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原子吸收光谱法方法仪器结构与原理(一)
【来源/作者】周世华 【更新日期】2017-03-20

一、方法原理

原子吸收是基态原子受激吸收跃迁的过程。当有辐射通过自由原子蒸气,且入射辐射的频率等于原子中外层电子由基态跃迁到较高能态所需能量的频率时,原子就产生共振吸收。原子吸收分光光度法就是根据物质产生的原子蒸气对特定波长光的吸收作用来进行定量分析的。当光源发射的某一特征波长的辐射通过原子蒸气时,被原子中的外层电子选择性地吸收,透过原子蒸气的入射辐射强度减弱,其减弱程度与蒸气相中该元素的基态原子浓度成正比(见图5.1)。当实验条件一定时,蒸气相中的原子浓度与试样中该元素的含量(浓度)成正比。因此,入射辐射减弱的程度与试样中该元素的含量(浓度)成正比。其定量关系式是:

式中:A为吸光度假;I0为入射辐射强度;I为透过原子蒸气吸收层的透射辐射强度;K为吸收系数;c为样品溶液中被测元素的浓度;L为原子吸收层的厚度。

二、仪器结构与原理

原子吸收分光光度计由光源、原子化器、分光器、检测系统等几个部分组成(如下图):

1、光源

光源的作用是发射出能被测元素吸收的特征波长谱线。对光源的基本要求是发射的特征波长的半宽度要明显小于吸收线的半宽度,辐射强度大,背景低,稳定性好,噪声小以及使用寿命长。最常用的光源是空心阴极灯,其结构如图5.3所示。

空心阴极灯的发光是辉光放电,放电集中在阴极空腔内。将空心阴极灯放电管的电极分别接在电源的正负极上,并在两极之间加以300~500V电压后,在电场的作用下,从阴极发出的电子向阳极作加速运动,电子在运动中与载气原子发生非弹性碰撞,产生能量交换,载气原子引起电离并放出二次电子,使电子与正离子数目增加。正离子从电场中获得能量并向阴极作加速运动,当正离子的动能大于金属阴极表面的晶格能时,正离子碰撞在金属阴极表面就可以将原子从品格中溅射出来。阴极表面受热,也要导致其表面元素的热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内,再与电子、原子、离子等发生非弹性碰撞而受到激发,发射出相应元素的特征的共振辐射。

2、原子化器

原子化器的作用是提供足够的能量,使样品中的分析物干燥、蒸发并转变为基态原子。原子化器主要分为火焰、非火焰两种。

火焰原子化器:

常用的火焰原子化器是预混合型原子化器,由雾化器、混合室和燃烧器组成(见图5.4)。

雾化器是原子化器的主要部件,它的作用是将试样溶液进行雾化,使之成为微米级的气溶胶。对雾化器的要求是喷雾要多,雾滴直径要小,雾滴要均匀和喷雾速度要稳定。

混合室的作用是使较大的气溶胶在室内凝聚为大的溶珠,沿室壁流入泄液管排走,使进入火焰的气溶胶更为均匀。同时,使燃气与助燃气及气溶胶在混合室充分混合均匀以减少它们进入火焰时对火焰的扰动,并让气溶胶在室内部分蒸发脱溶。

燃烧器的作用是产生火焰,使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化。原子吸收光谱分析最常用的火焰是空气一乙炔火焰和氧化亚氮一乙炔火焰。

非火焰原子化器:

常用的非火焰原子化器是管式石墨炉原子化器(见图5.5)。管式石墨炉是用石墨管做成,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,通电后迅速升温,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30000C的高温,使置于石墨管中的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,仪器启动,保护气Ar气流通,空烧完毕,切断Ar气流。外气路中的Ar气沿石墨管外壁流动,以保护石墨管不被烧蚀,内路的Ar气从管两端流向管中心,由管中心孔流出,以有效地除去在于燥和灰化过程中产生的基体成分,同时保护已经原子化了的原子不再被氧化。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。

石墨炉的优点是试样原子化效率高,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,因此可以根据元素的原子化温度不同,选择控制温度。

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置,否则测定重现性不好,精度差。

单色器:

在原子吸收分光光度法中,元素灯所发射的光谱,除了含有待测原子的共振线外,还含有待测原子的其他谱线、元素灯填充气体发射的谱线、灯内杂质气体发射的分子光谱与阴极材料中其他杂质元素的谱线等。单色器的作用就是要把待测元素的共振线和其他谱线分开,以便进行测定。

单色器由入射狭缝和出射狭缝、反射镜、聚光镜和色散元件组成。色散元件主要是光栅,放在原子化器之后,以阻止来自原子化器内的所有不需要的辐射进入检测器。

参考资料:现代仪器分析实验与技术


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