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原子吸收知识
原子吸收分光光度法知识
1、原子吸收分光光度法的原理
1.1为什么原子吸收光
原子吸收光谱法利用原子对固有波长光的吸收进行测定。
所有的原子可分类成具有低能量和高能量的。
具有低能量的状态称为基态而具有高能量的状态称为激发态。
处于基态的原子吸收外部能量，变成激发态。
例如，钠主要有两种具有较高能量的激发态，分别比基态原子高2.2eV和3.6eV，如图1.1.（eV是能量的计量单位,称为“电子伏特”）当2.2eV能量给于处于基态的钠原子，原子将移动到激发态（I）；当3.6eV能量给予基态，原子将移动到激发态（II）。
给予的能量以光的形式，2.2eV和3.6eV分别相当于589.9nm和330.3nm波长光的能量。
对于钠基态原子而言，只吸收这些波长的光，而不吸收其他波长的光。
图1.1钠的能级
基态和激发态能量的差取决于元素和吸收光的波长。
原子吸收光谱法使用空心阴极灯（HCL）。
HCL给出被测定元素的特征波长的光。
根据光吸收从而测定原子密度。
1.2光吸收率和原子密度之间的关系
当一定强度的光给予许多处于基态的原子时，部分的光被原子吸收。
原子密度决定吸收率。
图1.2原子吸收的原理
如图1.2.，当强度Io的光照射到密度为C的原子蒸气上，蒸气的长度是1，光经过原子蒸气以后强度减弱为I。
I和Io之间具有下列关系：
（k：
比例常数）或
上述关系式称为Lambert-Beer定律，值为吸收。
上述公式表明吸收正比于原子密度。
例如，当1，2和3ppm样品的吸收测定后，以浓度和吸收作图，得到如图1.3.的直线，以图象表示的吸收和浓度的关系称为校准曲线。
当一个未知样品的吸收得到后，其浓度就可如图所示求得。
图1.3校准曲线
1.3样品原子化的方法
上述原理可应用到自由原子对光的吸收。
“自由原子”意味着没有和其他原子结合的原子。
然而，样品中要分析的元素并不一定处于自由状态，而常常于其他元素结合成为所谓的分子。
例如，海水中的钠多数与氯结合形成NaCl（氯化钠）分子。
分子状态样品不能测定原子吸收，因为分子不吸收特定波长的光。
这些结合的原子必须使用一些手段，切断相互的结合使之成为自由原子。
这一过程称为原子化。
最常用的原子化方法是热解离，即把样品加热到高温，使分子转换到自由原子。
热解离方法又可分成火焰方法，采用化学火焰作为热源；和无火焰方法，采用非常小的电炉。
a）火焰原子吸收
用于原子化的火焰使用燃烧器产生，这是最普遍的方法。
目前商品原子吸收装置作为标准配备几乎都有燃烧器。
图1.4火焰原子吸收
图1.4.是典型的燃烧器示意图。
图中说明以氯化钙形式的含钙溶液样品的测定。
样品首先通过雾化器雾化。
大的水滴作为废液排放，只有细的雾粒在雾化室与燃气和助燃气混合送入火焰。
当这些雾粒进入火焰中后，雾粒迅速蒸发产生细的氯化钙分子颗粒。
这些颗粒在火焰中由于热的作用，氯化钙进一步离解成自由的钙原子和氯原子。
如果波长422.7nm（Ca）的光束照射到这部分火焰时，就产生原子吸收。
在火焰的上部，部分钙原子与氧结合变成氧化钙，而一部分进一步电离。
因此，光通过火焰的上部原子吸收的灵敏度就不会太高。
许多不同种类的气体组合曾被用作原子化的火焰。
考虑到分析灵敏度、安全、使用简单和稳定性等因素，四种标准火焰被应用于原子吸收：
空气-乙炔，氧化亚氮-乙炔，空气-氢和氩-氢。
这些火焰应用于不同的元素，关键取决于温度和气体的特性。
b）电热原子吸收
原子化方法中火焰仍然作为标准的原子化方法被广泛地使用，其原因是测定值的重现性好和使用简单。
然而，火焰方法的主要缺点是原子化率低，提升的样品只有1/10左右被利用，而9/10作为废液被排放了。
因此，其原子化效率低和分析灵敏度也不是很高。
电热原子吸收（无火焰方法）,使用石墨管，改善了上述缺点，灵敏度提高10~200倍之多。
此方法起源于前苏联的L'vov博士。
图1.5无火焰原子化器
在电热原子吸收方法中，样品注入到石墨管中，最大达300安培的电流加到管上。
石墨加热到高温，样品中的元素原子化。
如果光源的光通过石墨管，光被原子化的原子吸收。
在实际测定中，样品注入到管中后，加热过程分如图1.6.所显示的三个阶段，即：
干燥阶段，管加热到约100oC，样品中的水完全蒸发；然后是灰化阶段，管加热到400oC~1000oC，有机物质和其他共存物质分解和蒸发；最后是原子化阶段，加热到1400oC~3000oC，留在管中的金属盐类原子化。
通常加热方式如图1.6所示，分成阶梯式升温（如图中的实线）和斜坡方式升温。
加热方式取决于样品，当共存物质分解温度接近待测元素的原子化温度时采用后者，加热时连续改变温度。
加热必须在一定的条件下进行（温度，加热时间和升温方式），需要适合测定样品的组成和测定元素的类型。
如果事先在仪器上设置了最优化的加热过程，则石墨管自动根据温度程序加热。
图1.6电热原子吸收的加热程序和吸收曲线
c）其他原子吸收方法
这些方法对一些特殊元素而言其灵敏度高于火焰原子吸收或电热原子吸收，包括砷、硒和汞等。
此法在原子化前利用化学反应使待测元素以原子或简单分子的形式蒸发与大多数基体分离。
1）氢化物蒸气发生技术
氢化物蒸气发生技术利用样品与硼氢化钠反应。
首先用HCl酸化样品还原对象金属，然后与氢结合产生气态的金属氢化物。
这些气体送到高温原子化单元进行测定。
As，Se，Sb，Sn，Te，Bi，Hg和其他金属可通过此法产生金属氢化物。
图1.7是氢化物发生装置的示意图。
蠕动泵输送样品、5M盐酸和0.5%硼氢化钠溶液到反应线圈。
反应线圈中产生的金属氢化物在气-液分离器中分离成气相和液相。
氩气用作为载气，把气相送入到吸收池，吸收池用空气-乙炔火焰加热，金属元素原子化。
图1.7氢化物发生装置的示意图
2）还原蒸气原子化
汞在溶液中以正离子形式存在。
当还原后变成中性的汞，以汞的自由原子形式蒸发。
在室温下，氯化亚锡用作还原剂，汞原子用空气作为载气送到原子吸收装置。
图1.8是汞分析装置的示意图。
200ml的样品放入反应容器中，加入氯化亚锡还原。
然后空气将产生的气体通过干燥管后送入气体流通池，原子吸收仪测定汞。
图1.8汞分析装置的示意图
2.原子吸收分光光度法分析的基本条件
装置设置到最优的分析条件才能获得好的测定结果。
最优的条件取决于样品的组成和测定的元素。
即使元素相同，但样品的组成不同其最优的测定条件也可能有所不同。
因此在实际分析中需要全面探索测定条件。
2.1装置的条件
a）分析线
空心阴极灯发出的光包括一些阴极元素和填充气体的初级和次级光谱线。
这些光谱比较复杂，尤其是周期表之间的4，5，6，7和8列中的元素光谱更为复杂，有数千条谱线。
在许多谱线中有部分产生原子吸收。
使用原子吸收分析选择最灵敏的光谱线。
根据样品中元素的浓度范围，选择吸收灵敏度合适的光谱线用于分析也可考虑。
表2.1.显示，一个元素也许有两条或更多的谱线呈现原子吸收性质，因此可根据情况选择光谱线使之具有合适的吸收灵敏度和发射强度。
此外，在分析样品中的主要组成时，由于其浓度高可选择次灵敏线进行测定，避免稀释误差。
表2.1分析线和吸收灵敏度
（空心阴极灯的特征和处理方法HamamatsuPhotonics）
元素
分析线波长
（nm）
吸收灵敏度
火焰类型
Ag
328.07
338.29
10
5.3
空气-乙炔
Al
309.27
396.15
237.13
237.30
10
8.6
2.0
氧化亚氮-乙炔
As
193.70
197.20
189.00
10
6.2
5.0
Ar-H2
Au
242.80
267.59
10
5.5
空气-乙炔
B
249.68
249.77
208.89
10
8.2
氧化亚氮-乙炔
Ba
553.55
350.11
10
0.01
氧化亚氮-乙炔
Be
234.86
10
氧化亚氮-乙炔
Bi
223.06
222.83
306.77
10
3.0
2.5
空气-乙炔
Ca
422.67
239.86
10
0.05
空气-乙炔
Cd
228.80
326.11
10
0.02
空气-乙炔
Co
240.73
251.98
243.58
346.58
10
4.4
1.3
0.5
空气-乙炔
Cr
357.87
425.44
427.88
428.97
10
4.4
2.7
1.0
空气-乙炔
元素
分析线波长（nm）
吸收灵敏度
火焰类型
Ho
410.38
416.30
10
5.8
氧化亚氮-乙炔
In
303.94
325.61
410.48
10
9.4
4.0
空气-乙炔
Ir
208.88
266.47
284.97
10
2.6
1.5
空气-乙炔
K
766.49
769.90
404.41
10
2.5
0.03
空气-乙炔
La
550.13
403.72
357.44
364.95
10
2.3
0.8
0.5
氧化亚氮-乙炔
Li
670.78
323.26
10
0.06
空气-乙炔
Lu
331.21
328.17
10
7.1
氧化亚氮-乙炔
Mg
285.21
202.58
10
0.9
空气-乙炔
Mn
279.48
280.11
403.08
10
4.7
1.1
空气-乙炔
Mo
313.26
319.40
320.88
10
4.7
0.8
空气-乙炔
Na
589.00
589.59
330.23
330.30
10
4.8
0.02
空气-乙炔
Nb
334.91
405.89
10
8
氧化亚氮-乙炔
元素
分析线波长
（nm）
吸收灵敏度
火焰类型
Sb
217.58
206.83
231.15
212.74
10
7.0
3.6
1.0
空气-乙炔
Sc
391.18
390.74
402.37
402.04
326.99
10
7.6
7.0
5.0
3.0
氧化亚氮-乙炔
Se
196.03
203.99
10
2.0
Ar-H2
Si
251.61
250.69
251.43
252.41
288.16
10
3.0
3.0
2.5
0.7
氧化亚氮-乙炔
Sm
429.67
484.17
10
8.2
氧化亚氮-乙炔
Sn
224.61
286.33
233.48
10
6.2
6.0
空气-乙炔
Sr
460.73
407.77
10
0.6
空气-乙炔
Ta
271.47
264.75
275.83
10
5.9
2.6
氧化亚氮-乙炔
Tb
432.64
431.88
390.14
10
8.5
6.0
氧化亚氮-乙炔
b）狭缝宽
关于从空心阴极灯发射的光谱线，其波长是独立或是有许多复杂的邻近线，取决于元素的种类。
如图2.1.钙、镁在其目标分析线附近没有其他光谱线。
对于这样的分析线，狭缝宽适当的大些可以得到足够的能量。
图2.1灯光谱
镍在其目标分析线232.0nm（2320A）附近有许多光谱线。
由于镍原子对这些邻近波长谱线几乎不吸收，因此光谱仪的分辨能力必须增加（狭缝宽变窄）以使这些光与232.0nm的光分开。
如果在低分辨能力条件下测定，测定灵敏度变差，同时，校准曲线的线性也变差（图2.2）。
钴（Co），铁（Fe），锰（Mn）和硅（Si）的光谱类似镍，非常复杂。
光谱仪的分辨能力必须小于2A才能正确测定这些元素。
图2.2狭缝宽和校准曲线
c）灯电流值
如果空心阴极灯操作条件不合适，光谱线产生多普勒变宽或自吸收变宽，影响测定结果。
多普勒变宽是由于空心阴极灯周围的温度变化造成的，对灯的发射无贡献。
由于空心阴极灯的电流增加，亮度增加；因此光谱线变宽导致吸收灵敏度下降如图2.3。
空心阴极灯的寿命通常以安培-小时（A.Hr）表示。
因此，灯电流增加寿命缩短。
在上述情况下，阴极灯的电流低一些为好；但是如果太低的话亮度也随之下降。
此时检测器灵敏度必须增大，但是导致噪声变大。
灯电流值的选择取决于三个因素：
灯的亮度（噪声）、吸收灵敏度和灯的寿命。
图2.3灵敏度与空心阴极灯电流值的关系
2.2火焰原子吸收的分析条件
a）火焰的选择
原子吸收分析中使用的标准火焰类型有空气-乙炔、空气-氢、氩-氢和氧化亚氮-乙炔火焰。
这些火焰的温度、氧化还原性质、和发射特征有所不同。
必须根据样品的性质和待测元素的种类选择最优的火焰。
空气-乙炔火焰（空气-乙炔）
这种火焰应用最为广泛，可分析约30种元素。
氧化亚氮-乙炔火焰（氧化亚氮-乙炔）
用于原子吸收分析的火焰中此种火焰的温度最高。
铝、钒、钛等元素在空气-乙炔火焰和其他温度相对较低的火焰中与氧有很强的结合力，导致自由原子减少和测定变得困难。
然而，这些元素在高温的氧化亚氮-乙炔火焰中几乎不与氧结合，使分析结果良好。
氧化亚氮-乙炔火焰也可用于测定空气-乙炔火焰中可分析的元素。
氧化亚氮-乙炔火焰的高温可大大降低干扰。
空气-氢火焰（空气-氢）和氩-氢火焰（氩-氢）
氢火焰除了短波长区，很少吸收阴极灯的光（参照图2.4）。
因此，测定的背景噪声较低，即使在短波长区，也比空气-乙炔火焰的低，适合As、Se、Zn、Pb、Cd和Sn等元素。
由于在200nm以下氩-氢火焰的吸收最小，在此波长区常常被使用。
氢火焰的缺点是由于温度较低，干扰也较显著。
图2.4各种火焰的光吸收
表2.2显示各种火焰的最大温度。
表2.3显示火焰的类型和对应的元素。
表2.2火焰温度
火焰类型
最大温度
氩-氢
空气-氢
空气-乙炔
氧化亚氮-乙炔
1577oC
2045oC
2300oC
2955oC
表2.3元素和测定用的火焰
b）助燃气和燃气的混合比
原子吸收分析的测定条件中助燃气和燃气的混合比是最重要的项目之一。
混合比影响火焰温度和环境，从而也决定了基态原子生成的条件。
因此，火焰的类型以及下章中要说明的光束在火焰中的位置控制了80~90%的吸收灵敏度和稳定性（重现性）。
Cu、Ca、Mg等元素的灵敏度随着火焰氧化性的增加（包含较多助燃气，贫燃气火焰）而增加；而Sn、Cr和Mo，等的灵敏度随着火焰的还原性增加（火焰包含较多的燃气，富燃气火焰）而增加。
由于极端的富燃气或贫燃气将导致火焰的不稳定，因此必须根据测定对象设置最优的混合比。
吸收值在空气流量不变的情况下改变乙炔流量可求得吸收值最大的混合比。
由于此值还受下章讨论的燃烧器位置的控制，所以必须调节乙炔流量和燃烧器的高度才能决定最优的混合比。
c）光束在火焰中的位置
火焰中产生的基态原子的分布不是均匀的，不仅因元素而异，也与火焰的混合比有关。
图2.5显示测定铬时，气体混合比的变化与基态原子分布的关系。
由图可见，原子分布和密度随混合比的改变而改变。
因为吸收灵敏度随光束在火焰中的位置而改变，燃烧器必须设置到最优的位置才能得到最优的分析结果。
图2.5空气-乙炔火焰中铬原子的分布
（原子吸收光谱学，W，salvin）
2.3电热（无火焰）原子吸收的分析条件
电热（无火焰）原子吸收中样品的原子化涉及到加热过程中的三个基本阶段。
第一步是干燥阶段，在此阶段中溶剂蒸发。
第二步是灰化阶段；分解样品中的有机物质和蒸发盐类。
第三步是原子化阶段。
如果需要，还可以增加清洁阶段。
下面说明各条件的设置。
a）干燥条件
此阶段蒸发溶剂。
加热温度和时间取决于样品的类型和测定样品中的溶剂量。
标准加热的温度对水溶液样品在60oC~150oC；对有机溶剂样品在50oC~100oC左右。
加热时间大致每1l样品需要1秒左右。
加热的温度和时间要保证溶剂完全蒸发，否则就有可能产生溅射或在后面的阶段中从石墨管孔冒出烟来。
要彻底地检查，可把测定方式设置到氘灯方式，然后检查干燥阶段后原子化前的吸收应该是0。
有2种加热方式：
阶梯和斜坡方式。
在阶梯方式中，在阶段的开始石墨炉直接加热到目标温度，然后维持温度到阶段的结束。
在斜坡方式中，以一定的加热速率升高温度，在阶段结束时达到目标温度。
注入到石墨管中的样品扩散（分布）到管中。
如果注入的样品太多或样品黏度太高，样品可能停留在石墨管的表面。
如果加热太快，样品可能起泡或溅射。
当产生冒泡和溅射时，样品有可能从进样口跳出或随机地扩散到管中，使重现性变差。
此种场合下，采用比溶剂蒸发温度较低的温度，用阶梯方式加热比较有效。
然而，斜坡方式升温的条件，比较容易设置。
斜坡方式升温和阶梯方式加热相结合可提高干燥的效率。
热解石墨管由于表面比较致密，渗透性低。
因此，需要特别地注意。
样品分布到管中的情况随石墨管和注入样品的温度而变化，使重现性变差。
因此最好是在恒定的温度下，温度比室温高10~15oC的情况下注入样品。
b）灰化条件
如果在原子化阶段存在有机物质或有机盐类，就产生背景吸收（化学干扰），导致分析结果的误差。
因此，有机物质和盐类需要在灰化阶段除去。
如果容许，灰化温度越高越好，尽可能除去有机物质和盐类。
然而，随着灰化温度的升高，待测金属元素的挥发也可能产生，导致测定误差。
因此，灰化温度必须要有限度。
在决定灰化温度以前，必须检查目标金属的挥发（蒸发）温度。
图2.6显示铅的硝酸溶液的灰化温度和吸收灵敏度之间的关系。
图中显示每隔100oC的灰化温度和吸收灵敏度的关系，由图可见，温度高于500oC铅的挥发损失十分严重。
上述条件的研究是基于硝酸铅作为样品，挥发温度的研究对象必须是与样品相同的化学物种。
相同的目标金属在灰化阶段产生的化学物种也可能有所不同，挥发温度也不同。
图2.6铅灰化温度和灵敏度之间的关系
随着灰化温度升高背景吸收降低。
图2.7显示在铅的测定波长，1/10稀释的全血溶液的背景吸收，从此例可看到背景趋势。
当灰化温度升高到300、400和500oC，背景吸收降低，但是依然存在。
因此，灰化温度较高为好。
如图2.6，铅在灰化温度500oC时开始蒸发，故铅的灰化温度不能升高于500oC。
图2.7灰化温度和背景吸收之间的关系
降低背景吸收的方法之一是稀释样品，但是这种方法不能用于目标金属的浓度非常低的场合。
此时需要使用基体改进剂。
硝酸钯（II）和硝酸镍可作为基体改进剂。
其作用是提高目标金属挥发温度，就如5.3.中提到的。
因此，灰化温度可提高，背景吸收降低和吸收灵敏度提高。
作为加热方法，与干燥阶段相同，有阶梯方式加热和斜坡方式升温。
在阶梯方式加热时，在干燥阶段完毕后盐类可能从石墨管样品注入口吹出。
通常，结合使用斜坡方式升温和阶梯方式加热方法；从干燥温度到灰化温度采用斜坡加热，约10~20秒和然后保持一定时间的灰化温度。
灰化阶段的加热时间取决于样品中盐或有机物质的含量，通常30~60秒。
此加热时间灰化是否完善，可通过背景吸收加以检查。
此时测定方式应该选择氘灯方式，观察原子化阶段的吸收峰和背景吸收的轮廓。
如果灰化时间延长，而背景吸收的大小不再改变，则可选择此时间作为灰化时间。
c）原子化条件
此阶段目标金属原子化。
加热大约5秒，温度要略高于目标金属的原子化温度温度。
吸收灵敏度随原子化温度改变，因此需要改变原子化温度进行检查。
图12.8显示原子化温度和吸收灵敏度之间的关系。
由图可见，应该加热到2500oC以上。
图2.8铝原子化温度和灵敏度之间的关系
如果低熔点金属，例如镉和铅如果原子化温度太高，原子在管中的滞留时间极短，灵敏度可能下降。
金属包括硼，钼和钙容易停留在在石墨管中。
因此，原子化温度尽可能高或使用热解石墨管。
在干燥和灰化阶段，石墨管中有1l/min的氩吹过。
如果原子化阶段通氩气，灵敏度显著地下降。
因此，氩一般停流。
氩流量从0~1.5l/min，灵敏度可有5倍的出入，以此可以调节吸收灵敏度。
通常采用阶梯升温方式。
当原子化阶段背景吸收较高，原子吸收、背景吸收的测定应该选择斜坡加热。
加热时间：
加热时间内原子吸收峰应该能够返回到0。
然而，当容易滞留在石墨管中的金属或背景吸收大不能返回到0，加热时间不一定要强求峰返回到0，此后可以增加清洁阶段。
清洁的目的是蒸发原子化阶段后依然留在在石墨管中的金属和盐。
加热一般采用最大温度3000oC，加热2~3秒，当然，如果温度低些也能达到目的，则选择较低的温度。
标准清洁温度是原子化温度加200oC。
镉和铅的原子化温度低，2500oC清洁即可。
d）样品注入量
注入到石墨管中的样品量和吸收灵敏度并不完全呈现正比关系。
这是因为随着样品注入量的变化在管中的扩散面积和渗透深度的影响。
因此，只有在有限的范围内，可以使用指定浓度的溶液，注入不同的量来制备校准曲线。
通常，校准曲线采用注入量相同，浓度不同的标准系列制备。
最大样品注入量约50l。
但是和渗透深度取决于样品的物理性质，如果扩散到低温部分，或溢出到注入口将会影响分析的准确性。
因此，注入量10~20l较为理想。
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