《生物仪器分析》课程教学课件（讲稿）原子光谱 Atomic Emission Spectroscopy

2019/3/2 第三章原子发射光漾法ES Atomic Emission Spectroscopy AES:无素的原子在变到电成时，南海联迁到业成 能量 谦发态 特征射 天胜特进uam

2019/3/2 1 山东理工大学 生命科学学院 第三章 原子发射光谱法(AES) Atomic Emission Spectroscopy 山东理工大学 生命科学学院 AES:元素的原子在受到热或电激发时，由基态跃迁到激发态， 返回到基态时，发射出特征光谱，依据所发射的光谱的波长和 强度可以进行元素的定性与定量分析。 特征辐射 基态 激发态 能量 山东理工大学 生命科学学院 燃烧头 棱镜 白卡 将盐放在金属丝上 并放入火焰中 透镜 发射线 因此发现了Rb 和Cs 山东理工大学 生命科学学院 原子发射光谱分析的优缺点 优点： 1、具有多元素同时分析能力，既可进行定性、也可进行定 量分析 2、具有较高的灵敏度和选择性（ng/ml-pg/ml） 3、准确度高 4、试样用量少（毫克） 应用范围： 血液，中草药，茶叶微量元素的分析 缺点： 不适于部分非金属元素如卤素、惰性气体元素等的分析； 只能测元素浓度，不能测元素存在形态

2019/3/2 相关术语 相关术语 景发电位《绿发能} 主属：子由一发到基态的迁，能士小，易发 以级社中术层也中化清所害美格影更，象有化客品， 原子概【)：通子植外液发态电子莱过阳盖志所发射由的泽载， M◆+MI 离子属（Ⅱ皿：透子核外表发态电子联迁国基毒所发射由的清视 日 谱线强度及其影响因素 谱线强度及其影响因素 原子由某一谦发态ī向盖态氏迁，发射请幽褒度 如=点4ue品 激度电位 样品滚广 ·,为徽发态和落态的线计权重 ,人两个能的跃迁几率 ·为mak常重，发封谱检的颜率 八，单位体积的蓄春原子最，E为请换的散发电位 以为我尔装曼常最T为澈发的结对温度

2019/3/2 2 山东理工大学 生命科学学院 激发电位（激发能）: 原子中某一外层电子由基态激发到高能态所需要的能量， 称该高能态为激发电位，eV表示 电离电位（电离能）: 把原子中外层电子电离所需要的能量，称为电离电位， 以eV表示 原子线(Ⅰ) ：原子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。 M * ® M I 离子线(Ⅱ,Ⅲ) ：离子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。 M+ * ® M+ Ⅱ M2+* ® M2+ Ⅲ 相关术语 山东理工大学 生命科学学院 • 主共振线：原子由第一激发态到基态的跃迁，能量最小，易发生 • 灵敏线：具有一定强度能标记某种元素存在的特征谱线 • 最后线：当被测某元素含量降低到最低限度时，仍能坚持出 现的最后一条谱线（最灵敏线） 最强的谱线通常是？ 相关术语 E2 E0 E1 E3 山东理工大学 生命科学学院 原子由某一激发态 i 向基态 j 跃迁，发射谱线强度： • gi，gj为激发态和基态的统计权重； • Aij两个能级间的跃迁几率； • h为Plank常数；nij发射谱线的频率 •N0 单位体积的基态原子数；Ei为谱线的激发电位 •k为玻尔兹曼常数；T为激发的绝对温度 kT E ij j i A h N e g g I - = × × × × × ij 0 i ij n 谱线强度及其影响因素 山东理工大学 生命科学学院 kT E ij j i A h N e g g I - = × × × × × ij 0 i ij n 谱线强度及其影响因素 激发电位 激发温度 样品浓度 M*－hv

2019/3/2 原子发封光谱仪 高吴 业发源 裹发源 装 电惑合等离子体(CP 00380 李链业道出青道业峰比有道业击 立业刻横工指年 比电能10000（) 理场和速普高于。 60008000 应产高热】

2019/3/2 3 山东理工大学 生命科学学院 激发源 单色器 检测器 原子发射光谱仪 蒸发、解离、 原子化、激发、 跃迁产生光辐 射的作用 分光 按照波长顺序 排列的光谱 发射光谱进行 检测记录 山东理工大学 生命科学学院 原子发射光谱仪 激发源： 高灵敏度和低检出限 工作过程中比较稳定 无背景或背景较小 火焰 电弧 ICP 高压火花 山东理工大学 生命科学学院 电感耦合等离子体（ICP） Plasma 物理学：电离度大于0.1％的气体。（等离 子体由离子、电子和不带电的粒子组成的电 中性的、高度离子化的气体，它是与固体、 液体和正常气体相区别的一种物质状态） 点火引燃工作气， 磁场加速等离子， 感应涡流产高热， 气体受热成焰炬。 山东理工大学 生命科学学院 光源 蒸发温度/K 激发温度/K 应用范围 火焰 低 1000～5000 直流电弧 800～3800 4000～7000 矿物、难挥发元素定 量分析 交流电弧 比直流电弧低 比直流电弧略高 低含量组分定量分析 火花 比交流电弧低 10000（瞬间） 金属，合金，难激发 元素定量分析 ICP 很高 6000～8000 溶液

2019/3/2 原子发射光横仪 原子发射光谱仪 金九果能：德婆轻持备代定有不网流天价1合光会杯店 检测器：目视法、颜潘法、光电清 、被佛分光系统（新射）、光播分光系续（衍射和干涉， 映清仅 光电倍增管 光谱定性和定道分析 光增定性和定置分析 11○ 11111t○ 四家的内*千老 波长标尺 标准品光薄比酸选 心用标准样品与议拼在湘同的条件下凝清 戴可以证失议群中合有试元本

2019/3/2 4 山东理工大学 生命科学学院 原子发射光谱仪 分光系统： a、棱镜分光系统（折射） b、光栅分光系统（衍射和干涉） 入射狭缝 准直镜 物镜 棱镜 焦面 出射狭缝 f 光栅常数d N θ φ 由激发光源发出的含有不同波长的复合光分解成 按波长排列的单色光 山东理工大学 生命科学学院 检测器： 目视法、 摄谱法、 光电法 看谱镜 感光板记录 光谱，得到 黑度不同的 光谱线。 映谱仪 光电倍增管 光信号转变 为电信号， 并进行放大 原子发射光谱仪 山东理工大学 生命科学学院 光谱定性和定量分析 摄谱法 标准样品光谱比较法 v用标准样品与试样在相同的条件下摄谱 v比较标准样品与试样所出现的特征谱线 v若试样光谱中出现标准样品所含元素的2~3条特征谱线 就可以证实试样中含有该元素 山东理工大学 生命科学学院 铁光谱比较法 光谱定性和定量分析 ① 谱线多 在210- 660nm范围内有几千条谱线。 波长标尺 ② 每条谱线的波长均已精确测定 元素标准光谱图

2019/3/2 光定性和定量分析 光定性和定分析 内标法相对强度 I-ac 1-ad 清为样红成、形尚是设电奉件等的到响，在实脸中膜保 R=1/L,=1 仁a心为餐发R- Ac IgR=blgc+lg4 光请定性和定量分析 光定性和定分析 使用内标法必领头备下列件 工作南战法：三标准沈秤法 品内标元豪与被测元素在光源作厕下应有相近的蕉发性质 分对将要惠：或两条都无原子，或两泰都天 离于能，尽量免一条是原于」 内元的应不随元素的量变免西变 台分新钱自暖要小，不受其他清钱千花 Le- 品分新慨对的藏长、强度成亮度也尽量换远

2019/3/2 5 山东理工大学 生命科学学院 光谱定性和定量分析 光谱定量分析主要是根据谱线强度与被测元素浓度的关 系来进行的。当温度一定时谱线强度I与被测元素浓度c 成正比，即 I = a c I = acb a值受试样组成、形态及放电条件等的影响，在实验中很难保 持为常数 自吸 山东理工大学 生命科学学院 内标法(相对强度法) 光谱定性和定量分析 在分析元素的谱线中选一根谱线，称为分析线；再在共存 的其他元素谱线中选一根谱线，作为内标线。这两条线组 成分析线对。然后根据分析线对的相对强度与被分析元素 含量的关系式进行定量分析。 设分析线强度I，内标线强度I0，被测元素浓度与内标元素浓 度分别为c和c0 (定值) ，b和b0 (1)分别为分析线和内标线的自 吸系数 I = a cb I0 = a0 c0 bo R = I / I0 = a cb / a0 c0 b0 A= a/ a0 c0 b0为常数 b Ac I I R = = 0 lg R = b lg c + lg A 山东理工大学 生命科学学院 内标元素与被测元素在光源作用下应有相近的蒸发性质。 分析线对选择要匹配：或两条都是原子线，或两条都是 离子线，尽量避免一条是原子线、一条是离子线。 内标元素的含量，应不随分析元素的含量变化而变化 分析线自吸要小,不受其他谱线干扰 分析线对的波长、强度及宽度也尽量接近 使用内标法必须具备下列条件 光谱定性和定量分析 山东理工大学 生命科学学院 log I log C 工作曲线法：三标准试样法 光谱定性和定量分析

2019/3/2 光请定性和定量分析 原子荧光分析(AFS) 春准加入法： 热蓝激发 测定低合亚元素叶，我不到合适的基体来配制标准汉样 设中测元量为C、 无质表发离贺贤， 在静小草路速基电合制血入不 同浓度C、C、G.的枚测 E 无素：在网一类脸泰件下，业 H-0 发光潘，测定强度 E。 就线 第四章原子吸收光谦法AS 发态 6

2019/3/2 6 山东理工大学 生命科学学院 光谱定性和定量分析 标准加入法： 测定低含量元素时，找不到合适的基体来配制标准试样 设试样中被测元素含量为Cx ， 在数个等份试样中分别加入不 同浓度C1、C2 、C3 ¼的被测 元素；在同一实验条件下，激 发光谱，测定强度 山东理工大学 生命科学学院 原子荧光分析（AFS） 热致激发 光致激发（空心阴极灯， 高压氙灯） E2 E0 E1 E3 共振 荧光 非共振 荧光 山东理工大学 生命科学学院 第四章 原子吸收光谱法(AAS) AAS：基于从光源辐射出待测元素的特征谱线，通过试 样蒸气时被待测元素的基态原子吸收，由特征谱线被 减弱的程度来测定试样中待测元素含量的方法。 灯源 燃烧器 棱镜 将盐放在金属丝上 白色卡片 并放入火焰中 透镜 透镜 暗线 山东理工大学 生命科学学院 基态 激发态 吸收能量 外层 电子 放出能量

2019/3/2 原子吸收光谱的特点 原子吸收线 心普神少 ◆分析惠度快 9架 预期佳 :种轻须平 不能多种元素同时测定 △v*克度

2019/3/2 7 山东理工大学 生命科学学院 Ba Na K 吸收线 发射线 l 元素定性分析 190 nm 900 nm Cu 山东理工大学 生命科学学院 能量跃迁 Eo E2 E3 E1 l3 l2 l1 l4 l1 l2 l3 l4 共振吸收线：原子外层电子从 基态跃迁至第一激发态所吸收 的一定波长的谱线 山东理工大学 生命科学学院 v灵敏度高 v选择性好 v精密度和准确度高 v测定元素多 v需样量少 v分析速度快 不能多种元素同时测定 原子吸收光谱的特点 山东理工大学 生命科学学院 预期值 n0：特征频率 实际情况 △n 半宽度 原子吸收谱线

2019/3/2 原子吸收谱线 原子吸收谱线的测量 设8 (1)积分吸收 在夏收南域的轮内，对城收系的积分。 (②)多普勒变宽热变)√ ∫,和2 原于无视则的格运骑产生， (3)压力（壹撞）变宽 原子与外幕气体分子阿的相互作用引起的。 些你马免变宽：将测原子之和还 锅 回+taa*a】 为空心例教灯， 是可应 A=KC

2019/3/2 8 山东理工大学 生命科学学院 原子吸收谱线 （1）自然宽度 10-4 nm 原子发生能级间跃迁时，激发态原子 寿命不一样而产生。 (2)多普勒变宽(热变宽) 原子无规则的热运动产生。 (3)压力（碰撞）变宽 原子与外界气体分子间的相互作用引起的。 劳伦兹变宽：待测原子与其他粒子相互碰撞。 赫尔兹马克变宽：待测原子之间相互碰撞。 √ √ 山东理工大学 生命科学学院 原子吸收谱线的测量 （1） 积分吸收 在吸收曲线的轮廓内，对吸收系数的积分。 N f mc e K dv v 0 2 p = ò 山东理工大学 生命科学学院 原子吸收谱线的测量 （2） 峰值吸收 锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源 （1/5~1/10），并且发射线与吸收线的中心频率一致。 如空心阴极灯。 A = K¢C 山东理工大学 生命科学学院 原子吸收分光光度计 原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光器、 检测系统等几部分组成

2019/3/2 原子吸收分光光度计 脱光源■ 2)工作原理： 原子吸收分光光度计 原子化器 将样品中的待测组份转化为盖态原子的装重。 表支漫 单色器 :(徽我态原刊 回画盟 、儿该发 点 可 锐线光源■ r信)，e

2019/3/2 9 山东理工大学 生命科学学院 原子吸收分光光度计 锐线光 源 1. 作用：发射被测元素的特征光谱。 2. 种类：空心阴极灯、无极放电灯、蒸气放电灯。 1)结构 阳极：钨或镍棒 阴极：待测元素金属 内充低压惰性气体 2)工作原理： 山东理工大学 生命科学学院 棱镜 白卡 透镜 发射线 灯源 棱镜 白色卡片 透镜 透镜 暗线 山东理工大学 生命科学学院 激发源 单色器 检测器 锐线光 源 山东理工大学 生命科学学院 原子化器 原子吸收分光光度计 将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。 MX（试样） 气化 MX（气态） 原子化 M（基态原子）+ X （气态） M*（激发态原子） 激发 离子化 M+（离子）+ e

2019/3/2 原子吸收分光光度计 N ◆取样量少，的直接分析液体和圆体样品 -乙换大墙：火湿度达3000K 原子吸收分光光度计 原子吸收分光光度出 氢化物原子化方法化学原子化 单色器☐ 将待测元素的共掉慢与郁近概分开 检测系统 Pb、S、等无素 冷原子化法：Hg 10

2019/3/2 10 山东理工大学 生命科学学院 主要有火焰原子化、石墨炉原子化和低温原子化 空气——乙炔火焰：火焰温度达2500K； N2O——乙炔火焰：火焰温度达3000K； 原子吸收分光光度计 山东理工大学 生命科学学院 试样入口 ～ 石墨管 试样 原子化效率高 灵敏度高 取样量少，能直接分析液体和固体样品 原子吸收分光光度计 山东理工大学 生命科学学院 氢化物原子化方法(化学原子化) 原理：在酸性介质中，与强还原剂NaBH4反应生成易解 离的气态氢化物，送入原子化器中检测。 原子化温度700~900 ゜C ； 主要应用于：As、Sb、Bi、 Ge 、 Sn、 Pb、 Se、Ti等元素。 原子吸收分光光度计 冷原子化法：Hg 山东理工大学 生命科学学院 单色器 将待测元素的共振线与邻近线分开 检测系统 原子吸收分光光度计