火焰原子吸收光谱法测定铜含量

火焰原子吸收光谱法测定铜含量

一、实验目的

1、掌握原子吸收光谱法的基本原理；

2、了解原子吸收分光光度计的主要结构及工作原理；

3、掌握用火焰法定量测定元素含量的方法

二、实验仪器

TAS-986原子吸收分光光度计计算机及其软件

铜标准液容量瓶取液枪烧杯等

该仪器主要包括：微型计算机和原子吸收分光光度计主机。主机是由光源、原子化系统、分光系统和检测系统组成，其内部结构如图1所示。仪器可分别实现火焰法测量和石墨炉法测量。由于两种测量方式有区别，因此在实验内容中详细介绍。

图1 原子吸收分光光度计主机内部结构图

各部分的主要功能：

（1）空心阴极灯：发射待测元素的特征光谱。

（2）原子化系统：提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。

（3）分光系统：将待测元素的共振线与邻近谱线分开。

（4）检测系统：包括光电元件和记录系统，前者可用光电倍增管将光信号转变为电信号，后者可用检流计和记录仪来进行记录，再利用电脑直接进行数据处理。

三、实验原理

1、基本原理

利用空心阴极元素灯光源发出的特征辐射光，为火焰原子化器产生的样品蒸气中的待测元素基态原子所吸收，通过测定特征辐射光被吸收的大小，来计算出待测元素的含量。

当有辐射通过自由原子（如镁、铜原子）蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。（如镁原子吸收

327

8.

324和的光），能量与频率的关系为：

nm4.

285和，铜原子吸收nm

nm6.

279

2.

nm

λc

h hv E ==? （1）

共振吸收线：电子从基态跃迁到能量最低的激发态（第一激发态）为共振跃迁,所产生的谱线。共振发射线：当电子从第一激发态跃迁到基态时,则发射出同样频率的谱线（如图2所示）特征谱线：各种元素的原子结构和外层电子排布不同,不同元素的原子从基态?第一激发态时,吸收和发射的能量不同,其共振线不同,各有其特征性。

图2 原子能级跃迁图 图3 原子蒸气吸收图

在原子蒸气中（包括被测元素原子），可能会有基态与激发态存在。根据热力学的原理，在一定温度下达到热平衡时，基态与激发态的原子数的比例遵循Boltzman 分布定律。 )/ex p(00kT E g g N N i i i -= （2）

i N 与0N 分别为激发态与基态的原子数；0g g i 为激发态与基态的统计权重，它表示能级的简并度；T 为热力学温度；k 为Boltzman 常数；i E 为激发能。

从上式可知，温度越高，0N N i 值越大，即激发态原子数随温度升高而增加，而且按指数关系变化；在相同的温度条件下，激发能越小，吸收线波长越长，0N N i 值越大。尽管如此变化，但是在原子吸收光谱中，原子化温度一般小于3000K ，大多数元素的最强共振

线都低于600 nm ，0N N i 值绝大部分在310-以下，激发态和基态原子数之比小于千分之

一，激发态原子数可以忽略。因此。在通常的原子吸收测定条件下，原子蒸气中基态原子数近似等于总原子数。基态原子数O N 可以近似等于总原子数N 。

若将入射强度为0I 的不同频率的光通过原子蒸气，吸收后其透过光的强度I 与原子蒸汽的厚度L 的关系，服从朗伯定律，如图3所示。

L K v e I I -=0 （3）

其中v K 为基态原子对频率为v 的光的吸收系数。L 为吸收层厚度。

由于物质对不同频率的入射光的吸收具有选择性，因而透过光的强度I 将随着入射光的频率而变化其中表明原子蒸气在0v 处有吸收(如图4-a 所示)。若将吸收系数对频率作图，所得曲线为吸收线轮廓（如图4-b 所示）。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率（或中心波长）和半宽度表征。中心频率由原子能级决定。半宽度是中心频率位置，吸收系数极大 值一半处，谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。

图4 吸收轮廓线

2、吸收系数的测定

（1）积分吸收

在吸收线轮廓内，吸收系数的积分称为积分吸收系数，简称为积分吸收，它表示吸收的全部能量。从理论上可以得出，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为： ?=mc

f N e dv K v 02π （4） 其中：e 为电子电荷；m 为电子质量；c 为光速； 0N 为单位体积的基态原子数；f 振子强度，即能被入射辐射激发的每个原子的平均电子数（一定条件下，一定元素，可看作是定值）。这是原子吸收光谱分析法的重要理论依据。若能测定积分吸收，则可求出原子浓度。但是，测定谱线宽度仅为nm 3

10-的积分吸收，需要分辨率非常高的色散仪器。

（2）峰值吸收

目前，一般采用测量峰值吸收系数的方法代替测量积分吸收系数的方法。如果采用发射线半宽度比吸收线半宽度小得多的锐线光源，并且发射线的中心与吸收线中心一致，如图5所示。这样就不需要用高分辨率的单色器，而只要将其与其它谱线分离，就能测出峰值吸收系数。在一般原子吸收测量条件下，原子吸收轮廓取决于Doppler 宽度D v ?（由于原子在空间作做无规则的热运动产生多普勒效应而引起的，又称热变宽）。 r

D A T v v 0710162.7-?=? (5) 0v - 谱线中心频率； T - 热力学温度；r A -相对原子质量

通过运算可得峰值吸收系数：

f N mc

e v K D 02

02ln 2??=π （6） 可以看出，峰值吸收系数与原子浓度成正比，只要能测出0K 就可得出0N 。

图5 发射线与吸收线 图6 校准曲线图

（3）锐线光源

锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源，如空心阴极灯。在使用锐线光源时，光源发射线半宽度很小，并且发射线与吸收线的中心频率一致。这时发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形，即峰值吸收系数v K 在此轮廓内不随频率而改变，吸收只限于发射线轮廓内。这样，一定的0K 即可测出一定的原子浓度。

利用峰值吸收系数来代替积分吸收系数的条件：a 、光谱源发射线的中心频率与吸收线中心频率一致（波长应是待测元素的特征谱线）；b 、发射谱线的半宽度必须比吸收线的半宽度小得多（光源应发出锐线光谱）。

在实际测量过程中，有一个非常重要的参量为吸光度，用A 表示：

L KN L K I I A v

0004343.0lg === （7） 在实际分析过程中，当实验条件一定时，0N 正比于待测元素的浓度。

3、分析方法—校准曲线法

配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，在与试样测定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸光度值。绘制吸光度对浓度的校准曲线（如图6所示）。测定试样的吸光度，在校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。

四、实验内容（以铜元素的测定为例）

1、确定待测样品需要检测的元素（铜元素），配制铜元素的标准溶液，准备相应元素灯。

2、检查乙炔气瓶是否能够维持正常使用，打开水路，条件不齐备测试不能继续进行。

3、仪器初始化

开启计算机，使计算机进入Windows 操作系统，双击桌面上AAWin 图标，启动仪器分析测试程序。此时计算机进入以下界面（如图7所示），接下来，将弹出进行模式对话框，如图9所示，在运行模式下拉框中选择联机，点击确定按钮，仪器进入初始化阶段……

图7 开启界面 图8 初始化界面

A

I ν 0 ν

初始化成功的标记为“√”，否则标记为“×”，如果有一项失败，则系统的初始化没有成功。

3、选择元素灯

初始化成功后，系统将出现元素灯选择窗口，此窗口提供对元素灯及元素相关参数的设置。通过以下界面（如图9所示）选择工作灯的位置及类型。

图9 元素灯选择界面

4、元素参数的设定（默认的测量方式为火焰法）

元素选择完毕后，将出现元素参数设定界面（如图10所示），调整完毕后，点击“下一步”，将会对参数进行调整，然后再对选定元素灯的特征波长进行寻峰操作，在下拉菜单中选择元素的特征波长，单击“寻峰”，即可进入寻峰画面（如图11），

图10 元素参数设定界面图11 寻峰画面

完成寻峰后，即进入系统测试状态（如图12所示）。

5、样品参数设定

选择主菜单“设置”→“样品设置向导”（或单击工具按钮“”），即可打开样品设置向导，依次点击“下一步”分别对样品进行设置（如图13）。

图12 系统测试界面图13 样品设置界面

6、火焰法测量

（1）选择主菜单“仪器”→“点火”（或单击工具按钮“”）将火焰点燃。

（2）选择主菜单“测量”→“开始”（或单击工具按钮“”）即可打开测量窗口，测量

谱图中将开始绘制测量曲线。

（4）单击测量窗口“开始”按钮进行采样。（在测量参数中可以设置测量方式→手动或自动）。

依次对标准样品和未知样品进行采样，样品与样品之间喷入空白样品，单击“校零”按钮进行校零。采样结束后，系统回将测量结果显示在测量窗口中，并在第三次重复采样时，开始显示SD和RSD值。测量窗口中除了显示吸光度外，还显示“AA”值与“BG”(背景)值，同时在测量谱图中出现AA曲线和吸光度曲线。

（5）当完成了全部样品的测量，即可关闭测量窗口。如需要保存测量结果，可单击主菜单“文件”→“保存”（或单击工具按钮“”）即可。如需要打印测量数据，可单击“文

件”→“打印数据”或单击工具按钮“”即可。

3、石墨炉法测量（选作）

（1）初始化过程及参数设定过程完成后，点击主菜单“仪器”→“测量方法”，在出现的对话框中选择“石墨炉”即可，系统将自动完成从“火焰法”向“石墨炉”的转换。（注意：在转换之前，应将隔板拿开，以免损坏石墨炉。）

（2）如果是第一次测量，需要对加热程序进行设置。（包括对温度—保持时间—原子化器参数—内气流量）完成后点击“确定”。

（3）选择主菜单“测量”→“开始”，系统将进入测量窗口。

（4）用微量进样器将样品准确加入到石墨管中，单击“开始”，系统开始对石墨炉加热。此时测量曲线出现在谱图中，并在测量窗口中显示当前的石墨炉温度、加热步以及单步的倒计时。

（5）测量完毕后，将弹出冷却倒计时窗口，显示石墨炉冷却时间。此时，不能进行其它操作，必须等到冷却结束，才可继续测量。

4、关闭系统

依次选择主菜单“文件”→“退出”，将AAWin系统关闭，在关闭之前，系统将弹出提示，请严格按照正确的关机顺序进行系统的关闭。关闭软件后，请立即将仪器关闭，并将相应的水、气及电路关闭，防止出现意外。

思考题：

1、原子吸收分光光度计测定不同元素时，对光源有什么要求？

2、试样原子化的方法有哪几种？

3、如果标准样品配制不准确，对测量结果有何影响？应如何判断标准溶液配制是否准确？