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原子吸收分光光度法(一)
【来源/作者】周世华 【更新日期】2017-07-05

原子吸收光谱法又称为原子吸收分光光度法,它是基于物质所产生的原子蒸气对待测元素的特征谱线的吸收作用而进行定量分析的一种方法,其仪器装置如图10—7所示。将试液喷射成雾状,使其进入火焰中,待测物质在火焰温度下,挥发并离解成原子蒸气。用空心阴极灯作光源,它辐射出待测元素的特征谱线的光,当通过一定厚度的原子蒸气时,由部分光被吸收的程度即可求得待测元素的含量。

原子吸收光谱法可根据其试样原子化方式的不同,分为火焰法、电热原子化法(如石墨炉法)、氢化法和冷原子吸收法。

原子吸收光谱法有许多优点,如选择性强、灵敏度高、分析范围广、精密度好等。目前它已成为一种较为完善的现代常规分析法。

一、基本原理

当适当波长的光辐射通过含有基态原子的蒸气时,其中某些波长的光可以使基态原子激发而本身被吸收,从而产生原子吸收光谱。由于每种原子只能激发到它特定的激发态,所以每种原子所能吸收的光子的能量是不同的,即被吸收的光辐射的波长不同。只有波长与激发态相对应的光子能被吸收。

原子受外界激发时,其最外层电子可能跃迁到不同的能级,因此,原子可能有不同的激发态。其中从基态吸收能量跃迁到最低激发态(第一激发态)所对应的吸收线称为共振吸收线。各种元素的结构和外层电子排布不同,不同元素的原子从基态激发至第一激发态或从第一激发态跃回基态时,吸收或发射的能量不同,因此各种元素的共振线不同而各有其特征性,所以这种共振线是元素的特征谱线。这种从基态到第一激发态问的直接跃迁又最易发生,因此对大多数元素来说,共振线是元素的灵敏线。在原子吸收分析中,就是利用处于基态的待测原子蒸气对光源辐射的共振线吸收来进行分析的。

在原子化过程中,待测元素由分子离解成原子,不可能全部都是基态原子,其中必有一部分为激发态原子。根据Boltzmmn分布定律,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地等于总原子数。同时,在一定的实验条件下,原子化器能够实现转化的基态原子浓度与试样中待测元素的浓度成比例。因此:

式(10一4)为原子吸收光谱法定量分析的基础。利用一定的方式测量吸光度,并与标准溶液比较,就能测得试样中待测元素得浓度。

二、原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计主要由光源、原子化器、单色器和检测系统组成。

1、光源

原子吸收光谱分析法要求光源发射宽度窄,强度高,稳定性好,使用寿命长的锐线光源。一般元素的分析可使用空心阴极灯。共振线位于远紫外区的元素,如砷、硒等,空心阴极灯不能给出足够的强度,可使用无极放电灯。

空心阴极灯具有结构简单、操作方便的特点,其结构如图10—8所示。它是由一个阳极和一个空心阴极组成,阴极为空心圆柱形,由待测元素的高纯金属或合金直接车制而成,贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为同心圆环状或棒形,由钛丝或钽片制得,其电极支柱为钨棒。灯的光窗在可见波段用硬质玻璃,紫外波段用石英玻璃制成。管内抽真空后充入氖、氩或氦等惰性气体,压强为267~1333Pa。

空心阴极灯的发光机理是:在阳极间加30O~500 V电压,电子向阳极运动,使充人的惰性气体电离,正离子以高速向阴极运动,撞击阴极内壁,引起阴极物质的溅射(称阴极溅射),溅射出来的原子与其他粒子相互碰撞而被激发。激发态的原子不稳定,立即退激到基态,发射出共振发射线。

空心阴极灯发射的光谱强度与灯的工作电流有关。增大灯的工作电流,可以增加光谱线强度。但是工作电流过大,会导致灯本身发生自蚀现象而缩短灯的寿命,还会造成灯放电不正常,使发射光强度不稳定。而工作电流过低,又会使灯发射光强度减弱,导致稳定性和信噪比下降。因此,使用空心阴极灯时必须选择适当的灯电流。

2、原子化器

被测元素由试样中转入气相,并解离为基态原子的过程称为原子化过程。原子化系统的作用即是实现试样中待测元素的原子化。

原子化是原子吸收分光光度法的基础,可以决定分析方法的灵敏度、准确性及精密度。因此,对原子化方式的要求是:①原子蒸气中基态原子浓度应尽可能高,即原子化效率高。②除汞外其他元素应将其转化为原子蒸气。③基态原子浓度与试样中待测元素的浓度成正比例,且不应改变。④操作简便。

目前,实现原子化方法可以分为三大类,火焰原子化法、非火焰原子化法和低温原子化法。

(1)火焰原子化器

火焰原子化装置包括雾化器和燃烧器两部分。雾化器的作用是将试液雾化,其性能对测定精密度和化学干扰等产生显著影响,因此,要求其喷雾稳定,雾滴微小而均匀且雾化效率高。在毛细管外壁与喷嘴口构成的环形间隙中,由于高压助燃气以高速通过,造成负压区,从而将试液沿毛细管吸入,并被高速气流分散成溶胶(即成雾滴)。为了减小雾滴的粒度,在雾化器前几毫米处放置一撞击球,喷出的雾滴经节流管碰在撞击球上,进一步分散成细雾。燃烧器的作用是形成火焰,使进人火焰的试样微粒原子化。图10一9为预混合型燃烧器结构示意图。试样雾化后进入雾室,与燃气在室内充分混合。其中较大的雾滴凝结在壁上形成液珠,从废液管排出,而细的雾滴则进入火焰中。

参考资料:分析化学


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