仪器分析 第五章 原子吸收与原子荧光光谱法

仪器分析第五章原子吸收与原子荧光光谱法知识总结，包括原子吸收光谱法的基本原理、原子吸收光谱仪器、原子吸收光谱法的干扰及抑制等内容。

第五章 原子吸收与原子荧光光谱法

• 原子吸收光谱法的基本原理
  • 原子吸收光谱法也称原子吸收分光光度法，它是根据物质的基态原子蒸气对特征辐射的吸收作用来进行元素定量分析的方法。
  • 原子吸收光谱的产生
    • 当基态原子吸收了一定辐射能后，基态原子被激发跃迁到不同的较高能态，产生原子吸收光谱。
    • 共振线
      • 吸收的辐射能使基态原子跃迁到能量最低的激发态时，产生的吸收谱线称为共振吸收线，简称共振线。
      • 共振吸收线是元素的特征谱线，在原子吸收光谱分析中， 常用元素最灵敏的第一共振吸收线作为分析线。
      • 原子吸收光谱分析法是基于元素的基态原子蒸气对同种元素的原子特征谱线的共振吸收作用进行定量分析的方法。
  • 基态原子数与原子化温度的关系
    • Boltzmann分布定律
      • • gi和g0分别为激发态和基态的统计权重； 激发态原子数Ni与基态原子数N0之比小于1%，可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。
      • • 温度愈高，Ni /N0愈大，且按指数关系变大；激发能愈小，吸收波长愈长，Ni /N0也愈大。
        • 在原子吸收光谱中，原子化温度一般小于3000K，大多数元素的最强共振线都低于600 nm，Ni/N0值绝大部分在10-3以下，激发态和基态原子数之比小于千分之一，激发态原子数可以忽略。
        • 在通常的原子吸收测定条件下，原子蒸气中基态原子数近似等于总原子数。
  • 原子吸收谱线的轮廓与变宽
    • 吸收定律
      • 一束强度为I0的平行光通过吸收厚度为b的基态原子蒸气时，入射光的强度因基态原子吸收而减弱，被透过光的强度Iv服从吸收定律
      • 式中Kv是基态原子对频率为v的光的吸收系数。
    • 吸收谱线的轮廓
      • 截屏2020-12-24 上午12.10.31
      • 中心频率对应的吸收系数K0称为峰值吸收系数
      • 原子吸收谱线的宽度约为10-3～10-2nm。
    • 谱线宽度及变宽
      • 自然宽度
        • 在无外界条件影响时，谱线仍有一定的固有宽度称为自然宽度，以ΔVN表示。它与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命越长，谱线宽度越窄。不同谱线有不同的自然宽度，多数情况下约为10-6～10-5nm。
      • Doppler多普勒变度
        • 由原子在空间作相对热运动引起的谱线变宽，又称热变宽，以ΔVD表示。谱线的Doppler变宽宽度由下式决定：
        • 式中T是热力学温度，是相对原子质量。温度升高，原子的相对热运动加剧，热变宽增大。通常ΔVD为10-4～10-3nm，这是谱线变宽的主要因素。
      • 碰撞变宽
        • 由于辐射原子与其它粒子（分子、原子、离子和电子等）间的相互作用而产生的谱线变宽，通常随压力增大而增大，又称压力变宽。
  • 原子吸收光谱的测量
    • 积分吸收测量法
      • 钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2nm；而原子吸收线半宽度为10-3nm。
      • 若用一般光源照射时，吸收光的强度变化仅为0.5%，灵敏度极差。理论上：
      • 式中e为电子电荷，m为电子质量，N0为单位体积内的原子数，f为振子强度。
      • 如果将公式左边求出，即谱线下所围面积测量出（积分吸收），即可得到单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数N0。 这是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。
    • 峰值吸收测量法
      • 以峰值吸收测量代替积分吸收测量的必要条件
        • ①锐线光源辐射的发射线与原子吸收线的中心频率V0完全一致； ②锐线光源发射线的半宽度比吸收线的半宽度更窄，一般为吸收线半宽度的1/10～1/5，这样峰值吸收与积分吸收非常接近。
• 原子吸收光谱仪器
  • 原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计。仪器主要由锐线光源、原子化系统、分光系统、检测系统和电源同步调制系统五部分组成。
  • 锐线光源
    • 提供待测元素的特征光谱，获得较高的灵敏度和准确度
    • 光源应满足如下要求
      • ①能发射待测元素的共振线； ②能发射锐线； ③辐射光强度大，稳定性好。
    • 空心阴极灯
      • 构造
      • 原理
        • 1）施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极; 2）与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击;3）使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是阴极发射出元素特征光谱。
      • 供电方式
        • 1）原子发射光谱仪的原子器中存在被测元素的原子受激产生的共振辐射和分子、自由基的带状辐射，即背景发射。空心阴极灯早期采用直流供电，不能消除这种背景发射产生的直流电信号的干扰。 2）现在采用调制光源，即将光源与检波放大器电源进行同步调制，一方面可以把直流信号滤去，另一方面方波脉冲供电以很小的平均灯电流，就能获得很高强度的锐线辐射，改善了放电特性，提高了信噪比，延长了灯的使用寿命。
      • 空心阴极灯是性能优良的锐线光源
        • 1）由于元素可以在阴极中多次溅射和被激发，气态原子平均停留时间较长，激发效率较高，因而发射的谱线强度较大； 2）由于采用的工作电流一般只有几毫安或几十毫安，灯内温度较低，因此热变宽很小； 3）由于灯内充气压力很低，激发原子与不同气体原子碰撞而引起的压力变宽可忽略不计； 4）由于阴极附近的蒸气相金属原子密度较小，同种原子碰撞而引起的共振变宽也很小； 5）蒸气相原子密度低、温度低、自吸变宽几乎不存在。
      • 特点
        • （1）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。 （2）每测一种元素需更换相应的灯。
  • 原子化系统
    • 原子化器的功能：提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。 入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。
    • 常见的原子化方法
      • 火焰原子化法
        • 火焰原子化器的构造：雾化器，雾化室，燃烧器
        • 火焰
          • 火焰的种类和性质
            • 燃气和助燃气在雾化室中预混合后，在燃烧器点燃形成火焰。 最常用的是乙炔-空气火焰(2600K)，乙炔-氧化亚氮火焰(3200K)。 燃气和助燃气种类不同，火焰的最高温度也不同； 火焰原子化的能力不仅取决于火焰温度，还与火焰的氧化还原性有关。
      • 非火焰原子化法
        • 原子化过程分为干燥、灰化、原子化、除残四个阶段，待测元素在高温下生成基态原子。
        • (1)干燥：脱溶剂，避免在灰化、原子化时试样飞溅；温度通常控制在稍高于溶剂的沸点，如水溶液的干燥温度为105～110°C，干燥时间为10～20s。
        • (2)灰化：除去易挥发的基体和有机物，以减少分子吸收。灰化温度和时间一般要通过实验选择，通常温度为500～800°C，时间为10～20s。
        • (3)原子化：一般温度为1800～3000°C，时间为3～8s。
        • (4)除残：在高温下除去留在石墨管中的基体残留物、消除记忆效应，为下一次实验测定做准备；除残温度应高于原子化温度，即在2500～3200°C，时间为3～5s。
      • 低温原子化法
        • 汞低温原子化法
        • 氢化物原子化法
  • 分光系统
    • 外光路
      • 外光路也称照明系统。它是由锐线光源和两个透镜组成。 它的作用是使锐线光源辐射的共振发射线能正确地通过或聚焦于原子化区，并把透过光聚焦于单色器的入射狭缝。
    • 单色器
      • 1）单色器也称内光路，包括入射狭缝、光栅、凹面反射镜和出射狭缝。 2）单色器的作用是将待测元素的吸收线与邻近谱线分开。 3）光谱通带W=D·S（W：光谱通带nm；D：倒线色散率nm·mm-1；S：出射狭缝宽度mm）4）原子吸收分光光度计的倒线色散率固定，增大光谱通带即增大狭缝宽度，出射光的强度增大，信噪比增大，灵敏度提高，分辨率降低。因此，需要根据共振线的谱线强度和仪器的分辨率要求，选择适当的光谱通带。
  • 检测系统
    • 检测系统主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。
    • 1、检测器：将单色器分出的光信号转变成电信号，如光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。2、放大器：将光电倍增管输出的较弱信号，经电子线路进一步放大。 3、对数变换器：光强度与吸光度之间的转换。 4、显示、记录：原子吸收计算机工作站。
  • 原子吸收分光光度计的类型
    • 原子吸收分光光度计： 1）按光数分类，有单光束和双光束分光光度计； 2）按波道数分类，有单道、双道和多道分光光度计。
• 原子吸收光谱法的干扰及抑制
  • 物理干扰及抑制
    • 物理干扰是指试液与标准溶液物理性质有差异，引起进样速度、进样量、雾化效率、原子化效率的变化所产生的干扰。属于这类干扰的因素有：溶液的黏度、表面张力、密度、溶剂的蒸气压和雾化气体的压力等。
    • 这类干扰是非选择性干扰，对试样中各元素的影响基本相同。
    • 消除和抑制物理干扰通常采用如下方法： (1)配制与被测试样组成相近的标准溶液，并在相同条件下进行测定。如果试样组成不详，采用标准加入法可以消除物理干扰。 (2)尽可能避免用黏度大的硫酸、磷酸来处理试样；当试样浓度较高时，适当稀释试液也可以抑制物理干扰。
  • 化学干扰及抑制
    • 化学干扰是由于待测元素与共存组分发生了化学反应，生成了难挥发或难解离的化合物，使基态原子数目减少所产生的干扰。它是原子吸收光谱分析中的主要干扰。
    • 化学干扰具有选择性，它对试样中各种元素的影响不相同。 它主要是由被测定元素和共存元素的性质决定，还与火焰的类型和性质等有关系。
    • 化学干扰的机理很复杂，消除或抑制其应该根据具体情况采取不同的措施
      • 提高火焰温度
      • 加入释放剂
      • 加入保护剂
      • 加入基体改进剂
      • 化学分离法
  • 电离干扰及抑制
    • 某些易电离元素在火焰中产生电离，使基态原子数减少，降低了元素测定的灵敏度，这种干扰称为电离干扰。
    • 碱金属、碱土金属的电离能低于6eV，电离干扰尤为显著。火焰温度越高，干扰越严重。 采用低温火焰或在试液中加入过量的更容易电离的元素化合物（消电离剂），能够有效地抑制待测元素的电离。
  • 光谱干扰及抑制
    • 谱线干扰
      • 谱线干扰是指单色器光谱通带内除了元素吸收分析线外，还进入了发射线的邻近线或其他吸收线，使分析方法的灵敏度和准确度下降。
      • 谱线干扰的抑制 通常是减小单色器的光谱通带宽度即减小狭缝宽度，提高仪器的分辨率，使元素的共振吸收线与干扰谱线分开。 还可采用其他方法，如降低灯电流，选择无干扰的其他吸收线，选用高纯度单元素的空心阴极灯，分离共存的干扰元素等。
    • 背景干扰
      • 背景干扰主要是指原子化过程中所产生的光谱干扰，主要有分子吸收干扰和固体微粒产生的散射干扰。
      • 分子吸收：原子化过程中，存在或生成的分子对特征辐射产生的吸收。分子光谱是带状光谱，势必在一定波长范围内产生干扰。例如，碱金属卤化物在紫外区有吸收；不同的无机酸会产生不同的影响，在波长小于250nm时，H2SO4和H3PO4有很强的吸收带，而HNO3和HCl的吸收很小，因此，原子吸收光谱分析中多用HNO3和HCl配制溶液。 光散射：原子化过程中，存在或生成的微粒使光产生的散射现象，造成透过光减小，吸收值增加。
      • 背景干扰的抑制和校正
        • 抑制
          • 1）火焰原子化法：改变火焰类型、助燃比和调节火焰观测区高度。 2）石墨炉原子化法：选用适当基体改进剂，采用选择性挥发来抑制分子吸收的干扰。 3）利用空白试样进行背景扣除。
        • 校正
          • 氘灯背景校正
            • 旋转斩光器交替使氘灯提供的连续光谱和空心阴极灯提供的光束通过火焰
            • 1 连续光谱通过时，测定的背景吸收(此时待测元素的共振线吸收相对于总吸收可忽略)； 2 共振线通过时，测定的总吸收（原子吸收和背景吸收）； 3 差值为有效吸收（原子吸收）
          • Zeeman效应背景校正
            • Zeeman效应： 光源发射的谱线在强磁场作用下，因原子中能级发生分裂而引起的谱线分裂的磁光效应简并的谱线发生裂分的现象。
            • 校正原理： 原子化器加磁场后，随旋转偏振器的转动，当平行磁场的偏振光通过火焰时，产生总吸收； 当垂直磁场的偏振光通过火焰时，只产生背景吸收。
            • 1 恒定磁场调制方式：磁场恒定，旋转偏振器。 2 可变磁场调制方式：偏振器固定，调节磁场。
• 原子吸收光谱定量分析
  • 定量分析方法
    • 标准曲线法
    • 标准加入法
  • 灵敏度和检出限
    • 灵敏度
      • 特征浓度
      • 特征质量
    • 检出限
      • 检出限是指仪器以适当的置信度检出元素的最低浓度或最低质量。
  • 测定条件的选择
    • 分析线的选择
      • 一般选待测元素的第一共振线作为分析线；测量高浓度时，常选次灵敏线作为分析线。
    • 单色器光谱通带的选择（调节狭缝宽度）
      • 1）无邻近干扰线（如测碱及碱土金属）时，选较大的通带，以提高信噪比和测量精密度，降低检出限。 2）邻近干扰线（如测过渡及稀土金属），宜选较小通带，以提高仪器的分辨率，改善线性范围，提高灵敏度。
    • 空心阴极灯电流
      • 在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。
      • 1）灯电流过小，光强不足，信噪比下降，测定的精密度差。 2）灯电流过大，发射线变宽，灵敏度下降，阴极溅射加剧。
    • 原子化条件的选择
      • 1）火焰原子化法：喷雾器状态、火焰类型、燃烧器高度。 2）石墨炉原子化法：四个不同阶段的温度及持续时间。
• 原子荧光光谱法
  • 优点
    • 1）灵敏度高、检出限低。例如锌、镉元素的检出限分别可达0.04、0.01ng·mL-1。 2）线性范围宽。低浓度范围内，标准曲线的线性范围可达3～5个数量级。 3）谱线比较简单。可采用无色散的原子荧光仪器，结构简单，价格便宜。 4）多元素同时检测。
  • 原子荧光光谱法的基本原理
    • 原子荧光的产生
      • 当气态原子受到特征辐射时，原子的外层电子由基态跃迁到激发态，约在10-8s后，再由激发态跃迁回到低能态或基态，辐射出与吸收光波长相同或不同的荧光。
      • •属光致发光，二次发光； •激发光源停止后，荧光立即消失； •发射的荧光强度与照射的光强有关； •不同元素的荧光波长不同； •浓度很低时，强度与蒸气中该元素的密度成正比，定量依据(适用于微量或痕量分析)。
    • 原子荧光的类型
      • 共振原子荧光
        • 气态基态原子吸收的辐射和发射的荧光波长相同时，即产生共振原子荧光。 跃迁概率大，谱线强度大，原子荧光分析中最常用的一种荧光。
      • 非共振原子荧光
        • 气态基态原子吸收的辐射和发射的荧光波长不相同时，即产生非共振原子荧光。 非共振原子荧光包括直跃线荧光、阶跃线荧光及反斯托克斯荧光。 (1)直跃线荧光：气态基态原子吸收辐射被激发至高能态，再由高能态直接跃迁至高于基态的较低能级态时所发射的荧光。产生的荧光波长大于吸收的辐射波长。 (2)阶跃线荧光：气态基态原子吸收辐射被激发至高能态，与其他粒子发生碰撞作用，以无辐射去激发跃迁至较低能态，再辐射跃迁至基态时所发射的荧光。产生的荧光波长大于所吸收的辐射波长。 (3)反斯托克斯荧光：气态基态原子先热激发再光照激发(或反之)，然后发射荧光跃迁至低能级时所发射的荧光。产生的荧光波长小于所吸收的辐射波长。由于原子激发时吸收了一部分热能，也称为热助反斯托克斯荧光。
      • 敏化荧光
        • 受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递另一个原子使其激发，后者发射荧光。
    • 原子荧光强度
    • 荧光量子效率与荧光猝灭
      • 受激发的原子可能发射荧光，也可能无辐射跃迁至低能级，所以荧光量子效率一般都小于1。
      • 荧光猝灭
        • 受激发原子与其他粒子碰撞，能量以热或其他非荧光发射方式给出，产生非荧光去激发过程，使荧光减弱或完全不发生的现象，称为荧光猝灭。
  • 原子荧光光谱仪器
    • 原子荧光光度计与原子吸收光度计在很多组件上是相同的
      • •原子化器（火焰和石墨炉） •检测器为光电倍增管等
    • 原子荧光光度计与原子吸收光度计的主要区别
      • 1、光源:可用锐线光源或连续光源；要求发射强度高、稳定性高。 2、光路:原子荧光中，为了检测荧光信号，避免透射光的干扰，要求光源、原子化器和检测器三者处于直角状态；原子吸收光度计中，这三者是处于一条直线上。
  • 定量分析方法及应用
    • 定量分析方法
      • 根据定量关系式If=K·c，作If-c标准曲线，或标准加入法。
    • 原子荧光测定中的干扰
      • 荧光猝灭 自吸干扰 光散射干扰
    • 应用
      • •原子荧光光谱法作为一种新的痕量分析方法，已广泛应用于冶金、地质、石化、环保、农业、医学等各个领域。 •随着激光光源的发展，各种激光光源应用于原子荧光光谱分析中，进一步提高了原子荧光分析法的灵敏度，降低了元素的检出限。