两种：1、 火焰原子化法：是原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至今仍在广泛地被应
20、用；2、 非火焰原子化法，其中应用最广的是石墨炉电热原子化法。23.2.1火焰原子化器火焰原子化法中，常用的预混合型原子化器，其结构如图2.5所示。这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成。图2.5 预混合型火焰原子化器示意图雾化器是关键部件，其作用是将试液雾化，使之形成直径为微米级的气溶胶。混合室的作用是使较大的气溶胶在室内凝聚为大的溶珠沿室壁流入泄液管排走，使进入火焰的气溶胶在混合室内充分混合均匀以减少它们进入火焰时对火焰的扰动，并让气溶胶在室内部分蒸发脱溶。燃烧器最常用的是单缝燃烧器，其作用是产生火焰，使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化。因此，原子吸收分析的火焰应有足够高的温度，能有效地蒸发
21、和分解试样，并使被测元素原子化。此外，火焰应该稳定、背景发射和噪声低、燃烧安全。原子吸收测定中最常用的火焰是乙炔-空气火焰，此外，应用较多的是氢-空气火焰和乙炔-氧化亚氮高温火焰。乙炔-空气火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，燃烧速度不是很大，温度足够高（约23000C），对大多数元素有足够的灵敏度。氢-空气火焰是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气火焰高，但温度较低（约20500C），优点是背景发射较弱，透射性能好。乙炔-氧化亚氮火焰的特点是火焰温度高（约29550C），而燃烧速度并不快，是目前应用较广泛的一种高温火焰，用它可测定70多种元素。23.2.2 非火焰原子化器非火焰原子化法中，常用的是管
22、式石墨炉原子化器，其结构如图2.6所示。图2.6 管式石墨炉原子化器示意图 管式石墨炉原子化器由加热电源、保护气控制系统和石墨管状炉组成。加热电源供给原子化器能量，电流通过石墨管产生高热高温，最高温度可达到3000。保护气控制系统是控制保护气的，仪器启动，保护气Ar流通，空烧完毕，切断Ar气流。外气路中的Ar气沿石墨管外壁流动，以保护石墨管不被烧蚀，内气路中Ar气从管两端流向管中心，由管中心孔流出，以有效地除去在干燥和灰化过程中产生的基体蒸气，同时保护已原子化了的原子不再被氧化。在原子化阶段，停止通气，以延长原子在吸收区内的平均停留时间，避免对原子蒸气的稀释。石墨炉原子化器程序升温过程石墨炉原
23、子化器的操作分为干燥、灰化、原子化和净化四步，由微机控制实行程序升温。图2.7为一程序升温过程的示意图。图2.7 无火焰原子化器程序升温过程示意图 石墨炉原子化法的优点是，试样原子化是在惰性气体保护下于 强还原性介质内进行的，有利于氧化物分解和自由原子的生成。用样量小，样品利用率高，原子在吸收区内平均停留时间较长，绝对灵敏度高。液体和固体试样均可直接进样。缺点是试样组成不均匀性影响较大，有强的背景吸收，测定精密度不如火焰原子化法。23.2.3 低温原子化器 低温原子化是利用某些元素（如Hg）本身或元素的氢化物（如AsH3）在低温下的易挥发性，将其导入气体流动吸收池内进行原子化。目前通过该原子化
24、方式测定的元素有Hg、As、Sb、Se、Sn、Bi、Ge、Pb、Te等。生成氢化物是一个氧化还原过程，所生成的氢化物是共价分子型化合物，沸点低、易挥发分离分解。以As为例，反应过程可表示如下：AsCl3 + 4NaBH4 + HCl + 8H2O = AsH3 + 4KCl +4HBO2 + 13H2AsH3在热力学上是不稳定的，在9000C温度下就能分解析出自由As原子，实现快速原子化。2.3.3 分光器分光器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成，其作用是将所需要的共振吸收线分离出来。分光器的关键部件是色散元件，现在商品仪器都是使用光栅。原子吸收光谱仪对分光器的分辨率要求不高，曾以能分辨开
25、镍三线Ni230.003、Ni231.603、Ni231.096nm为标准，后采用Mn279.5和279.8nm代替Ni三线来检定分辨率。光栅放置在原子化器之后，以阻止来自原子化器内的所有不需要的辐射进入检测器。2.3.4 检测系统原子吸收光谱仪中广泛使用的检测器是光电倍增管，最近一些仪器也采用CCD作为检测器。有关光电倍增管和CCD检测器的原理已在1.3.1.3节介绍过。2.4 干扰效应及其消除方法2.4.1 干扰效应原子吸收光谱分析中，干扰效应按其性质和产生的原因，可以分为四类：1、 物理干扰；2、 化学干扰；3、 电离干扰；4、 光谱干扰。 2.4.1.1 物理干扰物理干扰是指试样在转移
26、、蒸发和原子化过程中，由于试样任何物理特性（如粘度、表面张力、密度等）的变化而引起的原子吸收强度下降的效应。物理干扰是非选择性干扰，对试样各元素的影响基本是相似的。配制与被测试样相似组成的标准样品，是消除物理干扰最常用的方法。在不知道试样组成或无法匹配试样时，可采用标准加入法或稀释法来减小和消除物理干扰。2.4.1.2 化学干扰化学干扰是由于液相或气相中被测元素的原子与干扰物质组分之间形成热力学更稳定的化合物，从而影响被测元素化合物的解离及其原子化。磷酸根对钙的干扰，硅、钛形成难解离的氧化物、钨、硼、希土元素等生成难解离的碳化物，从而使有关元素不能有效原子化，都是化学干扰的例子。化学干扰是一种
27、选择性干扰。消除化学干扰的方法有：化学分离；使用高温火焰；加入释放剂和保护剂；使用基体改进剂等。例如磷酸根在高温火焰中就不干扰钙的测定，加入锶、镧或EDTA等都可消除磷酸根对测定钙的干扰。在石墨炉原子吸收法中，加入基体改进剂，提高被测物质的稳定性或降低被测元素的原子化温度以消除干扰。例如，汞极易挥发，加入硫化物生成稳定性较高的硫化汞，灰化温度可提高到300；测定海水中Cu、Fe、Mn、As，加入 NH4NO3，使NaCl转化为NH4Cl，在原子化之前低于500的灰化阶段除去。 2.4.1.3 电离干扰在高温下原子电离，使基态原子的浓度减少，引起原子吸收信号降低，此种干扰称为电离干扰。电离效应随
28、温度升高、电离平衡常数增大而增大，随被测元素浓度增高而减小。加入更易电离的碱金属元素，可以有效地消除电离干扰。2.4.1.4 光谱干扰光谱干扰包括谱线重叠、光谱通带内存在非吸收线、原子化池内的直流发射、分子吸收、光散射等。当采用锐线光源和交流调制技术时，前三种因素一般可以不予考虑，主要考虑分子吸收和光散射的影响，它们是形成光谱背景的主要因素。分子吸收和光散射的影响分子吸收干扰是指在原子化过程中生成的气体分子、氧化物及盐类分子对辐射吸收而引起的干扰，图2.8示出了钠的卤化物分子的吸收谱带。光散射是指在原子化过程中产生的固体微粒对光产生散射，使被散射的光偏离光路而不为检测器所检测，导致吸光度值偏高
29、。图2.8 钠的卤化物分子的吸收谱带光谱背景除了波长特征之外，还有时间、空间分布特征。分子吸收通常先于原子吸收信号之前产生，当有快速响应电路和记录装置时，可以从时间上分辨分子吸收和原子吸收信号。样品蒸气在石墨炉内分布的不均匀性，导致了背景吸收空间分布的不均匀性。提高温度使单位时间内蒸发出的背景物的浓度增加，同时也使分子解离增加。这两个因素共同制约着背景吸收。在恒温炉中，提高温度和升温速率，使分子吸收明显下降。在石墨炉原子吸收法中，背景吸收的影响比火焰原子吸收法严重，若不扣除背景，有时根本无法进行测定。2.4.2 背景校正方法2.4.2.1 用邻近非共振线校正背景此法是1964年由W. Slav
30、in提出来的。用分析线测量原子吸收与背景吸收的总吸光度，因非共振线不产生原子吸收，用它来测量背景吸收的吸光度，两次测量值相减即得到校正背景之后的原子吸收的吸光度。表2.2列出了常用校正背景的非共振吸收线。背景吸收随波长而改变，因此，非共振线校正背景法的准确度较差。这种方法只适用于分析线附近背景分布比较均匀的场合。表2.2 常用于校正背景的非共振吸收线(nm)分析线非共振线分析线非共振线Ag 328.07Al 309.27Au 242.80Au 267.60B 249.67Ba 553.55Be 234.86Bi 223.06Ca 422.67Cd 228.80Ag 312.30Mg 313.1
31、6Pt 265.95Pt 265.96Cu 244.16Ne 556.28Cu 244.16Bi 227.66Ne 430.40Cd 226.50Co 240.71Cr 357.87Cu 324.75Fe 248.33Hg 253.65In 303.94K 766.49Li 670.78Mg 285.21Co 241.16Ar 358.27Cu 323.12Cu 249.21Ai 266.92In 305.12Pb 763.22Ne 671.70Mg 280.26Cu 282.44分析线非共振线分析线非共振线Mo 313.26Na 588.99Ni 232.00Pb 283.31Pb 283.31Pd 247.64Pd 247.64P
