原子吸收分光光度计的使用

原子吸收分光光度计的使用原子吸收光谱分析是上世纪五十年代以后发展起来的一种利用原子吸收光谱进行定性定量分析的仪器分析技术。因其灵敏度高、特异性好、准确度高、分析范围广和简便快速而获得了飞速发展，现已成为一种较为成熟的仪器分析技术，被广泛用于地质、冶金、环保、食品、农业、工业和卫生防疫和疾病控制等部门进行金属和类金属元素等的定量分析。这种仪器来测定食品、水、化妆品、生物材料、土壤等样品中的铜、铁、锌、钙、镁、锰、铅等约70种元素。原理及结构样品蒸气中被测元素的基态原子对同种元素原子发射的特征波长的光波具有吸收作用，这种现象叫做原子吸收。利用这一现象对金属元素进行定量分析的方法叫做原子吸收分光光度法。蒸气中基态原子对光吸收的程度是和蒸气中基态原子的密度(N)及光通过基态原子的光程长度(L)成正比，如果固定光程长度(L)，并保持其它测试条件不变，那么吸光度A就只和蒸气相中待测金属的基态原子浓度(C)成正比，即：A＝KC；这就是原子吸收分光光度法进行定量分析的理论依据。根据原子化方式不同，原子吸收分光光度法分为火焰原子吸收分光光度法、石墨炉原子吸收分光光度法和氢化物发生原子吸收分光光度法。图1是火焰原子吸收分光光度法的原理示意图。原子吸收分光光度计的基本结构如图2所示。一般由锐线光源、原子化系统、单色器（分光系统）、检测器及数据处理显示系统组成。图2原子吸收分光光度计的结构示意图下面简单介绍各部分的作用。1.1.1光源锐线光源是用来发射原子吸收特征谱线的，可用空心阴极灯、无极放电灯发射锐线光源，而以空心阴极灯最为常用。图3是空心阴极灯构造图。空心阴极灯是一种辐射强度大而稳定的锐线光源，为低压辉光放电。现有单元素灯、多元素灯和高强度灯。灯的质量可由发射强度、背景强度、稳定性、噪声及寿命来评价。空心阴极灯强度依赖于灯电流。对一个性能好的灯来说，应该在较小的灯电流下，有较大的发光强度。图3空心阴极灯构造图1.1.2原子化系统原子化系统可分为火焰原子化系统、石墨炉原子化系统和氢化物发生原子化系统。1.1.2.1火焰原子吸收法：通过火焰来进行原子化，常用有空气/乙炔焰、笑气/乙炔焰、空气/甲烷气等。用于测定钾、钠、钙、镁、锌、铜、铁、锰、铅、银等，灵敏度相对较低，通过缝管、在线流动注射富集、固相微萃取等技术可更进一步提高灵敏度。该法操作简便，测定快速。图4为火焰原子化示意图。图4火焰原子化示意图1.1.2.2石墨炉原子吸收法：通过加热石墨管来进行原子化，常用有传统纵向加热和现代的横向加热两种方式。用于铅、镉、银、铝、钡、钒、镍、钼、锑等。该法灵敏度高，操作相对复杂一些。图5是石墨炉原子示意图。图5石墨炉原子示意图1.1.2.3氢化物发生原子吸收法：通过一些元素在一定条件下与还原剂形成气态的自由原子或氢化物或易挥发的气态化合物与介质分离，然后导入石英管原子化器进行原子化。可用于砷、硒、汞、铅、镉、锑、锡、铊、铍等测定。该法灵敏度高，干扰少，由于现在有原子荧光光度计，一般不再需要氢化物原子化装置。1.1.3单色器即分光系统。分光系统的作用是将欲测的吸收线于其它谱线分开。原子吸收所用的吸收线是锐线光源发出的共振线，谱线比较简单，因此对仪器的色散能力、分辨力要求较低。谱线结构简单的元素如K、Na，可用滤光片作为单色器，一般元素可用棱镜或光栅分光，现在的仪器以光栅为多。原子吸收光谱仪对分光器的分辨率要求不高，曾以能分辨开镍三线Ni230.003，Ni231.603，Ni231.096nm为标准，后采用Mn279.5和Mn279.8nm代替Ni三线来检定分辨率。1.1.4检测器常见有光电倍增管（PMT）和固态检测器。1.1.4.1光电倍增管:用量子效率来表示光电转换效率。量子效率与光电阴极的材料和入射光波长波长有关。对使用一定的光电倍增管的原子吸收分光光度计可以通过调整负高压来增加光电倍增管的总灵敏度。但过高的电压会增加噪声和暗电流。1.1.4.2固态检测器：固态检测器即电荷转移器件（CTD）检测器。其包括电荷耦合器件（CCD）和电荷注入器件（CID）。电荷转移器件具有光谱范围宽、量子效率高、暗电流小、噪声低、灵敏度高、线性范围宽等优点，特别适用于多元素的测定。1.1.5数据处理、显示及输出电信号经测光系统放大、检波后，可分别采用表头检流计、数字显示器或记录器、打印机等进行读数。新型原子吸收分光光度计均有工作站，其中包含对数转换、自动调零、曲线校直、浓度直读、标尺扩大、自动增益等功能，这些功能大大提高了仪器的自动化程度。1.1.6背景校正背景校正技术主要有连续光源（氘灯）背景校正、塞曼背景样正、自吸背景校正等三种技术。1.1.6.1氘灯背景校正：氘灯背景校正简单，但扣除能力较低；其测量的是光谱通带内平均背景吸收，与待测元素分析线的真实背景吸收有差异；氘灯只适合短波辐射（200～400nm）；灯的寿命较短。1.1.6.2塞曼效应背景校正：利用塞曼效应扣除背景，背景扣除能力可达1.7A；由于塞曼效应很杂，常常会出现校正曲线反转。1.1.6.3自吸校应背景校正：又叫S-H背景校正（Smith-Hieftijebackgroundcorrection），利用空心阴极灯在高电流下发生自吸或自蚀扣背景，扣背景能力有时可达3A；可校正光谱干扰和结构背景。但灵敏度降低比较明显。1.1.7原子吸收常见生产厂家和仪器型号原子吸收分光光度计做为一种成熟和主要的金属元素分析仪器，国内外生产厂家比较多，有代表的仪器有国外Perkin-Elmer公司的AA200，400，600，700，800，SIMAA6000；耶拿公司novAA400,ZEEnit700,contrAA；瓦里安VARIANSpectrAA-Duo；热电S、M系列、日立的Z5000，Z-2000、岛津AA63/6800、安捷伦的3510等和国内北京瑞利WFX110/120/130，WFX810；普析通用TAS986/990，东西电子AA-7000系列，海光GGX系列，上分370MC等。安装条件1.2.1配电：原子吸收分光光度计对供电要求较高，主机、电脑、打印机等要求电压比较稳定，一般为220V～240V，如果电网电压不太稳定，要求配稳压电源，一般1kVA（注意不含石墨炉供电）即可。空压机及空调是一种频繁启动的电器，最好与原子吸收其它部分分相供电。石墨炉为大功率直流供电，石墨炉加热电源常常是220V交流电转换为直流，其瞬间电流可达60～80A，一般要求用铜芯线，线径大于4mm2。（石墨炉需用多大的稳压电源）建议这三类设备分别接入电网，不共相。原子吸收分光光度计为大型精密仪器，要求有良好的接地，一般接地电阻应小于1～10Ω,需要专门的接地线。1.2.2配水：石墨炉分析需要专门的冷却水，对没有购买自动循环冷却水系统的设备要求有自来水。建议最好购买专用循环冷却水系统。1.2.3配气：火焰法需用到乙炔和空气，或者乙炔、空气、笑气。石墨炉分析需要用到保护气，一般为氩气。燃气（乙炔）与助燃气（空气）应分开放置。燃气瓶要防泄漏，要注意随时排风。有条件的单位可用单独的气瓶室或气瓶柜，乙炔气需用合格的防爆气瓶柜。1.2.4实验台面：承重防震，宽度在1000～1500mm，长度2000～2400mm，高度750～800mm比较合适，摆放不要靠墙和窗，后面留有800～1000mm空间，以便检修，避免阳光直射。1.2.5环境：原子吸收一般工作温度为10～30℃，相对湿度不超过80%，应有空调和相应除湿设备。原子吸收原子化的时候要产生有毒的原子蒸气，应使用排气罩，大小稍宽于原子吸收排气口，高度约在其上200～300mm，风力以能吸住一张报纸为佳。防尘：最好是双层玻璃窗，有防尘缓冲间。具体安装应该参照各仪器的自身要求。操作步骤以火焰法测定铜和石墨炉法测定铅为例。一个待测元素是选择火焰法来测定还是选择石墨炉法来测定，主要取决于样品中含量和卫生标准限量值。火焰法和石墨炉法的元素测定线性范围见表1，可作为选择方法和配制标准系列的依据。表1常见元素火焰和石墨炉标准系列范围元素火焰（mg/L）石墨炉(μg/L)钾0.05~2钠0.05~0.8锰0.05~0.85~40镁、锌0.05~0.8铜、铁0.25~4铅0.5~105~80镉0.05~0.80.5~4银0.05~0.85~40铬0.25~0.810~80钴10~80铝10~80钼20~200镍10~80锑10~80除了干净水样外，绝大多数样品要进行样品前处理。样品前处理一般应遵循简单高效环保的原则。要注意损失和污染。空白和回收是检验污染和损失的常见手段之一，空白一般要求带三个以上。常见方法有微波消解、湿消化、干消化直接溶解、酸浸提、冷消化等。如何选择消解方式应根据样品类型，使用仪器、分析元素、样品数量，以及标准方法要求而定。标准溶液配制：最好购买国家有证标准溶液作为储备液，再稀释为应用液，最后配成标准系列。原子吸收法常有标准一般用0.5～1.0%硝酸来保存。应用液在mg/L级，在密塞冷藏条件下，大多数元素一般保存半年至一年不会发生明显变化。标准系列一般要求除标准空白外3点～5点。1.3.1开机：打开稳压器电源，等到电压稳定到220V，打开主机及计算机、打印机电源。对自动化程度较高的仪器，启动工作站，仪器开始自检。1.3.2火焰原子吸收1.3.2.1条件设置及仪器调节1.3.2.1.1选择所测元素灯（铜），安装到仪器灯座上(注意定位)。调节灯电流至合适大小（3mA）。选择所用测定谱线波长及带宽（324.8nm，0.4nm）。自动化程度较高的仪器，自动寻峰，并找到最大吸收波长。对自动化程度不太高的仪器，则加一定负高压，松开波长转轮锁定装置，调节波长转轮至所需波长，在所示波长附近仔细调节波长转轮至能量最大，固定波长转轮。反复调节灯的位置至能量最大，加负高压至能量示值为90左右，不同仪器不一样，按所用仪器要求即可。1.3.2.1.2设置测定参数，一般火焰测定选择测定次数三次，测定方式为连续，延迟可不设，积分参数一般为1s。必要时设置其它用于仪器采样点等的参数。1.3.2.1.3调节燃烧器的位置，使空心阴极灯光束与狭缝基本平行、光斑位于燃烧器狭缝一定位置，一般在其上3～8mm(本例为3mm)，依火焰大小，元素性质有关。很多仪器可以在点燃火焰后进行调节，调到灵敏度最高时为佳。紫外可见光检测器1.3.2.1.4火焰燃助比的选择：依仪器要求打开空压机，一般出口压力约0.2MPa；打开乙炔气瓶。乙炔出口压力一般为0.05～0.1MPa(本例为0.05MPa)。火焰燃助比依元素不同而不同，常见元素中，钙宜选择富燃焰（乙炔流量较大），锌宜选择贫燃焰（乙炔流量较小），其它元素可以用化学计量火焰。1.3.2.1.5设置标准系列浓度及样品参数。本例铜标准溶液系列为0.00，0.25，0.50，1.00，1.50mg/L。1.3.2.2标准及样品的测定待仪器及元素灯预热一段时间稳定后打开排风进行测定。1.3.2.2.1点燃火焰，依次进行空白标准和样品的测定，记录或打印测定吸光度等信息。1.3.2.2.2关闭火焰，若还需用火焰法测定其它元素测换灯依上进行其它元素测定。火焰法测定完毕应先关闭乙炔气瓶，等火焰熄灭后方能关闭空压机。1.3.3石墨炉原子吸收1.3.3.1条件设置及仪器调节1.3.3.1.1选择所测元素（铅），调节灯电流至合适大小（3mA）。选择所用测定谱线波长及带宽（283.3nm，0.4nm）。自动化程度较高的仪器，自动寻峰，并找到最大吸收波长。对自动化程度不太高的仪器，则加一定负高压，松开波长转轮锁定装置，调节波长转轮至所需波长，在所示波长附近仔细调节波长转轮至能量最大，固定波长转轮。反复调节灯的位置至能量最大，加负高压至能量示值为90左右，不同仪器不一样，按所用仪器要求即可。石墨炉测定要使用背景校正，以氘灯扣背景为例。打开氘灯背景校正，调节灯电流使氘灯能量与空心阴极灯能量基本匹配，光束尽可能与元素灯重合。自动化程度低的仪器需手动切入或移除半透半反镜。1.3.3.1.2设置测定参数，一般石墨炉