學習原子吸收光譜法,必知的分析原理和火焰類型

原子吸收光譜分析法是實驗室元素分析最常用的方法之一，今天實驗與分析平臺直播了一場藥物元素分析檢測技術，其中部分內容包括了原子吸收光譜法的使用，接下來，小析姐將就原子光譜儀的檢測原理、分類，以及火焰等內容進行進行分享，希望能對你的工作、學習有所幫助。

原子吸收光譜分析（又稱原於吸收分光光度分析）是基於從光源輻射出待測元素的特徵光波，通過樣品的蒸汽時，被蒸汽中待測元素的基志原子所吸收，由輻射光波強度減弱的程度，可以求出樣品中待測元素的含量。

在原子中，電子按一定的軌道繞原子核旋轉，各個電子的運動狀態是由4個量子數來描述。不同量子數的電子，具有不同的能量，原於的能量為其所含電子能量的總和。原子處於完全游離狀態時，具有最低的能量，稱為基態。在熱能、電能或光能的作用下，基態原於吸收了能量，最外層的電子產生躍遷，從低能態躍遷到較高能態，它就成為激發態原子。激發態原於很不穩定，當它回到基態時，這些能量以熱或光的形式輻射出來，成為發射光譜。式中：h——普朗克常數，其數值為6．626X10-23J·S；       E0、Eq—一分別代表基態和激發態原子的能量，它們與原子的結構有關。由於不同元素的原子結構不同，所以一種元素的原子只能發射由其已與Eq決定的特定頻率的光。這樣，每一種元素都有其特徵的光譜線。即使同一種元素的原子，它們的Eq也可以不同，也能產生不同的譜線。原子吸收光譜是原於發射光譜的逆過程。基態原子只能吸收頻率為υ=（Eq-E0）/h的光，躍遷到高能態Eq。因此，原子吸收光譜的譜線也取決於元素的原子結構，每一種元素有其特徵的吸收光譜線。   
原子的電子從基態激發到最接近於基態的激發態，稱為共振激發。當電子從共振激發態躍遷回基態時，稱為共振躍遷。這種振躍遷所發射的譜線稱為共振發射線，與此過程相反的譜線稱為共振吸收線。元素的共振吸收線一般有好多條，其測定靈敏度也不同。在測定時，一般選用靈敏線，但當被測元素含量較高時，也可採用次靈敏線。 原子蒸氣對不同頻率的光具有不同的吸收率，因此，原子蒸氣對光的吸收是頻率的函數。但是對固定頻率的光，原子蒸氣對它的吸收是與單位體積中的原子的濃度成正比並符合朗格一比爾定律。當一條頻率為υ，強度為I0的單色光透過長度為L的原子蒸氣層後，透射光的強度為Iv，令比例常數為Kv，則吸光度A與試樣中基態原子的濃度N。有如下關係：在原子吸收光譜法中，原子池中激發態的原子和離子數很少，因此蒸氣中的基態原子數目實際上接近於被測元素總的原子數目，與式樣中被測元素的濃度C成正比。因此吸光度A與試樣中被測元素濃度C的關係如下；式中 K—吸收係數只有當入射光是單色光，上式才能成立。

由於原子吸收光的頻率範圍很窄（0.01nrn以下），只有銳線光源才能滿足要求。在原子吸收光譜分析中，出於存在多種譜線變寬的因素，例如自然變寬、都卜勒（熱）變寬、同位素效應、羅蘭茲（壓力）變寬、場變寬、自吸和自蝕變寬等，引起了發射線扣吸收線變寬，尤以發射線變寬影響最大。譜線變寬能引起校正曲線彎曲，靈敏度下降。減小校正曲線彎曲的幾點措施：(5) 工作時間不要太長，避免光電倍增管和燈過熱。

目前，市場上常見的原子吸收光譜儀有火焰式、石墨爐式、氫化式、冷蒸汽式等四類。
 

 直接將樣品導入儀器進行偵測。其不同於感應耦合電漿原子發射光譜法者，為只能進行單一元素的檢測，及較不會受到元素間光譜線的幹擾。笑氣/乙炔或空氣/乙炔火焰系作為將吸入的樣品解離的能源，使樣品變成自由的原子態，而可吸收待測原子的特定光線，分析某些元素時，所使用的溫度或火焰的形式極重要，若未使用適當的火焰及分析條件，則化學和離子化的幹擾就會產生。此法系以電熱式石墨爐取代火焰作為熱源，石墨爐可分數個加熱程序對樣品進行漸進式的加熱，因此，針對樣品溶液中的有機、無機分子和鹽類的溶劑之蒸發、乾燥、分解及最後形成原子的過程，在火焰式原子吸收光譜法或感應耦合電漿原子發射光譜法中，於數個毫秒內即完成，但在石墨爐中則可於所設定的溫度及時間區間中，用足夠的時間進行之，且可利用升溫程序或基質修飾劑，去除待測物樣品中不需要的基質成份，以減少幹擾。本方法的優點是可提供極低的偵測極限，若樣品相當乾淨，則極易使用本方法執行樣品檢測。由於本方法極靈敏，因此，幹擾問題較嚴重，針對基質複雜的樣品，如何找到最佳的消化方法，加熱溫度和加熱時間及基質修飾劑是一大挑戰。利用選擇性的化學還原反應，將樣品消化液中的砷或硒還原成氫化物而予分離，因此本方法的優點是能將此二種元素從複雜的樣品中分離出來，而無其它分析方法可能遭遇的幹擾問題。報告指出，在下列情況下會有嚴重的幹擾問題：(2)有大於200mg/L之高濃度過渡元素存在時，是利用選擇性的化學還原反應，只將樣品消化液中的汞還原。本方法對汞的分析極靈敏，但會受樣品中揮發性有機物、氯、和硫化物的幹擾。原子吸收光譜法採用的原子化方法主要有火焰法、石墨爐法和氫化物發生法。 （1）從溶液霧化至蒸發為分子蒸氣的過程。主要依賴於霧化器的性能、霧滴大小、溶液性質、火焰溫度和溶液的濃度等。 （2）從分子蒸氣至解離成基態原子的過程。主要依賴於被測物形成分子們鍵能，同時還與火焰的溫度及氣份相關。分子的離解能越低，對離解越有利，就原子吸收光譜分析而言，解高能小於3．5eV的分子，容易被解離，當大於5eV時，解離就比較困難。樣品置於石墨管內，用大電流通過石墨管，產生3000℃以下的高溫，使樣品蒸發和原子化。為了阻止石墨管在高溫氧化，在石墨管內、外部用惰性氣體保護。石置爐加溫階段一般可分為： (1)乾燥。此階段是將溶劑蒸發掉，加熱的溫度控制在溶劑的沸點左右，但應避免暴沸和發生濺射，否則會嚴重影響分析精度和靈敏度。 （2）灰化。這是比較重要的加熱階段。其目的是在保證被鍘元素沒有明顯損失的前提下，將樣品加熱到儘可能高的溫度，破壞或蒸發掉基體，減少原子化階段可能遇到的元素間幹擾，以及光散射或分子吸收引起的背景吸收，同時使被鍘院素變為氧化物或其他類型物。 (3)原子化。在高溫下，把被測元素的氧化物或其它類型物熱解和還原（主要的）成自由原子蒸氣。 在酸性介質中，以硼氫化鉀（KBH4）作為還原劑，使鍺、錫、鉛、砷、銻、秘、硒和儲還原生成共價分於型氫化物的氣體，然後將這種氣體引人火焰或加熱的石英管中，進行原子化。AsCl3+4KBH4+HCl+8H2O=AsH3+4KCl+4HBO2+13H2 原子吸收光譜分析中常用的火焰有：空氣一乙炔、空氣一煤氣（丙烷）和一氧化二氮一乙炔等火焰。 （1）空氣一乙炔。這是最常用的火焰。此焰溫度高（2300℃），乙炔在燃燒過程中產生的半分解物C*、CO*、CH*等活性基因，構成強還原氣氛，特別是富燃火焰，具有較好的原子化能力。 （2）空氣一煤氣（丙烷）。此焰燃燒速度慢、安全、溫度較低（1840～1925℃），火焰穩定透明。火焰背景低，適用於易離解和幹擾較少的元素，但化學幹擾多。 （3）一氧化二氮一乙炔。由於在一氧化二氮中，含氧量比空氣高，所以這種火焰有更高的溫度（約3000℃）。
在富燃火焰中，除了產生半分解物C*、CO*、CH*外，還有更強還原性的成分CN*及NH*等，這些成分能更有效地搶奪金屬氧化物中氧，從而達到原子化的目的。這就是為什麼空氣乙炔火焰不能測定的矽、鋁、鈦、錸等特別難離解的元素，在一氧化二氮一乙炔火焰中就能測定的原因。本文除特指外均屬空氣一乙炔火焰。  (1) 化學計量火焰。又稱中性火焰，這種火焰的燃氣及助燃氣，基本上是按照它們之間的化學反應式提供的。對空氣一乙炔火焰，空氣與乙炔之比約為4：1。火焰是藍色透明的，具有溫度高，幹擾少，背景發射低的特點。火焰中半分解產物比貧燃火焰高，但還原氣氛不突出，對火焰中不特別易形成單氧化物的元素，除鹼金屬外，採用化學計量火焰進行分析為好。 (2) 貧焰火焰。當燃氣與助燃氣之比小於化學反應所需量時，就產生貧燃火焰。其空氣與乙炔之比為4：1至6：1。火焰清晰，呈淡藍色。由於大量冷的助燃氣帶走火焰中的熱量，所以溫度較低。由於燃燒充分，火焰中半分解產物少，還原性氣氛低，不利於較難離解元素的原子化，不能用於易生成單氧化物元素的分析。但溫度低對易離解元素的測定有利。（3）富燃火焰。燃氣與助燃氣之比大於化學反應量時，就產生富燃火焰。空氣與乙炔之比為4：1．2～二．5或更大，由於燃燒不充分，半分解物濃度大，具有較強的還原氣氛。溫度略低於化學計量火焰，中間薄層區域比較大，對易形成單氧化物難離解元素的測定有利，但火焰發射和火焰吸收及背景較強，幹擾較多，不如化學計量火焰穩定。 想學習更多關於原子光譜的使用知識，可以掃描下方二維碼或者閱讀原文回看今天的課程，課程中包含部分原子吸收光譜的使用知識，歡迎大家繼續學習。

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