原子吸收光谱(AAS),又称原子分光光度法,是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收,由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待侧元素进行定性定量分析的一种仪器分析方法。
AAS基本原理
众所周知,任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成,原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级,因此,一个原子核可以具有多种能级状态。能量低的能级状态称为基态能级(E0=0),其余能级称为激发态能级,而能量最低低的激发态则称为第一激发态激发态。
正常情况下,原子处于基态,核外电子在各自能量低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子,当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差△E时,该原子将吸收这一特征波长的光,外层电子由基态跃迁到相应的激发态,而产生原子吸收光谱。
电子跃迁到较高能级以后处于激发态,但激发态电子是不稳定的,大约经过10-8秒以后,激发态电子将返回基态或其它较低能级,并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去,这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量,而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的谱线称为共振吸收线,简称共振线。
电子从第一激发态返回基态时所发射的谱线称为第一共振发射线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小,电子跃迁几率最大,故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲,它是所有吸收线中最灵敏的,在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。
AAS即根据郎伯-比尔定律来确定样品中化合物的含量。已知所需样品元素的吸收光谱和摩尔吸光度,以及每种元素都将优先吸收特定波长的光,因为每种元素需要消耗一定的能量使其从基态变成激发态。检测过程中,基态原子吸收特征辐射,通过测定基态原子对特征辐射的吸收程度,从而测量待测元素含量。
AAS结构
主要由四部分组成:
(1)光源
作用:发射待测元素的特征光谱。常用灯有空心阴极灯和无极放电灯。
光源应满足如下要求:能发射待测元素的共振线;能发射锐线;辐射光强度大、稳定性好。
(2)原子化系统
作用是将原子中待测元素转变为原子蒸汽。分为火焰原子化法和无火焰法如电加热原子化法、化学原子化法。
(3)单色器
作用:将待测元素的共振线与邻近谱线分开。既要将谱线分开,又要有一定的射光强毒。组件包括色散元件(棱镜、光栅),凹凸镜、狭缝等。
(4)检测系统
主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。
检测器是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。
放大器是将光电倍增管输出的较弱信号,经电子线路进一步放大。
对数变换器是对光强度与吸光度之间的转换。最后显示、记录。
ASS使用特点
灵敏度高:火焰原子吸收分光光度法测定大多数金属元素的相对灵敏度为1.0×10-8-1.0×10-10g/mL,非火焰原子吸收分光光度法的绝对灵敏度为1.0×10-12- 1.0×10-14g。这是由于原子吸收分光光度法测定的是占原子总数的99%以上的基态原子,而原子发射光谱测定的是占原子总数不到1%的激发态原子,所以前者的灵敏度和准确度比后者高的多。
精密度好:由于温度的变化对测定影响较小,该法具有良好的稳定性和重现性,精密度好。一般仪器的相对标准偏差为1%-2%,性能好的仪器0.1%-0.5%。
选择性好,方法简单:由光源发出特征性入射光很简单,且基态原子是窄频吸收,元素之间的干扰较小,可不经分离在同一溶液中直接测定多种元素,操作方便。
准确度高、分析速度快:测定微、痕量元素的相对误差可达0.1%-0.5%,分析一个元素只需数十秒至数分钟。
应用广泛:可直接测定岩矿、土壤、大气飘尘、水、植物、食品、生物组织等试样中70多种微量金属元素,还能用间接法测定硫、氮、卤素等非金属元素及其化合物。该技术的缺点是不能同时分析多种元素,对于检测一些难熔元素比较困难。
ASS常见故障处理
灯能量低
故障现象:无极灯能量达不到 50 以上甚至无能量显示。处理办法:(1)检查无极灯与灯座是否接触良好;(2)检查灯电流是否在标定范围内,波长和狭缝是否正确;(3)是否预热 30 min 以上。
燃烧头不能正常吸样
故障现象:火焰法测样品时吸样管不能吸取样品甚至向外排气泡。处理办法:此故障一般会同时伴有雾化效率低的现象,应为清洗燃烧头后没有进行调节所致。配制确定浓度的铜标准溶液,在铜元素操作条件下,用吸样管吸取标准溶液;旋松固定锁环,先逆时针旋动调节螺帽,当显示吸光度为零同时吸样管向外排出气泡时停止旋转,向相反方向旋动调节螺母,当吸光度达到最高时停止拧动调节螺母,并旋紧固定锁环,调节完成。
点不着火
故障现象:火焰法测定样品时点不着火。处理办法:检查乙炔气体钢瓶内总压力值,若压力低于 700 kPa 就及时更换新瓶;空气压缩机的气压不够,调整相应的气压值,若气压还不能达到要求,可尝试更换压缩机空气滤芯。
石墨炉测样精确度差
故障现象:石墨炉测样品时数据重复率低,波动较大。处理办法:调整进样针在石墨管中的位置达到要求;检查自动取样器取样管是否有堵塞;降低样品中酸的含量,pH 过低会对取样管内壁造成腐蚀,导致精确度降低。
信号出现不规律的双峰
故障现象:石墨炉测样品时吸光度值出现 2 次峰值。处理办法:降低灰化温度,使产生额外峰值的化合物不能原子化;进样针的位置不准确,导致样品一部分在平台上,一部分在石墨管壁上;基体改进剂的选择不对,不能充分抑制其他物质的原子化;石墨管老化,导致样品受热不均。