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原子吸收分光光度计基本原理知识培训1原子吸收分光光度计的特点1.1选择性好，干扰少；1.2灵敏度高；用火焰原子吸收分光光度法可测到10-9g/mL数量级。用石墨炉原子吸收分光光度法可测到10-13g/mL数量级。1.3测定的范围广；可测70多种元素。1.4操作简便，分析速度快；1.5用途广泛。2测定原理原子吸收分光光度法的测量对象是呈原子状态的金属元素和部分非金属元素，系由待测元素灯发出的特征谱线通过供试品经原子化产生的原子蒸汽时，通过测定辐射光强度检测的程度，求出供试品中待测元素的含量。单色光辐射穿过被测物质溶液时，在一定浓度范围内，其吸收强度与试液中被测元素的含量成正比。其定量关系可用郎伯-比耳定律表示A=-lgI/I0=-lgT=KCL式中A为吸光度；I为透射光强度；I0为发射光强度；T为透射比；L为光通过原子化器光程(长度)，每台仪器的L值是固定的；C是被测样品浓度；所以A=KC。3电子跃迁原子吸收分光光度法主要是通过测定元素受光辐射产生电子跃迁过程中的能量损失大小来计算出待测元素含量的一种分析方法。3.1概念电子跃迁本质上是组成物质的粒子（原子、离子或分子）中电子的一种能量变化。根据能量守恒原理，粒子的外层电子从低能级转移到高能级的过程中会吸收能量；从高能级转移到低能级则会释放能量(如下图1)。能量为两个轨道能量之差的绝对值。图1原子能量的吸收和发射3.2电子跃迁的分类电子跃迁过程中吸收、释放能量的形式是多样的。与辐射无关的称为无辐射跃迁，与辐射（光）相关的称为辐射跃迁。3.2.1无辐射跃迁参与无辐射跃迁的能量有多种形式，有热能、电能等等。最常见的形式是热能。如电子从高能级向低能级跃迁时，即有可能释放出热量。3.2.2辐射跃迁辐射跃迁分为受激吸收、自发辐射和受激辐射三类。1.受激吸收：辐射（光）入射入物质，电子吸收光子能量，从低能级转移到高能级称为受激吸收。2.自发辐射：在没有外界辐射（光）激励的情况下，电子从高能级转移到低能级并释放出光子，称为自发辐射。3.受激辐射：在有外界辐射（光）激励的情况下，电子从高能级转移到低能级并释放出光子，称为受激辐射。原子吸收分光光度计测量中主要产生的是辐射跃迁中的受激吸收跃迁。4共振线原子受到外界能量激发时，其外层电子从基态跃迁到激发态所产生的吸收线称为共振吸收线，简称共振线。外层电子由激发态直接跃迁到基态时所辐射的谱线称为共振发射线，也简称为共振线。由最低激发态跃迁到基态所发射的谱线，称为第一共振线。第一共振线的激发能最低，原子最容易激发到这一能级。因此，第一共振线辐射最强，最易激发。上述为共振线的广泛定义。从狭义上讲，所谓共振线实际上仅指第一共振线。由于原子的能态从基态到最低激发态的跃迁最容易发生，因此对大多数元素来说，共振线也是元素的最灵敏线。原子吸收光谱分析法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，因此元素的共振线又称分析线。5光谱通带又称单色仪的光谱通带或带宽。指单色仪出射狭缝的辐射波长区间宽度。如出射狭缝为S(mm)，单色仪的倒线色散率为D(nm/mm)，则光谱通带Δλ=D×S(nm)。6原子谱线及其引起谱线变宽的因素6.1相关概念原子谱线是指原子内部电子跃迁形成的谱线（如图2）。没有外界因素的影响时，原子谱线的宽度称为自然宽度。图2原子吸收谱线自然宽度由激发态原子的有限寿命（s）来决定。寿命越长，宽度越小。根据Heisenberg测不准原理，由于有些跃迁能级的寿命很短，导致跃迁时间测不准而造成谱线变宽。6.2影响谱线半峰宽变宽的因素6.2.1Doppler变宽（多普勒变宽）这是由原子在空间作无规则热运动所引致的，故又称热变宽。6.2.2Lorentz变宽（洛伦兹变宽）亦称“压力变宽”，处于激发态的原子与其他气体原子、分子或者说离子相碰撞而引起发射线或吸收的谱线变宽、位移、变形的现象。原子核蒸气压力愈大，谱线愈宽。6.2.3Holtzmark变宽（赫尔兹马克变宽）半宽度∆v激发态原子与同类原子发生非弹性碰撞所引起的变宽，随原子蒸汽浓度增加而增加，又称共振变宽。6.2.4自吸变宽由光源辐射共振线通过周围较冷的同类原子时被部分吸收，使光强减弱，这种现象叫做谱线自吸收，自吸收所引起谱线轮廓的变宽称为自吸变宽。例如光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。7原子吸收分光光度计的类型7.1单道单光束原子吸收分光光度计结构简单、价廉；但易受光源强度变化影响，灯预热时间长，分析速度慢。7.2单道双光束原子分光光度计一束光通过火焰，一束光不通过火焰，直接经单色器此类仪器可消除光源强度变化及检测器灵敏度变动影响。7.3双波道或多波道原子分光光度计使用两种或多种空心阴极灯，使光辐射同时通过原子蒸气而被吸收，然后再分别引到不同分光和检测系统，测定各元素的吸光度值。此类仪器准确度高，可采用内标法，并可同时测定两种以上元素。但装置复杂，仪器价格昂贵。8原子吸收分光光度计的构造图3原子吸收分光光度计的基本构成原子吸收分光光度计一般由以下几部分组成，即光源（单色锐线辐射源）、试样原子化器、单色仪、检测系统和数据处理系统，如图3。8.1光源光源的作用是发射被测元素的特征波长光。原子吸收所使用的光源必须满足的要求：1.锐线光源—能发射待测元素的共振线，辐射的共振线半宽度必须小于吸收线的半宽度。2.发射的光必须具有足够的共振辐射强度，以保证有足够的信噪比。3.稳定且背景小。常见锐线光源有空心阴极灯、无极放电灯和蒸气放电灯等，其中最常用空心阴极灯。8.1.1空心阴极灯工作机理图4空心阴极灯空心阴极灯(如图4)是一种辐射强度大，而且稳定度高的锐线光源。其放电机理是一种特殊的低压辉光放电。简单的讲就是在两电极之间施加200～500V的电压，使得阴极释放出的电子在电场作用下被加速向阳极运动，高速运动的电子与填充气体（Ne）原子发生激烈的碰撞，从而使填充气体发生电离，发出二次电离。填充气体阳离子在电场作用下加速轰击阴极表面而引起阴极溅射效应，溅射出阴极材料附着在阴极表面，进一步和阳离子和电子发生非弹性碰撞而被激发发光。8.2原子化器原子化器主要有火焰原子化器、石墨炉原子化器和氢化物原子化器。8.2.1火焰原子化器通过乙炔-空气火焰（乙炔-笑气）火焰提供足够的高温，达到样品原子化的目的。1.结构组成火焰原子化器是由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成（如图5）。雾化器作用是吸入试样溶液并雾化，使之形成为微米级的气溶胶。雾滴越细、越多，在火焰中生成的基态自由原子就越多，检出限越低。雾化室提供了样品与燃气与助燃气充分混合的空间，雾化室设有分散球（玻璃球），较大的雾滴碰到分散球后进一步细微化。最后只有那些直径很小，细而均匀的雾滴才能进入火焰中。图5火焰原子化器的基本结构图2.火焰类型按火焰燃气和助燃气比例的不同，可将火焰分为三类：化学计量（中性）火焰、富燃火焰和贫燃火焰。1.化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，适用于测定许多元素。2.富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。3.贫燃火焰：火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。火焰的组成关系到测定的灵敏度、稳定性和干扰等。常用的火焰有空气—乙炔、氧化亚氮—乙炔、空气—氢气等多种。8.2.2石墨炉原子化器通过控制在石墨管中通过电流的大小，产生足够的高温，达到样品原子化的目的。1.结构组成石墨原子化器一般由加热电源、石墨管、炉体三部分组成，如图6。原子化发生在一个圆筒状石墨管中，中央开一个小孔作为液体试样的注入口和保护气体的出气口。图6石墨炉原子化器图7石墨管2.工作步骤石墨炉原子化器主要有以下四个工作阶段：1.干燥：主要目的是除去溶剂和水分，原则上保证不外溅。温度应稍高于溶剂的沸点。2.灰化：通常在100~1800°C进行灰化，以除去易挥发的基体和有机物，减少分子吸收。温度选择原则上是可以尽可能除去易挥发的基体和有机物，尽量降低待测元素的损失，在满足以上两点的情况下温度尽量低，增加石墨管的寿命。3.原子化：灰化后再升温进行试样原子化，温度根据需要选定，最高可达3000°C，使待测元素短时间内达到足够的原子密度，注意温度不能过高，不能产生电离。4.除残：测定后将石墨炉高温空烧一段时间将前一实验余留的待测元素挥发掉，以减小该实验对下次实验的产生的记忆，这一过程称为高温除残。一般比原子化温度高100℃-200℃。石墨炉原子化器工作中是梯度升温的过程，温度变化如下图8所示。图8石墨炉原子化器工作升温过程图8.2.3氢化物原子化器有些元素（如As，Bi，Ge，Sn，Pb等）在酸性介质中与硼氢化钾、还原剂反应生成相应的氢化物气体，被载气（Ar）带入到加热的石英管中（1000度）进行原子化，从而进行吸收测量。（较少使用）特点：原子化温度低；灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；基体干扰和化学干扰小。8.2.4冷蒸汽发生原子化器主要应用于：各种试样中Hg元素的测量；汞在室温下，有一定的蒸气压，沸点为357°C。只要对试样进行化学预处理还原出汞原子，由载气（Ar或N2）将汞蒸气送入吸收池内测定。原理：将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后，用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量。特点：常温测量；灵敏度、准确度较高（可达10-8g汞）8.2.5火焰原子化和石墨炉原子化法比较火焰原子化法石墨炉原子化法精度精密度高精密度低灵敏度灵敏度低(ppm)原子化效率一般为10%灵敏度高(ppb)原子化效率可达90%干扰基体干扰小，化学干扰大基体干扰大,化学干扰小重现性重现性好重现性差速度快速速度慢装置装置简单装置复杂8.3单色器其功能是从光源发射的电磁辐射中分离出所需要的电磁辐射，仪器光路应能保证有良好的光谱分辨率和相当窄的光谱带（0.2nm）下正常工作的能力，波长范围一般为190.0~900.0nm。8.4检测系统由检测器、信号处理器和指示记录器组成，应具有较高的灵敏度和较好的稳定性，并能及时跟踪吸收信号的急速变化。9原子吸收光谱仪的应用领域10仪器性能指标10.1波长准确度是指波长的实际测定值与理论值的差。理论上190~600nm波长准确度不应超过±0.5nm，600~900nm波长准确度不应超过±1nm。10.2波长重复性是指多次波长测试数据的离散性，又称波长精密度。仪器波长重复性不应大于0.3nm。10.3稳定性原子吸收分光光度计的稳定性应该包括基线漂移和重复性两个方面。仪器的基线漂移是指随时间变化的、无规律的输出。仪器的重复性是指分析测试数据的离散性。基线漂移和重复性两者之和才是稳定性。基线漂移在30min内不应大于0.005Abs。10.4分辨率分辨率是表示光谱仪器能够分开谱面上两条临近谱线的本领，国际上明确规定用光谱带宽(nm)来表示分辨率。光谱带宽是指光谱仪器单色器出射狭缝谱面上每mm的光谱数，单位为nm，光谱带宽与光谱仪器的狭缝宽度成正比。一般0.2nm光谱带宽时测量谱线半宽度不应超过0.2nm±0.02nm10.5灵敏度灵敏度是在一定条件下，被测物质浓度或含量改变一个单位时所引起测量信号的变化程度。10.5.1火焰法在火焰原子化法中，用特征浓度ρc表征灵敏度。特征浓度：产生1%吸收或0.0044吸光度时所对应的被测元素的质量浓度。特征浓度越小，元素测定的灵敏度越高。规定：铜质量浓度2.0µg/ml标准溶液测量的吸光度不应小于0.2000Abs。10.5.2石墨炉法在石墨炉原子吸收法中，用特征质量mc表征灵敏度。特征质量：产生1%吸收或0.0044吸光度时所对应的被测元素的质量。特征质量越小，元素测定的灵敏度越高。规定：铜质量浓度20ng/ml，20µL进样量，标准溶液测量的吸光度不应小于0.08Abs。10.6检出限检出限是指被测元素产生的信号为标准偏差3倍时元素的质量浓度或质量。检出限与仪器的噪声有关，它决定仪器的最大检测能力，所以测定时要选择合适的信噪比。10.7精密度精密度是指分析测试结果数据的离散性或重复性，又叫重复性。RSD=