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  • qq250083771
    2013/06/10
  • 私聊

原子吸收光谱(AAS)

  • 原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收进行元素定量分析的方法。  

    基态原子吸收其共振辐射,外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。在通常的原子吸收测定条件下,原子蒸气中基态原子数近似等于总原子数。在原子蒸气中(包括被测元素原子),可能会有基态与激发态存在。根据热力学的原理,在一定温度下达到热平衡时,基态与激发态的原子数的比例遵循Boltzman 分布定律。




    Ni与N0 分别为激发态与基态的原子数; gi / g0 为激发态与基态的统计权重,它表示能级的简并度;T 为热力学温度; k 为Boltzman 常数; Ei 为激发能。

    从上式可知,温度越高, Ni / N0 值越大,即激发态原子数随温度升高而增加,而且按指数关系变化;在相同的温度条件下,激发能越小,吸收线波长越长,Ni / N0 值越大。尽管如此变化,但是在原子吸收光谱中,原子化温度一般小于3000K,大多数元素的最强共振线都低于600nm, Ni / N0 值绝大部分在10-3 以下,激发态和基态原子数之比小于千分之一,激发态原子数可以忽略。因此,基态原子数N0 可以近似等于总原子数N。

    第一节原子吸收光谱轮廓

      原子吸收光谱线并不是严格几何意义上的线,而是有相当窄的频率或波长范围,即有一定宽度。一束不同频率强度为I0 的平行光通过厚度为l 的原子蒸气,一部分光被吸收,透过光的强度Iν 服从吸收定律
      Iν = I0 exp(-kνl)
      式中kν 是基态原子对频率为ν 的光的吸收系数。不同元素原子吸收不同频率的光,透过光强度对吸收光频率作图,在频率ν0 处透过光强度最小,即吸收最大。若将吸收系数对频率作图,所得曲线为吸收线轮廓。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率(或中心波长)和半宽度表征。中心频率由原子能级决定。半宽度是中心频率位置,吸收系数极大值一半处,谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。谱线具有一定的宽度,主要有两方面的因素:一类是由原子性质所决定的,例如,自然宽度;另一类是外界影响所引起的,例如,热变宽、碰撞变宽等。
    1、自然宽度
      没有外界影响,谱线仍有一定的宽度称为自然宽度。它与激发态原子的平均寿命有关,平均寿命越长,谱线宽度越窄。不同谱线有不同的自然宽度,多数情况下约为10-5nm 数量级。
    2、多普勒变宽
      由于辐射原子处于无规则的热运动状态,因此,辐射原子可以看作运动的波源。这一不规则的热运动与观测器两者间形成相对位移运动,从而发生多普勒效应,使谱线变宽。这种谱线的所谓多普勒变宽,是由于热运动产生的,所以又称为热变宽,一般可达10-3nm,是谱线变宽的主要因素。
    3、压力变宽
      由于辐射原子与其它粒子(分子、原子、离子和电子等)间的相互作用而产生的谱线变宽,统称为压力变宽。压力变宽通常随压力增大而增大。在压力变宽中,凡是同种粒子碰撞引起的变宽叫Holtzmark(赫尔兹马克)变宽;凡是由异种粒子碰撞引起的变宽叫Lorentz(洛伦兹)变宽。 此外,在外电场或磁场作用下,能引起原子的电子能级的分裂,从而导致谱线变宽,这种变宽称为场致变宽。包括斯塔克(Stark)变宽和塞曼(Zeeman)变宽。
    4、自吸变宽
      由自吸现象而引起的谱线变宽称为自吸变宽。空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象,从而使谱线变宽。灯电流越大,自吸变宽越严重。

    第二节原子吸收光谱的测量

    1、积分吸收
      在吸收线轮廓内,吸收系数的积分称为积分吸收系数,简称为积分吸收,它表示吸收的全部能量。从理论上可以得出,积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为:
      ∫Kν dν = πe2N0ƒ/mc
    式中e 为电子电荷;m 为电子质量;c 为光速;N0 为单位体积内基态原子数;f 振子强度,即能被入射辐射激发的每个原子的平均电子数,它正比于原子对特定波长辐射的吸收几率。这是原子吸收光谱分析法的重要理论依据。若能测定积分吸收,则可求出原子浓度。但是,测定谱线宽度仅为10-3nm的积分吸收,需要分辨率非常高的色散仪器。
     2、峰值吸收
      目前,一般采用测量峰值吸收系数的方法代替测量积分吸收系数的方法。如果采用发射线半宽度比吸收线半宽度小得多的锐线光源,并且发射线的中心与吸收线中心一致,这样就不需要用高分辨率的单色器,而只要将其与其它谱线分离,就能测出峰值吸收系数。在一般原子吸收测量条件下,原子吸收轮廓取决于Doppler (热变宽)宽度,通过运算可得峰值吸收系数:K0 = 2/△νD(ln2/π)1/2 πe2N0ƒ/mc可以看出,峰值吸收系数与原子浓度成正比,只要能测出K0 就可得出N0。
     3、锐线光源
      锐线光源是发射线半宽度远小于吸收线半宽度的光源,如空心阴极灯。在使用锐线光源时,光源发射线半宽度很小,并且发射线与吸收线的中心频率一致。这时发射线的轮廓可看作一个很窄的矩形,即峰值吸收系数Kν 在此轮廓内不随频率而改变,吸收只限于发射线轮廓内。这样,一定的K0 即可测出一定的原子浓度。
     4、实际测量
      在实际工作中,对于原子吸收值的测量,是以一定光强的单色光I0 通过原子蒸气,然后测出被吸收后的光强I,此一吸收过程符合朗伯-比耳定律,即
      I = I0e-K N L
      式中K 为吸收系数,N 为自由原子总数(基态原子数),L 为吸收层厚度。吸光度A 可用下式表示A = lgI0 / I = 2.303 K N L
      在实际分析过程中,当实验条件一定时,N 正比于待测元素的浓度。
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  • qq250083771

    第1楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱仪的产生



    众所周知,任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成,原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级,因此,一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级(E0=0),其余能级称为激发态能级,而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下,原子处于基态,核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子,当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差?E时,该原子将吸收这一特征波长的光,外层电子由基态跃迁到相应的激发态,而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态,但激发态电子是不稳定的,大约经过10-8秒以后,激发态电子将返回基态或其它较低能级,并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去,这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量,而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的谱线称为共振吸收线,简称共振线。电子从第一激发态返回基态时所发射的谱线称为第一共振发射线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小,电子跃迁几率最大,故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲,它是所有吸收线中最灵敏的,在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。

    原子吸收光谱仪分析原理
      原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收,由发射光谱被减弱的程度,进而求得样品中待测元素的含量,它符合郎珀-比尔定律
      A= -lg I/I o= -lgT = KCL
      式中I为透射光强度,I0为发射光强度,T为透射比,L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。
    原子吸收光谱仪的使用
      电子计算机技术引入原子吸收光谱仪后,性能较好的仪器一般都由微机来控制操作,但由于仪器的型号不同,使用方法也不尽一致。现以美国ATIUNICAM公司生产的Solaar-929型原子吸收光谱仪为例,介绍原子吸收光谱仪的使用方法。
      1. 打开主机,计算机进入Windows窗口,选择Solaar-929光标连续压两下,进入此页面,进入Spectmeter中的Lamp,设定所需用的灯及灯电流,进入element,选择要分析的元素。
      2. 点灯,然后到Action中的Setup optics设定光路,进入System,选择要用火焰还是石墨炉。
      3. 输入Calibration参数。
      4. 如用石墨炉,则需要输入炉程序及自动器参数。
      5. 进入Sequence输入程序。
      6. 点火,优化气体流量,撞击球及火焰头位置。
      7. 石墨炉则要优化炉头位置及自动进样器位置。
      8. 选择Action中的Analyse进行分析。
      9. 分析完毕到File中选Save存数据并打印结果。
      10. 退出Windows,关机、关气、关水。

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  • qq250083771

    第2楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱法作为测定痕量和超痕量元素的有效方法之一,获得广泛的应用。原子吸收光谱法能获得广泛应用主要是由其本身的特点所决定的。

    它的特点大致可以归结如下:

    1. 火焰原子吸收光谱法的检出限约为ppb 级,石墨炉原子吸收光谱法的检出限可达到ppb级。

    2. 选择性好:原子吸收光谱是元素的固有特征,这是其选择性好的根本原因。
    3. 精密度高:原子吸收光谱的强度取决于自由基态原子数N0,N0 受温度变化的影响很小,原子吸收系数kv随温度T 变化而变化,这是原子吸收光谱法精密度高于原子发射光谱的一个原因。在火焰原子吸收光谱法中,测量的是平衡信号,减少了火焰组分和分析原子随时间变化大所带来的不利影响。
    4. 抗干扰能力强:原子吸收线数目少,一般不存在共存元素的光谱重叠干扰。
    5. 应用范围广:适用分析的元素范围广,可以分析周期表中绝大多数的金属元素和非金属元素。
    6. 用样量小:火焰原子吸收光谱法的进样量为3~6ml/min,采用微量进样时,进样量可小至10~50ul。石墨炉原子吸收光谱法,液体的进样量为10~20ul,固体的进样量为毫克级。
    7. 仪器设备相对比较简单,易于掌握。
    8. 主要用于单元素定量分析。

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  • qq250083771

    第3楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱法,亦称原子吸收分光光度法,是基于蒸气相中的待测元素的基态原子对其共振辐射的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种仪器分析方法。广泛应用与痕量和超痕量元素的测定。

    原子吸收光谱法作为一种有效的分析方法出现于1955 年,这一年,澳大利亚科学家瓦尔西(A.Walsh)、荷兰学者阿肯麦得(C.T.J.Alkemade)和米拉芝(J.M.W.Milatz)分别独立地发表了原子吸收光谱分析方法的论文,开创了火焰原子吸收光谱法。特别是瓦尔西被公认为原子吸收光谱分析的奠基人,他论述了此方法的物理基础,指出原子吸收是火焰气体中原子浓度的量度,吸光度与试液中被测元素的浓度具有线性关系,建议采用峰值测量法,并指出方法的通用性,即可用于所有能蒸发产生自由原子的元素的测定,与标准溶液系列的吸收值相比较就可以测定试液中被测元素的含量。

      1959 年俄罗斯学者里沃夫开创了石墨炉电热原子吸收光谱法,他用坩埚石墨炉原子化法,测定了许多元素,灵敏度比火焰原子化法高3 个数量级,绝对灵敏度达到10-13~10-14g,使原子吸收光谱法的发展出现了一个飞跃,但由于结构过于复杂,未能推广。1968 年马斯曼(H.Massmann)提出了便于推广的石墨炉,在半密封条件下用低压大电流直接加热石墨炉,分阶段将温度升至原子化温度,样品直接在石墨管的管壁原子化。
      1965 年威里斯(J.B.Willis)应用氧化亚氮-乙炔火焰测定了难熔元素,使可测定的元素达到70 多种。随着科学技术的发展及原子吸收光谱分析基础研究的深入,原子吸收光谱仪器的发展非常迅速。美国Perkin-Elmer 公司1961 年推出了世界上第一台火焰原子吸收分光光度计,接着于1970 年生产了世界上第一台配有HGA-70 型石墨炉的原子吸收光谱仪。1976 年日本日立公司推出第一台塞曼效应校正背景的原子吸收光谱仪,接着于1989 年推出了Z9000 型原子吸收光谱仪,采用四通道系统,能同时测定4 种元素。1990 年美国Perkin-Elmer 公司又生产了世界上第一台浙江福立分析仪器有限公司PE4100ZL 型横向加热纵向磁场调制石墨炉原子吸收光谱仪,靠辐射热加热试样,使石墨炉内温度分布均匀获得最佳等温原子化条件,有效的降低和避免了基体效应和记忆效应,接着于1994 年推出了SIMAA6000 型多元素同时测定原子吸收光谱仪。2004 年,德国耶拿分析仪器股份公司成功地设计和生产出连续光源原子吸收光谱仪contrAA,世界第一台商品化连续光源原子吸收诞生了。

      .综上所述,历经几十年的发展后,今天的原子吸收光谱仪已经进入了高水平的发展阶段。联用技术,如与各种色谱联用,发展潜力很大,多元素同时测定光谱仪的发展,将是分析工作者感兴趣的热门课题。

    原子吸收在我国的发展大致可以分为3 个时期,1975 年以前是起步时期;随着国产原子吸收光谱仪器的大量生产,1975 年以后的十年是普遍推广时期;此后时大发展时期。在1963 年首先是黄立本和张展霞,接着是钱振鹏分别著文,向国内同行介绍了原子吸收光谱法。1964 年黄立本等将蔡氏Ⅲ型滤光片式火焰光度计改装为一台简易原子吸收光谱装置,测定了溶液中的钠,研究了3 种醇类对分析信号的影响机理,这是我国学者最早发表的有关原子吸收光谱分析的研究论文。1965 年吴廷照等组装成功了实验室型原子吸收光谱仪器,并且和复旦大学电光源实验室分别研制出了空心阴极灯。1970 年北京科学仪器厂生产了我国第一台单光束火焰原子吸收光谱仪。1972 年吴廷照等设计制造了管式石墨炉原子吸收装置,并用该装置测定了核纯锆中的镉,马怡载等研制了石墨原子化器及其控制电源。1980 年马怡载等研制成了我国第一台ZM-1 型塞曼效应原子吸收光谱仪。  经过前20 年的技术准备,自20 世纪80 年代中期以后,原子吸收光谱法在我国进入了大发展时期。国内原子吸收仪器开始微机化,仪器主要操作实现了自动控制,数据处理实现了微机化,自动化成度已经相当高。主要零配件如石墨管,自动进样器,氢化物发生器等已国产化,生产的火焰原子吸收光谱仪基本与国外同类仪器不相上下,石墨炉原子吸收光谱仪的性能有了明显提高。
      原子吸收光谱分析的应用领域继续扩展,特别在环境、生物医药、食品检验浙江福立分析仪器有限公司等部门获得了广发的应用。国内有关原子吸收光谱分析的研究逐步走向深入,比前一时期出现了更多高水平的文章,如周南根从理论上推导出定量描述原子化加热速率与峰值吸光度之间的关系式;邓博等用XRD,XPS,AES,GFAAS,MAS,SEM 等多种手段系统的研究了周期表各族中20 种代表性元素的原子化机理。1992 年何华焜等提出了基于光源发射线轮廓不同波长处的吸收系数不同,测量不同波长处的吸收系数,利用二者的差值完成背景校正的新方法。

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  • qq250083771

    第4楼2013/06/10

    应助达人

    第一节仪器的基本组成 

     

    原子吸收光谱仪有双光束和单光束仪器,双光束仪器可以避免光源波动所带来的影响,稳定性好,但缺点时结构复杂,光能量损失严重。原子吸收光谱仪器由光源,原子化器,分光系统,检测系统组成。

    第二节辐射光源



      原子吸收光谱仪所用的光源分为两类,一类是锐线光源,用于产生原子吸收信号,一类是连续光源,用于背景校正。用于原子吸收光谱仪器的锐线光源主要是空心阴极灯和无极放电灯。对锐线光源的基本要求是:①发射共振线的宽度要明显的小于吸收线的宽度;②发射强度足够大;③光谱纯度高,在光谱通带内无干扰普线存在;④没有或只有很小的连续背景;⑤稳定性好;⑥使用寿命长;⑦操作和维护方便。
     一、空心阴极灯
      空心阴极灯是一种由被测元素或含有被测元素的材料制成的圆通型空心阴极与一个阳极,密封在充有低压Ne 和Ar 惰性气体的玻璃管内的电真空器件。其按结构可分为封闭型空心阴极灯和可拆式空心阴极灯。
      1、空心阴极灯的放电机理
      空心阴极灯的发光是辉光放电,放电集中在阴极空腔内。将空心阴极灯放电管的电极分别接在电源的正负极上,并在两极之间加以几百伏电压后,在电场的作用下,从阴极发出的电子向阳极作加速运动,电子在运动中经常与载气原子发生非弹性碰撞,产生能量交换,载气原子引起电离并放出二次电子,使电子与正离子数目增加。正离子从电场中获得能量并向阴极作加速运动,当正离子的动能大于金属阴极表面的晶格能时,正离子碰撞在金属阴极表面就可以将原子从晶格中溅射出来。阴极表面受热,也要导致其表面元素的热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内,再与电子、原子、离子等发生非弹性碰撞而受到激发,发射出相应元素的特征的共振辐射。
     2、空心阴极灯的特性
      表征空心阴极灯特性的参数有发射谱线纯度和强度、半宽度、谱线发射的稳定性、分析线背景、噪声和寿命等。
      (1) 发射谱线的纯度和强度
      发射纯度和发光强度是表征空心阴极灯特征的主要参数,要求在光谱通带内不得出现其他干扰谱线,发射强度足够大。在实际使用中要求空心阴极灯在较小灯电流条件下,能发射强度足够大的分析元素的共振辐射。
      (2) 共振辐射线的宽度
      共振线的宽度是空心阴极灯的重要参数之一,共振线的宽度必须明显的小于原子吸收线的宽度,这样测得的吸光度值才能近似的代表峰值吸光度。共振发射线的宽度以其半宽度表征。
      (3) 谱线发射的稳定性
      发射谱线稳定性是指在经过规定时间预热后,在规定时间内光谱强度的变化。它直接影响分析结果的精密度。
      (4) 分析线背景
      分析线背景是指分析线两侧的其他光谱强度,直接影响测定限与线性动态范围,要求背景应小于1%,且越小越好。
     (5) 噪声
      噪声是指分析线强度的随机波动,直接限制了最小信号的检测,从而直接影响到检测限。
      (6) 使用寿命
      使用寿命是工作电流和工作时间的乘积,要求达到5A·h 以上。
    3、影响空心阴极灯特性的因素
      (1)灯电流的影响
      灯电流过大,导致溅射和热蒸发作用的加强,对于易挥发性元素,热蒸发时主要的,对于不易挥发的元素,溅射作用时主要的。由于原子浓度增加,产生自吸,溅射作用的增强,阴极温度升高,多普勒效应增强。自吸和多普勒效应都会引起谱线展宽,导致测定灵敏度降低,灯寿命缩短。此外,灯电流过大,溅射作用过大,放电变得不稳定,灯电流过小,放电也不稳定,噪声大。因此,在满足光强度需要和稳定性的前提下,尽量减小灯的工作电流。
      (2)载气的影响
      载气的性质、压力和载气离子的动能直接影响原子的溅射效率,从而影响空心阴极灯的共振线发射强度。载气的电离电位决定了空心阴极发射共振线的效率和性质,用电离电位高的He 气作为载气,发射的主要是离子线,用电离电位低的Ar 和Ne 气作为载气,发射的主要是原子线。质量大的载气比质量小的载气溅射作用强。载气压力对发射强度的影响,随载气与阴极材料而不同。对于易挥发性元素热蒸发是主要的,随载气压力减小,共振线的发射强度增强。对于中等和较低挥发性元素,发射强度主要受溅射作用控制,随载气压力增大发射强度增强,直至达到最大值。
     (3)供电方式和供电电压的影响
      供电方式对空心阴极灯的发射强度有重要影响,在相同灯电流的条件下,脉冲供电比直流供电的空心阴极灯发射强度大。电极电压控制着溅射离子被加速的成都,气体的平均自由程度决定了加速时间,从而决定了溅射离子能被加速的最大动能。溅射效率和空心阴极内的分析原子浓度,最终影响到谱线的发射强度。

    二、其他光源



    1、高强度空心阴极灯
      在高强度空心阴极灯内,放电过程分为2 个阶段,第一阶段是空心阴极与阳极之间的辉光放电,从空心阴极溅射出来的自由原子由于扩散作用离开阴极腔,而在阴极腔口形成自由原子云。第二阶段是阳极与辅助电极在腔口前发生低压大电流的电弧放电,电流可达300~400mA,其放电位置正好在空心阴极灯的腔口前面,放电产生的载气离子,电子和自由原子相互碰撞,使自由原子激发发射光谱,从而提高了光谱激发效率。
    2、无极放电灯
      无极放电灯长3~8cm,直径约为5~10mm 的石英管或Pyrex 玻璃管内,放入几毫克被测元素纯金属,金属卤化物或金属元素与元素碘的混合物,管内充有几百帕压强的惰性其他,管的大小依赖于分析元素的蒸气压和腔的特性。放电管置于射频或微波高频电场中进行激发

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    第5楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱仪有双光束和单光束仪器,双光束仪器可以避免光源波动所带来的影响,稳定性好,但缺点时结构复杂,光能量损失严重。原子吸收光谱仪器由光源,原子化器,分光系统,检测系统组成。这一节我们来了解下分光系统:

    一、单色器

      单色器是一种波长选择器,由入射狭缝、准直镜、色散原件、物镜和出射狭缝组成。其功能是将复合光分解成为单色光输出。单色器以1200 条/mm 或1800条/mm 的平面光栅作为分光元件(福立公司用的是1800 条/mm 的平面光栅)。单色器主要有三种型式:Ebert 型、Czerny-Turner 型和Littrow 型。如图3-3 所示。Ebert 型分光系统的准直物镜和成像物镜是同一凹面反射镜的左右两部分,入射和出射狭缝左右对称的排列在衍射光栅的两边,经入射狭缝入射的光束,在凹面反射镜变成平行光后投射到衍射光栅上,正玄机构带动衍射光栅旋转至某一特定角度,将色散为单色光的被测元素的特征光谱再返回到凹面反射镜的另一部分,并成像与出射狭缝上,通过出射狭缝进入检测器,其他不需要的光被出射狭缝挡住。这种分光系统结构简单,准直物镜的像差被成像物镜所抵消,成像质量好。
      Czerny-Turner 型分光系统是Ebert 型分光系统的变型,只是将Ebert 型分光系统中原为一块的凹面反射镜分开为两块,一块为准直物镜,一块为成像物镜,以便于分别调整两块凹面反射镜与平面光栅之间的相对位置,消除光学系统的残余像差,改善分光系统的成像质量。福立AA1700 的原子吸收光谱仪用的就是这种分光系统。
      Littrow 型分光系统将经入射狭缝进入分光系统的复合光束经凹面反射镜汇聚变成平行光,投射到平面衍射光栅上,入射角与衍射角位于光栅法线的同一侧,衍射光与入射光成很小的夹角再次返回到凹面反射镜上,并聚焦与出射狭缝。由于衍射光又逆向返回凹面反射镜上,所以又称自准式分光系统。这种分光系统结构紧凑,成像质量好,缺点是反射镜引入的慧差使谱线不对称的变宽,杂散光较大。



    二、外光路

      原子吸收光谱仪有单光束和双光束仪器之分,其外光路相应的也有单光束和双光束系统,福立AA1700 原子吸收光谱仪用的是单光束系统单光束仪器的外光路,光路简单结构紧凑,无需分束,光能量损失小,有利于减少光电倍增管的散粒噪声,提高仪器的信噪比,但存在光能量波动引起的仪器基线漂移。双光束仪器的外光路将光源光束分为样品光束和参比光束,经调制后交替进入分光系统。测量电路对两束光进行比较测量,消除了光源波动的影响,提高了仪器的稳定性。由于分束,光能量损失严重。

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    第6楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱仪有双光束和单光束仪器,双光束仪器可以避免光源波动所带来的影响,稳定性好,但缺点时结构复杂,光能量损失严重。原子吸收光谱仪器由光源,原子化器,分光系统,检测系统组成。这一节我们来了解下原子化器。常用的原子化器有预混合型原子化器,电热石墨炉原子化器,阴极溅射原子化器和石英炉原子化器。 

    一、预混合型火焰原子化器

      预混合型火焰原子化器由雾化器,预混合室和缝式燃烧器及相应的气路系统组成,雾化器是预混合型原子化器中的关键部件,其作用是将试样雾化成直径为微米级的气溶胶。对雾化器的基本要求是喷雾稳定,雾化效率高,形成的气溶胶粒子粒径细,且粒径分布范围窄。当速度达到和超过音速的载气气流由环形喷口喷出时,形成负压,空吸作用使试液沿毛细管上升,由管内上端口高速喷出,将试液分散形成细小的雾珠和气溶胶。气溶胶撞击雾化器前端的撞击球或扰流器,进一步气化气溶胶,且使气溶胶粒子均匀分布,这不仅使更多的气溶胶能原子化而且火焰燃烧更加稳定。表征雾化器特性的参数有试液喷雾量、雾化效率,试液喷雾量是指每分钟喷雾试液的毫升数,雾化效率又称样品利用率,是指进入火焰内的试样量与试液喷雾量之比,气动雾化器的雾化效率约为10%~15%。预混合室也称雾化室,使粒度大的气溶胶凝聚为更大的液珠沿室壁流入泄液管排走,使燃气、助燃气和气溶胶在室内充分混匀,以减少进入火焰时的扰动,预混合室内壁常做成锥型,使未被利用的废液能顺利的排除,减少和消除记忆效应。
      缝式燃烧器分为单峰和三缝燃烧器,常用的是单峰燃烧器。它产生层型火焰,层型火焰受到的扰动小,火焰稳定,噪声小,使用安全。对于缝长是100mm 的单峰燃烧器,最大允许缝宽是0.63mm,因此一般都做成0.5mm。用于空气-乙炔火焰的燃烧器的缝长是100mm,用于氧化亚氮-乙炔火焰燃烧器的缝长是50mm。预混合型原子化器的优点是重现性好;能提供稳定和可重复性燃烧条件,噪声低;吸收光成长,有足够的灵敏度;干扰小;安全性好;缺点是消耗试样量多;样品利用率低。
    二、电热石墨炉原子化器
      电热石墨炉原子化器是一类将试样放置在石墨管壁、石墨平台、碳棒盛样小孔或石墨坩埚内,用电加热至高温实现原子化的系统,其中管式石墨炉是最常用的原子化器,样品直接放置在石墨平台上。
      石墨管管内开有小槽防止样品流失,氩保护气沿石墨管内、外气路流过,沿管外壁流过的氩气,保护石墨管在加热过程中不被烧蚀,内气路的氩气在石墨管内由管两端流向管中央,并有管中心的小孔流出,以有效的除去在试样干燥和灰化过程中产生的基体蒸气,同时保护已原子化了的原子不重新被氧化,大大减少了蒸气在两端的凝聚。在原子化阶段,控制系统自动切断内气流,停止通氩气,避免原子蒸汽受到稀释,延长自由原子在石墨管内的平均停留时间,以提高原子吸收信号强度。
      1990 年PE 公司推出了世界上第一台横向加热石墨炉原子吸收光谱仪,横向加热原子化器是加热电流垂直于石墨管长度方向,使沿光束方向的石墨管温度均匀一致,在近似等温条件下实现原子化,可降低基体效应和记忆效应,消除常见的峰拖尾现象,改善了吸收线峰形,可降低原子化温度。
    三、阴极溅射原子化器
      阴极溅射原子化器是利用辉光放电产生的正离子轰击阴极表面,从固体表面直接将被测定元素转化为原子蒸气。其有点是①原子化与温度无关,避免了碳化物的形成与高温化学反映引起的干扰,消除了记忆效应;②原子化时间长,有利于进行多元素同时测定;③校正曲线的线性动态范围宽;④能对固体样品进行逐层分析。
    四、石英炉原子化器
      石英炉原子化器是用石英管制作的一种原子化器。石英炉是带有支管的石英管,支管用于引入分析物和辅助气体,分析物在石英管内原子化,光源辐射沿轴向通过石英管内原子蒸气后进入检测器。它分为火焰加热和电加热两类。特点是制作简单,电加热石英炉易于控制原子化温度;温度低,主要用于汞、氢化物、易挥发性元素化合物以及金属有机化合物的原子化;吸收光程长,在管内停留时间长,有利于提高测定灵敏度。

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    第7楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收器之检测器和背景校正装置  检测器是一种转换器。在原子吸收光谱分析中,检测的一次信号是弱光信号,要求检测器具有很高的光电转换效率,很高的信噪比,较大的增益,很宽的频谱相应,高的光谱灵敏度。在现代原子吸收光谱仪器中,最常用的时光子转换器。
    一、光电被增管
      光电倍增管是光子转换器的一种光电检测器,是一种将弱光信号转换为电信号的真空器件。由光电阴极、聚焦阴极、电子被增管、阳极(收集极)和真空管(外壳)等组成,光电倍增管的作用是基于二次电子发射的倍增作用。当光子撞击真空管内的光电阴极时,光电阴极产生光电子发射,这些光电子被聚焦集电极聚集后引向倍增极(也称打拿极),撞击倍增产生多少个次级电子,使电子数目倍增。次级电子再撞击下一级倍增管,使发射电子数再次得到倍增,没经过一次倍增极,产生的电子数一次倍增一次。已倍增的电子流由阳极收集,作为输出电流。输出的阳极电流与入射光强度及光电倍增管的增益成正比。光电倍增管的优点是:频谱响应范围很宽,对波长很敏感,对紫外和可见辐射特别灵敏,响应快,在所考虑的波长区有恒定的响应,在放大106 倍范围内响应时线性的,响应正比于辐射功率,操作稳定,易于放大。
    二、其他检测器
      其他检测器主要有光二极管阵列检测器和电荷转移器件检测器。光二极管阵列检测器是一维转换器,光敏元件呈线性排列。每一个光敏元件是一个小硅光二极管,每一个光二极管并联一个10pF 的储存电容,构成一个光二极管-储存电容对,通过N-bit 移位寄存器和转换器开关顺序地连接到普通的连接电路上。
      电荷转移器件检测器是一类固态电子功能器件的总称。它是一种电荷转换器,光辐照光敏元件表面产生光生电荷,随着电荷从收集区到测量区转移的同时,完成对积累电荷的测量。光敏检测元件是二维排列的。

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    第8楼2013/06/10

    应助达人

    第六节背景校正装置



      背景的产生具有波长、时间和温度特性。背景校正装置有氘灯校正背景、塞曼效应校正背景、自吸收校正背景等3 种。
      一、氘灯背景校正装置
      氘灯背景校正装置就是一只氘灯及其相应的电源。氘灯安装在侧光路上,需要背景校正时,将它移入测量光路,或者通过一块半透半反镜将氘灯的光引入测量光路。
      切光器或半透半反镜可使锐线光源与氘灯连续光源交替进入原子化器。锐线光源测定的吸光度值为原子吸收与背景吸收的总吸光度。连续光源所测吸光度为背景吸收,因为在使用连续光源时,被测元素的共振线吸收相对于总人射光强度是可以忽略不计的。因此连续光源的吸光度值即为背景吸收。将锐线光源吸光度值减去连续光源吸光度值,即为校正背景后的被测元素的吸光度值。
      氘灯校正法灵敏度高,应用广泛。非常适合火焰校正,在火焰和石墨炉共用的机型中,采用氘灯校正法是最折衷的方法,虽然在石墨炉中氘灯校正法不及塞曼效应背景校正理想,但在火焰分析中由于火焰产生的粒子造成光散塞曼效应射而使塞曼效应无法正常地进行磁场分裂,氘灯校正法在火焰分析中比塞曼效应校正法优越的多。
      二、塞曼效应校正背景
      塞曼效应校正背景是基于谱线在磁场中发生分裂和分裂组分偏振特性的一种校正背景的方法。塞曼效应背景校正器由固定或可变磁场和起偏器、检偏器组成。当仅使用石墨炉进行原子化时,最理想是利用塞曼效应进行背景校正。塞曼效应分为正常塞曼和反常塞曼效应:
      a、正常塞曼效应背景校正
      光的方向与磁场方向垂直,在强磁场作用下,原子吸收线分裂为π和δ+组分:π平行于磁场方向,波长不变;δ+组分垂直于磁场方向,波长分别向长波与短波移动。这两个分量之间的主要差别是π分量只能吸收与磁场平行的偏振光,而δ+分量只能吸收与磁场垂直的偏振光,而且很弱。引起的分子完全等同地吸收平行与垂直的偏振光。即δ+组分为背景吸收,π组分为原子吸收
      在原子化器上加一电磁铁,电磁铁仅原子化阶段被激磁,偏振器是固定不变的,它只让垂直于磁场方向的偏振光通过原子化器,去掉平行于磁场方向的偏振光。在零磁场时,吸收线不发生分裂,测得的是被测元素的原子吸收与背景吸收的总吸光度值。激磁时测得的仅为背景吸收的吸光度值,两次测定吸光度之差,就是校正了背景吸收后被测元素的净吸光度值。
      正常塞曼的缺点是在光路中加有偏振器,去掉平行于磁场方向的偏振光,使光的能量损失了一半,大大降低了检测的灵敏度。
      b、反常塞曼效应背景校正
      光的方向与磁场方向水平,当光通过在原子化器上加一电磁铁,在强磁场作用下,抑制了π组分(原子吸收)的产生,只产生δ+组分(背景吸收)。在不通电无磁场存在下,空心阴极灯的共振线通过石墨炉,测得待测元素和背景吸收的总和。通电后在强磁场存在下,产生反常塞曼效应,此时只有共振线分裂后产生的δ+组分通过石墨炉,其不被基态原子吸收,仅测得背景吸收。通过两次吸光度之差,即可进行背景校正。反常塞曼由于光路中没有偏振器,光的能量较正常塞曼多50%,检测灵敏度较正常塞曼高。
      塞曼效应使用同一光源进行测量,是非常理想的校正方法,它要求光能集中同方向地通过电磁场中线进行分裂,但在火焰分析中,由于火焰中的固体颗粒对锐性光源产生多种散射、光偏离,燃烧时粒子互相碰撞等因素产生许多不可预见因素,造成光谱线分裂紊乱,在火焰中的应用极不理想。并且,塞曼效应的检测灵敏度低于氘灯校正法。
     三、自吸收背景校正
      当空心阴极灯在高电流工作时,其阴极发射的锐线光会被灯内产生的原子云基态原子吸收,是发射的锐线光谱变宽,吸收度下降,灵敏度液下降。这种自吸现象无法避免。因此,可首先在空心阴极灯低电流下工作,使锐线光通过原子化器,测得待测元素和背景吸收的总和。然后使它在高电流下工作,通过原子化器,测得相当于背景的吸收。将两次测的吸光度相减,就可扣除背景的影响。优点是使用同一光源,不足是加速空心阴极灯的老化,其寿命只有正常的1/3。

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    第9楼2013/06/10

    应助达人



    仪器常见故障 

    (一)元素灯异常或点不亮

      •检查是否选择了相应的元素灯;
      •检查是否设置为工作和预热灯;
      •检查是否输入了灯电流,重新输入一遍灯电流;
      •检查元素灯与元素灯座是否接触良好;
      •检查相关元素灯是否损坏或更换新的元素灯;
      •室内问题过低或长时间不使用时,有些元素灯也可能无法正常点亮;
    (二)寻峰时负高压超上限
      负高压超上限典型的图
      •元素灯未点亮;
      •元素灯光斑未进入光路,元素灯未停留在最佳位置;
      •选择的寻峰波长是否是元素的特征谱线波长;
      •检查光路中是否有物品挡光;
      •元素灯老化严重导致能量过低;
    (三)点火异常
      A、按下点火功能后点火器未放电打火
      •检查空压机是否打开,且出口压力是否大于0.20Mpa;
      •是否有强光直射在火焰探头上;
      •检测器光栏是否脱落;
      •灯电流是否设置过大,按默认值进行点火;
      •水封里是否有水;
      •燃烧头是否安装到位 ;
      •免火应急开关是否处于关的状态
      B、辅助点火能够点燃,但燃烧器火焰不能点燃
      •火焰探头光栏位置是否合适;
      •检查燃气流量设置是否合适;
      •检查空压机出口压力是否太大,导致混合比小不容易点燃;
      •乙炔钢瓶是否打开或压力调节是否合适
    (四)噪声大
      •仪器的能量是否很低,高压及灯电流是否很高;
      •AC 220V电源电压是否波动较大;
      •元素灯是否稳定;
      •仪器周围是否有强烈的震动或强磁场的干扰;
      •实验室周围是否在使用耗电较大的设备
    (五)燃烧不稳定
      •检查空压机出口压力是否稳定
      •检查乙炔流量是否稳定或乙炔钢瓶的压力是否过低或乙炔管路太长
      •检查燃烧缝是否有堵塞物
      •检查废液流动是否通畅
      •检查水封里是否有水
      •检查排风设备的排风量是否过大
      •检查仪器周围是否有风
      •检查水过滤器里是否积水太多
    (六)仪器不联机
      •主机电源是否打开;
      •通讯线连接是否良好;
      •计算机串口设置是否正确;
      •计算机串口是否能工作正常;
      •开机顺序是否正确
    (七)波长自检失败
      •元素灯安装或选择是否正确;
      •所选灯的位置是否插入元素灯;
      •元素灯是否点亮;
      •原子化器是否挡光;
    (八)灵敏度低
      •检查雾化器调节是否合适;
      •检查雾化器是否已经损坏或堵塞;
      •检查雾化器提升量是否够;
      •检查燃烧头位置是否调节到最佳;
      •检查助燃比设置是否合适;
    (九)火焰不正常
      (1)正常的火焰(以中性焰为例)应该呈现出天蓝色。
      (2)当乙炔气体纯度不足时,火焰一般呈现出粉红色,并且无论如何改变乙炔的流量,火焰只是高度(火焰强度)发生变化,而颜色不改变。
      (3)当空气不足时(尽管流量设置正确),火焰的颜色为深黄色并且不稳定,有时甚至在火焰上部(即尾焰部)冒出黑烟(这是燃烧不完全的炭成分所致),需要指出的是:当辅助气不足或富焰时,火焰也会变黄,同时火焰尾部不会产生黑烟,这点需要仔细加以区别。
      (4)如果遇到上述情况,最简单的判断方法是:当逐渐减少乙炔的流量后,火焰的颜色也随之由深黄逐渐变成蓝色,但同时火焰高度(即强度)也会随之降低。

      (5)当燃烧头的燃烧缝局部被结晶物或样品颗粒堵塞时,火焰会产生断焰,同时由于不纯物的干扰,火焰还会局部变成深黄色(这与家庭使用液化气炒菜时,由于油烟过大使炉灶火焰变黄的道理相似)。




    解决方法:
      1)乙炔不纯时,如果对分析影响不大,则可以继续使用;如果影响较大(例如背景过高)则要更换高纯乙炔。
      2)空气不足时,往往是空压机提供的气体内有油水的成分混入到空气管路中,将气体控制流路中的有关电磁阀、过滤网、针型阀局部堵塞的之故;解决的办法只有拆卸清洗有关的管路和部件了。
      3)燃烧缝局部堵塞时,拆下、分解燃烧器后,用1:1的盐酸水溶液清洗(注意:时间要短、不要造成燃烧头的损坏,并且最后用蒸馏水彻底冲洗干净)。

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    第10楼2013/06/10

    应助达人

    原子吸收光谱仪的保养与维护可以从光源、原子化系统、光学系统、气路系统等方面进行

    1、光源

      空心阴极灯应在最大允许工作电流以下范围内使用。不用时不要点灯,否则会缩短灯的使用寿命;但长期不用的元素灯则需每隔一两个月在额定工作电流下点燃15~60min,以免性能下降。光源调整机构的运动部件要定期加油润滑,防止锈蚀甚至卡死,以保持运动灵活自如。
    2、原子化系统

      每次分析操作完毕,特别是分析过高浓度或强酸样品后,要立即喷约数分钟的蒸馏水,以防止雾化筒和燃烧头被沾污或锈蚀。点火后,燃烧器的整个缝隙上方应是一片燃烧均匀呈带状的蓝色火焰。若带状火焰中间出现缺口,呈锯齿状,说明燃烧头缝隙上方有污物或滴液,这时需要清洗,清洗的方法是接通空气,关闭乙炔的条件下,用滤纸插入燃烧缝隙中仔细擦试;如效果不佳可取下燃烧头用软毛刷刷洗;如已形成熔珠,可用细的金相砂纸或刀片轻轻磨刮以去除沉积物.应注意不能将缝隙刮毛.雾化器就经常清洗,以避免雾化器的毛细管发生局部堵塞.若堵塞一旦发生,会造成溶液提升量下降,吸光度值减小.若仪器暂时不用,应用硬纸片遮盖住燃烧器缝口,以免积灰.对原子化系统的相关运动部件要进行经常润滑,以保证升降灵活.空气压缩机一定要经常放水、放油,分水器要经常清洗。

    3、光学系统

      外光路的光学元件就经常保持干净,一般每年至少清洗一次。如果光学元件上有灰尘沉积、可用擦镜纸擦净;如果光学元件上沾有油污或在测定样品溶液时溅上污物,可用预先浸在乙醇与乙醚的混合液(1:1)中洗涤过并干燥了的纱布去擦试,然后有蒸馏水冲掉皂液,再用洗耳球吹去水珠。清洁过程中,禁用手去擦及金属硬物或触及镜面。色器应始终保持干燥。
    4、气路系统
      由于气体通路采用聚乙烯塑料管,时间长了容易老化,所以要经常对气体进行检漏,特别是乙炔气渗漏可能造成事故。严禁在乙炔气路管道中使用紫铜、H62铜及银制零件,并要禁油,测试高浓度铜或银溶液时,应经常用去离子水中喷洗。当仪器测定完毕后,应先关乙炔钢瓶输出阀门,等燃烧器上火焰熄灭后再关仪器上的燃气阀,最后再关空气压缩机,以确保安全。

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