原子吸收光谱分析实验

原子吸收光谱分析实验

二、【实验目的】

1、了解原子吸收分光光度计的结构及其使用方法

2、掌握以原子吸收分光光度法进行定量测定的方法

3、了解对某一种元素的测定，怎样选择出最佳测试条件

三、【实验要求】

1、要求同学掌握原子吸收分光光度的结构及分析原理，利用所学原子吸收知识，设计出用火焰原子化法对某一种元素的测定，怎样选择出最佳测试条件，即符合比尔定律，又要有较好的灵敏度、精密度、稳定性和抗干扰性。

2、设计出合理的实验方法（两种）测定出饮用水中钙的含量。

四、【实验原理】

1、基本原理

在原子吸收分光光度法中，一般由空心阴极灯提供特定波长的辐射，即待测元素的共振线。由喷雾-火焰燃烧器或石墨炉等原子化装置使试样中的待则元素分解为气相状态的基态原子。当空心阴极灯的辐射通过原子蒸气时，特定波长的辐射部分地被基态原子所吸收，经单色器分光后，通过检测器测得其吸收前后的强度变化，从而求得试样中待测元素的含量。如下图

当试样原子化，火焰的绝对温度低于3000k时，可以认为原子蒸气中基态原子的数目实际上接近于原子总数。在固定的实验条件下原子总数与试样浓度C的比例是恒定的，可记为

A=K′C

这就是原子吸收分光光度法定量的基础。

2、主要特点

（1）具有灵敏度高，选择性好，抗干扰能力强，稳定性好。

（2）适用范围广，可测定七十多种金属元素。

（3）仪器结构简单，操作方便。

3、定量方法

（1）标准曲线法

配制一组合适的标准溶液，由低浓度到高浓度，依次喷入火焰，分别测定其吸光度A，以测得的吸光度为纵坐标，待测元素的含量或浓度C为横坐标，绘制A-C标准曲线。在相同的实检条件下，喷入待测试样溶液，根据测得的吸光度，由标准曲线求出试样中待测元素的含量，标准曲线法简便、快速，但仅使用于组成简单的试样。

（2）标准加入法

若试样基体组成较复杂，又没有纯净的基体空白，很难配制相类似的标准溶液时，使用标准加入法是合适的。分取几份等量的被测试样，其中一份不加入被测元素，其余各份试样中分别加入不同已知量C1、C2、C3……Cn的被测元素，然后，在标准测定条件下分别测定它们的吸光度A，绘制吸光度A对被测元素加入量CI的曲线。如果被测试样中不含被测元素，在正确校正背景之后，曲线应通过原点；如果曲线不通过原点，说明含有被测元素，截距所相应的吸光度就是被测元素所引起的效应。外延曲线与横坐标轴相交，交点至原点的距离所相应的浓度Cx，即为所求的被测元素稀释后的含量。

使用标准加入法时应注意以下几点：

（a）待测元素的浓度与其对应的吸光度应呈线性关系。

（b）为了得到较为精确的外推结果，最少应采用4个点来做外推曲线。

（c）本法能消除基体效应带来的影响，但不能消除背景吸收的影响，这是因为相同的信号，既加到试样测定值上，也加到增量后的试样测定值上，因此只有扣除了背景之后，才能得到待测元素的真实含量，否则将得到偏高结果。

（d）对于斜率太小的曲线（灵敏度差），容易引起较大的误差。

五、【实验条件】

1、仪器：日立180-80型原子吸收分光光度计；

电子天平（0.0001g）；空心阴极灯（钙）；空气压缩机；乙炔气瓶。容量瓶1000 mL ,100 mL。移液管2 mL ，5 mL，10 mL。烧杯25 mL，50 mL，150 mL。

2、试剂：

(1)、盐酸（优级纯）1mol/L。

(2)、钙标谁溶液的配制Ca=1000μg/mL

准确称取2.5000g（优级纯）CaCO3(在120℃，烘2小时)，加去离子水50mL，滴加1mol/LHCl至CaCO3完全溶解，移入1000mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀。

(3)、工作液的配制：Ca=100 μg/mL

取10.0mL钙的贮备标准溶液于100mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀。

3、原子吸收分光光度计结构与工作原理

仪器的外部结构见下图

它主要由一个阳极（钨棒）和空心圆柱形阴极组成，与待测元素同种的元素被选为阴极材料或衬在阴极上。将这两个电极密封于充入一种低压的惰性气体（氖、氩、氙、氦），并带有石英窗的玻璃管中。当灯与电源相连接，即在空心阴极内发生放电。由于稀有气体离子的轰击使自由原子从阴极四处溅出，它们又与稀有气体原子碰撞而激发出元素的辐射线。

使用时，灯安放在灯架上，调整上下左右的螺丝，使光斑成像在燃烧器的狭缝上方。

空心阴极灯常采用脉冲供电方式，以改善放电特性，同时便于使有用的原子吸收信号与原子化池的直流发射信号区分开，称为光源调制。在实际工作中，应选择合适的工作电流。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增加，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。

由于原子吸收分析中每测一种元素需换一个灯，很不方便，现亦制成多元素空心阴极灯，但发射强度低于单元素灯，且如果金属组合不当，易产生光谱干扰，因此，使用尚不普遍。

对于充氖的空心阴极灯，当发现阴极发光颜色不是纯氖的橙红色时，说明灯内有杂质气体。它会使灯的辐射强度减弱，导致信号对噪声的比例（即信噪比）降低，测量灵敏度下降。要使灯恢复正常，可以将灯通过长时间点燃，或将灯的正负极性反接处理半小时至一小时，直至灯在工作时发出正常光色为止。一般在杂质气体吸收掉后，就能恢复原来性能。

（2）无极放电灯

对于砷、锑等元素的分析，为提高灵敏度，亦常用无极放电灯做光源。无极放电灯是由一个数厘米长、直径5-12厘米的石英玻璃圆管制成。管内装入数毫克待测元素或挥发性盐类，如金属、金属氯化物或碘化物等，抽成真空并充入压力为67-200Pa的惰性气体氩或氖，制成放电管，将此管装在一个高频发生器的线圈内，并装在一个绝缘的外套里，然后放在一个微波发生器的同步空腔谐振器中。这种灯的强度比空心阴极灯大几个数量级,没有自吸,谱线更纯。

原子化器系统

原子化器的功能是提供能量，使试样干燥，蒸发和原子化。在原子吸收光谱分析中，试样中被测元素的原子化是整个分析过程的关键环节。实现原子化的方法，最常用的有两种：

火焰原子化法：是原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至今仍在广泛地被应用；

非火焰原子化法：其中应用最广的是石墨炉电热原子化法。

（1）、火焰原子化器：

火焰原子化法中，常用的预混合型原子化器，其结构如下图。这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成

雾化器是关键部件，其作用是将试液雾化，使之形成直径为微米级的气溶胶。混合室的作用是使较大的气溶胶在室内凝聚为大的溶珠沿室壁流入泄液管排走，使进入火焰的气溶胶在混合室内充分混合均匀以减少它们进入火焰时对火焰的扰动，并让气溶胶在室内部分蒸发脱溶。燃烧器最常用的是单缝燃烧器，其作用是产生火焰，使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化。因此，原子吸收分析的火焰应有足够高的温度，能有效地蒸发和分解试样，并使被测元素原子化。此外，火焰应该稳定、背景发射和噪声低、燃烧安全。

原子吸收测定中最常用的火焰是乙炔-空气火焰，此外，应用较多的是氢-空气火焰和乙炔-氧化亚氮高

温火焰。乙炔-空气火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，燃烧速度不是很大，温度足够高（约2300℃），对大多数元素有足够的灵敏度。氢-空气火焰是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气火焰高，但温度较低（约2050℃），优点是背景发射较弱，透射性能好。乙炔-氧化亚氮火焰的特点是火焰温度高（约2955℃），而燃烧速度并不快，是目前应用较广泛的一种高温火焰，用它可测定70多种元素。

总之，火焰原子化器比较简单、普遍，但火焰的原子化效率很低。普通雾化器的效率仅为10~30%，试样雾滴在火焰中的停留时间很短，约为10-4秒。在此瞬间产生一系列复杂的反应过程，并且产生的基态原子蒸气可能发生电离作用，还可能和火焰成分或其他随伴成分发生反应，同时原子蒸气在火焰中又被大量气流所稀释。凡此种种，限制了测定灵敏度的提高，一般不能直接分析固体试样。

（2）、无火焰原子化装置：

无火焰原子化器就是指电热高温石墨或金属原子化器。

石墨炉原子化法的优点是，试样原子化是在惰性气体保护下于强还原性介质内进行的，有利于氧化物分解和自由原子的生成。对于易形成耐热氧化物的元素，因无大量氧气存在，加以石墨提供了大量碳，故能得到较好的原子化效果。且用样量小，样品利用率高，原子在吸收区内平均停留时间较长，绝对灵敏度高。液体和固体试样均可直接进样。缺点是试样组成不均匀性影响较大，有强的背景吸收，测定精密度不如火焰原子化法。

无火焰原化装置有多种，电热高温石墨管、石墨坩埚、石墨棒、钽舟、镍杯、高频感应加热炉、空心阴极溅射、等离子喷焰、激光等等。

分光系统

分光系统的作用是将欲测的吸收线与其他谱线分开。原子吸收所用的吸收线是锐线光源发出的共振线，它的谱线比较简单，因此，对仪器的色散能力、分辨能力要求较低。

光学系统可分为两部分：外光路系统和分光系统（单色器）。

（1）外光路系统使光源发出的共振线能正确地通过被测试样的原了蒸气，并投射到单色器的狭缝上。见下图是应用于单光束仪器的一种类型（双透镜系统）。光源发出的射线成像在原子蒸气的中间，再由第二透镜将光线聚焦在单色器的入射狭缝上。

（2）分光系统（单色器）主要由色散元件（光栅或棱镜）、反光镜、下风等组成，见下图：

原子吸收分光光度计中单色器的作用是将待测元素的共振线与邻近谱线分开。

检测系统

检测系统主要由检测器、放大器所组成。

（1）、检测器

检测器的作用是将单色器分出的光信号进行光电转换。应用光电池，光电管或光敏晶体管都可以实现光电转换。在原子吸收分光光度计中常用光电倍增管（photomultiplier）作检测器。

（2）、放大器

其作用是将光电倍增管输出的电压信号放大。由光源发出的光经原子蒸气、单色器后已经很弱，由光电倍增管放大其发出信号还不够强，故电压信号在进入显示装置前还必须放大。由于原子吸收测量中处理的信号波形接近方波，因此多采用同步检波放大器，以改善信噪比。

数据处理系统

测定值最终由指示仪表显示出来，最简单的方法是不经过放大和对数变换，而是使用微安表或检流计来作指示仪表直接读数。但在测定微量组分时，由于读数小，误差大，故多采用放大和对数变换，利用量程扩展进行浓度直读，或用记录器记录，将数据保留下来，也可用数字显示仪表，配合数字打印装置记录。现代原子吸收分光光度计对仪器的主机、主要附件、数据处理和存贮完全由计算机软件控制。数据处理有浓度、吸光值、标准偏差、相对标准偏差等的检测和后处理功能，同时可以显示和打印元素的波谱图、分析标准曲线和样品分析信号曲线及分析参数等。

4、原子吸收干扰及其抑制

原子吸收光谱分析中的干扰主要有光谱干扰、物理干扰、化学干扰、电离干扰四种类型。

（1）、光谱干扰

光谱干扰（通常又称背景吸收干扰）包括谱线重叠、光谱通带内存在非吸收线、原子化池内的直流发射、分子吸收、光散射等。当采用锐线光源和交流调制技术时，前三种因素一般可以不予考虑，主要考虑分子吸收和光散射的影响，它们是形成光谱背景的主要因素。该干扰可利用背景校正装置加以扣除。

（2）、物理干扰

物理干扰是指试样在转移、蒸发和原子化过程中，由于试样任何物理特性（如粘度、表面张力、密度等）的变化而引起的原子吸收强度下降的效应。物理干扰是非选择性干扰，对试样各元素的影响基本是相似的。

配制与被测试样相似组成的标准样品，是消除物理干扰最常用的方法。在不知道试样组成或无法匹配试样时，可采用标准加入法或稀释法来减小和消除物理干扰。

（3）、化学干扰

化学干扰是由于液相或气相中被测元素的原子与干扰物质组分之间形成热力学更稳定的化合物，从而影响被测元素化合物的解离及其原子化。化学干扰是一种选择性干扰。

消除方法有多种，常用的有：加入释放剂、保护剂、稀释剂或采用预先分离的方法等。

（4）、电离干扰

在高温下原子电离，使基态原子的浓度减少，引起原子吸收信号降低，此种干扰称为电离干扰。电离效应随温度升高、电离平衡常数增大而增大，随被测元素浓度增高而减小。

加入更易电离的碱金属元素，可以有效地消除电离干扰。

5、分析条件的选择

（1）分析线的选择

通常选用共振吸收线为分析线，测定高含量元素时，可以选用灵敏度较低的非共振吸收线为分析线。As、Se等共振吸收线位于200nm以下的远紫外区，火焰组分对其有明显吸收，故用火焰原子吸收法测定这些元素时，不宜选用共振吸收线为分析线。

本实验所用的仪器波长范围为190~900nm。

（2）狭缝选择

狭缝宽度影响光谱通带宽度与检测器接受的能量。原子吸收光谱分析中，光谱重叠干扰的几率小，可以允许使用较宽的狭缝。调节不同的狭缝宽度，测定吸光度随狭缝宽度而变化，当有其它的谱线或非吸收光进入光谱通带内，吸光度将立即减小。不引起吸光度减小的最大狭缝宽度，即为应选取的合适的狭缝宽度。

本仪器狭缝选择范围为：0.2, 0.4, 1.3, 2.6 nm。

（3）空心阴极灯电流的选择

空心阴极灯一般需要预热10-30min才能达到稳定输出。灯电流过小，放电不稳定,故光谱输出不稳定，且光谱输出强度小；灯电流过大，发射谱线变宽，导致灵敏度下降，校正曲线弯曲，灯寿命缩短。选用灯电流的一般原则是，在保证有足够强且稳定的光强输出条件下，尽量使用较低的工作电流。通常以空心阴极灯上标明的最大电流的一半至三分之二作为工作电流。在具体的分析场合，最适宜的工作电流由实验确定。

本仪器灯电流范围为：5.0, 7.5, 10, 12.5, 15.0 mA。

（4）原子化条件的选择

（a）火焰类型和特性：在火焰原子化法中，火焰类型和特性是影响原子化效率的主要因素。对低、中温元素，使用空气-乙炔火焰；对高温元素，宜采用氧化亚氮-乙炔高温火焰；对分析线位于短波区（200nm 以下）的元素，使用空气-氢火焰是合适的。对于确定类型的火焰，稍富燃的火焰(燃气量大于化学计量)是有利的。对氧化物不十分稳定的元素如Cu、Mg、Fe、Co、Ni等，用化学计量火焰（燃气与助燃气的比例与它们之间化学反应计量量相近）或贫燃火焰（燃气量小于化学计量）也是可以的。为了获得所需特性的火焰，需要调节燃气与助燃气的比例。

本次实验我们选用火焰原子吸收法，使用空气-乙炔火焰。助燃气(空气)压力范围为0.0~2.0kg/cm2, 燃气（乙炔）压力为0.00~1.00 kg/cm2。

（b）燃烧器的高度选择：在火焰区内，自由原子的空间分布是不均匀，且随火焰条件而改变，因此，应调节燃烧器的高度，以使来自空心阴极灯的光束从自由原子浓度最大的火焰区域通过，以获得高的灵敏度。

本仪器燃烧器高度范围为5, 7.5, 10, 12.5,15 mm。

（c）程序升温的条件选择：在石墨炉原子化法中，合理选择干燥、灰化、原子化及除残温度与时间是十分重要的。干燥应在稍低于溶剂沸点的温度下进行，以防止试液飞溅。灰化的目的是除去基体和局外组分，在保证被测元素没有损失的前提下应尽可能使用较高的灰化温度。原子化温度的选择原则是，选用达到最大吸收信号的最低温度作为原子化温度。原子化时间的选择，应以保证完全原子化为准。原子化阶段停止通保护气，以延长自由原子在石墨炉内的平均停留时间。除残的目的是为了消除残留物产生的记忆效应，除残温度应高于原子化温度。

6、分析方法的评价

（1）、灵敏度

六、【实验方案】

用所学过的原子吸收基本原理与定量方法，根据实验要求，同学们自已设计出原子吸收光度法测定饮用水中的钙最佳实验方案。

内容包括：

1、系列标准溶液的配制。

2、标准加入法工作液的配制。

3、未知样溶液的配制。

4、最佳仪器分析条件的选择。（吸收波长、狭缝、灯电流、原子化器高度、空气流量、燃气流量）

5、标准曲线的建立。

6、样品含量测定。

7、数据处理。

[X（mg/L）=从标准曲线上查的样品含量（μg/mL）×水样稀释倍数]

七、【问题讨论】

1、空心阴极灯工作电流的改变，对实验结果有何影响？

2、标准加入法定量分析在那些情况下最易采用？使用时应注意些什么？

3、对本实验两种方法检测结果，进行比较，是否一致？说明原因。

八、【实验报告要求】

1、按设计性实验报告要求完成各项，记录实验中的实验条件及实验数据。

2、定量分析要进行数据处理。

3、用坐标纸绘制标准曲线图并把样品分析结果表示出来。

九、【参考资料】

1、南开大学化学系《仪器分析》编写组，《仪器分析》，人民教育出版社，1978。

2、《仪器分析实验》编写组，《仪器分析实验》，复旦大学出版社1986。

3、朱明华编《仪器分析》高等教育出版社2000年。