火焰原子吸收光谱法分析手册

1、TAS系列原子分光光度计火焰原子吸收光谱法分析手册Analytical Methods for Flame Atomic Absorption Spectormetry北京普析通用仪器有限责任公司原子光谱仪器部前 言原子吸收光谱法是最常见的金属元素分析法之一，它具有快速、灵敏、准确和干扰少等特点，深受广大分析人员的喜爱。北京普析通用仪器有限责任公司（以下简称公司）生产的TAS-986、TAS990、TAS960等型号原子吸收分光光度计已广泛用于国内各行业并行销10多个国家和地区，其卓越的性能得到广大用户肯定。受众多使用者要求我们编辑了这本“火焰原子吸收分析指导手册”，汇集了近50种元素的火焰分

2、析方法和仪器条件。这些方法虽然经过我们仔细筛选和测试，但由于水平所限，仍可能存在错误与不完美的地方，何况仪器所处的环境条件各异，不可能形成一种统一的仪器条件，本书所列分析条件只是作为分析方法的指导参考。本书的第一至第六章由佘卫炜、王小菊执笔，主要参考邓勃教授的应用原子吸收与原子荧光光谱分析及原子吸收光谱分析两本著作，根据公司产品情况改编而成。第七章各元素火焰分析的标准条件，由佘卫炜、李长青、王小菊等通过大量试验测试所得数据整理而成。第八章火焰分析应用，列出了一些应用实例，它们都是广大用户使用TAS系列仪器研究的分析方法，在公开杂志及普析通用上发表的文献。由于时间仓促加之我们水平有限，书中可能出

3、现的错误敬请阅者给于批评指正。在本书的编辑过程中，孙宏伟、尹洧、牛映斗、柳苍、左向东等给予了大量的技术指导；清华大学的邓勃教授、广州分析测试中心的何华焜教授给予了有力的支持与帮助，在此一并向他们表示感谢。 北京普析通用仪器有限公司原子光谱仪器部目 录第一章原子吸收基本原理11.1原子吸收光谱的产生11.2原子吸收光谱轮廓11.3原子吸收光谱的测量3第二章火焰原子吸收仪结构72.1光源72.2原子化器92.2.1雾化器92.2.2雾化室102.2.3燃烧器102.3背景校正装置112.3.1氘灯校正背景112.3.2空心阴极灯自吸收校正背景122.4单色器132.5监测器14第三章火焰原子吸收中

4、的概念153.1基线稳定性153.2灵敏度153.3精密度153.4检出限163.5线性回归和线性范围16第四章火焰原子吸收分析技术184.1火焰原子化技术184.1.1火焰的基本特性184.1.2火焰原子化过程224.2标准溶液的保存254.3定量方法254.3.1标准曲线法254.3.2标准加入法264.3.3内标法27第五章火焰分析中的干扰和校正295.1.光谱干扰295.2.物理干扰295.3.电离干扰305.4.化学干扰305.5.背景校正32第六章火焰分析时的最佳化技术346.1.波长的选择346.2.灯电流的最佳调节346.3.通带的最佳化调节366.4.样品注入系统的最佳化调节

5、376.4.1.雾化器376.4.2.撞击球376.4.3.雾化室386.4.4.燃烧器386.4.5.火焰38第七章各元素火焰分析的标准条件407.1注意事项407.2分析方法基本指标的说明427.3标准条件441、银（Ag）442、铝（Al）483、砷（As）504、金（Au）525、硼（B）546、钡（Ba）567、铍（Be）598、铋（Bi）619、钙（Ca）6310、隔（Cd）6611、钴（Co）6812、铬（Cr）7013、铯（Cs）7214、铜（Cu）7415、铁（Fe）7616、镓（Ga）7817、锗（Ge）8018、钬（Ho）8219、铟（In）8420、铱（Ir）8621、

6、钾（K）8822、镧（La）9122、锂（Li）9323、镁（Mg）9524、钼（Mo）9725、钠（Na）9926、铌（Nb）10127、镍（Ni）10328、铅（Pb）10529、钯（Pd）10730、铂（Pt）10931、铷（Rb）11132、铑（Rh）11333、锑（Sb）11534、硒（Se）11735、硅（Si）11936、锡（Sn）12137、锶（Sr）12438、钽（Ta）12839、钛（Ti）13040、铊（Tl）13241、钒（V）13442、钨（W）13643、镱（Yb）13844、锌（Zn）14045、锆（Zr）14246、氯、磷酸根、硅酸根及硫酸根的间接测法144第八

7、章火焰分析应用150原子吸收法测定润滑油中的镁151用原子吸收法间接分析水中的氯化物153原子吸收光谱法在涂料分析中的应用155嘉峪关铁路地区健康人群发中铁、锌、铜含量测定156原子吸收光谱法测定废气中的锡157火焰原子吸收光谱法测定饲料中的钙158火焰原子吸收发测定烟草中的钾160火焰原子吸收光谱法测定茶叶中的铅铜161火焰原子吸收法分析大红粉染料中的Ba 、Cr和Pb含量163参考文献165第一章 原子吸收基本原理1.1 原子吸收光谱的产生原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectrometry，简称AAS）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

8、定量分析的方法。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（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能量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

9、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测定线。1.2 原子吸收光谱轮廓一束频率为强度为I0的光通过厚度为L的原子蒸气，部分光被吸收，部分光被透过，透过光的强度In服从Lamber

10、t（朗伯）吸收定律 In = I0 exp(-knL) （11） 式中kn是基态原子对频率为n的光的辐射吸收系数。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，如下图： I0In n 0图1-1 Iv与v的关系由图可知，在频率n 0处透过光强度最小，即吸收最大。若将吸收系数k对频率v作图，所得曲线为吸收线轮廓（如图）。原子吸收线轮廓以原子吸收谱线的中心频率v0（或中心波长）和半宽度v表征。中心频率v0由原子能级决定。半宽度是中心频率位置，吸收系数极大值k0一半处，谱线轮廓上两点之间频率或波长的距离。图1-2 吸收曲线轮廓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

11、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

12、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；凡是由异种粒子引起的变宽叫Lorentz（罗伦兹）变宽。此外，在外电场或磁场作用下，能引起能级的分裂，从而导致谱线变宽，这种变宽称为场致变宽。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。1.3 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

13、原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。数学表达式为： （1-2）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；f0i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。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。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

14、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： （1-3）可以看出，峰值吸收系数K0与原子浓度N0成正比，只要能测出K0 就可得出N0。3) 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 （1-4）式中是入射辐射强度，是透过原子吸收层后的辐射强度，L是

15、原子吸收层厚度，是对频率为的辐射吸收系数。在实际分析工作中，使用锐线光源，实际测量的仍是在一有限通带范围内的吸收强度。通过仪器分光系统投射到分析原子吸收层的入射辐射强度为， （1-5）经过厚度为L的分析原子吸收层之后的透射辐射强度为 （1-6）根据吸光度的定义， (1-7)在原子发射线中心频率的很窄的频率范围内，随频率的变化很小，可以近似地视为常数。当0，。因此，在光源线宽非常窄的情况下，(1-7)式可以改写为 (1-8)将(1-3)式代入(1-8)式，得到 (1-9) 在通常的火焰和石墨炉原子化器的原子化温度高约3000K的条件下，按照玻尔兹曼分布，处于激发态的原子数是很少的，与基态原子数相

16、比，可以忽略不计。除了强烈电离的碱金属和碱土金属元素之外，实际上可以将基态原子数视为等于总原子数N，这时关系式(1-9)可以写为 (1-10) 在(1-10)式中，只涉及气相中分析原子对入射辐射的光吸收过程，而不涉及样品中有关被测元素转化为气相中自由原子的任何过程。而在实际分析工作中，要求测定的是试样中被测元素的含量C。要实现测定，先得在原子化器内将被测元素经过多步化学反应转化为自由原子，这个转化过程是复杂的，经常受到多方面的干扰。现假定在确定的实验条件下，蒸气相中的原子数与试样中被测元素的含量C成正比， (1-11)式中,是试样中被测元素转化为自由原子的系数，表征被测元素的原子化效率，取决于

17、试样和元素的性质及实验条件。将(1-11)式代入(1-10)式，得到 (1-12)在实验条件一定时，对于特定的元素测定，(1-12)式右侧除了被测元素的含量C之外，其他各项为常数，于是得到以下简单的公式： (1-13)式中，K是与实验条件有关的参数。(1-13)式表明，吸光度与试样中被测元素含量成正比。这就是原子吸收光谱分析的实用关系式。因为K是与实验条件有关的参数，因此，必须使用校正曲线法进行原子吸收光谱定量分析。第二章 火焰原子吸收仪结构原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计。其类型按光束分为单光束与双光束型原子吸收分光光度计；按调制方法分为直流与交流型原子吸收分光光度计；按波道分为单道、双

18、道和多道型原子吸收分光光度计。原子吸收光谱仪由光源、原子化器、单色器和检测器等四部分组成，如图2-1所示：图2-1 火焰原子吸收光谱仪结构2.1 光源光源是原子吸收光谱仪的重要组成部分，它的性能指标直接影响分析的检出限、精密度及稳定性等性能。光源的作用是发射被测元素的特征共振辐射。对光源的基本要求：发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；辐射的强度要大；辐射光强要稳定，使用寿命要长等。空心阴极灯是符合上述要求的理想光源，应用最广。图2-2 空心阴极灯示意图空心阴极灯（Hollow Cathode Lamps，简称HCL）是由玻璃管制成的封闭着低压气体的放电管，如图2-2所示，主要是由一

19、个阳极和一个空心阴极组成。阴极为空心圆柱形，由待测元素的高纯金属或合金直接制成，贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为钨棒，上面装有钛丝或钽片作为吸气剂。灯的光窗材料根据所发射的共振线波长而定，在可见波段用硬质玻璃，在紫外波段用石英玻璃。制作时先抽成真空，然后再充入压强约为267 1333 Pa的少量氖或氩等惰性气体，其作用是 载带电流、使阴极产生溅射及激发原子发射特征的锐线光谱。由于受宇宙射线等外界电离源的作用，空心阴极灯中总是存在极少量的带电粒子。当极间加上300 500V电压后，管内气体中存在着的、极少量阳离子向阴极运动，并轰击阴极表面，使阴极表面的电子获得外加能量而逸出。逸出的电子在电场作

20、用下，向阳极作加速运动，在运动过程中与充气原子发生非弹性碰撞，产生能量交换，使惰性气体原子电离产生二次电子和正离子。在电场作用下，这些质量较重、速度较快的正离子向阴极运动并轰击阴极表面，不但使阴极表面的电子被击出，而且还使阴极表面的原子获得能量从晶格能的束缚中逸出而进入空间，这种现象称为 阴极的“溅射” 。“溅射”出来的阴极元素的原子，在阴极区再与电子、惰性气体原子、离子等相互碰撞，而获得能量被激发发射出阴极物质的线光谱空极阴极灯发射的光谱，主要是阴极元素的光谱。若阴极物质只含一种元素，则制成的是单元素灯。若阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。多元素灯的发光强度一般都较单元素灯弱。空极阴极灯

21、的发光强度与工作电流有关。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，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。因此在实际工作中应选择合适的工作电流。空极阴极灯是性能优良的锐线光源。由于元素可以在空极阴极中多次溅射和被激发，气态原子平均停留时间较长，激发效率较高，因而发射的谱线强度较大；由于采用的工作电流一般只有几毫安或几十毫安，灯内温度较低，因此热变宽很小；由于灯内充气压力很低，激发原子与不同气体原子碰撞而引起的压力变宽可忽略不计；由于阴极附近的蒸气相金属原子密度较小，同种原子碰撞而引起的共振变宽也很小；此外，由于蒸气相原子密度低、温度低、自吸变宽几

22、乎不存在。因此，使用空极阴极灯可以得到强度大、谱线很窄的待测元素的特征共振线。2.2 原子化器原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。对原子化器的基本要求：必须具有足够高的原子化效率；必须具有良好的稳定性和重现形；操作简单及低的干扰水平等。其结构如图2-3所示。图2-3 火焰原子化器结构示意图火焰原子化法中，常用的是预混合型原子化器，它是由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾化室中与气体（燃气与助燃气）均匀混合，除去大液滴后，再进入燃烧器形

23、成火焰。此时，试液在火焰中产生原子蒸气。2.2.1 雾化器原子吸收法中所采用的雾化器是一种气压式、将试样转化成气溶胶的装置。典型的雾化器如图2-4所示。当气体从喷嘴高速喷出时，由于伯努利(Bernoumlli)效应的作用，在喷咀附近产生负压，使样品溶液被抽吸，经由吸液毛细管流出，并被高速的气流破碎成为气溶胶。气溶胶的直径在微米数量级。直径越小，越容易蒸发，在火焰中就能产生更多的基态自由原子。雾化器的雾化效率对分析结果有着重要影响。在原子吸收分析中，对试样溶液雾化的基本要求是：喷雾量可调，雾化效率高且稳定；气溶胶粒度细,分布范围窄。一个质量优良的雾化器，产生直径在510m范围的气溶胶应占大多数。

24、调节毛细管的位置即可改变负压强度而影响吸入速度。装在喷雾头末端的撞击球的作用就是使气溶胶粒度进一步细化，以有利于原子化。雾化器是火焰原子化器中的重要部件。它的作用是将试液变成细雾。雾粒越细、越多，在火焰中生成的基态自由原子就越多。目前，应用最广的是气动同心型雾化器。喷出的雾滴碰到玻璃球上，可产生进一步细化作用。生成的雾滴粒度和试液的吸入率，影响测定的精密度和化学干扰的大小。目前，雾化器多采用不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃等制成。图2-4 雾化器结构图2.2.2 雾化室雾化室的作用主要是去除大雾滴，并使燃气和助燃气充分混合，以便在燃烧时得到稳定的火焰。其中的扰流器可使雾滴变细，同时可以阻挡大的雾滴进入

25、火焰。一般的喷雾装置的雾化效率为5 15%。2.2.3 燃烧器试液的细雾滴进入燃烧器，在火焰中经过干燥、熔化、蒸发和离解等过程后，产生大量的基态自由原子及少量的激发态原子、离子和分子。通常要求燃烧器的原子化程度高、火焰稳定、吸收光程长、噪声小等。燃烧器有单缝和三缝两种。燃烧器的缝长和缝宽，应根据所用燃料确定。目前，单缝燃烧器应用最广。燃烧器多为不不锈钢制造。燃烧器的高度应能上下调节，以便选取适宜的火焰部位测量。为了改变吸收光程，扩大测量浓度范围，燃烧器可旋转一定角度。2.3 背景校正装置2.3.1 氘灯校正背景连续光源校正背景技术，可采用氘灯、钨灯或氙灯作为背景校正光源。钨灯可用于可见及近红外

26、波段。由于钨灯是热辐射光源，只能采用机械斩光方式调制，使用不方便，商品化仪器很少使用。氙灯一般用在大于220nm的波长范围，且由于电源复杂，应用也较少。氘灯可用于紫外波段（180400nm），由于它是真空放电光源，调制方式既可采用机械方式也可采用时间差脉冲点灯的电调制方式，且原子吸收测量的元素共振辐射大多数处于紫外波段，所以氘灯校正背景是连续光源校正背景最常用的技术，已成为连续光源校正背景技术的代名词。原子吸收光谱仪常用的氘灯背景校正装置如图2-6所示：图2-6 氘灯背景校正装置图2-6中(a)为通过型氘灯背景校正器，该装置使用的氘灯是特殊制作的中心有小孔的氘弧灯。元素灯的共振辐射由L1会聚后

27、通过氘灯中心的小孔，与氘灯辐射合并后由L2会聚通过原子化器。氘灯与元素灯采用时间差脉冲点灯方式供电，仪器根据同步脉冲分时测量总吸收及背景吸收并计算分析原子吸收。(b)为反射型氘灯背景校正器，用一个旋转切光器M1使由空心阴极灯和氘灯发出的辐射交替地通过原子化器，分时测量总吸收（空心阴极灯的辐射吸收信号）及背景吸收（氘灯的辐射吸收信号）。反射型背景校正器，可使用氘灯、钨灯或氙灯作光源，光源调制方式可采用机械斩光调制也可采用时间差脉冲点灯电调制。当采用时间差脉冲点灯方式时，旋转切光器M1可用半透半反境代替，这种装置结构简单，稳定可靠，因此得到了广泛的应用。这种装置的缺点是采用两种光源，由于光源的结构

28、不同，两种灯的光斑大小也存在差异，不易准确聚光于原子化器的同一部位，故影响背景校正效果。氘灯在长波处的能量较低，不易进行能量平衡，也不适用于长波区的背景校正。2.3.2 空心阴极灯自吸收校正背景自吸收校正背景方法是利用在大电流时空心阴极灯出现自吸收现象，发射的光谱线变宽，以此测量背景吸收。图2-7是空心阴极灯自吸收法背景校正装置的原理图。主控制器控制系统的整体工作，由单片机及接口电路组成，也有采用程序存储器编码输出时序信号，同步整个系统的工作。D/A输出控制空心阴极灯电源，D/A输出电平的高低产生空心阴极灯电流波形。窄脉冲大电流IH是自吸收电流，峰值电流可设置为300600mA，宽脉冲小电流I

29、L是正常测量电流，峰值电流可设置为60 mA或更小。仪器控制软件在设置灯电流时，厂家一般给定的是平均电流，约几毫安至十几毫安，这并不表示几毫安的灯电流即能产生自吸现象。点灯频率可取100200Hz，太高的频率光强度不易稳定，频率太低背景校正效果差。由于宽、窄脉冲的电流差别很大，前置信号放大器必需取不同的增益，以平衡信号的输出。由同步信号控制在tL及tH时刻分别接通运算放大器的反馈电阻RL及RH输出总吸收测量信号及背景测量信号。图2-7 空心阴极灯自吸收背景校正装置自吸收背景校正装置的主要优点是：(1) 装置简单，除灯电流控制电路及软件外不需要任何的光机结构；(2)背景校正可在整个波段范围（19

30、0900nm）实施；(3)用同一支空心阴极灯测量原子吸收及背景吸收，样品光束与参比光束完全相同，校正精度很高。同时也存在一些不足：(1) 不是所有的空心阴极灯都能产生良好的自吸发射谱线。一些低熔点的元素在很低的电流下即产生自吸，一些高熔点元素在很高的电流下也不产生自吸，对这样一些元素测定，灵敏度损失严重，甚至不能测定。(2) 由于空心阴极灯的辐射相对供电脉冲有延迟，为在自吸后能返回到正常状态，调制频率不宜太高。鉴于以上几点，有人专门研究了自吸收用的空心阴极灯。也有人采用高强度空心阴极灯作背景校正，采取的措施是在窄脉冲时切断辅助阴极的供电，以提高自吸收能力，宽脉冲时增加辅助极电流，以使自吸收降至

31、最小。在这种条件下，分析灵敏度得以提高，尤其是对一些通常工作电流下便发生自吸的元素，效果更好，如Na的测定。2.4 单色器单色器是用于从激发光源的复合光中分离出被测元素的分析线的部件。早期的单色器采用棱镜分光，现代光谱仪大多采用平面或凹面光栅单色器。进入二十一世纪已有采用中阶梯光栅单色器的仪器推向市场，这种仪器分辨能力强、结构小巧，具有很强的发展潜力。单色器是光学系统的最重要部件之一，其核心是色散元件。光栅色散率均匀，分辨率高，是良好的分光元件。尤其是复制光栅技术的发展，已能生产出价格低廉的优质复制光栅，所以近代商品原子吸收光谱仪几乎都采用光栅单色器。单色器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组

32、成。色散元件一般为光栅。单色器可将被测元素的共振吸收线与邻近谱线分开。作为单色器的重要指标，光谱带宽是由入射、出射狭缝的宽度及分光元件的色散率确定的，更小的光谱带宽可更有效的滤除杂散辐射。例如：光谱带宽设置为1nm时，Ni灯的232.0nm(共振线)、231.6nm(非共振线)、231.0nm(共振线)三条线同时进入检测系统，将使测定灵敏度明显降低，如果减小光谱带宽为0.2nm，只允许Ni232.0nm共振线进入检测系统，则分析灵敏度明显提高。原子吸收常用的光谱带宽有0.1nm，0.2nm，0.4nm，1.0nm等几种。人们注意到，在一般状态下元素灯的共振辐射带宽小于0.001nm，故狭缝宽度

33、减半时，光通量也相应减半，而对于连续辐射，除光通量减半外，谱带宽度也要减半，因而在狭缝宽度减半时，能量衰减系数为4。在有强烈的宽谱带发射光（例如，对钡元素进行分析时火焰或石墨管发射的炽热光）抵达光电倍增管时，狭缝宽度减小1倍可使杂散辐射减为1/4，而光谱能量减小1倍。为进一步控制杂散辐射，有的仪器采用狭缝高度可变的设计，在测量一些特殊元素（如钡、钙等）或使用石墨炉时可选用。值得提及的是，这种设计并不是通过减小光谱带宽来降低宽带辐射的杂散光，而是从光学成像角度考虑的。火焰或石墨管发射的炽热光面积较大，在狭缝处能量均匀，而元素灯的共振辐射在狭缝中心能量最强，故而降低狭缝高度，可降低杂散辐射的比例。

34、2.5 监测器原子吸收光谱法中检测器通常使用光电倍增管。光电倍增管是一种多极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，是目前灵敏度最高、响应速度最快的一种光电检测器，广泛应用于各种光谱仪器上。常用光电倍增管有两种结构，分别为端窗式与侧窗式，其工作原理相同。端窗式从倍增管的顶部接收光，侧窗式从侧面接收光，目前光谱仪器中应用较广泛的是侧窗式。光电倍增管的工作电源应有较高的稳定性。如工作电压过高、照射的光过强或光照时间过长，都会引起疲劳效应。第三章 火焰原子吸收中的概念3.1 基线稳定性这是仪器的重要技术指标，它反应仪器整机的稳定情况。一般分为静态稳定性和动态稳定性两种。1) 静态稳定性点亮合格

35、的铜灯，波长324.7nm，狭缝0.2nm，吸光读数标尺可准确至0.002A，30分钟预热后开始读取30分钟内的吸光值（可直接从荧光屏上观测）。基线的最大漂移量应在0.005A之内。2) 动态稳定性静态稳定测试之后，立即点着空气乙炔火焰，吸喷蒸馏水，10分钟后开始读取30分钟内的吸光值。动态基线最大漂移量应在0.006A之内。当仪器经过一段时间使用之后上述指标分别为0.006A和0.008A。3.2 灵敏度被测组分的量或浓度改变一个单位时分析信号的变化量，即吸光度随浓度的变化率dA/dC,也即校准曲线的斜率。原子吸收的灵敏度用特征浓度表示。特征浓度是指能产生1吸收（产生0.0044A吸光值）时

36、所对应的元素浓度。特征浓度可用下式计算：SAC×0.0044/ASA 是特征浓度，gmL-1 ；C是测试溶液的浓度，gmL-1；A是测试溶液的吸光度值。因为灵敏度为校准曲线的斜率dA/dC，所以上式可写为：SA0.0044/kk是校准曲线的斜率。石墨炉原子吸收法的灵敏度用特征量表示。它定义为能产生1吸收（产生0.0044A吸光值）时所对应的元素的绝对量。即：SA·V0.0044/kk是校准曲线的斜率，V是进样体积。3.3 精密度精密度是指在规定条件下多次重复测定同一量时各测定值彼此相符和的程度，表征测量结果中随机误差的大小。精密度通常用标准偏差或相对标准偏差表示。检测仪器的

37、精密度，火焰法测量时，在仪器最佳条件下吸入Cu的标准溶液（能产生0.30.5Abs吸光度的溶液），连续11次测定计算RSD，新仪器和使用中的仪器应分别不大于1和1.5。石墨炉法测量时，在仪器最佳条件下，用微量注射器将Cd溶液（能产生0.30.5Abs吸光度的溶液）注入石墨炉中，连续7次测定计算RSD，新仪器和使用中的仪器应分别不大于5和7（手动进样）。3.4 检出限检出限是指能产生一个确证在试样中存在被测组分的分析信号所需要的该组分的最小含量或最小浓度。检出限是原子吸收分光光度计最主要的技术指标之一。它反映了在测量中的总噪声电平的大小，是灵敏度和稳定性的综合性指标。检出限取决于空白噪声，在痕量

38、分析中，要尽量是测试条件最佳化，以降低空白噪声。当被测量水平低于3倍空白噪声，测定量值是可疑的；等于3倍空白噪声，相当于最低检出限，测定量值是可靠的；等于和大于10倍空白噪声，能有效的进行定量测定。根据IUPAC规定，检出限定义为，能给出3倍于标准偏差的吸光度时，所对应的待测元素浓度或质量。可用下式进行计算：DcC×3/A DmCV×3/A以上两式中，Dc为相对检出限，gmL-1；Dm为绝对检出限，pg；C为待测溶液浓度，gmL-1；V为溶液体积，mL；为空白溶液测量标准偏差，是对空白溶液或接近空白的待测元素溶液的吸光度进行不少于十次的连续测定之后求得的。因为灵敏度为校准曲

39、线的斜率（k）dA/dC，所以上两式可写为：Dc3/k DmV×3/k3.5 线性回归和线性范围线性回归，又称直线回归。是用最小二乘法将因变量对自变量拟合为直线的过程。线性范围，是指在一定显著水平下，拟合优度检验不存在失拟的条件下，回归线所跨越的最大的线性区间。对于测试而言，是指通过拟合优度检验的校正曲线所跨越的最大浓度或含量范围。第四章 火焰原子吸收分析技术4.1 火焰原子化技术供给能量将样品中被测元素转变为基态原子的过程叫做原子化1。根据提供能量的方式，原子化可分为加热原子化和非热原子化两大类。加热原子化有火焰原子化和电热原子化（也称无焰原子化，其代表为石墨炉原子化）；非热原子化

40、有化学原子化(冷原子测汞)和阴极溅射原子化。过去和现在都以加热原子化法应用最广。火焰原子化是最早且现在仍然广泛使用的原子化方法。4.1.1 火焰的基本特性1） 燃烧速度燃烧速度是指由着火点向可燃烧混合气其它点传播的速度。它影响火焰的安全操作和燃烧的稳定性。要使火焰稳定，可燃混合气体的供应速度应大于燃烧速度。但供气速度过大，会使火焰离开燃烧器，变得不稳定，甚至吹灭火焰；供气速度过小，将会引起回火。2） 火焰的结构正常火焰由预热区、第一反应区、中间薄层区和第二反应区组成，界限清楚、稳定（如图2-5）。图2-5 预混合火焰结构示意图预热区，亦称干燥区。燃烧不完全，温度不高，试液在这里被干燥，呈固态颗

41、粒。第一反应区，亦称蒸发区。是一条清晰的蓝色光带。燃烧不充分，半分解产物多，温度未达到最高点。干燥的试样固体微粒在这里被熔化蒸发或升华。通常较少用这一区域作为吸收区进行分析工作。但对于易原子化、干扰较小的碱金属，可在该区进行分析。中间薄层区，亦称原子化区。燃烧完全，温度高，被蒸发的化合物在这里被原子化。是原子吸收分析的主要应用区。第二反应区，亦称电离区。燃气在该区反应充分，中间温度很高，部分原子被电离，往外层温度逐渐下降，被解离的基态原子又重新形成化合物，因此这一区域不能用于实际原子吸收分析工作。3） 火焰的燃气和助燃气比例在原子吸收分析中，通常采用乙炔、煤气、丙烷、氢气作为燃气，以空气、氧化

42、亚氮、氧气作为助燃气。同一类型的火焰，燃气助燃气比例不同，火焰性质也不同。按火焰燃气和助燃气比例的不同，可将火焰分为三类：化学计量火焰、富燃火焰和贫燃火焰。化学计量火焰：是指燃气与助燃气之比与化学反应计量关系相近，又称其为中性火焰。此火焰温度高、稳定、干扰小、背景低。富燃火焰：是指燃气大于化学计量的火焰。又称还原性火焰。火焰呈黄色，层次模糊，温度稍低，火焰的还原性较强，适合于易形成难离解氧化物元素的测定。贫燃火焰：又称氧化性火焰，即助燃比大于化学计量的火焰。氧化性较强，火焰呈蓝色，温度较低，适于易离解、易电离元素的原子化，如碱金属等。选择适宜的火焰条件是一项重要的工作，可根据试样的具体情况，通

43、过实验或查阅有关的文献确定。一般地，选择火焰的温度应使待测元素恰能分解成基态自由原子为宜。若温度过高，会增加原子电离或激发，而使基态自由原子减少，导致分析灵敏度降低。选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。烃类火焰在短波区有较大的吸收，而氢火焰的透射性能则好得多。对于分析线位于短波区的元素的测定，在选择火焰时应考虑火焰透射性能的影响。4） 常用火焰按照火焰的反应特性，一般将火焰分为还原性火焰（富燃火焰）、中性火焰（化学计量火焰）和氧化性火焰（贫燃火焰）。根据燃气成分不同，又可将火焰分为两大类：碳氢火焰和氢气火焰。以下是火焰分析中几种常用燃气助燃气：乙炔-空气火焰这是原子吸收测定中最常用的火焰，

44、该火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，温度高，对大多数元素有足够高的灵敏度。但它在短波紫外区有较大的吸收。空气乙炔火焰温度较高，半分解产物C、CO、CH等在火焰中构成还原气氛，因此有较强的原子化能力。其富燃火焰的半分解产物很丰富，能在火焰中抢夺氧化物中的氧，使被测金属原子化。因此，对易形成稳定氧化物的元素如Cr、Ca、Ba、Mo的测定等较为有利。以二价金属氧化物MO为例：2MO+C2M+CO25MO+2CH5M+2 CO2+H2O其贫燃焰适宜用于熔点高但不易氧化的金属测定，如Au、Ag、Pt、Ph、Ga、In、Ni、Co及碱金属元素，但稳定性较差。其化学计量火焰适宜于大多数元素的测定。氢-空气火焰

45、这是一种低温无色火焰，当用自来水或100500gmL-1的钠标准溶液喷入时，才能看到此火焰，用这个办法可检查火焰是否点着及火焰的燃烧状态。氢空气火焰是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气火焰高，温度较低（约为2045）。由于这种火焰比空气乙炔火焰的温度低，能使元素的电离作用显著降低，适宜于碱金属的测定。该火焰对Sn的测定有特效，用Sn224.6nm共振吸收线，灵敏度比空气乙炔火焰高5倍。这种火焰具有稳定、背景发射较弱，透射性能好，有利于提高信噪比。火焰在短波紫外区气体吸收很小，加大氢气流量，吸收显著减少，对于一些分析线在短波区的元素如As、Se、Pb、Zn、Cd等非常有利。氢气空气火焰的缺点是温度

46、不够高，原子化效率有限，化学干扰大。此外，富燃条件下没有显著的还原气氛，不利于形成难解离氧化物元素的分析。点燃氢空气火焰时，可调节气体流量到制定值，然后让两种气体混合约半分钟再点火，点燃和熄灭火焰时，常伴随细小的爆裂声。声音过响，可能是氢气气流量徧小，可调大。氢气流量过小容易发生回火。若将氩气作为雾化气，则形成同样透明且干扰更小的氩氢火焰（氩-氢火焰约为1577）。乙炔-一氧化二氮火焰的优点是火焰温度高，而燃烧速度并不快，适用于难原子化元素的测定，用它可测定70多种元素。此火焰也叫笑气乙炔火焰。由于温度较高，这种火焰能促使离解能大的化合物的解离，同时其富燃火焰中除了C、CO、CH等半分解产物之

47、外，还有如CN、NH等成份，它们具有强烈的还原性，能更有效的抢夺金属氧化物中的氧，从而使许多高温难解离的金属氧化物原子化，使Al、Be、B、Si、Ti、V、W、Mo、Ba、稀土等难熔性氧化物的元素能有效地测定。这种火焰因温度较高，能排除许多化学干扰。但该火焰噪声大，背景强，电离度高。在某些波长区域，光辐射强，因此选择波长要谨慎。在试液中加进大量的碱金属（10002000gmL-1），能减少电离干扰效应。乙炔一氧化二氮火焰由三个清晰的带组成。紧靠燃烧器的第一反应带呈深蓝色，第二反应带呈红羽毛状，又称红色羽毛区，充溢着CN和NH的强还原气氛，它能保护生成的金属原子，同时使金属氧化物在高温下反应，生

48、成游离原子。MO+NHM+NO+HMO+NHM+N+OHMO+CNM+ CO+N操作时需要注意该反应带的高度，它通常为515mm以上。可通过改变乙炔流量来控制。随乙炔流量的减少，红羽毛高度降低。当低于2mm时，火焰断裂，易发生回火。第三反应带为扩散层，呈淡蓝色。乙炔一氧化二氮火焰不能直接点燃。使用不当，极易发生爆炸。火焰点燃和熄灭必须遵循乙炔空气过渡原则，即首先点燃乙炔空气火焰，待火焰建立后，徐徐加大乙炔流量，达到富燃状态后，将“转向阀”迅速从空气转到一氧化二氮（一氧化二氮的流量事先调节好）。熄灭时，将“转向阀”迅速从一氧化二氮转到空气（空压机不能关闭）。建立乙炔空气火焰后，降低乙炔流量，再熄

49、灭火焰。乙炔一氧化二氮火焰应使用“专用燃烧器”，严禁用乙炔空气燃烧器代用。其燃烧器缝隙容易产生积炭，可在燃烧时用刀片及时清除，以免影响火焰的稳定性。严重积炭堵塞缝隙时容易引起回火爆炸。在燃烧吸喷溶液时，绝对禁止调节喷雾器，以防回火。煤气空气火焰 该火焰使用方便、安全，火焰温度、背景低。它的燃烧温度在17001900，属于低温火焰。对于易电离和易挥发的Rb、Cs、Na、K、Ag、Au、Cu、Cd等元素，具有较高的灵敏度。但是，多数情况下其灵敏度低于乙炔空气火焰，干扰也较多。这种火焰在短波范围内，紫外线稀释比较强，噪音大。其它类型的火焰，如氢氧火焰等现已不用。4.1.2 火焰原子化过程原子化过程包

50、括样品溶液的吸喷雾化、脱溶剂、熔融、蒸发，解离或还原等，是影响测定灵敏度的关键因素。1） 吸喷雾化试液的吸喷雾化效果受雾化器结构、溶液性质及吸喷条件等因素影响。雾化器是火焰原子吸收光谱仪器的关键部件之一。仪器的灵敏度在很大程度上取决于雾化器的工作状态。因此，雾化器要达到如下的基本要求：（1）雾化产生的雾珠和气溶胶粒度要细。（2）雾化效率要高。（3）喷雾要稳定。目前的商品仪器采用带文丘里节流嘴的同心气动雾化器。雾化效率和雾珠、气溶胶直径大小取决于毛细管喷口和节流嘴端面的相对位置和同心度，同心度越好，雾化效率越高。毛细管口以伸进节流嘴端面少许更有利于试液雾化。同心度和最佳相对位置可通过精细加工和细

51、心调试而获得。实验结果表明，试液的表面张力对吸喷速率的影响甚微，而黏度的影响较大。此外，毛细管长度和测量液面的相对高度对吸喷速率也有一定影响。因此，制备试液时应选用黏度较小的溶液介质，而在测量时应保持液面高度一致和使用同一长度的吸液毛细管。特别应当指出的是，火焰中原子的密度仅在一定范围内随吸喷速率的提高而增加。过分提高吸喷速率可能降低雾化效率和火焰温度而不利于原子化。在相同条件下，有机溶剂的吸喷量较水溶液大，雾珠和气溶胶直径也较小，有利于脱溶剂。因为大多数有机溶剂的表面张力和粘度比水小。通过实验也可测出吸喷量和雾化率。在仪器已经调好并点火燃烧的情况下吸喷一定量A的水溶液，收集其废液量B，记下吸

52、喷时间t。则单位时间的吸喷量Q=A/t,雾化率f=(AB)/A。根据工作经验，一般Q=3mL·min-17mL·min-1比较合适，f在10%以上为好，此时的灵敏度比较高，说明吸喷雾化系统调节到了比较好的状态。目前国内仪器厂家多采用吴庭照教授研制的出厂时已调节好的一体化的玻璃喷嘴，使用者不需要调节，装上去就行。 分析者应予注意的是，由于人体温度与室温有差别，在喷雾时分析者不要用手长时间接触盛试样的容器和毛细管，否则,影响测定精度和灵敏度，给准确度也带来不良影响。2） 脱溶剂雾珠和气溶胶脱掉本身溶剂的过程主要决定于雾珠和气溶胶的大小，溶液的性质及环境温度。雾珠在雾化室和燃烧器

53、内的传输过程中已部分脱溶剂，当到达火焰时，雾珠完全脱溶剂变成干燥气溶胶。在室温下，雾珠和气溶胶脱溶剂受蒸气的扩散过程控制。在火焰中，雾珠和气溶胶脱溶剂速率主要受火焰气体和气溶胶间的热传导所控制。由于有机溶剂的饱和蒸气压较水为大，故对缩短脱溶剂时间也较有利。可燃性溶剂的加入，可提高火焰的温度和缩短脱溶剂的时间。影响脱溶剂的主要因素是雾珠和气溶胶粒径。气溶胶大小对灵敏度影响很大。因此，要求雾化器产生的雾珠和气溶胶的粒径尽量细，粗雾珠在进入火焰前应予除去。3） 熔融与蒸发雾珠经脱溶剂干燥后留下的干气溶胶，有的可能直接升华为分子蒸气，多数是经过熔融再由熔液蒸发为分子蒸气。干气溶胶粒子熔融的快慢，取决于

54、火焰温度、粒子大小及被测物晶体性质。干燥粒子半径越大，火焰温度又低，则熔融时间要长。至于晶体的性质，通常是被测物电价位高，键能较大，则所形成的干气溶胶粒子的熔点越高。干气溶胶粒子熔融后即开始蒸发，蒸发速度直接取决于熔态粒子的粒径、火焰温度，也与熔态粒子表面的蒸气压、粒子密度、蒸气向周围扩散速度有关。蒸发速度对自由原子的形成有明显的影响。蒸发一个熔态粒子所需的热量与粒子半径的平方成正比。粒子越小，越利于蒸发。直径小于10µm的粒子，在到达分析区时已能全部蒸发并转变为自由原子；当粒子半径过大时，则只能部分蒸发而不能形成自由原子。粒子半径越小，蒸发时间越短，对原子吸收灵敏度越有利。由于脱溶

55、剂、熔融 、蒸发均受雾珠或气溶胶粒子半径高次方的影响，所以，雾珠颗粒的微小变化，就能明显影响原子吸收分析灵敏度。因此，改进雾化器性能和改善被测液的物理化学性质，对提高分析的灵敏度是至关重要的。4） 原子化解离与还原是原子化的主要途径。在高温作用下，分子化合物的键断裂，解离出被测元素的自由原子。分子的键能越小越易解离。解离能小于3.5ev的分子，容易被解离，解离能大于5ev的分子，解离就比较困难。由于原子化与键能有关，所以应该考虑将试样制备成何种溶液进行分析对灵敏度有利，又由于配位键具有较低的热稳定性，所以选用适当的有机络合剂可获得较高的灵敏度。对于易形成氧化物的元素，应选择合适的燃助比，通常选用微富燃火焰或富燃火焰，降低氧分压，以提高解离度。 在空气-乙炔火焰、氧化亚氮-乙炔火