原子吸收光谱的基本原理及实验准备 科学实验中心元素分析平台

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1 原子吸收光谱的基本原理及实验准备 科学实验中心元素分析平台
原子吸收光谱的基本原理及实验准备 科学实验中心元素分析平台

2 光谱学概念 光谱学是光学的一个分支学科，研究各种物质的光谱的 产生及其同物质之间相互作用。光谱是电磁辐射按照波长 的有序排列。根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有 各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、 分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何 形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知 识。在化学分析中它提供了重要的定性与定量的分析方法。

3 光谱学分类 根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射 光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱 学从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方 法。 发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱：线状光谱、 带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光 谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于气体放电。 吸收光谱 当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光 束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质被吸收的光束 由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。几乎所 有物质都有其独特的吸收光谱。

4 散射光谱 当光通过物质时，除了光的透射和光的吸收外， 还观测到光的散射。在散射光中除了包括原来的入射光的 频率外(Rayleigh scattering and Tyndall John)，还包括一 些新的频率。这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光 谱称为喇曼光谱。 喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从 喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动 能级结构。 束箔光谱学是最近十几年国际上发展起来的一门新兴学 科。主要内容是，用被加速的离子撞击不同元素的薄箔的 方法研究基础原子物理学、测量电子能级的平均寿命。束 箔技术主要成员应用于天体物理问题上，可以对日冕的性 质以及银河系中元素的丰度得到很好的理解。

5 光声光谱学 以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。 用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样 品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周 围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期 性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器 检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色 光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声 光谱。 由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散 射光等对测量干扰很小，故光声光谱适于测量高散射样品、不透 光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样 品等，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，这是普通 光谱做不到的。利用光声技术已出现适用于气体分析的二氧化碳 激光光源红外光声光谱仪，适用于固体和液体分析的氙灯紫外-可 见光声光谱仪，以及傅里叶变换光声光谱仪。光热偏转光谱法、 光声拉曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都 在迅速发展。光声光谱技术在物理、化学、生物学、医学、地质 学和材料科学等方面得到广泛应用。

6 原子吸收分光光度计概述

7 原子吸收光谱原理 原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry)是基于 从光源发射的待测元素的特征辐射通过样品蒸气时,被蒸气中 待测元素的基态原子所吸收,根据辐射强度的减弱程度以求得 样品中待测元素的含量。 通常情况下，原子处于基态。当相当于原子中的电子由基 态跃迁到激发态所需要的辐射频率通过原子蒸气，原子就能 从入射辐射中吸收能量，产生共振吸收，从而产生吸收光谱。 原子吸收分析就是利用基态原子对特征辐射的吸收程度的， 常使用最强吸收线作为分析线。

8 原子吸收光谱仪构成 原子吸收光谱仪由以下四部分组成 1 光源系统:空心阴极灯 2 原子化系统:火焰原子化器;石墨炉原子化器或氢化物发生 器。 3 分光系统：单色器 4 检测系统：光电倍增管等

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10 光源系统 原子吸收光源应满足以下条件 1 能辐射出半宽度比吸收线半宽度还窄的谱线，并且发射 线的中心频率应与吸收线的中心频率相同。 2 辐射的强度应足够大。 3 辐射光的强度要稳定，且背景小。 空心阴极灯则可满足原子吸收上述三点要求，它是利用空 心阴极效应而制成的一种特殊辉光放点管。

11 空心阴极灯发光机理 空心阴极灯为直流供电，当在正负电极上施加适当电压 （一般为300～500伏）时，在正负电极之间便开始放电， 这时，电子从阴极内壁射出，经电场加速后向阳极运动。 电子在由阴极射向阳极过程中与载气（惰性气体）原子碰 撞使其电离成为阳离子，带正电荷的惰性气体离子在电场加 速下，以很快的速度轰击阴极表面，使阴极内壁的待测元素 的原子溅射出来，与其它粒子相互碰撞而被激发，处于激发 态的原子很不稳定，大多会自动回到基态，同时释放能量， 发出共振发射线。

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14 锐线光源定义：光源发射线的中心频率与吸收线的中心频 率一致，而且发射线的半宽度比吸收线的半宽度小得多时， 则发射线光源叫做锐线光源。 光源能量能被原子充分吸收，测定的灵敏度就高。 如果用连续光源，则吸收光的强度只占入射光强度的极少 部分，使测定的灵敏度极差。

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17 连续光源AAS构造原理图 石墨炉 中阶梯光栅 火焰 短弧氙灯 高分辨单色器

18 中阶梯光栅-双单色器分光系统

19 谱线分离 中阶梯光栅 – 双单色器分光系统 1：入射狭缝（固定式） 2，离轴抛物镜 3，棱镜 4: 中间狭缝（可变式） 5: 中阶梯光栅
6 1 1：入射狭缝（固定式） 2，离轴抛物镜 3，棱镜 4: 中间狭缝（可变式） 5: 中阶梯光栅 6: 线阵CCD检测器 4 3 5 2 2 9/ Innovation Made in Germany 19

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21 原子化器系统 原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。 1 火焰原子化器 火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的， 实际上就是一个喷雾燃烧器，由三部分组成，即喷雾器 （nebulizer）、雾化室（spray chamber）和燃烧器 （bumer）。 喷雾器:将试样溶液转为雾状。 雾化室：内装撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均 匀）。 燃烧器：产生火焰并使试样蒸发和原子化。

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23 2 无火焰原子化器 常用无火焰原子化器包括石墨炉原子化器和氢化 物原子化器。 石墨炉原子化法是利用低压、大电流来使石墨管 升温，最高温度可升至3000℃，这一升温过程可使 石墨管中的试样完成干燥、灰化、原子化和净化等 测定。 干燥 去除溶剂，防止样品溅射。 灰化 使基体和有机物尽量挥发出去。 原子化 待测化合物分解为基态原子,此时停止 通Ar气,延长原子停留时间,提高灵敏度度。。 净化 样品测定完成，高温去残渣，净化石墨管

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26 3 温度高，在惰性气氛中进行且有还原性碳的存在，有 利于易形成难离解氧化物元素的离解和原子化。
石墨炉原子化器与火焰原子化器比较 1 原子化效率高，可达到90%以上，而火焰法仅只有10%多 一点。 2 绝对灵敏度高（可达到10-12～10-14),试样用量少，适 合于低含量及痕量组份的测定。 3 温度高，在惰性气氛中进行且有还原性碳的存在，有 利于易形成难离解氧化物元素的离解和原子化。

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28 原子吸收光谱实验测试准备

29 分析方法标准化及质量控制 生物样品中微量元素的有关实验分析技术的研究,重点是 分析方法的标准化,生物标准参比样品的建立及微量元素 分析的质量控制。 1.分析方法标准化 分析方法包括从样品采集、储存、样品预处理、样品测 定、结果计算及报告的全过程。每个环节的失误,都会影 响到整个分析的成败。目前尚没有一套完整的微量元素分 析方法,样品的预处理是由分析者自行确定或由各分析单 位协同确立,所以分析前必须对上述各环节进行认真严格 的设计。

30 譬如头发的采集,不同发段中微量元素含量是有一定 差异的,现在国内外大部分文献作者,主张从距头皮 1cm处采集近期生长的2~4cm发段,采样部位一般为枕 部和颞部.组织取样也应相对固定同一部位,譬如肝脏 不同部位血管分布不同,元素含量也不同,一般采取右 叶前上方富于纤维的部分,以减少分析偏差。 组织样品取后不能用自来水冲洗以免污染,而应用无 离子水冲洗.也不能象病理学研究那样用甲醛浸泡,因 为甲醛固定液中也含有微量元素的污染,而是应该冷 冻或干燥后备用。 血样分析大多采集静脉血,如需测全血加入抗凝剂时, 要首先检测抗凝剂中待测元素的含量,选用本底值低 的抗凝剂。

31 2. 生物标准参比样品的建立及微量元素分析的质量控制
由于生物样品基本组成复杂,待测元素含量较低,使得准 确测定存在很大困难,致使测定值与文献值相差悬殊,这个 问题可以通过标准参比样品的使用来克服。一些国际机构 如国际原子能委员会(IAEA)及国家机构如美国国家标准局 (NBS)等,已研制出一些生物样品标准参比物质,如标准牛 血清、牛肝、全血、人发、尿等等,这对保证数据的准确 性和可比性,起了很大作用.目前我国这方面工作也取得不 少进展。如中国预防医学科学院环境卫生监测所研制的牛 血清、商业部研制的猪肝标样。上海原子核所研制的头发 标样等都相继问世。

32 在每批样品分析中,选用1~2个与被测样品性质组成相似的 标准参比样品进行质控,以增加分析结果的可靠性、可信性。 在分析工作中常受到偶然因素的影响,使结果产生误差,而实 验室质控的作用,就是当分析工作中出现误差时,能及时发现 问题,以便采取措施,保证获得最佳分析结果。 在这里需特别指出的是控制污染是保证检测结果可靠性的 首要条件,由于生物样品中微量元素的含量极低,一般在百万 分之一~亿万分之一,而我们周围环境中某些元素又广泛存在 着,因此,在微量元素研究中,采样工具、器皿、试剂、甚至空 气等都可能是污染源。

33 以血清铬的分析值为例,检测结果在20世纪50年代为 185ng/ml,60年代为70ng/ml,70年代为1~10ng/ml,现在仍有 下降的趋势。30年中血清铬数值下降了3个数量级。造成血 铬值偏高的污染因素很多,原因之一是由于采血时没有注意到 不锈钢针头溶出铬的问题。临床上大量使用的橡皮膏、乳胶 管往往会对锌的测定造成污染。微量元素分析的各种试剂如 酸类等,尽可能使用高纯度的,此外,空气中的灰尘、烟雾等也 会给测试结果带来影响有条件的实验室应在超净工作间处理 样品。分析人员也应注意自身污染情况,如手上的皮屑,表皮 污垢,汗和皮脂等污染源。

34 3 样品前处理技术 (1) 标准溶液及其配制原则 在原子吸收光谱分析中,水是最普遍使用的溶剂,对其纯度 要求较高,通常采用去离子交换水或去离子重蒸溜水,应用无 焰法进行ppb或ppt级的微量元素分析,则要用高纯度的水,现 多采用石英亚沸点高纯水蒸馏器制取高纯水。 无机酸也是常用的 溶剂,其中常含有少量金属元素,使用前 应严格检查.在日常分析中,一般可用优级纯的酸,在条件可能 情况下,最好用超纯酸。 对选用的试剂,以不玷污待测元素为原则。在实践中,如果 在仪器灵敏度范围内,检测不出待测元素的吸收信号,就可认 为所选试剂没玷污待测元素。

35 配制标准溶液时,应使标准溶液的组分要尽可能与试样溶 液相似。溶液中总含盐量是影响雾化和原子化效率的主要因 素之一,其影响大小与盐类性质、含量、火焰温度、雾珠大小 有关。如果试样中总含盐量在1%以上时,在标准溶液中就应 加入等量的同一盐类,以期在雾化时和在火焰中所发生的过程 相似。应用无火焰法保持标准与基体一致更具实际意义。 原子吸收分析用的标准溶液(储备溶液)浓度一般为1mg/ml, 有些元素的标准溶液需加入少量无机酸以利储存,浓度 <1ug/ml的标准溶液要现用现配。用来制作标准曲线的标准 系列溶液的浓度范围,原则上根据标准曲线范围和试样中待测 元素的浓度确定,整套标准溶液的浓度应把试样溶液的浓度包 括在其范围内。不同元素其灵敏度不同,标准系列溶液的浓度 范围也不相同,对于常规分析,从测量精度来看,最佳的浓度范 围的吸光值为0.1~0.6,而微量元素的测定,浓度下限的吸光值 <0.1。

36 (2) 生物材料样品的采集 生物临床分析样品,按其制备的难易程度可分为五种类型： 1) 全血、血清、血浆、红血球、白血球；2) 尿; 3)毛发、指 甲；4) 肝、肾等软组织； 5)骨骼、牙齿。 血清、血浆、全血、尿以及人发中常量元素和微量元素的 含量及分布,是新陈代谢失调的最可靠的信息。血液的采集部 位和采样体积取决于人的年龄、分析元素的性质及含量,也取 决于样品处理方法和最终测定方法.末梢血液可以从耳垂穿刺 或手指采取,若需血样量较大,则最好从静脉采血。1%肝素钠 水溶液、柠檬酸或柠檬酸铵可作为血液的抗凝剂。 尿的临床分析,以早晨首次排出的尿最为合适,它是夜间积 存在膀胱内的,是24h内最浓缩的尿,也是各日间性质上差别最 小的尿样。 毛发中元素的含量与取样部位及离发根的距离有关,现多 从后颈部采取发样。

37 (3) 样品的预处理 测定生物样品中的元素,一般均需首先破坏样品中的有机 物质。选用何种方法,在某种程度上取决于分析元素和被测样 品及基体性质。目前主要有以下几种破坏有机物的方法用于 原子吸收分析。 1) 高温干灰化法 为破坏样品中有机物基体,常将样品在 450~500℃ 进行干灰化,灰化温度若高于500℃会引起一些元 素的损失.灰化辅助剂的使用,可促进有机物的分解和提高金 属元素的回收率,硝酸有助于形成易溶解的灰分,硫酸常用来 将金属转化成硫酸盐以降低金属元素的灰化损失。高温干灰 化法的优点是能灰化大量样品,方法简单,无试剂污染,空白低。 但对于低沸点的元素常有损失,其损失程度取决于灰化温度和 时间,还取决于元素在样品中的存在形式。

38 2) 低温干灰化法 为了克服高温干灰化因挥发、滞留和吸 附而损失痕量金属等问题,现使用射频激发低压氧气流,产生 等离子体,在低温(~70℃)下氧化样品而不致引起易挥发元素 如As、Se、Pb等损失。并能保持样品无机元素的组成和结 构。如果使用活性混合气体或用过氧化氢预先氧化样品,则可 缩短灰化时间。 3) 湿法消化法 湿法消化是破坏有机物最常用方法之一,通 常使用的是氧化性酸的混合液.使用较为广泛的混合酸有：硝 酸-高氯酸、硝酸-硫酸-过氧化氢等。湿法消化法的主要优点 在于适用性强,快速以及挥发损失及附着损失较小,适用于大 批样品的测定。缺点是试剂用量大,空白值较高。

39 4) 密封加压消化法 原理是采用密封加压,以加速氧化破坏 样品中的有机物。优点是用酸量小,空白值低,快速且可排除 挥发所引起的元素损失(如Se、As、Hg等),是痕量分析中主 要的样品制备方法之一。 5) 酸浸提法 以酸从样品中提取金属元素是处理样品的基 本方法之一,用三氯乙酸可以从血清蛋白中提取出铁和其他金 属元素。 上述各种样品制备方法,其目的是将生物样品转变为适于分 离，定量测定的物理状态和化学状态。制备过程注意防止元 素的玷污及损失。

40 多谢!有误之处不吝指正