原子吸收分光光度计基本理论知识.doc

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10-9 g/mL数量级。用石墨炉原子吸收分光光度法可测到10-13 g/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= -lg I/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。
半宽度∆v

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
6.2.1 Doppler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。
6.2.2 Lorentz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。
6.2.3 Holtzmark变宽（赫尔兹马克变宽）
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±0.02nm
10.5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=S/A×100%
RSD:精密度（相对标准偏差）；S：测量的标准偏差（与噪声有关）；A：测定的平均吸光度。
规定：火焰法Cu的精密度为1%；石墨炉法：Cu的精密度为4%；Cd的精密度为5%。
11 测定条件筛选
11.1 分析线的选择
通常选择元素的共振线作为分析线，使测定有较高的灵敏度，但为了消除干扰，可选择灵敏度较低的谱线，例如：测定Pb时，为了避短波区分子吸收的影响，不用217.0nm的共振线，而选择283.3nm的次灵敏线，分析高浓度样品时，也采用灵敏度较低的谱线，以便得到适中的吸光度。
11.2 空心阴极灯的工作电流的选择
灯电流不能超过允许的最大工作电流值。灯的电流过大，易产生自吸（蚀）作用，多谱勒效应增强，谱线变宽，测定灵敏度降低，工作曲线弯曲，灯的寿命减小。灯的电流值过低，发射强度减弱，发光不稳定，信噪比下降。选择方法：在保证稳定和适当光强输出情况下，尽可能选用较低的灯电流。 
11.3 燃烧器高度的选择
被测元素基态原子的浓度随火焰高度不同分布是不均匀的，因为高度不同火焰温度和还原气氛不同，基态原子的浓度也不同。通过调节高度使入射光束从基态原子密度最大的区域通过，可获得较高的灵敏度。
11.4.光谱通带的选择
 光谱通带的选择通过对单色器狭缝宽度进行调节来实现，选择的原则：以排除光谱干扰和具有足够大的透光强度。方法是调节不同的狭缝宽度后测定吸光度的变化，当有干扰线进入光谱通带内时，吸光度值立即减小，合适的狭缝宽度应为不引起吸光度减小的最大狭缝宽度。
12 原子吸收的干扰及消除方法
12.1光谱干扰
12.1.1 产生
1.元素分析线附近有单色器不能分离的非待测元素的邻近线。
2.试样中含有能部分吸收待测元素共振线的元素，使结果偏高。
12.1.2 消除
减小狭缝宽度、选用高纯度的单元素灯等方法。
12.2 物理干扰（基体效应）
12.2.1 产生
试液与标准溶液物理性质的差异而产生的干扰（结果偏低）。
12.2.2 特点
非选择性，对试样中各种元素的影响基本相同。
12.2.3 消除
1.配制与待测试样具有相似组成的标准溶液。
2.采用标准加入法。
12.3 化学干扰
12.3.1 产生
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。
12.3.2 特点
原子吸收分析的主要干扰来源，具有选择性。
12.3.3 消除
1.加入释放剂，与干扰组分形成更稳定的或更难挥发的化合物，使待测元素释放出来；
2.加入保护剂，能与被测元素或干扰元素形成稳定的络合物，避免测定元素与干扰元素生成难挥发的化合物；
3.加入缓冲剂，在试样与标准溶液中均加入超过缓冲量（即干扰不再变化的最低限量）的干扰元素；
4.还有提高火焰温度、加入基体改进剂、采用化学分离法、标准加入法等方法抑制化学干扰。
12.4 背景干扰
12.4.1 产生
背景干扰是指原子化过程中分子吸收和光散射产生的光谱干扰。原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光发生散射，造成透射光减弱，吸收值增加，结果偏高。
12.4.2 矫正方法
1.连续光源校正背景法，旋转斩光器交替使连续光源（氘灯）和共振线通过火焰进入检测器。当共振线通过火焰时：吸光度是基态原子和背景吸收的总吸光度。当氘灯通过火焰时：吸光度是背景吸收（基态原子吸收忽略不计）。两次测定差值是待测元素的真实吸光度。
2.塞曼( Zeeman)效应校正背景法，利用光的偏振特性，校正波长范围宽（190~900nm）、准确度高。
12.5 电离干扰
12.5.1产生
在高温下易电离元素在火焰中电离，使基态原子数减少，吸光度下降。
12.5.2 消除
加入消电离剂(比被测元素电离电位低的元素)。
13 定量分析方法及方法评价
定量方法有标准曲线法、标准加入法和内标法等，通常采用采用标准曲线法。
13.1 标准曲线法
标准曲线法是最常用的定量方法，具体做法是将贮备标准液稀释为所需要的标准系列，用零浓度调仪器零点后，依次由低到高浓度测量标准液的吸光度(或峰高、面积)，同时测定样品和样品空白的吸光度(或峰高、面积)，然后以标准液浓度为横坐标，对应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线（如下图）。

优点：绘制好标准工作曲线后测定工作就变得相当简单，可直接从标准工作曲线上读出含量，因此特别适合于大量样品的分析。
缺点：每次样品分析的条件很难完全相同，因此容易出现较大误差。
此外，标准工作曲线绘制时，一般使用欲测组分的标准样品(或已知准确含量的样品)，而实际样品的组成却千差万别，因此必将给测量带来一定困扰。因此，它一般适用于已知样品的基本成分和标准液的基本成分相接近的样品。
13.2 标准加入法

标准加入法是分别在数份相同体积样品液中加入不等量的标准液，一定要有一份相同体积样品液中加入的标准液为零，按照上面绘制标准曲线的步骤测量吸光度(或峰高、面积)，在坐标纸上以加入的标准液浓度为横坐标，对应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，用外推法(延长标准曲线和横坐标相交的数的绝对值)就可得到样品液浓度（如上图）。
标准加入法是把样品和标准混在一起同时测定的，一般适用于组份较复杂的未知样品，能消除一些基本成份对测定的干扰，但是每次只能测定一个样品，测定速度慢，只适合数量少的时候用。
使用标准加入法应注意以下几点：
1）待测元素浓度与对应的吸光度呈线性关系。
2）为了得到准确的分析结果，最少应采用4个点来做外推曲线。
3）该法可消除基体效应带来的影响，但不能消除背景吸收。
4）加入标准溶液的浓度应适当，曲线斜率太大或太小都会引起较大误差。
13.3 内标法
选择适宜的物质作为欲测组分的参比物，定量加到样品中去，依据欲测组分和参比物在检测器上的响应值（峰面积或峰高）之比和参比物加入的量进行定量分析的方法称为内标法。
内标法的关键是选择合适的内标物。内标物应是原样品中不存在的纯物质，该物质的性质应尽可能与欲测组分相近，不与被测样品起化学反应，同时要能完全溶于被测样品中。内标物的峰应尽可能接近欲测组分的峰，或位于几个欲测组分的峰中间，但必须与样品中的所有峰不重叠，既完全分开。适于分析样品量较少的情况。
优点：进样量的变化，色谱条件的微小变化对内标法定量结果的影响不大，特别是在样品前处理（如浓缩、萃取，衍生化等）前加入内标物，然后再进行前处理时，可部分补偿欲测组分在样品前处理时的损失。若要获得很高精度的结果时，可以加入数种内标物，以提高定量分析的精度。
缺点：选择合适的内标物比较困难，内标物的称量要准确，操作较麻烦。使用内标法定量时要测量欲测组分和内标物的两个峰的峰面积（或峰高），根据误差叠加原理，内标法定量的误差中，由于峰面积测量引起的误差是标准曲线法定量的√2倍。但是由于进样量的变化和色谱条件变化引起的误差，内标法比标准曲线法要小很多，所以总的来说，内标法定量比标准曲线法定量的准确度和精密度都要好。
13.4 外标法
与内标法相比，外标法不是把标准物质加入到被测样品中，而是在与被测样品相同的色谱条件下单独测定，把得到的色谱峰面积与被测组分的色谱峰面积进行比较求得被测组分的含量。外标物与被测组分同为一种物质但要求它有一定的纯度，分析时外标物的浓度应与被测物浓度相接近，以利于定量分析的准确性。
外标法的精确度在很大程度上取决于操作条件的控制。外标要求仪器重复性很严格，适于大量的分析样品，因为仪器随着使用会有所变化，因此需要定期进行曲线校正。此法的特点是操作简单，计算方便，不需测量校正因子，适于自动分析。但仪器的重现性和操作条件的稳定性必须保证，否则会影响实验结果。
内标法和外标法在原子吸收光谱检测过程中较少应用，一般在高效液相色谱检测过程中采用。