原子吸收光譜分析儀器具有靈敏度高、重復(fù)性和選擇性好。操作簡(jiǎn)便、快速。結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。檢測(cè)時(shí)樣品用量少(在幾微升至兒十微升之間)，測(cè)量范同廣(幾乎能用來(lái)分析所有的金屬元素和類金屬元素元件)等優(yōu)點(diǎn)。其可應(yīng)用于冶金、化工、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生等許多方面；在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品衛(wèi)生和生物機(jī)體內(nèi)微量金屬元素的測(cè)定以及醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)檢驗(yàn)等應(yīng)用也口益廣泛。
人體中含有許多對(duì)維持正常生理過(guò)程有審要意義的金屬元素，如鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳、鉬和鈷等。人體的血液、汗液、尿液、頭發(fā)及機(jī)體組織。由于受環(huán)境和飲食污染會(huì)引進(jìn)體內(nèi)鉛、汞、鎘和砷等有害元素。塒這些金屬元素的分析結(jié)果，可以反映機(jī)體內(nèi)的生理過(guò)程及受環(huán)境污染中毒的情況。原子吸收光譜分析儀器既可用于血液、尿液、糞便及生物組織中微量元素的分析．也可對(duì)內(nèi)臟、毛發(fā)、骨骼等經(jīng)一定處理后，進(jìn)行分析測(cè)定
1 原子吸收光譜分析方法的基本原理
在自然界中．一切物質(zhì)的分子均由原子組成，而原于是由一個(gè)原子核和核外電子構(gòu)成。原子核內(nèi)有中子和質(zhì)子，質(zhì)子帶正電．核外電予帶負(fù)電；其電子的數(shù)日和構(gòu)型決定了該元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。電了按一定的軌道繞核旋轉(zhuǎn)；根據(jù)電子軌道離核的距離，有不同的能量級(jí)，可分為不同的殼層。每一殼層所允許的電子數(shù)是一定的。當(dāng)原子處于正常狀態(tài)時(shí)．每個(gè)電子趨向占有低能量的能級(jí)，這時(shí)原子所處的狀態(tài)叫基態(tài)(E0)。在熱能、電能或光能的作用下，原子中的電子吸收一定的能量．處于低能態(tài)的電子被激發(fā)躍遷到較高的能態(tài)。原子此時(shí)的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)(Eq)。原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過(guò)程是吸能的過(guò)程。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一般在10-10 ~-10-8s 內(nèi)就要返回到基態(tài)(E0)或較低的激發(fā)態(tài)(Ep )。此時(shí)，原子釋放出多余的能量，輻射出光子束，其輻射能量的大小由下列公式表示：
AE=Eq-Ep(或E0)=hf=hc／λ (1)
式中：h— — 普朗克常數(shù)為6．6234x10-27erg.s;f和λ —— 電子從Eq能級(jí)返回到Ep(或E0)能級(jí)時(shí)所發(fā)射光譜的頻率和波長(zhǎng)；C— — 光速。
Eq 、Ep 或E0。值的大小與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同元素，其Eq、Ep 和E0。不相同，一般元素的原子只能發(fā)射由其Eq Ep 或Eo。決定的特定波長(zhǎng)或頻率的光，即：
f=Eq。一E p(或E0)/h (2)
每種物質(zhì)的原子都具有特定的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排列，因此不同的原子被激發(fā)后．其電子具有不同的躍遷。能輻射出不同波長(zhǎng)光，就是說(shuō)．每種元素都有其特征的光譜線。由于譜線的強(qiáng)度與元素的含量成正比，以此可測(cè)定元素的含量，
作定量分析。
當(dāng)某種元素被激發(fā)后，核外電予從基態(tài)E 激發(fā)到*接近基態(tài)的*低激發(fā)態(tài)E1叫共振激發(fā)。當(dāng)其叉回到E。時(shí)發(fā)出的輻射光線即為其振線。而基態(tài)原子吸收共振線輻射也可以從基態(tài)上升至*低激發(fā)態(tài)，由于各種元素的共振線不相同，并具有一定的特征性．所以原子吸收儀能在同種元素的一定特征波長(zhǎng)中觀察到．當(dāng)光源發(fā)射的某一特征波長(zhǎng)的光通過(guò)待測(cè)樣品的原于蒸氣時(shí)．原子中的外層電子將選擇性地吸收其同種元素所發(fā)射的特征譜線，使光源發(fā)出的入射光減弱，可以將特征譜線因吸收而減弱的程度用吸光度A表示，A與被測(cè)樣品中的待測(cè)元素含*成正比；即基態(tài)原子的濃度越大，吸收的光量越多．通過(guò)測(cè)定吸收的光量，就可以求出樣品中待測(cè)的金屬及類金屬物質(zhì)的含暈。對(duì)于大多數(shù)金屬元素而言，共振線是該元素所有譜線中*靈敏的譜線．這就是原子吸收光譜分析法的原理，也是該法之所以有較好的選擇性．可以測(cè)定微量元素的根本原因。
2 原子吸收光譜分析儀器
原子吸收光譜分析儀器的原理是通過(guò)火焰、石墨爐等將待測(cè)元素在高溫或是化學(xué)反應(yīng)作用下變成原子蒸氣，由光源燈輻射出待測(cè)元索的特征光，在通過(guò)待測(cè)元素的原子蒸氣時(shí)發(fā)生光譜吸收．透射光的強(qiáng)度與被測(cè)元素濃度成反比，在儀器的光路系統(tǒng)中。透射光信號(hào)經(jīng)光柵分光，將待測(cè)元素的吸收線與其他譜線分開(kāi)。經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器。將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電路系統(tǒng)放大、處理，再南CPU及外部的電腦分析、計(jì)算，*終在屏幕顯示待測(cè)樣品中微量及超微量的多種金屬和類金屬元素的含量和濃度。由打印機(jī)根據(jù)用戶要求打印報(bào)告單，儀器主要由5部分組成：光源、原子化器、光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、電腦系統(tǒng)。
2，1 光源
光源是用來(lái)產(chǎn)生待測(cè)元素的原子譜線的．必須能夠發(fā)射出比吸收線寬度更窄，并且光強(qiáng)大、穩(wěn)定的銳線光譜。
常用的光源有空心陰極燈及尤極放電燈。
空心陰極燈的構(gòu)造，是由待測(cè)元素材料制成圓筒形空心陰極，由鎢材料制成棒型陽(yáng)極，陰電極密封在允有惰性氣體、前端帶有英石窗的玻璃燈管中。在工作時(shí)，儀器的電源電路為燈的陰極和陽(yáng)極之問(wèn)加上：200～500V的電壓．根據(jù)不同元素檢測(cè)要求，提供不同的燈工作電流。燈通電后．陰極發(fā)出的電子在電場(chǎng)作用下加速，與惰性氣體碰撞，使其電離，電離后的正離于向陰極加速運(yùn)動(dòng)，轟擊陰極表面。使陰極材料的原子濺射出來(lái)聚集在剛極附近，電子斷接受能量，由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，而高能態(tài)是小穩(wěn)定的。瞬間要從高能態(tài)返回到原來(lái)的基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出與待測(cè)元素相同的特征光譜，由于許多元素的光潛處于紫外區(qū)，所以燈的透光窗須使用石英玻璃，燈的供電一般采用脈沖電壓，為使燈發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定，供電電流采用穩(wěn)流措施，要求電流波動(dòng)度小于0．1％。
無(wú)極放電燈一般用于蒸氣壓較高的元素或化合物的測(cè)定上，這種燈是一個(gè)石英管，管內(nèi)放進(jìn)數(shù)毫克會(huì)屬化合物并充有氬氣。上作時(shí)將燈置丁高頻電場(chǎng)中，氬氣激發(fā)伴隨著管內(nèi)溫度升高，金屬化合物蒸發(fā)出來(lái)，并進(jìn)一步離解、激發(fā)，從而輻射出金屬元素的共振線。主要用砷、硒、鎘、錫、貴金屬等元素的測(cè)定。
2-2 原子化器
原子化器的作用是提供一定的能．使待測(cè)樣品中的元素游離出蒸氣基態(tài)原了，并使其進(jìn)人光源的輻射光程，進(jìn)行吸收。由于原子吸收光譜分析是建立在基念原予蒸氣對(duì)共振線吸收的基礎(chǔ)上來(lái)分析元素含茸的方法，所以各種類型樣品的原子化是分析中*關(guān)鍵的問(wèn)題，測(cè)定元素的結(jié)果是否準(zhǔn)確，很大程度上取決于樣品的原子化狀態(tài)這就要求原子化器盡可能有高的原子化率，并且穩(wěn)定、重現(xiàn)性好。干擾少和裝備簡(jiǎn)單。
現(xiàn)在儀器*常見(jiàn)的有兩種原子化器．火焰原子化器和墨爐。
(1)火焰原子化器是*常用的原子化器，包括2個(gè)部分：把樣品溶液變成高度分散狀態(tài)的霧化器和燃燒頭。
工作時(shí)。由儀器外設(shè)的空壓機(jī)提供壓縮空氣作為助燃?xì)狻?/p>
由管道進(jìn)人霧化器．并l住出f]處以高速度噴出．會(huì)造成局部負(fù)壓，使得樣品溶液在大氣壓作用沿進(jìn)樣毛細(xì)管上升，隨壓縮空氣一同噴人霧室中樣品霧滴、助燃?xì)馀c燃?xì)庖黄鹪陟F化器中充分混合后進(jìn)人燃燒器，借燃燒火焰的熱量，使待測(cè)元素原了化．常用的燃?xì)鉃橐胰玻瑑x器外接高純乙炔氣罐，以乙炔做燃?xì)狻?/p>
燃燒頭儀器均采用長(zhǎng)縫式，由耐高溫合金材料制成，不同型號(hào)的儀器其燃燒頭的縫長(zhǎng)和縫寬不一樣，一般有10、7、5cm等幾種．縫寬在0．5mm左右。
(2)石墨爐：*常用的是管型高溫石墨爐，由于石墨是導(dǎo)體．當(dāng)在石墨管兩端接上正負(fù)電極，通上十幾伏電壓和4o0～500A之間的大電流時(shí)。石墨管會(huì)在2～4s的短時(shí)間內(nèi)，升到2000％～3 000％的高溫．將加人到石墨爐中的樣品蒸發(fā)一分解一原子化，百墨管的內(nèi)徑通常在4～6mm．長(zhǎng)度25～50mm之間。
為防止石墨管和原子化的原了被氧化，儀器中的石墨管均封閉在一個(gè)保護(hù)氣室罩，加熱時(shí)，石墨管內(nèi)外均通有惰氣氣體氬氣(Ar)。為了降低爐體對(duì)周 的熱輻射，爐體外還通有冷卻水，保持原子化器的外邊在60℃以下。
石墨爐原子化器，原子化效率高，所需樣品量較少，檢測(cè)靈敏精密度高，使用石器爐原于化時(shí)．樣品要經(jīng)過(guò)干燥一灰化一原子化一凈化4個(gè)過(guò)程。每個(gè)過(guò)程分別對(duì)應(yīng)不同的溫度。
由儀器控溫電路控制實(shí)施。(1)干燥：是在等于或稍高于溶劑沸點(diǎn)的溫度下加熱數(shù)10s，將溶液烘干，除去溶劑。(2)灰化：在低于原子化的溫度下加熱數(shù)秒鐘，將被測(cè)樣品中有機(jī)物盡可能除去，減少基體組分可能帶來(lái)的干擾。(3)原子化：在被測(cè)元素的原了化溫度加熱數(shù)秒鐘． 同時(shí)儀器檢測(cè)系統(tǒng)記錄此時(shí)的吸光度值A(chǔ)。(4)凈化：檢測(cè)完畢。加高溫將石墨管內(nèi)殘?jiān)鼰M，開(kāi)始下一次檢測(cè)，這4個(gè)過(guò)程足階梯式的升溫程序，測(cè)定不同的元素時(shí)．各階段使用的溫度和時(shí)間不盡相同，現(xiàn)在的儀器均由微機(jī)摔制。 根據(jù)所測(cè)元素或操作者預(yù)先設(shè)定的數(shù)值自動(dòng)完成。
2．3 分光系統(tǒng)
在原子吸收光譜分析中，為防止原了吸光區(qū)內(nèi)與吸收波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的輻射光進(jìn)入檢測(cè)器。均采用單光束分光系統(tǒng)；多選用對(duì)稱式光柵單色器，以衍射光柵作色散元什，進(jìn)行分光。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)選擇波長(zhǎng)和進(jìn)行峰值定位，多數(shù)儀器的波長(zhǎng)范圍190—900nm。其分出的單色光被凹面鏡聚焦通過(guò)狹縫，照射到檢測(cè)器上。
2．4 檢測(cè)系統(tǒng)
包括光電轉(zhuǎn)換，各控制放大電路單色器分選出基態(tài)原予的共振線光束通過(guò)狹縫照射到檢測(cè)器上，由檢測(cè)器將光信號(hào)變成電信號(hào)。以前的儀器采用光電倍增管作光電轉(zhuǎn)換．現(xiàn)在有些廠家的新型儀器采川低噪聲CM0S電荷放大器陣列作光電轉(zhuǎn)換。光信號(hào)通過(guò)同態(tài)檢測(cè)器后變成電信號(hào)．經(jīng)過(guò)前置放大器、對(duì)數(shù)放大器放大，再經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)零、積分運(yùn)算、濃度直讀、曲線校正、自動(dòng)增益控制、峰值保持等電路的放大處理。將被測(cè)元素吸光度值A(chǔ)變成濃度信號(hào)，在顯示器顯示出測(cè)定值，并由打印機(jī)根據(jù)需要打印多種型式的報(bào)告單。
2．5 電腦系統(tǒng)
現(xiàn)代儀器均外接電腦及外設(shè)來(lái)控制儀器的各種工作流程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作：完成點(diǎn)火、加溫、自動(dòng)選擇波K、狹窄寬度；根據(jù)所要檢測(cè)的元素選擇燈電流、燈位置、氣體流量；自動(dòng)完成讀取數(shù)值、計(jì)算等流程。電腦控制儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)工作條件，進(jìn)行測(cè)定，完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)數(shù)處理、分析結(jié)果．并可自動(dòng)計(jì)算平均值和變異系數(shù)、顯示和打印報(bào)告單。
現(xiàn)代原子吸收光譜分析儀器自動(dòng)化程度比較高，功能齊全，簡(jiǎn)單易用的控制軟件，可以使操作人員 工作分析中享受到現(xiàn)代技術(shù)帶來(lái)的樂(lè)趣。
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