物理学第4章 原子吸收光谱法

这是一篇关于第4章 原子吸收光谱法的思维导图，主要包含原子吸收光谱仪、分析方法、干扰及其消除方法、概述、基本原理的等内容。

原子吸收光谱法

• 概述
  • 定义：根据待测元素所产生的气态基态原子对其特征谱线的吸收程度来进行定量分析的方法，又称原子吸收分光光度法。
  • 过程：1）试样在原子化器中被蒸发，解离为气态基态原子；2）用该元素的锐线光源发射出特征辐射照射基态原子；3）光源发出的部分特征辐射被蒸气中基态原子所吸收，记录吸光度，从而进行元素的定量分析。
  • 特点
    • 优点：1)灵敏度高，检出限低；2）精密度高，准确度高；3）选择性好；4）分析速度快，应用范围广，可测70多种元素；5）仪器相对低廉，操作简便
    • 缺点：1）不同元素不同光源，不便于定性和多元素测定；2）对有些元素，灵敏度偏低；3）有时存在背景吸收，需要校正
• 基本原理
  • 产生：原子中外层电子由基态跃迁到激发态，同时使入射辐射减弱，产生原子吸收光谱线。（原子吸收光谱是原子的特征谱线。一般主共振线是元素最灵敏的线。）
  • 基态原子数和激发态原子数的关系
  • 原子吸收谱线的轮廓
    • 谱线变宽的因素：
      • 自然宽度：无外界因素影响时，谱线固有的宽度叫自然宽度。（1.自然宽度与激发态原子的平均寿命有关，寿命越短，谱线宽度越大；2.自然宽度不是谱线变宽的主要原因）
      • 多普勒变宽：由于原子在空间做无规则热运动所导致的（是谱线变宽的主要原因）
      • 碰撞变宽: 由于吸收原子与蒸气中原子或分子相互碰撞而引起的谱线变宽。又称压力变宽。
        • 共振变宽：指和同种原子碰撞所引起的变宽。又称赫鲁兹马克变宽，不是原子吸收线变宽的主要原因。
        • 劳伦茨变宽：由被测元素与其他元素碰撞产生。（是原子吸收线变宽的主要原因)
      • 自吸变宽：由自吸现象而引起的谱线变宽
      • 场致变宽：主要指在磁场（塞曼变宽）或电场（斯塔克变宽）存在下，会使谱线变宽的现象。
  • 原子谱线吸收光谱的测量及其基本关系式
• 原子吸收光谱仪
  • 光源——发射待测元素吸收的特征谱线
    • 要求：1.能发射待测元素的共振线；2.能发射锐线光源；3.辐射光强度大；4.稳定性好；5.发射谱线的宽度小于吸收线的宽度
    • 空心阴极灯特点：1）强度大；2）半宽度小，发射待测元素的特征谱线较窄；3)产生压力变宽小；4）灯温度低，产生热变宽小
  • 原子化器——将试样中的待测元素转化为气态的基态原子
    • 要求：1）原子化效率要高；2）稳定性要好。雾化后的液滴要均匀、粒细；3）低的干扰水平。背景小，噪声低；4）安全，耐用
    • 火焰原子化器——由喷雾器，雾化室（预混合室），和燃烧器三部分组成
      • 喷雾器：将试样溶液雾化，供给细小的雾滴
      • 雾化室：1.使雾气与燃气，助燃剂充分混合均匀，形成气溶胶；2.使较大雾粒沉降，凝聚从废液口排出；3.“缓冲"稳定混合气气压，产生稳定火焰
      • 燃烧器：产生火焰，使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化（要求：火焰稳定，原子化效率高，吸收光程长，噪声小，背景低
      • 特点
        • 优点：结构简单，操作简便，应用较广；火焰稳定，重现性及精密度较好；基体效应及记忆效应较小
        • 缺点：雾化效率低；原子化效率低；不能直接分析固体试样
    • 非火焰原子化器--利用电加热，等离子体，激光等方法使试样原子化
      • 石墨炉原子化器——由加热电源，石墨管，炉体三部分组成
        • 操作程序——干燥，灰化，原子化，净化
          • 干燥——除去溶剂
          • 灰化——尽可能除去易挥发的基体和有机物
          • 原子化——使试样转变为基态原子蒸汽
          • 净化（高温除残）——在一个样品测定结束后，把温度提高，并保持一段时间，以除去石墨管中的残留物，净化石墨管，消除因样品残留所产生的记忆效应
        • 特点：
          • 优点：1.灵敏度高，检出限低；2.原子化温度高。原子化效率高；3.进样量少
          • 缺点：1）精密度较差。重现性，准确度不如火焰原子化器；2）基体效应，化学干扰较严重，有时记忆效应及背景较强；3）仪器装置较复杂，价格较昂贵
      • 低温原子化器
        • 氢化物原子化法——在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物
          • 特点：1.原子化温度低；2.灵敏度高；3.基体干扰和化学干扰小
        • 汞低温原子化法
          • 特点：1.常温测量，设备简单，操作简便；2.干扰小；3.灵敏度高
  • 单色器——将待测元素的共振线与邻近线分开
    • 组件——色散原件（光栅），凹凸镜，狭缝等
    • 分辨率：仪器分开两条谱线的能力
    • 线色散率——两条谱线之间的距离与波长差的比值
    • 光谱通带——单色器出射狭缝所包括的波长范围
  • 检测器——将单色器分出的光信号转变为电信号
• 干扰及其消除方法
  • 物理干扰——试样与标准溶液之间物理性质差别而产生的干扰
    • 消除方法
      • 控制试样与标准溶液组成尽量一致。试样组成不详时，采用标准加入法。
      • 试样浓度太高时，进行稀释
  • 化学干扰——待测元素与共存组分之间的化学反应所引起的干扰效应。主要影响到待测元素的原子化效率
    • 消除方法
      • 加入释放剂——释放剂与干扰物质生成更稳定或更难挥发的化合物，使待测元素释放出来，从而排除干扰
      • 加入保护剂——保护剂与待测元素形成更稳定或更易原子化的化合物，使待测元素不与干扰元素结合（通常是配位剂）
      • 加入缓冲剂
      • 提高原子化温度
      • 化学分离——将待测元素与干扰物质分离（溶剂萃取，离子交换和沉淀分离）
  • 电离干扰——高温条件下，原子发生电离成为离子，使基态原子数减少，灵敏度降低
    • 火焰温度越高，待测元素的电离能越低，电离程度越大，电离干扰越大。
    • 消除办法
      • 加入消电离剂（含比被测元素电离电位低的元素）
      • 采用低温火焰
  • 光谱干扰——由于仪器本身不能把所检测的分析元素的吸收辐射和其他辐射完全区分所引起的干扰
    • 谱线干扰——吸收线重叠和非吸收线的干扰
    • 背景干扰——分子吸收和光散射
  • 背景校正方法——连续光源法和塞曼效应法
• 分析方法
  • 测定条件的选择
    • 分析线——选待测元素的共振线作为分析线，测量高浓度时，也可选次灵敏线
    • 光谱通带——以排除光谱干扰和具有一定透光强度为原则
    • 灯电流——保证有稳定和足够的辐射光通量的情况下，尽量选较低的电流
    • 原子化条件
    • 进样量
  • 定量分析条件
    • 标准曲线法
      • 尽可能使各溶液吸光度在0.1-0.5之间
      • 标准溶液和样品溶液的组成尽可能一致
      • 需要使用与试样具有相同基体的空白溶液调零
      • 每次测定要检查或制作标准曲线
      • 测定过程中保持操作条件一致
    • 标准加入法
  • 灵敏度与检出限
    • 灵敏度——指一定浓度时，测定值（吸光度） 的增量与相应的待测元素浓度（或质量）的增量的比值
      • 特征浓度
      • 特征质量
    • 检出限——在适当置信度下，指产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号，所需要的该元素最小量或最小浓度