原子吸收光譜(AAS),又稱原子分光光度法,是基於待測元素的基態原子蒸汽對其特徵譜線的吸收,由特徵譜線的特徵性和譜線被減弱的程度對待側元素進行定性定量分析的一種儀器分析方法。
AAS基本原理
眾所周知,任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成,原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級,因此,一個原子核可以具有多種能級狀態。能量低的能級狀態稱為基態能級(E0=0),其餘能級稱為激發態能級,而能量最低低的激發態則稱為第一激發態激發態。
正常情況下,原子處於基態,核外電子在各自能量低的軌道上運動。如果將一定外界能量如光能提供給該基態原子,當外界光能量E恰好等於該基態原子中基態和某一較高能級之間的能級差△E時,該原子將吸收這一特徵波長的光,外層電子由基態躍遷到相應的激發態,而產生原子吸收光譜。
電子躍遷到較高能級以後處於激發態,但激發態電子是不穩定的,大約經過10-8秒以後,激發態電子將返回基態或其它較低能級,並將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去,這個過程稱原子發射光譜。可見原子吸收光譜過程吸收輻射能量,而原子發射光譜過程則釋放輻射能量。核外電子從基態躍遷至第一激發態所吸收的譜線稱為共振吸收線,簡稱共振線。
電子從第一激發態返回基態時所發射的譜線稱為第一共振發射線。由於基態與第一激發態之間的能級差最小,電子躍遷機率最大,故共振吸收線最易產生。對多數元素來講,它是所有吸收線中最靈敏的,在原子吸收光譜分析中通常以共振線為吸收線。
AAS即根據郎伯-比爾定律來確定樣品中化合物的含量。已知所需樣品元素的吸收光譜和摩爾吸光度,以及每種元素都將優先吸收特定波長的光,因為每種元素需要消耗一定的能量使其從基態變成激發態。檢測過程中,基態原子吸收特徵輻射,通過測定基態原子對特徵輻射的吸收程度,從而測量待測元素含量。
AAS結構
主要由四部分組成:
(1)光源
作用:發射待測元素的特徵光譜。常用燈有空心陰極燈和無極放電燈。
光源應滿足如下要求:能發射待測元素的共振線;能發射銳線;輻射光強度大、穩定性好。
(2)原子化系統
作用是將原子中待測元素轉變為原子蒸汽。分為火焰原子化法和無火焰法如電加熱原子化法、化學原子化法。
(3)單色器
作用:將待測元素的共振線與鄰近譜線分開。既要將譜線分開,又要有一定的射光強毒。組件包括色散元件(稜鏡、光柵),凹凸鏡、狹縫等。
(4)檢測系統
主要由檢測器、放大器、對數變換器、顯示記錄裝置組成。
檢測器是將單色器分出的光信號轉變成電信號。如,光電池、光電倍增管、光敏電晶體等。
放大器是將光電倍增管輸出的較弱信號,經電子線路進一步放大。
對數變換器是對光強度與吸光度之間的轉換。最後顯示、記錄。
ASS使用特點
靈敏度高:火焰原子吸收分光光度法測定大多數金屬元素的相對靈敏度為1.0×10-8-1.0×10-10g/mL,非火焰原子吸收分光光度法的絕對靈敏度為1.0×10-12- 1.0×10-14g。這是由於原子吸收分光光度法測定的是佔原子總數的99%以上的基態原子,而原子發射光譜測定的是佔原子總數不到1%的激發態原子,所以前者的靈敏度和準確度比後者高的多。
精密度好:由於溫度的變化對測定影響較小,該法具有良好的穩定性和重現性,精密度好。一般儀器的相對標準偏差為1%-2%,性能好的儀器0.1%-0.5%。
選擇性好,方法簡單:由光源發出特徵性入射光很簡單,且基態原子是窄頻吸收,元素之間的幹擾較小,可不經分離在同一溶液中直接測定多種元素,操作方便。
準確度高、分析速度快:測定微、痕量元素的相對誤差可達0.1%-0.5%,分析一個元素只需數十秒至數分鐘。
應用廣泛:可直接測定巖礦、土壤、大氣飄塵、水、植物、食品、生物組織等試樣中70多種微量金屬元素,還能用間接法測定硫、氮、滷素等非金屬元素及其化合物。該技術的缺點是不能同時分析多種元素,對於檢測一些難熔元素比較困難。
ASS常見故障處理
燈能量低
故障現象:無極燈能量達不到 50 以上甚至無能量顯示。處理辦法:(1)檢查無極燈與燈座是否接觸良好;(2)檢查燈電流是否在標定範圍內,波長和狹縫是否正確;(3)是否預熱 30 min 以上。
燃燒頭不能正常吸樣
故障現象:火焰法測樣品時吸樣管不能吸取樣品甚至向外排氣泡。處理辦法:此故障一般會同時伴有霧化效率低的現象,應為清洗燃燒頭後沒有進行調節所致。配製確定濃度的銅標準溶液,在銅元素操作條件下,用吸樣管吸取標準溶液;旋鬆固定鎖環,先逆時針旋動調節螺帽,當顯示吸光度為零同時吸樣管向外排出氣泡時停止旋轉,向相反方向旋動調節螺母,當吸光度達到最高時停止擰動調節螺母,並旋緊固定鎖環,調節完成。
點不著火
故障現象:火焰法測定樣品時點不著火。處理辦法:檢查乙炔氣體鋼瓶內總壓力值,若壓力低於 700 kPa 就及時更換新瓶;空氣壓縮機的氣壓不夠,調整相應的氣壓值,若氣壓還不能達到要求,可嘗試更換壓縮機空氣濾芯。
石墨爐測樣精確度差
故障現象:石墨爐測樣品時數據重複率低,波動較大。處理辦法:調整進樣針在石墨管中的位置達到要求;檢查自動取樣器取樣管是否有堵塞;降低樣品中酸的含量,pH 過低會對取樣管內壁造成腐蝕,導致精確度降低。
信號出現不規律的雙峰
故障現象:石墨爐測樣品時吸光度值出現 2 次峰值。處理辦法:降低灰化溫度,使產生額外峰值的化合物不能原子化;進樣針的位置不準確,導致樣品一部分在平臺上,一部分在石墨管壁上;基體改進劑的選擇不對,不能充分抑制其他物質的原子化;石墨管老化,導致樣品受熱不均。