單元名稱5-1-3-1原子吸收光譜法基本原理與定量分析的方法授課班級授課時間2教學重點、難點解決方案重點：原子吸收光譜分析原理，光吸收定律，工作曲線法原理難點：影響原子吸收譜線輪廓的主要因素，工作曲線法定量，標準加入法。解決方案：問題引入，教師講解，學生討論，教師指導，總結(jié)提高，拓展引申教學目標知識目標：原子吸收光譜法的基本原理，工作曲線法，標準加入法定量原理。技能目標：原子吸收法特點；分析流程。工作曲線法測定，標準加入法課后體會第1頁/共52頁天文學研究中經(jīng)常需要測定各種恒星、行星的組成、結(jié)構(gòu)，然而，這些星球距離我們非常遙遠并且恒星表面具有極高的溫度使我們無法接近，不可能直接取樣進行測定，天文學家是如何知道天體組成的呢？

問題引入第2頁/共52頁早在1802年，伍朗斯頓（W.H.Wollaston）在研究太陽連續(xù)光譜時，就發(fā)現(xiàn)了太陽連續(xù)光譜中出現(xiàn)的暗線。

太陽光譜的暗線第3頁/共52頁1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）與本生（R.Bunson）在研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜時，發(fā)現(xiàn)鈉蒸氣發(fā)出的光通過溫度較低的鈉蒸氣時，會引起鈉光的吸收，并且根據(jù)鈉發(fā)射線與暗線在光譜中位置相同這一事實，斷定太陽連續(xù)光譜中的暗線，正是太陽外圍大氣圈中的鈉原子對太陽光譜中的鈉輻射吸收的結(jié)果。

原子吸收的發(fā)現(xiàn)第4頁/共52頁1955年澳大利亞的瓦爾西(A.Walsh)發(fā)表了他的著名論文“原子吸收光譜在化學分析中的應用”奠定了原子吸收光譜法的基礎。之后經(jīng)過幾代人的不懈努力，衍生出了石墨爐原子化技術(shù)、塞曼效應背景校正等先進技術(shù)，特別是近年來微電子技術(shù)的發(fā)展使原子吸收技術(shù)的應用不斷進步，尤其在臨床檢驗、環(huán)境保護、生物化學等方面應用廣泛。在分析化學中的應用利用前面的介紹，請討論原子吸收現(xiàn)象如何應用到分析化學領(lǐng)域。第5頁/共52頁依據(jù)原子蒸氣對特征譜線的吸收進行定量分析。測定對象：金屬元素及少數(shù)非金屬元素。

原子吸收法概述

第6頁/共52頁特點(1)靈敏(2)準確,精密(3)選擇性好(4)簡便(5)設備費用相對低,易普及(6)應用廣第7頁/共52頁缺點:(1)一次測定一個元素(2)樣品成分復雜時干擾嚴重(3)對某些高溫元素,如稀土元素,鎢,硼,鈾等靈敏度較低第8頁/共52頁當有輻射通過自由原子（如鎂、銅原子）蒸氣，且入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)所需要的能量頻率時，原子就要從輻射場中吸收能量，產(chǎn)生吸收，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時伴隨著原子吸收光譜的產(chǎn)生。（如鎂原子吸收285.2nm279.6nm，銅原子吸收324.8nm327.4nm的光）

基態(tài)激發(fā)態(tài)共振吸收共振發(fā)射基本原理第9頁/共52頁共振吸收線:當電子吸收一定能量從基態(tài)躍遷到能量最低的激發(fā)態(tài)時所產(chǎn)生的吸收譜線，稱為共振吸收線，簡稱共振線。共振發(fā)射線：當電子從第一激發(fā)態(tài)躍回基態(tài)時，則發(fā)射出同樣頻率的光輻射，其對應的譜線稱為共振發(fā)射線，也簡稱共振線。分析線：用于原子吸收分析的特征波長的輻射稱為分析線，由于共振線的分析靈敏度高，光強大常作分析線使用。幾個基本概念第10頁/共52頁原子吸收譜線并不是嚴格幾何意義上的線，而是具有著一定波長范圍的譜線，其形狀見下圖，譜線的形狀稱為譜線輪廓。

吸收線輪廓υ0：中心頻率；K0:峰值吸收系數(shù)；△υ:吸收曲線半寬度，約為10-3～10-2nm

原子吸收譜線輪廓第11頁/共52頁自然變寬⊿υ：譜線本身固有的寬度稱為自然寬度，與激發(fā)態(tài)原子的平均壽命有關(guān)，平均壽命越長，則譜線寬度越窄，一般約10-5nm。多普勒變寬⊿υD：多普勒變寬是由于原子在空間作無規(guī)則熱運動而引起的,所以又稱熱變寬。

式中υ0為中心頻率；T為熱力學溫度；Ar為相對原子質(zhì)量。多普勒寬度與元素的原子量、溫度和譜線頻率有關(guān)。隨溫度升高和原子量減小，多普勒寬度增加。多普勒變寬可達10-3nm。譜線變寬1第12頁/共52頁壓力變寬：壓力變寬是由被測元素的原子與蒸氣中原子或分子相互碰撞而引起譜線的變寬，又稱為碰撞變寬，壓力變寬約10-3nm。勞倫茲變寬：被測元素的原子與其他粒子碰撞而引起的譜線變寬。隨原子區(qū)內(nèi)原子蒸氣壓力增大和溫度升高而增大,中心頻率發(fā)生位移,譜線輪廓不對稱。赫魯茲馬克變寬：又稱共振變寬，它是由同種原子之間發(fā)生碰撞而引起的譜線變寬。

譜線變寬2第13頁/共52頁積分吸收：在一定條件下，基態(tài)原子數(shù)N0正比于吸收曲線下面所包圍的整個面積：式中e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，c為光速，N0為單位體積原子蒸氣中吸收輻射的基態(tài)原子數(shù)，亦即基態(tài)原子密度；f為振子強度。積分吸收第14頁/共52頁峰值吸收：基態(tài)原子蒸氣對入射光中心頻率線的吸收。峰值吸收的大小以峰值吸收系數(shù)K0表示。由于在目前的技術(shù)條件下無法測量積分吸收，可以用峰值吸收代替積分吸收。在一定條件下峰值吸光度與基態(tài)原子濃度N0成正比，A∝N0，而N0∝試樣中待測元素的濃度C，因此：

A=KC

A：原子吸收吸光度；C：試液中元素的濃度；這是原子吸收光譜分析的基本關(guān)系式。由于在原子吸收測量溫度下基態(tài)原子數(shù)近似等于原子總數(shù)，原子吸收光譜法靈敏度高。峰值吸收第15頁/共52頁實現(xiàn)峰值吸收測量的條件：光源發(fā)射線的半寬度應小于吸收線的半寬度，且通過原子蒸氣的發(fā)射線的中心頻率恰好與吸收線的中心頻率ν0相重合。因此在選擇光源時不能采用鎢燈、氘燈等連續(xù)光源，而應采用空心陰極燈，無極放電燈等線光源。

0I

吸收線發(fā)射線峰值吸收測量條件第16頁/共52頁

與UV－Vis的比較

相同點均屬于吸收光譜分析；均服從光吸收定律。不同點原子吸收光譜分析的吸收物質(zhì)是基態(tài)原子蒸氣；紫外-可見分光光度分析的吸光物質(zhì)是溶液中的分子或離子。原子吸收光譜是線狀光譜；紫外-可見吸收光譜是帶狀光譜。第17頁/共52頁儀器結(jié)構(gòu)光源原子化系統(tǒng)檢測系統(tǒng)分光系統(tǒng)第18頁/共52頁光源

作用：產(chǎn)生原子吸收所需要的特征輻射。要求：銳線光源；光強大；穩(wěn)定；背景??；壽命長；價格便宜。種類：空心陰極燈、無極放電燈、蒸氣放電燈、激光光源燈?？招年帢O燈無極放電燈第19頁/共52頁

外觀：燈腳、玻璃管、石英透光窗；陰極：待測元素金屬或合金；陽極：鎢棒上鑲鈦絲或鉭片；管內(nèi)充有幾百帕低壓惰性氣體（氖或氬）

空心陰極燈結(jié)構(gòu)第20頁/共52頁兩極間加電壓氣體輝光放電氣體電離陽離子撞擊陰極自由原子濺射原子激發(fā)發(fā)射特征譜線空心陰極燈的工作原理第21頁/共52頁HCL操作參數(shù)：燈電流。為了獲得穩(wěn)定高強度的窄線光譜，空心陰極燈通常采用脈沖供電方式，燈電流的大小是脈沖信號的平均值。

燈電流的設置一般在1～20mA。不同的元素燈根據(jù)需要選用合適的燈電流。使用燈電流過小，放電不穩(wěn)定；燈電流過大，濺射作用增加，原子蒸氣密度增大，譜線變寬，甚至引起自吸，導致測定靈敏度降低，燈壽命縮短。燈電流設置第22頁/共52頁空心陰極燈使用前應預熱20min～30min以上；燈在點燃后可從燈的陰極輝光的顏色判斷燈的工作是否正常；（充氖氣，橙紅色；充氬氣，淡紫色；汞燈是藍色。燈內(nèi)有雜質(zhì)氣體時，負輝光顏色變淡，如充氖氣的燈顏色可變?yōu)榉奂t，發(fā)藍或發(fā)白，此時應對燈進行處理。）元素燈長期不用，應定期（每月或每隔二、三個月）點燃處理，即在工作電流下點燃1h。若燈內(nèi)有雜質(zhì)氣體，輝光不正常，可進行反接處理。使用元素燈時，應輕拿輕放。低熔點的燈用完后，要等冷卻后才能移動。為了使空心陰極燈發(fā)射強度穩(wěn)定，要保持空心陰極燈石英窗口潔凈，點亮后要蓋好燈室蓋?？招年帢O燈使用第23頁/共52頁

作用：將試樣中待測元素變成氣態(tài)的基態(tài)原子。種類：火焰原子化器；無火焰原子化器?；鹧嬖踊黛F化器燃燒器預混合室無火焰（電熱）原子化器原子化系統(tǒng)第24頁/共52頁通入助燃氣\燃氣預混合室混合后點燃試樣經(jīng)霧化后進入火焰產(chǎn)生原子蒸氣

火焰原子化器工作原理第25頁/共52頁空氣-乙炔火焰：溫度2300℃，適合大部分元素測定，最常用。N2O-乙炔火焰:溫度高，可達3000℃。具有還原性，適合易生成難熔氧化物元素的測定。氫氣－空氣火焰：溫度低，背景小，適合分析線在200nm以下元素（如As、Se）的測定?；鹧娴闹匾匦裕?、溫度2、氧化還原性常用火焰第26頁/共52頁火焰原子化法的操作簡便，重現(xiàn)性好，有效光程大，對大多數(shù)元素有較高靈敏度，因此應用廣泛。但火焰原子化法原子化效率低，靈敏度不夠高，而且一般不能直接分析固體樣品?；鹧嬖踊ㄌ攸c第27頁/共52頁電熱原子化器又稱石墨爐原子化器。電熱原子化法特點：溫度高，靈敏度高、樣品用量少、能夠直接測定固體樣品。6mm4mm30mm石墨管電熱原子化法第28頁/共52頁

電熱原子化解決了火焰法試樣利用率不高的問題，因而靈敏度高，但變異系數(shù)較大。通常使用大電流通過石墨爐達到原子化的目的石墨爐原子化器的操作有四步：（1）干燥蒸發(fā)溶劑

<110℃（2）灰化除去有機物200~500℃（3）原子化測定2000~3000℃（4）凈化消除記憶效應比上溫度高10%電熱原子化第29頁/共52頁其它原子化方法

（1）氫化物原子化裝置測定As,Sb,Bi,Sn,Ge,Se,Pb,Te,……如測定砷：用KI及SnCl2還原砷為三價砷，再在酸性環(huán)境中用金屬鋅還原或用NaBH4還原為極易揮發(fā)的AsH3：AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2AsH3氣體受熱分解，放出砷原子。（2）冷原子吸收測定汞汞離子用SnCl2還原為金屬汞，然后用空氣將汞蒸氣帶入氣體吸收管進行測定。第30頁/共52頁光源發(fā)出的光經(jīng)入射狹縫-凹面鏡反射到達光柵光柵分光后由凹面鏡聚焦于出射狹縫轉(zhuǎn)動光柵選擇所需的吸收線

分光系統(tǒng)工作原理要求分辨率

0.3nm，能分辨Mn279.5nmMn279.8nm兩條譜線光譜通帶：單色器出射狹縫所包括的波長范圍。光譜通帶＝狹縫（mm）X

線色散率倒數(shù)（nm/mm）

第31頁/共52頁檢測系統(tǒng)

作用：將光吸收信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒎糯笞x出。組成：檢測系統(tǒng)由光電元件，放大器和顯示裝置等。主要部件：光電倍增管。

第32頁/共52頁光由出射狹縫照射到光敏陰極K上經(jīng)打拿極逐級放大最后照射到陽極將光電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出

光電倍增管的工作原理（動畫m2-2-12.swf）操作參數(shù)：光電倍增管負高壓。增大負高壓信號放大倍數(shù)增大，但穩(wěn)定性降低。第33頁/共52頁單道雙光束原子吸收分光光度計原子吸收分光光度計類型光源的漂移通過參比光束的作用而得到補償，能獲得一個穩(wěn)定的輸出信號。但是火焰擾動和背景吸收影響無法消除。

單道單光束原子吸收分光光度計這類儀器簡單，操作方便，體積小，價格低，能滿足一般原子吸收分析的要求。其缺點是不能消除光源波動造成的影響，基線漂移。

第34頁/共52頁定量方法原子吸收根據(jù)測定元素選擇使用相應的銳線光源。定量方法主要有：1.比例法：C1/C2=A1/A22.標準曲線法AC第35頁/共52頁

根據(jù)光吸收定律

A=KbC=K′C

式中：A－原子吸收吸光度；

K－常數(shù)；

b－光程長度；

C－試液中待測元素濃度。吸光度A與試液濃度C呈直線關(guān)系，通過測量試液的吸光度求得待測元素的濃度。

工作曲線法定量原理第36頁/共52頁

工作曲線的繪制與樣品濃度的測量：配制一組含有不同濃度被測元素的標準溶液，按濃度由低到高的順序測定吸光度值。繪制吸光度對濃度的校準曲線。在與標準系列測定完全相同的條件下測定試樣的吸光度，從校準曲線上用內(nèi)插法求出被測元素的含量。工作曲線

工作曲線法定量原理第37頁/共52頁影響工作曲線法測定準確度的因素：標準系列及樣品溶液的制備（移液管，容量瓶的正確使用）；測量條件設置；吸噴溶液時毛細管的位置；空氣對流對火焰的影響；讀數(shù)開始的時間。每次分析前應該用標準溶液對系統(tǒng)進行校正；整個分析過程中操作條件保持不變；標準系列與被分析樣品溶液的組成應該盡可能一致；標準和試樣溶液的吸光度應在0.2~0.8之間當樣品的情況不清或很復雜時分析誤差較大，可用其他方法定量。

實訓總結(jié)第38頁/共52頁工作曲線法特點：簡單快速；適合組成較簡單的大批量樣品分析。注意事項：標準溶液與試液的基體要相似，以消除基體效應；濃度要合適：標準溶液濃度范圍應將試液中待測元素的濃度包括在內(nèi)。濃度范圍大小應以獲得合適的吸光度讀數(shù)為準(0.2-0.8)；在測量過程中要吸噴去離子水或空白溶液來校正零點漂移；由于燃氣和助燃氣流量變化會引起工作曲線斜率變化，因此每次分析都應重新繪制工作曲線。

總結(jié)－方法特點、注意事項第39頁/共52頁配制標準溶液可選擇待測元素的高純（99.99%）金屬絲、棒、片用稀酸清洗，以除去表面氧化層或使用各元素的鹽類。溶于合適的溶劑中，配制成濃度為1mg·mL-1的標準儲備液，配制時一般要維持一定酸度（可以用1％的稀硝酸或鹽酸），以免器皿表面吸附。配好的儲備液應儲于聚四氟乙烯、聚乙烯或硬質(zhì)玻璃容器中此溶液可長期保存。低濃度的標準系列溶液，使用時用標準儲備液經(jīng)逐級稀釋而成。由于低濃度溶液不穩(wěn)定，使用時間不應超過1～2天。

標準溶液的配制第40頁/共52頁配制標準儲備液：光譜純試劑；酸、堿等常用試劑：優(yōu)級純；水：原子吸收分析用水應符合GB／T6682－1992，分析試驗室用水三級水的規(guī)格。原子吸收常用試劑第41頁/共52頁定量方法標準加入法A△CxxxxCx第42頁/共52頁吸取試液四份以上，第一份不加待測元素標準溶液，第二份開始，依次按比例加入不同量待測組分標準溶液，用溶劑稀釋至同一的體積，以空白為參比，在相同測量條件下，分別測量各份試液的吸光度，繪出工作曲線，并將它外推至濃度軸，則在濃度軸上的截距，即為未知濃度cX，

標準加入法定量標準加入法工作曲線第43頁/共52頁

學生可以參照下表中所示配制標準加入系列溶液。容量瓶編號1234加入試樣體積V1/mL25.0025.0025.0025.00加入ρ＝100μg/mL銅標液的體積/mL0.000.501.001.50定容體積／mL50.0050.0050.0050.00

注意：使用（2＋100）的稀硝酸定容。溶液配制（參考方案）第44頁/共52頁

記錄實驗數(shù)據(jù)容量瓶編號1234加入試樣體積V1/mL25.0025.0025.0025.00ρ＝100μg/mL銅標液的體積/mL0.000.501.001.50定容體積／mL50．0050．0050．0050．00銅濃度的增加量C(Cu)/μgmL-10．001．002．003．00吸光度AAxA1..A2A3將加入銅標準溶液體積換算成溶液濃度增量填入下表，將測量的吸光度值也填入下表。

第45頁/共52頁繪制標準加入工作曲線，將其延長與濃度軸相交，記錄交點的濃度。水試樣中銅含量

式中:ρ（Cu）：水樣中銅含量，μg/mL；

Cx

：標準加入曲線與濃度軸交點，μg/mL；

V0：樣品溶液定容體積，50mL；

V1：取樣量，25mL。

結(jié)果計算第46頁/共52頁