给排水-第0章原子光谱法课件.ppt

1、2022年12月16日16时27分第十章第十章 原子吸收光谱原子吸收光谱v10.1 原子吸收光谱法原理及应用原子吸收光谱法原理及应用v10.2 原子发射光谱法原理及应用原子发射光谱法原理及应用 原子光谱的产生是原子核外电子发生能级跃迁的结果，包括原子吸收光谱和原子发射光谱以及原子荧光等。原子吸收光谱：原子核外价电子吸收光子能量形成的光谱。原子发射光谱：原子核外价电子发射光子形成的光谱。原子吸收光谱法：是基于物质所产生的基态原子对光源发出的该种元素的特征波长的光的吸收作用来进行定量分析的方法。10.1 原子吸收光谱法原子吸收光谱法原子吸收光谱分析的原子吸收光谱分析的：（1）由该元素的锐线光源发射

2、出特征辐射；）由该元素的锐线光源发射出特征辐射；（2）试样在原子化器中被蒸发、解离为气态基态）试样在原子化器中被蒸发、解离为气态基态原子；原子；（3）当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原）当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原子区时，部分光被蒸气中基态原子吸收而减弱，通子区时，部分光被蒸气中基态原子吸收而减弱，通过单色器和检测器测得特征谱线被减弱的程度，即过单色器和检测器测得特征谱线被减弱的程度，即吸光度，根据吸光度与被测元素的浓度成线性关系吸光度，根据吸光度与被测元素的浓度成线性关系，从而进行元素的定量分析。，从而进行元素的定量分析。可测定的元素多，空气-乙炔火焰可测36种元素，N2O-乙

3、炔火焰可测33种元素，间接测定法可测16种元素，共可测70多种元素。主要为金属元素含量的定量测定，包括部分非金属S、P等一般不进行定性。原子吸收光谱法的仪器装置原子吸收光谱法的仪器装置 原子吸收分光光度计主要由四部分组成，即原子吸收分光光度计主要由四部分组成，即光源、原子化系统、分光系统和检测系统光源、原子化系统、分光系统和检测系统四个部四个部分。如图所示：分。如图所示：1)1)光源光源空心阴极灯空心阴极灯光源的功能是发射被元素基态原子所吸收光源的功能是发射被元素基态原子所吸收的特征共振线。的特征共振线。对光源的基本要求是：对光源的基本要求是：发射线强度大，稳发射线强度大，稳定性好，背景小，寿

4、命长定性好，背景小，寿命长。空心阴极灯（又称元素灯）是能满足要求空心阴极灯（又称元素灯）是能满足要求的的锐线光源锐线光源，应用，应用很很广。广。1)1)空心阴极灯空心阴极灯 它是一个封闭的气体放电管。用被测元素纯金属或合金制成圆柱形空心阴极，用钨或钛、锆做成阳极。灯内充Ne或Ar惰性气体，压力为数百帕。光源工作原理：当灯的正负极加以400V电压时，便开始辉光放电。这时电子离开阴极，在飞向阳极过程中，受到阳极加速，与惰性气体原子碰撞，并使之电离。带正电荷的惰性气体从电场获得动能，向阴极表面撞击，将原子由晶格中溅射出来，从而产生阴极物质的共振线。由于灯内压力很低，产生的共振线是锐线光源。2)2)原

5、子化系统原子化系统 原子化系统的作用是将试样中的待测元素转变为原子蒸气。使试样原子化的方法有：火焰原子化法和无火焰原子化法。火焰原子化法具有简单，快速，对大多数元素有较高的灵敏度和检测极限的优点，因而至今使用仍最广泛。但近年来，无火焰原子化技术有了很大改进，它比火焰原子化技术具有较高的原子化效率、灵敏度和检测极限，因而发展很快。火焰原子化系统是利用火焰的温度和气氛使试样原子化的装置。如图所示,主要的部分有：雾化器、雾化室、燃烧器和火焰。1)1)火焰原子化系统主要部分介绍火焰原子化系统主要部分介绍a a、雾化器、雾化器 它的作用是它的作用是将试液雾化将试液雾化，要求雾化效率高，要求雾化效率高 (

6、一般为一般为10%10%30%)30%)，雾滴细，喷雾稳定。，雾滴细，喷雾稳定。雾化器雾化器 作用是进一步细化雾滴，使直径较大的雾滴进作用是进一步细化雾滴，使直径较大的雾滴进一步破碎，成为气溶胶；同时使雾滴和燃气得到一步破碎，成为气溶胶；同时使雾滴和燃气得到充分混合同时起缓冲作用，使供给燃烧器的雾滴充分混合同时起缓冲作用，使供给燃烧器的雾滴平稳。平稳。c c、燃烧器、燃烧器 常用预混常用预混合式燃烧器，合式燃烧器，它是一个吸收它是一个吸收光程较长的长光程较长的长缝喷灯。缝喷灯。d、火焰 通过火焰的燃烧作用，使试样原子化。试液与燃气在雾化室充分混合后进入火焰燃烧。2)2)火焰法应注意问题火焰法应

7、注意问题 a)对于高温难熔元素（如Al、B、Be、Ti、V等），采用空气乙炔火焰时灵敏度很低，可采用氧化亚氮乙炔火焰，这种火焰能达到2900oC高温，并且有大量CN、NH、C等组成的强还原气氛。b)燃气与助燃气的流量比，即燃助比=燃气流量/助燃气流量，影响火焰的气氛。当燃助比小于1：6时称贫燃火焰（氧化性气氛）；等于1：4时称化学计量火焰；大于1：3时称富燃火焰（还原性气氛）。实际测定时，必须根据不同元素分析条件选择合适的燃助比。c)基态原子在火焰内各部分的分布是不一样的，必须使光源通过基态原子密度较大的火焰区域，因此应该调节燃烧器的高度，以获得较大的吸光度。3)3)火焰原子化系统的优缺点火焰

8、原子化系统的优缺点 a)优点：火焰原子吸收法装置不太复杂，操作方便快速，测定精度好，已经成为完善和定型的方法，广泛用于常规分析。b)b)缺点缺点：灵敏度还不够高。其原因之一是雾化效率低，到达火焰的试样仅为提升量（46mL/min）的10%，大部分试液排泄掉了。原因之二是火焰气氛的稀释作用和高速燃烧限制了灵敏度的提高。这些作用不但使原子化效率低而且使基态原子在吸收区内停留的时间很短（约10-3s）。消耗试液一般为0.51mL。对于数量很少的试样（如血液、活体组织等）的分析，受到限制。不能直接分析固体试样。3、无、无火焰原子化法火焰原子化法 无火焰原子化技术以高温石墨炉发展最迅速，并且在实际分析中

9、得到广泛应用。原子化过程原子化过程原子化过程分为原子化过程分为干燥干燥、灰化灰化（去除基体）、（去除基体）、原子化原子化、净化净化（去除残渣）去除残渣）四个阶段四个阶段，待测元素在，待测元素在高温下生成基态原子高温下生成基态原子。v石墨炉法石墨炉法石墨管石墨管 热解涂层管热解涂层管 平台石墨管平台石墨管进样体积进样体积 5 52020L L加热程序加热程序 保护气体保护气体 Ar(99.9%)Ar(99.9%)步骤步骤目的目的温度温度()()时间时间(s)(s)干燥干燥除去溶剂除去溶剂溶剂沸点溶剂沸点10 10 3030灰化灰化除去基体除去基体条件实验条件实验10 10 3030原子化原子化生

10、成原子生成原子手册手册3 3 7 7空烧空烧消除记忆消除记忆原子化温度原子化温度3 3 7 7a)a)石墨炉原子化法的优缺点石墨炉原子化法的优缺点 优点：检出限很低，对许多元素的测定比火焰法低23个数量级。试样用量少，每次测定仅需5-100uL。能够在原子化器内处理很大的试样，便于通过控制升温条件，提高测定的选择性和灵敏度。能直接进行粘度很大的样液、悬浮液和固体样品的分析a)石墨炉原子化法的优缺点 缺点：缺点：由于干扰大，必须有扣除背景装置，设备比火由于干扰大，必须有扣除背景装置，设备比火焰法复杂、昂贵；焰法复杂、昂贵；测定的精密度较差（相对偏差约等于测定的精密度较差（相对偏差约等于4-12%

11、4-12%）；）；分析所需的时间比火焰法要长等。分析所需的时间比火焰法要长等。1)1)高温石墨炉原子化法（三）高温石墨炉原子化法（三）a)a)高温石墨炉原子化装置及工作原理高温石墨炉原子化装置及工作原理 无火焰原子化器装置有多种，主要对电热高温石墨管原无火焰原子化器装置有多种，主要对电热高温石墨管原子化器作一简单介绍。子化器作一简单介绍。结构图结构图 构造图构造图 1)1)高温石墨炉原子化法（四）高温石墨炉原子化法（四）c)主要组成部分：石墨管。是放置试样并进行加热的容器。炉体及保护装置。包括石墨接触锥、惰性气体保护和水冷保护装置。电源。是一独立装置，能向炉体提供低压（8-12V）、大电流（3

12、00-450A）的交流电流。1)高温石墨炉原子化法（五）d)整个程序步骤：干燥。目的是蒸发除去溶剂，或样品中挥发性较大的组分。灰化。目的是在不损失被测元素的前提下，将沸点较高的基体蒸发除去，或是对脂肪和油等基体物质进行热解。原子化。施加大功率于石墨炉上，使待测残渣受到突然的功率脉冲，从而原子化。净化。用较高温度除去残留在管内的残渣。5.其他原子化方法低温原子化方法低温原子化方法 主要是氢化物原子化方法，原子化温度主要是氢化物原子化方法，原子化温度700900 C；主要应用于：主要应用于：As、Sb、Bi、Sn、Se、Pb、Ti等元素等元素 原理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢原

13、理：在酸性介质中，与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例化物。例 AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2 将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物，送入原将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物，送入原子化器中检测。子化器中检测。特点：原子化温度低特点：原子化温度低；灵敏度高（对砷、硒可达灵敏度高（对砷、硒可达10-9g）；）；基体干扰和化学干扰小；基体干扰和化学干扰小；原子吸收定量分析方法 常用的方法有标准曲线法、标准加入法等。常用的方法有标准曲线法、标准加入法等。1 1 标准曲线法标准曲线法 在合适的浓度范围内，配制一系列浓度不在合适的

14、浓度范围内，配制一系列浓度不同的标准溶液，依次在原子吸收光谱仪上测同的标准溶液，依次在原子吸收光谱仪上测定其吸光度定其吸光度A A，再以吸光度为纵坐标，以待，再以吸光度为纵坐标，以待测元素的浓度或含量为横坐标绘制标准曲线测元素的浓度或含量为横坐标绘制标准曲线，然后根据待测样品的峰高，然后根据待测样品的峰高(或吸光度或吸光度)，从，从标准曲线上查得其相应的浓度或含量。标准曲线上查得其相应的浓度或含量。原子吸收定量分析方法适用于测定与标准溶适用于测定与标准溶液组成相近似的批量液组成相近似的批量试液，但由于基体及试液，但由于基体及共存元素的干扰，其共存元素的干扰，其分析结果往往会产生分析结果往往会产

15、生一定的偏差。一定的偏差。2 2、标准加入法、标准加入法 是将标准溶液加入到试液中进行是将标准溶液加入到试液中进行测定的一种定量分析方法。测定的一种定量分析方法。取四五份等体积的试液，从第二取四五份等体积的试液，从第二份开始分别按比例加入不同量的待测份开始分别按比例加入不同量的待测元素的标准溶液，然后用溶剂定容到元素的标准溶液，然后用溶剂定容到相同的体积相同的体积,测定各溶液的吸光度。测定各溶液的吸光度。以吸光度以吸光度A A对各溶液中标准溶液的浓度作图，把曲线外推对各溶液中标准溶液的浓度作图，把曲线外推至横轴，原点到相交处的截距即为待测元素的浓度至横轴，原点到相交处的截距即为待测元素的浓度C

16、xCx。由于每个溶液都含有相同量的试样，可以消除基体效应的由于每个溶液都含有相同量的试样，可以消除基体效应的干扰，适用于基体未知，成分复杂的试液。干扰，适用于基体未知，成分复杂的试液。v测定要点：测定要点：Cu()-EDTA+PAN+Al()Cu()-PAN+Al()-EDTA间接火焰原子吸收光谱法间接火焰原子吸收光谱法 1.pH:4.05.0 2.萃取萃取Cu()-PAN 3.测定水样中剩余铜，间接求的铝的含量。测定水样中剩余铜，间接求的铝的含量。原子发射光谱 原子发射光谱分析法（atomic emission spectroscopy，AES）：元素的原子在外界能量的作用下，获得能量而使其

17、外层电子从低能级的基态跃迁到较高能级的激发态，激发态的原子很不稳定，返回到基态时，以光的形式释放能量，发射出特征光谱，依据特征光谱进行定性、定量的分析方法。激发源激发源:电感耦合等离子体原子发射光谱电感耦合等离子体原子发射光谱Inductively Coupled Plasma-atomicEmission Spectrometry,ICPAESAES分析原理分析原理 formation of atomic emission spectra 在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热（火焰）在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热（火焰）或电（电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态或电（

18、电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱（线状光谱）；时，发射出特征光谱（线状光谱）；特征辐射特征辐射基态元素基态元素M激发态激发态M*热能、电能热能、电能E（一）电感耦合等离子体原子发射光谱法（一）电感耦合等离子体原子发射光谱法 预热区预热区在电感线圈上方在电感线圈上方进行观测进行观测Induction Zone初始发射区初始发射区正常分析区正常分析区 等离子体尾焰等离子体尾焰 不同的样品和基不同的样品和基体导致等离子体体导致等离子体的结构会有一些的结构会有一些变化，所以常常变化，所以常常需要根据样品来需要根据样品来调整观测的最佳调整观测的最佳位置，以获得最位置，以获

19、得最大的灵敏度，避大的灵敏度，避免背景干扰免背景干扰激发源激发源(ICP)-(ICP)-分光系统分光系统(单色器单色器)-)-检测器检测器 高频发生器高频发生器 光栅光栅 光电转换光电转换 炬管（外套高频线圈）炬管（外套高频线圈）中阶梯光栅中阶梯光栅 MSMS 进样系统进样系统ICP-AESICP-AES的特点的特点:由于由于ICPICP光源的出现为原子发射光谱带来了革命性的变化，光源的出现为原子发射光谱带来了革命性的变化，ICPICP几乎成为了原子发射光谱的代名词。几乎成为了原子发射光谱的代名词。(1)(1)可多元素同时检测可多元素同时检测 各元素同时发射各自的各元素同时发射各自的特征光谱特

20、征光谱；(2)(2)分析速度快分析速度快 试样不需处理，同时对几十种元素进行定试样不需处理，同时对几十种元素进行定量分析量分析(光电直读仪光电直读仪)；(3)(3)选择性高选择性高 各元素具有不同的特征光谱；各元素具有不同的特征光谱；(4)(4)检出限较低检出限较低 10100.10.1 g g g g-1-1(一般光源一般光源)；n ng g g g-1-1(ICP(ICP）(5)(5)准确度较高准确度较高 5%5%10%10%(一般光源）；一般光源）；1%(1%(ICP)ICP)；(6)ICP-AES(6)ICP-AES性能优越性能优越 线性范围线性范围4 46 6数量级数量级，可测高、中

21、、可测高、中、低不同含量试样；低不同含量试样；v1.电感耦合等离子体原子发射光谱法电感耦合等离子体原子发射光谱法v原理：试样经雾化后，被氩载气带入电感耦合原理：试样经雾化后，被氩载气带入电感耦合等离子体焰距，试样中组分被原子化、电离、等离子体焰距，试样中组分被原子化、电离、激发，以光的形式发射出能量。不同元素发射激发，以光的形式发射出能量。不同元素发射不同波长的特征光谱可定性；元素含量不同时不同波长的特征光谱可定性；元素含量不同时，发射特征光的强弱不同可定量。，发射特征光的强弱不同可定量。v2.间接火焰原子吸收法间接火焰原子吸收法v3.分光光度法分光光度法铝铝汞（日本水俣病）（一）双硫腙分光光

22、度法（一）双硫腙分光光度法（二）冷原子吸收法（二）冷原子吸收法 （三）冷原子荧光法（三）冷原子荧光法冷原子吸收法冷原子吸收法 1、方法原理、方法原理冷原子吸收测汞仪冷原子吸收测汞仪工作流程工作流程N2或空气或空气还还原原瓶瓶干干燥燥器器吸收池吸收池汞灯汞灯光电倍增管光电倍增管放大器放大器指示表指示表记录仪记录仪流量计流量计脱汞阱脱汞阱抽气泵抽气泵253.7nm冷原子荧光法冷原子荧光法v原理：将水样中的汞离子还原为基态汞蒸气，吸收原理：将水样中的汞离子还原为基态汞蒸气，吸收253.7nm的紫外光后，被激发而产生特征共振荧光的紫外光后，被激发而产生特征共振荧光，在一定的测定条件下和较低的浓度范围内

23、，荧光，在一定的测定条件下和较低的浓度范围内，荧光强度与汞浓度成正比。强度与汞浓度成正比。v冷原子荧光测汞仪与冷原子吸收测汞仪不同之处：冷原子荧光测汞仪与冷原子吸收测汞仪不同之处：后者是测定特征紫外光在吸收池中被汞蒸气吸收后后者是测定特征紫外光在吸收池中被汞蒸气吸收后的透射光强，而前者是测定吸收池中的汞原子蒸气的透射光强，而前者是测定吸收池中的汞原子蒸气吸收特征紫外光后所发射的特征荧光（波长较紫外吸收特征紫外光后所发射的特征荧光（波长较紫外光长）强度，其光电倍增管必须放在与吸收池相垂光长）强度，其光电倍增管必须放在与吸收池相垂直的方向上。直的方向上。1157614891023冷原子荧光法冷原子

24、荧光法冷原子荧光法工作原理冷原子荧光法工作原理1、低压汞灯；、低压汞灯；2、石英聚光灯；、石英聚光灯；3、吸收、吸收-激发池；激发池；4光电倍增光电倍增管；管；5、放大器；、放大器；6、指示表；、指示表；7记录仪；记录仪；8、流量计；、流量计；9、还原、还原瓶；瓶；10、荧光池、荧光池（铝材发黑处理）；（铝材发黑处理）；11、抽气泵、抽气泵两种方法的不同：两种方法的不同：人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。