马文菊

摘要 阐述了原子吸收光谱分析法的基本原理及其仪器的主要构成,以期增加用户对仪器的了解,并能熟练操作仪器。

关键词 原子吸收光谱分析法;基本原理;仪器构成

中图分类号 O657.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2009)13-0364-02

原子吸收光谱分析仪器具有灵敏度高,重复性和选择性好,操作简便、快速,结果准确、可靠等优点;检测时样品用量少,测量范围广,几乎能分析所有的金属元素和类金属元素。原子吸收光谱分析仪器可应用于化工、地质、农业及医药卫生等许多部门;在环境监测、食品卫生和生物机体内微量金属元素的测定,应用日益广泛。人体的血液、汗液、头发及机体组织中,由于受环境和饮食污染会引进体内铅、汞、镉和砷等有害元素积累;对这些金属元素的分析结果,可以反映机体内的生理过程及受环境污染而中毒的情况。原子吸收光谱分析仪器可用于土壤、环境、农产品、血液及生物组织中微量元素的分析,对内脏、毛发、骨骼等经一定处理后,也可进行分析测定,在医学和生物化学检验中,得到越来越广泛的应用。

1 原子吸收光谱分析法的基本原理

在自然界中,一切物质的分子均由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成。原子核内有中子和质子,质子带正电,核外电子带负电;其电子的数目和构型决定了该元素的物理和化学性质。电子按一定的轨道绕核旋转;根据电子轨道离核的距离,有不同的能量级,可分为不同的壳层,每一壳层所允许的电子数是一定的。当原子处于正常状态时,每个电子趋向占有低能量的能级,这时原子所处的状态叫基态(E0)。在热能、电能或光能的作用下,原子中的电子吸收一定的能量,处于低能态的电子被激发跃迁到较高的能态,原子此时的状态叫激发态(Eq),原子从基态向激发态跃迁的过程是吸能的过程。处于激发态的原子是不稳定的,一般在8～10s内就要返回到基态(E0)或较低的激发态(Ep)。此时,原子释放出多余的能量,辐射出光子束,其辐射能量的大小由下列公式表示:△E=Eq-Ep(或E0)= hf =hc/λ。式中:h为普朗克常数为6.623 4×10-27erg.s;f和λ是电子从Eq能级返回到Ep(或E0)能级时所发射光谱的频率和波长;c为光速;Eq、Ep或E0值的大小与原子结构有关。不同元素,其Eq、Ep和E0值不相同,一般元素的原子只能发射由其Eq、Ep或E0决定的特定波长或频率的光,即:f=Eq-Ep(或E0)/h。每种物质的原子都具有特定的原子结构和外层电子排列,因此不同的原子被激发后,其电子具有不同的跃迁,能辐射出不同波长的光,即每种元素都有其特征的光谱线。在一定条件下,一种原子的电子可能在多种能态间跃迁而辐射不同特征波长的光,这些光是一组按次序排列的不同波长的线状光谱,这些谱线可作鉴别元素的依据,对元素作定性分析,而谱线的强度与元素含量成正比,以此可测定元素的含量作定量分析。某种元素被激发后,核外电子从基态E0激发到最接近基态的最低激发态E1称为共振激发。当其又回到E0时发出的辐射光线即为共振线(resonance line)。而基态原子吸收共振线辐射也可以从基态上升至最低激发态,由于各种元素的共振线不相同,并具有一定的特征性,所以原子吸收仅能在同种元素的一定特征波长中观察。当光源发射的某一特征波长的光通过待测样品的原子蒸气时,原子外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线,使光源发出的入射光减弱。将特征谱线因吸收而减弱的程度用吸光度A 表示,A 与被测样品种的待测元素含量成正比;即基态原子的浓度越大,吸收的光量越多,通过测定吸收的光量,就可以求出样品中待测的金属及类金属物质的含量。对于大多数金属元素而言,共振线是该元素所有谱线中最灵敏的谱线,这就是原子吸收光谱分析法的原理,也是该法之所以有较好的选择性,可以测定微量元素的根本原因。

2 原子吸收光谱分析仪器的构成

原子吸收光谱分析仪器的原理,是通过火焰、石墨炉等方法将待测元素在高温或化学反应作用下变成原子蒸气;由光源灯辐射出待测元素的特征光,通过待测元素的原子蒸气,发生光谱吸收,透射光的强度与被测元素浓度成反比,在仪器的光路系统中,透射光信号经光栅分光,将待测元素的吸收线与其他谱线分开。经过光电转换器,将光信号转换成电信号,由电路系统放大、处理,再由CPU及外部的电脑分析、计算,最终在屏幕上显示待测样品中微量及超微量的多种金属和类金属元素的含量与浓度,由打印机根据用户要求打印多种型式的报告单。仪器主要由五部分组成:一是光源。发射待测元素的锐线光谱。二是原子化器。产生待测元素的原子蒸气。三是光路系统。分光、分出共振线波长。四是电路系统。包括将光信号变成电信号的换能器,放大电路,计算处理等电路。五是电脑系统。一般仪器均送用PC兼容机,完成对仪器及附件(空压机、冷却循环水泵等)的控制、数据处理和存贮等各种功能。

2.1 光源

光源用来产生待测元素的原子谱线,必须能够发射出比吸收线宽度更窄,并且光强大且稳定的锐线光谱。常用的光源有空心阴极灯(包括高强度空心阴极灯、窄谱线灯、多元素空心阴极灯等)及无极放电灯。空心阴极灯的构造,是由待测元素材料制成圆筒形空心阴极,由钨材料制成棒型阳极,两电极密封在充有惰性气体、前端带有石英窗的玻璃灯管中。工作时,仪器的电源电路为灯的阴极和阳极之间加上200～500V的电压,根据不同元素检测要求,提供不同的灯工作电流。灯通电后,阴极发出的电子在电场作用下加速,与惰性气体碰撞,使其电离,电离后的正离子向阴极加速运动,轰击阴极表面,使阴极材料的原子溅射出来聚集在阴极附近,电子不断接受能量,由低能级跃迁到高能级,而高能态是不稳定的,瞬间要从高能态返回到原来的基态,同时发射出与待测元素相同的特征光谱。由于许多元素的光谱处于紫外区,所以灯的透光窗需使用石英玻璃,灯的供电一般采用脉冲电压,为使灯的发光强度稳定,供电电流采用稳流措施,要求电流波动度小于0.1%。单一元素灯,只能发射该种元素的特征光谱,用于测该种元素,为弥补这种缺憾,研制了多元素灯,灯阴极会有多种元素,灯点燃后可以辐射多种元素的特征光谱。在测定时,勿需换灯,即可先后测定样品中的不同元素。但该灯的缺点是光谱易干扰、辐射强度比单元素灯低、灵敏度差。无极放电灯一般用于蒸气压较高的元素或化合物的测定上,这种灯是一个石英管,管内放进数毫克金属化合物并充有氩气。工作时将灯置于高频电场中,氩气激发。随着管内温度升高,金属化合物蒸发出来,并进一步离解、激发,从而辐射出金属元素的共振线。主要用于砷、硒、镉、锡、贵金属等元素的测定。

2.2 原子化器

原子化器的作用是提供一定的能量,使待测样品中的元素游离出蒸气基态原子,并使其进入光源的辐射光程,进行吸收。由于原子吸收光谱分析是建立在基态原子蒸气对共振线吸收的基础上来分析元素含量的方法,所以各种类型样品的原子化是分析中最关键的问题,测定元素的结果是否准确,很大程度上取决于样品的原子化状态。这就要求原子化器应尽可能有高的原子化率,并且稳定、重现性好、干扰少和装备简单,现在仪器最常用的有火焰原子化器和石墨炉2种原子化器。

2.2.1 火焰原子化器。是最常用的原子化器,包括2个部分:一是把样品溶液变成高度分散状态的雾化器,二是燃烧头。工作时,由仪器外设的空压机提供压缩空气作为助燃气,由管道进入雾化器,并在出口处以高速度喷出,造成局部负压,使得样品溶液在大气压作用下沿进样毛细管上升,随压缩空气一同喷入雾室中。样品雾滴、助燃气与燃气一起在雾化器中充分混合后进入燃烧器,借燃烧火焰的热量,使待测元素原子化,常用的燃气为乙炔、氢、煤气、丙烷等,大多仪器外接高纯乙炔气罐,以乙炔做燃气。燃烧头仪器均采用长缝式,由耐高温合金材料制成,不同型号的仪器其燃烧头的缝长和缝宽不一样,一般有10cm、7cm、5cm等几种,缝宽在0.5mm左右。

2.2.2 石墨炉。最常用的是管型高温石墨炉,由于石墨是导体,当在石墨管两端接上正负电极,通上十几伏电压和400～500A的大电流时,石墨管会在2～4s的短时间内,升到2 000～3 000℃的高温,将加入到石墨炉中的样品经过蒸发再分解最后原子化,石墨管的内径通常在4～6mm,长度为25～50m。为了防止石墨管和原子化的原子被氧化,仪器中的石墨管均封闭在一个保护气室里,加热时,石墨管内外均通有惰性气体氩气(Ar)。有的石墨管留有专门的气孔,有的仪器是从管的两端送气,从加样孔排气,为了降低炉体对周围进行热辐射,炉体外还通有冷却水,新的仪器均有冷却水泵和专用水箱,使得冷却水可以循环使用,并保持原子化器的外边在60℃以下。石墨炉原子化器,原子化效率高,所需样品量较少,检测灵敏精密度高,使用石墨炉原子化时,样品要经过干燥→灰化→原子化→净化4个过程,每个过程分别对应不同的温度,由仪器控温电路控制实施。一是干燥,是在等于或稍高于溶剂沸点的温度下加热数十秒钟,将溶液烘干,除去溶剂;二是灰化,在低于原子化的温度下加热数秒钟,将被测样品中有机物尽可能除去,减少基体组分可能带来的干扰。三是原子化,在被测元素的原子化温度下加热数秒钟,同时仪器检测系统记录此时的吸光度值A;四是净化,即检测完毕,加高温将石墨管内残渣烧尽,开始下一次检测。这4个过程是阶梯式的升温程序,测定不同的元素时,各阶段使用的温度和时间不尽相同,目前的仪器均由微机控制,根据所测元素或操作者预先设定的数值自动完成。

2.3 分光系统

在原子吸收光谱分析中,为了防止原子吸光区内与吸收波长无关的辐射光进入检测器,均采用单光束分光系统,多选用对称式光栅单色器,以衍射光栅作色散元件,进行分光。通过电机驱动自动选择波长和进行峰值定位,多数仪器的波长范围190～900nm。其分出的单色光被凹面镜聚焦通过狭缝,照射到检测器上。

2.4 检测系统

包括光电转换,各控制放大电路。单色器分选出基态原子的共振线光束通过狭缝照射到检测器上,由检测器将光信号变成电信号。以前的仪器采用光电倍增管作光电转换,现在有些厂家的新型仪器采用低噪声CMOS电荷放大器阵列作光电转换。这种新型固态检测器性能优越,光敏表面能在紫外区和可见光区提供最大的量子效率和灵敏度,具有极好的信噪比。光信号通过固态检测器后变成电信号,经过前置放大器、对数放大器放大,再经过自动调零、积分运算、浓度直读、曲线校正、自动增益控制、峰值保持等电路的放大处理,将被测元素吸光度值A变成浓度信号,在显示器显示出测定值,并由打印机根据需要打印多种型式的报告单。

2.5 电脑系统

现代仪器均外接一台配置较高的电脑及外设配件来控制仪器的各种工作流程和执行机构动作:完成点火、加温、自动选择波长、狭窄宽度;根据所要检测的元素选择灯电流、灯位置、气体流量;自动完成读取数值、计算等流程。电脑控制仪器自动调节工作条件,进行测定,完成数据采集、计数处理、分析结果,并可自动计算平均值和变异系数、显示和打印报告单。现代原子吸收光谱分析仪器自动化程度比较高,功能齐全,控制软件简单易用,可以使操作人员在工作分析中享受到现代技术带来的乐趣。

3 参考文献

[1] 丛玉隆,王丁.当代检验分析技术与临床[M].合肥:中国科学技术出版社,2002.

[2] 邓勃.应用原子吸收和原子荧光光谱分析[M].北京:化学工业出版社,2003.