原子吸收分光光度計

原子吸收光譜儀又稱原子吸收分光光度計，根據物質基態原子蒸汽對特徵輻射吸收的作用來進行金屬元素分析。它能夠靈敏可靠地測定微量或痕量元素。

基本介紹

• 中文名：原子分光光度計
• 外文名：atomic absorption spectrophotometer
• 別名：原子吸收光譜儀
• 所屬領域：光譜學
• 儀器用途：元素、有機物及金屬化學形態分析
• 工作原理：利用元素的共振輻射測定其吸光度

發展簡介

1802年烏拉斯登（W.H.Wollaston）發現太陽連續光譜中存在許多暗線。

1814年夫勞霍弗（J.Fraunhofer）再次觀察到這些暗線，但無法解釋，將這些暗線稱為夫勞霍弗暗線。

1820年布魯斯特（D.Brewster）第一個解釋了這些暗線是由太陽外圍大氣圈對太陽光吸收而產生。

1860年克希霍夫（G.Kirchoff）和本生（R.Bunsen）根據鈉（Na）發射線和夫勞霍弗暗線的光譜中的位置相同這一事實，證明太陽連續光譜中的暗線D線，是太陽外圍大氣圈中的Na原子對太陽光譜在Na輻射吸收的結果；並進一步闡明了吸收與發射的關係——氣態的原子能發射某些特徵譜線，也能吸收同樣波長的這些譜線。這是歷史上用原子吸收光譜進行定性分析的第一例證。

很長一段時間，原子吸收主要局限於天體物理方面的研究，在分析化學中的套用未能引起重視，其主要原因是未找到可產生銳線光譜的光源。

1916年帕邢（Paschen）首先研製成功空心陰極燈，可作為原子吸收分析用光源。

直至20世紀30年代，由於汞的廣泛套用，對大氣中微量汞的測定曾利用原子吸收光譜原理設計了測汞儀，這是原子吸收在分析中的最早套用。

1954年澳大利亞墨爾本物理研究所在展覽會上展出世界上第一台原子吸收分光光度計。空心陰極燈的使用，使原子吸收分光光度計商品儀器得到了發展。

1955年澳大利亞聯邦科學與工業研究所物理學家沃爾什（A.Walsh）首先提出原子吸收光譜作為一般分析方法用於分析各元素的可能性，並探討了原子濃度與吸光度值之間的關係及實驗中的有關問題。然後在光譜化學學報上發表了著名論文《原子吸收光譜在分析上的套用》。從此一些國家的科學家競相開展這方面的研究，並取得了巨大的進展。隨著科學技術的發展，原子能、半導體、無線電電子學、宇宙航行等尖端科學對材料純度要求越來越高，如原子能材料鈾、釷、鈹、鋯等，要求雜質小於10^-7~10^-8g，半導體材料鍺、硒中雜質要求低於 10^-10~ 10^-11g，熱核反應結構材料中雜質需低於10^-12g，上述材料的純度要求用傳統分析手段是達不到的，而原子吸收分析能較好地滿足超純分析的要求。

1959年前蘇聯學者里沃夫（В.B.ПьBOB）設計出石墨爐原子化器，1960年提出了電熱原子化法（即非火焰原子吸收法），使原子吸收分析的靈敏度有了極大提高。

1965年威尼斯（J.B.Willis）將氧化亞氮-乙炔火焰用於原子吸收法中，使可測定元素數目增至70個。

1967年馬斯曼（H.Massmann）對里沃夫石墨爐進行改進，設計出電熱石墨爐原子化器（即高溫石墨爐）。

20世紀60年代後期發展了“間接原子吸收分光光度法”，使過去難以用直接法測定的元素和有機化合物的測定有了可能。

1971年美國瓦里安（Varian）公司生產出世界上第一台縱向加熱石墨爐，並首先發展Zeemen背景校正技術。

1981年原子吸收分析儀實現操作自動化。

1984年第一台連續氫化物發生器問世。

1990年推出世界上最先進的Mark V1焰燃燒頭。

1995年線上火焰自動進樣器（SIPS8）研製成功並投入使用。

1998年第一台快速分析火焰原子吸收220FS誕生。

2002年世界上第一套火焰和石墨爐同時分析的原子吸收光譜儀生產並投放市場。

現在，原子吸收分光光度計採用最新的電子技術，使儀器顯示數位化、進樣自動化，計算機數據處理系統使整個分析實現自動化。

我國在1963年開始對原子吸收分光光度法有一般性介紹。1965年復旦大學電光源實驗室和冶金工業部有色金屬研究所分別研製成功空心陰極燈光源。1970年北京科學儀器廠試製成WFD-Y1型單光束火焰原子吸收分光光度計。現在我國已有多家企業生產多種型號、性能較先進的原子吸收分光光度計。

原子吸收分光光度法套用也有一定的局限性，即每種待測元素都要有一個能發射特定波長譜線的光源。原子吸收分析中，首先要使待測元素呈原子狀態，而原子化往往是將溶液噴霧到火焰中去實現，這就存在理化方面的干擾，使對難溶元素的測定靈敏度還不夠理想，因此實際效果理想的元素僅30餘個；由於儀器使用中，需用乙炔、氫氣、氬氣、氧化亞氮（俗稱笑氣）等，操作中必須注意安全。

基本部件

原子吸收分光光度計一般由四大部分組成，即光源（單色銳線輻射源）、試樣原子化器、單色儀和數據處理系統（包括光電轉換器及相應的檢測裝置）。

原子化器主要有兩大類，即火焰原子化器和電熱原子化器。火焰有多種火焰，目前普遍套用的是空氣—乙炔火焰。電熱原子化器普遍套用的是石墨爐原子化器，因而原子吸收分光光度計，就有火焰原子吸收分光光度計和帶石墨爐的原子吸收分光光度計。前者原子化的溫度在2100℃～2400℃之間，後者在2900℃～3000℃之間。

火焰原子吸收分光光度計，利用空氣—乙炔測定的元素可達30多種，若使用氧化亞氮—乙炔火焰，測定的元素可達70多種。但氧化亞氮—乙炔火焰安全性較差，套用不普遍。空氣—乙炔火焰原子吸收分光光度法，一般可檢測到PPm級（10^-6），精密度1%左右。國產的火焰原子吸收分光光度計，都可配備各種型號的氫化物發生器（屬電加熱原子化器），利用氫化物發生器，可測定砷（As）、銻（Sb）、鍺（Ge）、碲（Te）等元素。一般靈敏度在ng/ml級（10^-9），相對標準偏差2%左右。汞(Hg)可用冷原子吸收法測定。

石墨爐原子吸收分光光度計，可以測定近50種元素。石墨爐法，進樣量少，靈敏度高，有的元素也可以分析到pg/mL級。

工作原理

元素在熱解石墨爐中被加熱原子化，成為基態原子蒸汽，對空心陰極燈發射的特徵輻射進行選擇性吸收。在一定濃度範圍內，其吸收強度與試液中被測元素的含量成正比。其定量關係可用郎伯-比耳定律，A= -lg I/I o= -lgT = KCL ，式中I為透射光強度；I0為發射光強度；T為透射比；L為光通過原子化器光程(長度)，每台儀器的L值是固定的；C是被測樣品濃度；所以A=KC。

利用待測元素的共振輻射，通過其原子蒸汽，測定其吸光度的裝置稱為原子吸收分光光度計。它有單光束，雙光束，雙波道，多波道等結構形式。其基本結構包括光源，原子化器，光學系統和檢測系統。它主要用於痕量元素雜質的分析，具有靈敏度高及選擇性好兩大主要優點。廣泛套用於各種氣體，金屬有機化合物，金屬醇鹽中微量元素的分析。但是測定每種元素均需要相應的空心陰極燈，這對檢測工作帶來不便。

儀器分類

火焰原子化法的優點是：火焰原子化法的操作簡便，重現性好，有效光程大，對大多數元素有較高靈敏度，因此套用廣泛。缺點是：原子化效率低，靈敏度不夠高，而且一般不能直接分析固體樣品；

石墨爐原子化器的優點是：原子化效率高，在可調的高溫下試樣利用率 達100%，靈敏度高，試樣用量少，適用於難熔元素的測定。缺點是：試樣組成不均勻性的影響較大，測定精密度較低，共存化合物的干擾比火焰原子化法大，干擾背景比較嚴重，一般都需要校正背景。

實際套用

原子吸收光譜分析現已廣泛用於各個分析領域，主要有四個方面：理論研究；元素分析；有機物分析；金屬化學形態分析。
1． 理論研究中的套用：
原子吸收可作為物理和物理化學的一種實驗手段，對物質的一些基本性能進行測定和研究。電熱原子化器容易做到控制蒸發過程和原子化過程，所以用它測定一些基本參數有很多優點。用電熱原子化器所測定的一些有元素離開機體的活化能、氣態原子擴散係數、解離能、振子強度、光譜線輪廓的變寬、溶解度、蒸氣壓等。
2． 元素分析中的套用：
原子吸收光譜分析，由於其靈敏度高、干擾少、分析方法簡單快速，現巳廣泛地套用於工業、農業、生化、地質、冶金、食品、環保等各個領域，目前原子吸收巳成為金屬元素分析的強有力工具之一，而且在許多領域巳作為標準分析方法。 原子吸收光譜分析的特點決定了它在地質和冶金分析中的重要地位，它不僅取代了許多一般的濕法化學分析，而且還與X- 射線螢光分析，甚至與中子活化分析有著同等的地位。

目前原子吸收法巳用來測定地質樣品中70多種元素，並且大部分能夠達到足夠的靈敏度和很好的精密度。鋼鐵、合金和高純金屬中多種痕量元素的分析現在也多用原子吸收法。 原子吸收在食品分析中越來越廣泛。食品和飲料中的20多種元素巳有滿意的原子吸收分析方法。生化和臨床樣品中必需元素和有害元素的分析現巳採用原子吸收法。有關石油產品、陶瓷、農業樣品、藥物和塗料中金屬元素的原子吸收分析的文獻報導近些年來越來越多。水體和大氣等環境樣品的微量金屬元素分析巳成為原子吸收分析的重要領域之一。 利用間接原子吸收法尚可測定某些非金屬元素。
3． 有機物分析中的套用：
利用間接法可以測定多種有機物。8- 羥基喹啉(Cu)、醇類(Cr)、醛類(Ag)、酯類(Fe)、酚類(Fe)、聯乙醯(Ni)、酞酸(Cu)、脂肪胺(co)、胺基酸(Cu)、維生素C(Ni)、氨茴酸(Co)、雷米封(Cu)、甲酸奎寧(Zn)、有機酸酐(Fe)、苯甲基青黴素(Cu)、葡萄糖(Ca)、環氧化物水解酶(PbO、含鹵素的有機化合物(Ag)等多種有機物，均通過與相應的金屬元素之間的化學計量反應而間接測定。
4． 金屬化學形態分析中的套用：

通過氣相色譜和液體色譜分離然後以原子吸收光譜加以測定，可以分析同種金屬元素的不同有機化合物。例如汽油中5種烷基鉛，大氣中的5種烷基鉛、烷基硒、烷基胂、烷基錫，水體中的烷基胂、烷基鉛、烷基揭、烷基汞、有機鉻，生物中的烷基鉛、烷基汞、有機鋅、有機銅等多種金屬有機化合物，均可通過不同類型的光譜原子吸收聯用方式加以鑑別和測定。

故障及排除

一、總電源指示燈不亮

故障原因

1. 儀器電源線斷路或接觸不良 2.儀器保險絲熔斷 3.保險管接觸不良
   

排除方法

1.將電源線接好，壓緊插頭 2.更換保險絲 3.卡緊保險管使接觸良好

二、初始化中波長電機出現"X"

故障原因

1.空心陰極燈是否安裝 2.光路中有物體遮擋 3.通信系統聯繫中斷

排除方法

1.重新安裝燈 2.取出光路中的遮擋物 3.重新啟動儀器

三、元素燈不亮

故障原因

1.電源線是否脫焊 2.燈電源插座是否鬆動 3.燈壞了

排除方法

1.重新安裝燈 2.更換燈位 3.換燈

四、尋峰時能量過低，能量超上限

故障原因

1.元素燈不亮 2.元素燈位置不對 3.燈老化

排除方法

1.重新安裝空心陰極燈 2.重設燈位 3.更換新燈

五、點擊“點火”，無高壓放電打火

故障原因

1.空氣無壓力 2.乙炔未開啟 3.廢液液位低 4.乙炔泄漏，報警

排除方法

1.檢查空壓機 2.檢查乙炔出口壓力 3.加入蒸餾水 4.關閉緊急滅火

六、測試基線不穩定、噪聲大

故障原因

1.儀器能量低，倍增管負壓高 2.波長不準確 3.元素燈發射不穩定

排除方法

1.檢查燈電流 2.尋峰是否正常 3.更換已知燈

七、標準曲線彎曲

故障原因

1.光源燈失氣 2.工作電流過大 3.廢液流動不暢 4.樣品濃度高

排除方法

1.更換燈或反接 2.減小電流 3.採取措施 4.減小試樣濃度

八、分析結果偏高

故障原因

1.溶液固體未溶解 2.背景吸收假象 3.空白未校正 4.標液變質

排除方法

1.調高火焰溫度 2.在共振線附近重測 3.使用空白 4.重配標液

九、分析結果偏低

故障原因

1.試樣揮發不完全 2.標液配製不當 3.試樣濃度太高 4.試樣被污染

排除方法

1.調整撞擊球和噴嘴相對位置 2.重配標液 3.降低試樣濃度 4.消除污染