原子吸收光谱法AtomicAbsorptionSpectrometryAAS.docx
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原子吸收光谱法AtomicAbsorptionSpectrometryAAS
原子吸收光谱法（AtomicAbsorptionSpectrometry,AAS）
第一节概述
一、历史：
原子吸收现象：
1802年；应用于分析：
1955年，Australia物理学家WalshA建立AAS分析方法；60年代中期发展最快。
AAS是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法。
其与AES的相似之处是产生光谱的都是原子；不同之处是前者是基于“基态原子”选择性吸收辐射能而产生的光谱（共振吸收线）而后者是基态原子吸收辐射能后被激发，当跃迁至基态时所产生的光谱（共振发射线和非共振发射线）。
优点：
1.灵敏度:
火焰原子法，ppm级，有时可达ppb级；石墨炉可达10-9--10-14.
2.准确度高，可达1－3％。
3.干扰小，选择性高；
4.测定范围广，可测70种元素。
不足：
多元素同时测定有困难；对非金属及难熔元素的测定尚有困难；对复杂样品分析干扰也较严重。
第二节基本原理
一、共振线
电子从基态跃迁至第一激发态（能量最低的激良态）所吸收的谱线称为共振吸收线，简称共振线。
在AAS分析中就是利用处于基态的待测原子蒸汽对从光源发射的共振发射线的吸收来进行分析的。
二、基态原子数与总原子数的关系
待测元素在进行原子化时，其中必有一部分原子吸收了较多的能量而处于激发态，据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从Boltzmann分配定律：
Nj/N0=gi/g0e（-ΔE/kT）＝gi/g0e（-h/kT）
从中可以看出：
Nj/N0的大小主要与“波长（激发能或激发电位）”及“温度”有关
a）当温度保持不变时：
激发能（h）小或波长大，Nj/N0则大，即波长长的原子处于激发态的数目多；但在AAS中，波长不超过600nm,换句话说，激发能对Nj/N0的影响有限！
b）温度增加，则Nj/N0大，即处于激发态的原子数增加；且Nj/N0随温度T增加而呈指数增加。
但Nj/N0都很小，一般小于1％。
实际工作中，T应小于3000K，且波长小于600nm，故对大多数元素来说Nj/N0均小于1％，Nj与N0可勿略不计。
N0可视为基态原子数。
总之，AAS对T的变化迟钝,或者说温度对AAS分析的影响不大！
而AES因测定的是激发态原子发射的谱线强度，故其激发态原子数直接影响谱线强度，从而影响分析的结果；即在AES中须严格控制温度。
三、原子吸收光谱的轮廓
1）原子吸收定量原理
以频率为的光通过原子蒸汽，其中一部分光被吸收，使该入射光的光强降低。
I0I
入射频率为，光强为I0的光通过浓度为c,光程为L后原子蒸汽后，光强降为IV，则
Iv=I0exp（-KvcL）
其中KV为该光线的吸收系数
上式变为：
logI0/IV=0.434KVcL
当L一定时,上式简化为：
A＝Kc
此式为AAS的定量分析基本原理。
注意：
此式只适用于单色光！
由于任何谱线并非都是无宽度的几何线，而是有一定宽度的，即谱线是有轮廓的！
因此使用此式将带来偏差！
2、谱线轮廓
左图：
吸收线强度I大小随频率变化。
在中心频率0处有最大吸收；
右图：
以K---作图，得吸收线轮廓。
在中心频率0处有最大的中心吸收系数
从图中可知，无论是原子发射线或吸收线，谱线都有一定宽度（以半宽度表示）。
这主要是由于原子的性质及其外界因素引起的。
换句话说,吸收系数KV并非常数，而是与波长有关。
四、谱线变宽因素
1、自然变宽：
无外界因素影响时谱线具有的宽度。
N=1/2K
（K为激发态寿命或电子在高能级上停留的时间，10-8s）
由海森堡测不准原理，原子在激发态的有限寿命导致激发态能量具有不确定的量，该不确定量使谱线具有一定的宽度△N（10-5nm）。
该宽度比光谱仪本身产生的宽度要小得多，只有极高分辨率的仪器才能测出，故可勿略不计。
2、Doppler变宽：
它与相对于观察者的原子的无规则热运动有关。
又称热变宽。
静止原子（0）
向检测器而来（0+D）检测器离检测器而去（0-D）
其变宽程度可表示为：
D与波长、温度及相对原子质量有关。
多在10-3nm数量级。
3、压力变宽：
吸收原子与外界气体分子之间的相互作用引起的变宽，又称为压变宽。
它是由于碰撞使激发态寿命变短所致。
外加压力越大，浓度越大，变宽越显著。
a.Lorentz变宽：
待测原子之间的碰撞，又称共振变宽；但由于AAS分析时，待测物浓度很低，该变宽可勿略。
b.Holtzmark变宽：
待测原子与其它原子之间的碰撞。
●外界压力增加－－谱线中心频率0位移、形状和宽度发生变化----发射线与吸收线产生错位----影响测定灵敏度。
●温度在1500-30000C之间，压力为1.01310-5Pa---热变宽和压变宽有相同的变宽程度；
●火焰原子化器--压变宽为主要；石墨炉原子化器--热变宽为主要。
4、场致变宽（fieldbroadening）：
包括Stark变宽（电场）和Zeeman变宽（磁场）
5、自吸与自蚀：
光源中同种气态原子吸收了由阴极发射的共振线所致。
与灯电流和待测物浓度有关。
五、积分吸收与峰值吸收系数
1、积分吸收
在原子吸收光谱中，无论是光源辐射的发射线还是吸收线都有一定的宽度，亦即L－B定律（A＝KVcL）用于描述AAS的A与C的关系是不准确的。
因此必须用积分吸收来描述：
e为电子电荷；m为电子质量；f为振子强度，为受到激发的每个原子的平均电子数，与吸收几率成正比。
此式说明，在一定条件下，“积分吸收”只与基态原子数成正比而与频率及产生吸收线的轮廓无关。
只要测得积分吸收值，即可求出基态原子数或浓度。
因此AAS法是一种不需要标准比较的绝对分析方法！
但积分吸收的测定非常困难。
因为原子吸收线的半宽度很小，只有0.001-0.005A。
要分辨如此宽度的谱线，对波长为500nm,其分辨率应为：
这是现代仪器不可能达到的！
如果用连续光谱作光源，所产生的吸收值将是微不足道的，仪器也不可能提供如此高的信噪比！
尽管原子吸收现象早在18世纪就被发现，但一直未用于分析。
直到1955年，Walsh提出以“峰值吸收”来代替“积分吸收”。
从此，积分吸收难于测量的困难得以间接地解决。
2、峰值吸收
1955年，Walsh指出，在温度不太高时，当发射线和吸收线满足以下两个条件,即:
当ea时，发射线很窄，发射线的轮廓可认为是一个矩形，则在发射线的范围内各波长的吸收系数近似相等，即K＝K0，因此可以“峰值吸收”代替“积分吸收”:
通常K0与谱线的宽度有关：
因此，
上式表明，当用锐线光源作原子吸收测定时，所得A与原子蒸气中待测元素的基态原子数成正比。
即遵守L－B定律。
第三节原子吸收仪器组成
一、仪器种类和组成
1、单光束－结构简单，体积小，价格低，检测限低；易发生零漂移，HCL要预热。
2、双光束－零漂移小，HCL不需预热，降低了MDL；但不可消除火焰的波动和背景的影响。
3、双光束双通道－两个通道可单独使用，可同时测定两个元素。
**注意：
为克服来自原子化器的火焰直流辐射，必须对上述所有类型仪器都要进行光源调制！
（机械调制或脉冲供电调制）。
二、光源
1、光源的作用：
辐射待测元素的锐线光谱，以作入射光源。
2、对AAS光源的要求：
a.发射稳定的共振线，且为锐线；
b.强度大，没有或只有很小的连续背景；
c.操作方便，寿命长。
3、空心阴极灯（HollowCathodeLamp,HCL）
*组成：
阳极（吸气金属）、空心圆筒（使待测原子集中）形阴极（W+待测元素）、低压惰性气体（谱线简单、背景小）。
*工作过程：
高压直流电---阴极电子---撞击隋性原子---电离（二次电子维持放电）---正离子---轰击阴击---待测原子溅射----聚集空心阴极内被激发----待测元素特征共振线。
*影响谱线性质之因素：
电流、充气种类及压力。
*问题：
为什么会产生锐线光源？
低压－LorentzBroadening小；低电流－DopplerBroadening小，故产生锐线光源！
三、原子化系统
1、火焰原子化系统（预混合型和全消耗型）
包括喷雾器、混合室、燃烧器和火焰
a.喷雾器：
要求稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高－可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液。
b.燃烧器：
主要由狭缝的性质和质量决定（光程、回火、堵塞、耗气量）。
c.火焰：
要求其背景吸收和背景发射小。
●火焰种类：
C2H2-AIR（30多种常用元素，不适于短波区）；H2-AIR（氧化性强，适于短波区元素测定）；C2H2—N2O（70多种元素，高温，还原性强）；
●燃助比：
化学计量型（适于大多数元素测定）、贫燃型（氧化型）、富燃型（还原型）
●特点：
稳定、重现性好、应用广；原子化效率低，灵敏度低、液体进样。
2、无火焰原子化系统
1）石墨炉原子化器（Graphitefurnace，GF）
组成：
电源、保护气及冷却水、石墨管（见下图）
可分四个阶段：
干燥：
脱溶剂，防止试样飞溅或流散。
干燥温度视溶剂沸点和含水量而定；
灰化：
或热解，进一步除水，蒸发除有机物或低沸点无机物－减少烟雾；另外是使试样转化为稳定的氧化物；
原子化：
2500-3000oC;停止通入氩气；
净化：
更高温度----除渣。
2）特点：
绝对灵敏度高；适于难熔元素（惰性氛围）；原子化效率高，检出限低（10-12-10-14g）、样品用量少；基体效应及化学干扰大、重现性差。
3、低温原子化方法
1）汞低温原子化：
Hg（II）+SnCl2-----Hg（carriergas）-----吸收池。
2）氢化物发生法:
待测物X+KBH4---XHn（易分解）--石英管加热---原子化。
四、分光系统
分光系统放在光焰之后，其作用不仅可分掉HCL中阴极材料的杂质以及惰性气体发出的谱线，而且还可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳。
由于HCL的谱线简单，故对单色器的色散率要求不高（10－30A/mm）。
第四节干扰及其消除
一、物理干扰
试样粘度、表面张力使样品进入火焰的速度或喷雾效率改变所引起的干扰。
可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。
二、化学干扰
指Analytes（Targetspecies）与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰，主要引起原子化效率，使待测元素的A降低。
克服方法：
●加入释放剂：
SO42-、PO43-对Ca2+的干扰----加入La（III）、Sr（II）---释放Ca2+；
●加入保护剂（配合剂）:
1）PO43-对Ca2+的干扰---EDTA----CaY（稳定且易破坏）；
2）含氧酸中Mg、Al-----MgAl2O4---使吸光度急剧下降-----加入8-羟基喹啉作保护剂。
●加入缓冲剂或基体改进剂：
主要对GFAAS，如加入EDTA可使Cd的原子化温度降低。
●化学分离。
三、电离干扰
热激发－--电离－--电子数增加-----原子数减少－--吸光度A下降。
如对碱金属和碱土金属元素－---加入大量易电离的元素可消除之。
四、光谱干扰
1、光谱干扰：
*非共振线干扰：
多谱线元素－－减小狭缝宽度或另选谱线。
*非待测元素干扰：
充入气体和氧化物的背景干扰－－将HCL反接；
*谱线重叠干扰－－选其它分析线；
2、背景干扰：
主要来自原子化器，包括蒸汽中气态分子对光的吸收（无机酸、气体燃烧等）及高盐度颗粒的散射干扰
背景校正方法：
1）邻近非共振线校正法：
A=AT-AB
2）连续光源（H灯或氘灯）背景较正法
3）Zeeman效应背景校正法
a）Zeeman效应：
谱线在磁场中发生分裂的现象（n2S+1LJ---------n2S+1L2J+1）。
Zeeman背景校正是根据磁场将（简并的）谱线分裂成具有不同偏振特性的成份，即平行于磁场的线和垂直于磁场的线，由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收。
b）分类：
光源调制：
磁场加在光源上。
此类调制较少使用。
吸收线调制：
磁场加在原子化器上。
又分为恒定磁场的可变磁场两种。
●恒定磁场下的吸收线调制：
●可变磁场下的吸收线调制：
可从上图获得说明。
特点：
背景校正波长范围宽（190-900nm）；背景校正准确；仪器价格高；与常规AAS相比，灵敏度较低。
第五节分析方法
一、测量条件选择
1、分析线：
通常选共振线，但不是绝对的。
Hg185nm比Hg254nm灵敏50倍。
但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生吸收；
共振线Ni232nm附近231.98nm、232.12nm的原子线和231.6nm的离子线，不能将其分开，可选取341.48nm作分析线。
此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向试样中引入杂质，可选取次灵敏线！
2、Slit宽度：
调节Slit宽度，可改变光谱带宽（=SD），也可改变落在检测器上的光强。
通常在通带在4—40
的狭缝范围内,对谱线复杂的元素如Fe,Co,Ni，需在通带相当于1
或更小的狭缝宽度下测定。
3、灯电流：
4、原子化条件
1）Flame:
火焰类型；燃助比；燃烧器高度；
2）GraphiteFurnace:
升温程序（干燥、灰化、原子化、净化）
二、测量方法
一）标准曲线法
1、讨论高浓度时，标准曲线向浓度轴弯曲的原因！
2、标液配制注意事项：
合适的浓度范围；扣除空白；测标样和试样的条件相同；每次测定重配标准系列。
二）标准加入法：
主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的基体效应
注意事项：
1、须线性良好；
2、至少四个点；
3、只消除基体效应，不消除分子和背景吸收；
4、斜率小时误差大。
三）内标法
优点：
消除气体流量、进样量、火焰湿度、样品雾化率、溶液粘度以及表面张力等的影响，适于双波道和多波道的AAS。
三、分析方法评价
一）灵敏度
IUPAC规定：
分析标准函数的一次导数，即标准曲线的斜率。
1、特征浓度（1%吸收灵敏度）：
产生1%吸收（A=0.00434）信号所对应的元素浓度。
2、特征质量（对GFAAS）：
二、检测限（DL）
IUPAC规定：
可测量到的最小信号xmin以下式确定：
K=2，置信度为98.5%；K=3，置信度为99.7%
可以看出，检出限不仅与灵敏度有关，而且还考虑到仪器噪声！
因而DL比S具有更明确的意义，更能反映仪器的性能。
只有同时具有高灵敏度和高稳定性时，才有低的检出限。
原子荧光光谱（AtomicFluorescenceSpectrometry,AFS）
一、定义：
通过测定原子在辐射能作用下发射的荧光强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法，因所用仪器与AAS仪器相近，因而将其放在AAS一章中阐述。
二、特点：
1）检出限较低，灵敏度高。
采用高强度光源可进一步降低检出限；
2）谱线干扰少；可以做成非色散AFS；
3）校正曲线范围宽（3-5个数量级）；
4）易制成多道仪器---多元素同时测定；
5）荧光猝灭效应可使测定灵敏度降低；
6）散射光干扰。
三、原理
1、原子荧光的产生
气态原子吸收光源的特征辐射后，原子外层电子跃迁到激发态，然后返回到基态或较低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射即为原子荧光，是光致二次发光。
本质上仍是发射光谱。
3、原子荧光类型：
可分为共振荧光、非共振荧光（直跃、阶跃荧光）、敏化及多光子激发荧光，如图：
原子荧光产生过程：
a,b---共振荧光；c—f,直跃荧光；g—l,阶跃荧光；m，敏化荧光；n,多光子激发荧光。
其中共振荧光最强，应用最多。
3、定量原理：
在无自吸时，基态原子吸收的辐射强度为：
由于吸收线强度并不全部转化为发射线的荧光强度，即存在所谓的量子效率，即
通过变换可得：
这就是原子荧光定量原理。
四、仪器组成
如图所示：
1、光源：
可用锐线光源（HCL、高强度HCL及无极放电灯）或连续光源（氙弧灯）；激光和ICP是最好的光源；
2、原子化器：
与AAS同
3、分光系统：
色散型荧光仪用光栅；非色散型用滤光器；
4、检测器：
色散型荧光仪用光电倍增管；非色散型用日盲光电管（Solarblindphotomultiplier）（Cs-Te材料；160—320nm）
***检测器位置与主光轴成900C-----------防止激发光源对原子荧光信号测定的影响。
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