原子吸收线的选择课件.ppt
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- 原子 吸收 选择 课件
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1、图图1.2海绵钛化验室的原子吸收光谱仪海绵钛化验室的原子吸收光谱仪contAA300Varian Model AA-4 Circa 1966 电热原子化技术的提出电热原子化技术的提出 19591959年里沃夫提出电热原子化技术,大大提高了年里沃夫提出电热原子化技术,大大提高了原子吸收的灵敏度原子吸收的灵敏度ChECE=h=h基态第一激发态热能E:能量 h:普朗克常数(Plank constant)=6.626210-34JsC:光在真空中的传播速度=2.9979251010cm/s:波长,常用nm作为单位:频率,每秒内的波动次数,单位Hz(次/秒)a a b b c c d dE Eo o 基
2、态基态激发态激发态激发激发能量能量b ba ac cE E3 3E E2 2E E1 1E E 离子化离子化(2)原子蒸汽中基态原子数和火焰温度的关联NjN0=g jg 0exp(-)Ei-E0KTNj,N0 激发态和基态原子数g j,g 0 激发态和基态统计权重K Boltzman常数T 热力学温度;绝对温度Ei 激发能在原子分光光度法中,原子化温度一般小于3000K,(Ni/N0)绝大部分在10-3以下,即与基态原子数相比,激发态原子数可以忽略不计,可认为NoN。可认为所有的吸收都是在基态进行的,这就极大地减少了可以用于原子吸收的吸收线的数目。-二、原子吸收线的轮廓二、原子吸收线的轮廓 原
3、子吸收线是指透过光强度 I 随频率 变化的曲线,从理论上讲原子吸收线应是一条无限窄的线,但实际上它具有一定宽度(或频率范围)的谱线。1、自然宽度:在无外界影响下,谱线固有的宽度。由于原子激发态寿命有限原因,原子吸收线有一定自然宽度,约为10-5 nm。激发态原子的寿命越短,吸收线的自然宽度越宽。Io Io 由此表可以看出:T Nj/NoEj Nj/NoT 3000时 Nj/No 10-3 可以忽略EOE1E2多普勒变宽(Doppler broadening;D)由于原子无规则的热运动而引起的变宽,故又称为热变宽D=2 oC2(ln2)KTmKBoltzmann常数光速Cm原子质量若用M(原子量
4、)代替m,则:m=1.660510-24MD=7.16 10-7 oTMT m D Dopple 变宽可达10-3 nm 数量级,是谱线变宽的主要原因 原子吸收仪器结构示意图原子吸收仪器结构示意图空心阴极灯空心阴极灯原子化器原子化器单色仪单色仪检测器检测器原子化系统原子化系统雾化器雾化器样品液样品液废液废液切光器切光器助燃气助燃气燃气燃气 在原子吸收分析中需要使用锐线光源,测量谱线的峰值在原子吸收分析中需要使用锐线光源,测量谱线的峰值吸收,锐线光源需要满足的条件:吸收,锐线光源需要满足的条件:(1)光源的发射线与吸收线的)光源的发射线与吸收线的0一致。一致。(2)发射线的)发射线的1/2小于吸
5、收线的小于吸收线的 1/2。提供提供锐线光源的方法:锐线光源的方法:空心阴极灯空心阴极灯 采用锐线光源进行测量,则ea,由图可见,在辐射线宽度范围内,K可近似认为不变,并近似等于峰值时的吸收系数K0IIA0lg eeIIII 0000d;d eLII 0K-0de将将 I It t=I=I0 0e e-Kvb-Kvb 代入上式:代入上式:eeLIIA 0K-000dedlg则:则:在原子吸收中,谱线变宽主要受多普勒效应影响,则:在原子吸收中,谱线变宽主要受多普勒效应影响,则:eeLIIA 0K-000dedlgLKALKLK0-434.0elge1lg0 fNmceK02D02ln2 002D
6、2ln2434.0kLNfLNmceA 上式的前提条件上式的前提条件:(1 1)e 5000,第一项起支配作用当液体流量大,Qg/QL 5000,第二项起支配作用平均直径均在10-20 m 之间。IO据实验:do 30 m 在火焰中通过 30 mm 才脱溶剂因此应创造条件,产生直径小于10 m 的气溶胶几种类型火焰及温度火焰类型 化学反应 温度(K)3C02+4H2O 2200丙烷-空气 C3H8+5O2氢气-空气 H2+1/2O2H2O 2300乙炔-空气 C2H2+5/2O2丙烷-氧化亚氮 C3H8+5N2O2C02+H2O 26002C02+H2O+5N2 3200火焰的氧化火焰的氧化-
7、还原性还原性火焰的氧化火焰的氧化-还原性与火焰组成有关还原性与火焰组成有关化学计量火焰化学计量火焰贫燃火焰贫燃火焰富燃火焰富燃火焰燃气燃气=助燃气助燃气燃气燃气 助燃气助燃气中性火焰中性火焰氧化性火焰氧化性火焰还原性火焰还原性火焰温度温度 中中温度温度 低低温度温度 高高适于多种元素适于多种元素适于易电离元素适于易电离元素适于难解离氧化物适于难解离氧化物等选择火焰时,还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素等选择火焰时,还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素的共振线,选择不同的火焰,可避开干扰:的共振线,选择不同的火焰,可避开干扰:2、石墨炉电热原子化(1)石墨炉外型原子化过程分为原子化过程
8、分为干燥、灰化干燥、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。常用的非火焰原子化器是管式石墨炉原子化器,管式石常用的非火焰原子化器是管式石墨炉原子化器,管式石墨炉是用墨炉是用石墨管石墨管做成,是将样品用进样器定量注入到石墨管做成,是将样品用进样器定量注入到石墨管中,并以石墨管作为电阻发热体,通电后迅速中,并以石墨管作为电阻发热体,通电后迅速升温升温,使试样,使试样达到原子化的目的。它由加热电源、保护气控制系统和石墨达到原子化的目的。它由加热电源、保护气控制系统和石墨管状炉组成。外电源
9、加于石墨管两端,供给原子化器能量,管状炉组成。外电源加于石墨管两端,供给原子化器能量,电流通过石墨管产生高达电流通过石墨管产生高达30003000的温度,使置于石墨管中被的温度,使置于石墨管中被测元素变为基态原子蒸气。保护气控制系统是控制保护气的,测元素变为基态原子蒸气。保护气控制系统是控制保护气的,仪器启动,保护气仪器启动,保护气ArAr气流通,空烧完毕,切断气流通,空烧完毕,切断ArAr气流。外气气流。外气路中的路中的ArAr气沿石墨管外壁流动,以保护石墨管不被烧蚀,内气沿石墨管外壁流动,以保护石墨管不被烧蚀,内路的路的ArAr气从管两端流向管中心,由管中心孔流出,以有效地气从管两端流向管
10、中心,由管中心孔流出,以有效地除去在干燥和灰化过程中产生的基体蒸气,同时保护已经原除去在干燥和灰化过程中产生的基体蒸气,同时保护已经原子化了的原子不再被子化了的原子不再被氧化氧化。在原子化阶段,停止通气,以延。在原子化阶段,停止通气,以延长原子在吸收区内的平均停留时间,避免对原子蒸气的稀释。长原子在吸收区内的平均停留时间,避免对原子蒸气的稀释。在石墨炉原子化系统中,火焰被置于氩气环境下的电加热石墨管所代替。在石墨炉原子化系统中,火焰被置于氩气环境下的电加热石墨管所代替。氩气可防止石氩气可防止石 墨管在高温状态下迅速氧化并在干燥、灰化阶段将基体组份墨管在高温状态下迅速氧化并在干燥、灰化阶段将基体
11、组份及其它干扰物质从光路中除及其它干扰物质从光路中除 去。少量样品(去。少量样品(1至至70 mL,通常在通常在 20 mL左右)左右)被加入热解涂层石墨管中。石墨管上的热解涂层可有效防止石墨管的氧化,被加入热解涂层石墨管中。石墨管上的热解涂层可有效防止石墨管的氧化,从从 而延长石墨管的使用寿命。同时,涂层也可防止样品侵入石墨管从而提而延长石墨管的使用寿命。同时,涂层也可防止样品侵入石墨管从而提高灵敏度和重复高灵敏度和重复 性。性。石墨管被电流加热,电流的大小由可编程控制电路控石墨管被电流加热,电流的大小由可编程控制电路控制,从而在加热过程中可按制,从而在加热过程中可按 一系列升温步骤对石墨管
12、中的样品进行加热,一系列升温步骤对石墨管中的样品进行加热,达到除去溶剂和大多数基体组份然后将样达到除去溶剂和大多数基体组份然后将样 品原子化产生基态自由原子。分品原子化产生基态自由原子。分子的分解情况取决于原子化温度、加热速率及热石墨管子的分解情况取决于原子化温度、加热速率及热石墨管 管壁周围环境等因管壁周围环境等因素。素。石墨管中的样品得以完全原子化,并在光路中滞留较长时间(相对火焰石墨管中的样品得以完全原子化,并在光路中滞留较长时间(相对火焰法而言)。因而法而言)。因而 该方法可是灵敏度大大提高,使检出限降低到该方法可是灵敏度大大提高,使检出限降低到ppb级。主要级。主要原因是在测量时,溶
13、剂不复存在,也没有火焰原子化系统那样,样品被气体原因是在测量时,溶剂不复存在,也没有火焰原子化系统那样,样品被气体稀释的情况出现。虽然基态自由原子仍然稀释的情况出现。虽然基态自由原子仍然 会被干扰,但却呈现出与火焰原会被干扰,但却呈现出与火焰原子化系统所不同的特性。通过正确地选择分析条件、化子化系统所不同的特性。通过正确地选择分析条件、化 学基体改进剂更易学基体改进剂更易于控制石墨炉原子化过程。由于采用石墨炉技术可对众多基体类型的于控制石墨炉原子化过程。由于采用石墨炉技术可对众多基体类型的 样品样品进行直接分析,从而可减少样品制备过程所带来的误差。同时,石墨炉技术进行直接分析,从而可减少样品制
14、备过程所带来的误差。同时,石墨炉技术可实现可实现 无人监管全自动分析。无人监管全自动分析。石墨炉的优点是:试样原子化效率高,不被稀释,原子在试样原子化效率高,不被稀释,原子在吸收区域平均停留时间长,灵敏度比火焰法高。石墨炉加吸收区域平均停留时间长,灵敏度比火焰法高。石墨炉加热后,由于有大量碳存在,还原气氛强;石墨炉的温度可热后,由于有大量碳存在,还原气氛强;石墨炉的温度可调,如有低温蒸发干扰元素,可以在原子化温度前分馏除调,如有低温蒸发干扰元素,可以在原子化温度前分馏除去。样品用量少,并且可以直接固体进样。原子化温度可去。样品用量少,并且可以直接固体进样。原子化温度可以自由调节,因此可以根据元
15、素的原子化温度不同,选择以自由调节,因此可以根据元素的原子化温度不同,选择控制温度。控制温度。石墨炉的缺点是:装置复杂。样品基体蒸发时,可能造成装置复杂。样品基体蒸发时,可能造成较大的分子吸收,石墨管本身的氧化也会产生分子吸收,较大的分子吸收,石墨管本身的氧化也会产生分子吸收,石墨管等固体粒子还会使光散射,背景吸收大,要使用背石墨管等固体粒子还会使光散射,背景吸收大,要使用背景校正器校正。管壁能辐射较强的连续光,噪声大。因为景校正器校正。管壁能辐射较强的连续光,噪声大。因为石墨管本身的温度不均匀,所以要严格控制加入样品的位石墨管本身的温度不均匀,所以要严格控制加入样品的位置,否则测定重现性不好
16、,精度差。置,否则测定重现性不好,精度差。平台的作用是推迟样品原子化的时间,使原子化在石墨管达到稳定高温状态时发生。其 好处是在较高温度下,可减少干扰及背景。热解平台是一片固体热解涂层石墨,中央有一可盛40mL样品的凹槽。平台可安装在石墨管中。石墨管与平台只在平台边沿部分与石墨管管壁保持最少的接触点。但平台的使用有一定局限性,一是最大进样量只能到40mL;再者,平台的安装,略微降低了光通量因此需要仔细调整石墨炉炉体的位置,尽量是光通量最大;编程时温度需 略微高一些,同时所得结果的托尾现象也较严重。因此,在管壁法能满足要求时应尽量 采用管壁法。无涂层管无涂层管热解涂层热解涂层涂层平台涂层平台石墨
17、炉特性:(1)自由原子在吸收区停留时间长,达火焰的103倍(2)原子化在Ar气气氛中进行,有利于氧化物分解(3)原子化效率高,检出限比火焰低(4)样品量小缺点:基体干扰管壁的时间不等温性管内的空间不等温性实现等温原子化的措施:(1)采用里沃夫平台AtomizeAshDryTimeProtective Sheath GasPyrolytic Graphite Coating水冷水冷气体出口气体出口光路光路密封的石英窗密封的石英窗惰性气体惰性气体密封密封(2)提高升温速率石墨炉原子化采用程序升温过程程序干燥灰化原子化清除温度稍高于沸点800度左右2500度左右高于原子化温度200度左右目的除去溶剂
18、除去易挥发测量清除残留物基体有机物Tt干燥灰化原子化清除石墨炉程序通常有下列三个步骤:石墨炉程序通常有下列三个步骤:干燥:干燥:当样品被注入到石墨管中后,石墨管被升温至溶剂的沸点附当样品被注入到石墨管中后,石墨管被升温至溶剂的沸点附近(略低于沸点通常为近(略低于沸点通常为 8080 200oC200oC)。溶剂被蒸发,样品)。溶剂被蒸发,样品在石墨管管壁(或平台)表面形成一固体薄膜。在石墨管管壁(或平台)表面形成一固体薄膜。灰化:灰化:在该步骤中,温度升到一定温度,尽可能多地除掉基在该步骤中,温度升到一定温度,尽可能多地除掉基 体物体物质,同时不能使被分析元质,同时不能使被分析元 素受到损失。
19、灰化素受到损失。灰化 温度通常在温度通常在350-1600oC350-1600oC。灰化阶段,固体物质被分解,使被分析元素。灰化阶段,固体物质被分解,使被分析元素成为难熔组份,如氧化物。成为难熔组份,如氧化物。原子化:原子化:第三步是原子化阶段,温度从灰化温度迅速升到原子化高温第三步是原子化阶段,温度从灰化温度迅速升到原子化高温状态,使灰化阶段所剩下的物质分解、蒸发,形成自由原子状态,使灰化阶段所剩下的物质分解、蒸发,形成自由原子基态云,出现在光路中。原子化温度的高低,取决于被基态云,出现在光路中。原子化温度的高低,取决于被 分分析元素的挥发性,通常在析元素的挥发性,通常在1800oC1800
20、oC(钙)到(钙)到3000oC3000oC(硼)之间。(硼)之间。石墨炉升温程序中干燥阶段的参数设置是否合理,对是石墨炉升温程序中干燥阶段的参数设置是否合理,对是否能够得到最佳分析信号及最好精度,是至关重要的。在分否能够得到最佳分析信号及最好精度,是至关重要的。在分析过程中,对不同特性的样品,可能需要通过试验观察不同析过程中,对不同特性的样品,可能需要通过试验观察不同干燥时间及温度下所得结果,来找到最佳参数。样品必须恒干燥时间及温度下所得结果,来找到最佳参数。样品必须恒定地沉积在热解石墨管或石墨管平台上,得以充分干燥而又定地沉积在热解石墨管或石墨管平台上,得以充分干燥而又不损失或浸入石墨管的
21、石墨层内,因此作为方法研究的一个不损失或浸入石墨管的石墨层内,因此作为方法研究的一个重要环节就是观察样品的干燥情况,以正确地设置干燥参数。重要环节就是观察样品的干燥情况,以正确地设置干燥参数。采用石墨炉方法分析样品比用火焰法要花费更长时间,采用石墨炉方法分析样品比用火焰法要花费更长时间,且所能分析的元素数量也较火焰法少。但由于且所能分析的元素数量也较火焰法少。但由于石墨炉法可大大提高元素分析的灵敏度,因而应用领域广泛。提高升温速率程序干燥灰化原子化 清除温度稍高于沸点800度左右2500度左右高于原子化温 度200度左右目的除去溶剂除去易挥发 测量清除残留物基体有机物石墨炉原子化采用程序升温过
22、程T干燥灰化原子化净化t(4)石墨炉原子化过程温度的选择 干燥温度的选择:应在稍低于溶剂沸点的温度下进行,以防止试样飞溅.一般在105 125的条件下进行。灰化温度的选择:在保证被测元素没有明显损失的前提 下,将试样加热到尽可能的高温。原子化温度的选择:应选择吸收信号最大时的最低温 度,并停止载气通过,降低基态原子逸出的速度,提高 基态原子在石墨管中的停留时间和密度,有利于提高分 析方法的灵敏度和检出限。净化温度的选择:使试样中所有物质完成清除的最低温 度。AsO33-+BH4-+H+AsH3AsH3+_ 1.1.作用作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。2.2.组件组件 色散元件(棱镜、光栅
23、),凹凸镜、狭缝等。3.3.单色器性能参数单色器性能参数 (1)线色散率()线色散率(D)两条谱线间的距离与波长差的比值X/。实际工作中常用其倒数/X (2)分辨率)分辨率 仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值/表示。(3)通带宽度()通带宽度(W)指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围。当倒色散率(D)一定时,可通过选择狭缝宽度(S)来确定:W=DS1.600 nm0.507 nm要 求能分辨开 Ni 三线Ni 230.003 nmNi 231.603 nmNi 231.096 nm或能分辨Mn的两条谱线 Mn 279.5 nm Mn 279.8 nm0.
24、3 nm且两谱线间波谷能量值应小于40%入射狭缝(带宽)准直镜准直镜光栅出口狭缝主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。1.1.检测器检测器-将单色器分出的光信号转变成电信号。如:光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。分光后的光照射到光敏阴极K上,轰击出的 光电 子又射向光敏阴极1,轰击出更多的光电子,依次倍增,在最后放出的光电子 比最初多到106倍以上,最大电流可达 10A,电流经负载电阻转变为电压信号送入放大器。关键性难题关键性难题 通常光栅可分开0.1 nm,要分开0.01 nm 的两束光需要很昂贵的光栅;要分开两束波长相差0.0001 nm 的光,目前技术上 仍难以实现;此外,
25、即使光栅满足了要求,分出的光也太弱,难以用于实际测量。0.0001 nm 峰值吸收系数:峰值吸收系数:当使用锐线光源时,可用当使用锐线光源时,可用K K0 0代替代替K Kv v,则:,则:A=k N0 b N0 Nc(N0激发态原子数,激发态原子数,N基态原子数,基态原子数,c 待测元素浓度)待测元素浓度)所以:所以:A=lg(IO/I)=K cbfNmcevbKIIAD 02002ln2434.0434.0lgbKteII 0fNmcevKD 0202ln2434.0 配制一组合适的配制一组合适的标准样品,在最佳标准样品,在最佳测定条件下,由低测定条件下,由低浓度到高浓度依次浓度到高浓度依
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