第三节AAS仪器装置

第三节仪器装置原子吸收光谱仪的组成

原子吸收光谱仪由五部分组成：①锐线光源②原子化器③分光系统④检测系统⑤电源同步调节系统一、锐线光源作用：辐射待测原子的特征共振线。要求：辐射强度大，稳定性好，背景小，寿命长，操作方便。①空心阴极灯②蒸气发电灯③无极发电灯常用光源：(一)空心阴极灯

(HollowCathodeLamp,HCL)

1.构造空心阴极灯的结构示意图①外壳：根据工作的波长范围，可选用石英玻璃或普通玻璃。350nm以下，用石英玻璃。350nm以上，用普通光学玻璃。②阳极：钨棒。上面绕有钽(Ta)片或钛(Ti)丝，其作用是做吸气剂，吸收灯内少量杂质。气体(如氢气、氧气、CO2等)的发射，减少灯的背景发射。③阴极：空心金属圆筒，其衬里熔入或喷高纯的待测金属元素的纯金属、合金或化合物。④管内：充以低压的惰性气体(Ne或Ar)

充入低压惰性气体有利于减小洛伦兹变宽，从而保证发射线的半宽度很窄。⑤屏蔽：用不导电的玻璃或云母制成。作用是减少或阻止阴极外侧的杂散放电，把电流有效地分配于阴极的有用区。充氖气发橙色光充氩气发淡紫色光

2.工作原理①接通电源。②空心阴极开始辉光放电，发射热电子流，在电场作用下，高速向阳极运动。③运动中，电子与灯内填充的惰性气体碰撞，使之电离，产生惰性气体正离子。④产生的气体正离子在电场作用下，高速向阴极运动。⑤撞击阴极内表面，使金属原子从晶格中溅射出来，堆积在空心阴极内。⑥堆积在空心阴极内的金属原子继续受到撞击后，获得能量被一起激发，发射强度足够大的特征共振线。

3.工作条件

空心阴极灯只有一个操作参数→灯电流，所以，控制好灯电流，可减小多普勒变宽和压力变宽，使发射的谱线稳定，强度高而宽度窄。

灯电流太高，会使阴极溅射过大，放电不稳，信噪比严重下降，灯的寿命缩短。4.电源调制同步电源调制：一般用285Hz或400Hz的方波脉冲供电，将光源与检波放大器的电源进行同步调制，称同步电源调制。作用：(1)可以消除原子化器中由于原子发射产生的直流电信号的干扰。(2)方波脉冲供电以很小的平均灯电流，就能获得很强的锐线辐射，改善了放电特征，提高了信噪比，延长了灯的寿命。二、原子化器作用：

提供能量，使试样干燥、蒸发并原子化，产生基态原子蒸气。要求：(1)原子化效率要高；原子化效率愈高，分析的灵敏度也愈高

。(2)稳定性要好，雾化后的液滴要均匀、粒细；(3)低的干扰水平，背景小，噪声低；(4)安全、耐用，操作方便原子化效率:

是指通过火焰观测高度截面上以自由原子形式存在的分析物量与进入原子化器的总分析量的比值。分类：

(一)

火焰原子化器

组成：(1)(2)(4)(3)(5)工作原理：

1.雾化器(1)作用：将试液变为细雾。(2)要求：①喷雾要稳定，雾粒要细而均匀。②雾化效率高。即进入火焰的雾粒占所消耗的溶液的百分率高，则产生的基态原子数会增加。③有好的适用性。即可适用于不同比值，不同表面张力，不同粘度的液体。(3)常用的雾化器：同心型气动雾化器，雾化效率一般在10%左右。(4)提高雾化效率的措施：①采用去溶剂喷雾法将溶液喷雾加热后冷凝，使试剂被除去，试样成为干气溶胶进入火焰，则有利于试样的蒸发分解，提高灵敏度。②加入有机溶剂在试液中加入与水互溶的有机溶剂(如乙醇、丙酮等)，可提高雾化效率。2.雾化室作用：①使雾粒均匀化，除去大液滴。②使雾粒与燃气和助燃气充分混合形成气溶胶。③起“缓冲”稳定混合气体气压作用，以便使燃烧器产生稳定的火焰。3.燃烧器

(1)作用

使混合气进入火焰，在火焰中经干燥、熔化、蒸发和离解等过程，产生大量的基态自由原子和少量的激发态原子、离子和分子。(2)要求

①原子化程度高②火焰稳定③吸收光程长④噪声小，背景小

(3)常用燃烧器——预混合型燃烧器

①单缝燃烧器缝长：80120mm,缝宽:0.40.7mm，适用于空气-乙炔火焰。缝长:4060mm，缝宽:0.40.7mm，适用于NO-乙炔火焰，应用较广，但产生的火焰很窄，使部分光束在火焰周围通过而未被吸收，从而使测量灵敏度下降。②三缝燃烧器由于火焰较宽，产生的原子蒸气能将光源发出的光完全包围，外侧的两个缝的火焰可起屏蔽作用，降低火焰噪声，吹开了来自大气的污染，使火焰稳定，但消耗燃气和试样量大，应用较少。(4)燃烧器的调节①燃烧器的高度可以上下调节，以便选择适宜的火焰原子化区域。②燃烧器应能旋转一定的角度，可改变吸收光程，扩大测量元素含量范围。

4.火焰

(1)火焰的分区试样原子化主要在第一反应区和中间薄层区进行中间薄层区的温度达到最高点，是原子吸收分析的主要应用区(对于易原子化、干扰效应小的碱金属分析，可以在第一反应区进行)预混合火焰结构示意图(2)火焰原子化过程火焰原子化过程是一个复杂的物理化学过程，试样溶液在火焰原子化系统中经过喷雾、雾化、干燥、挥发、原子化过程等一系列物理化学历程，成为基态原子蒸气。MX(l)→MX(s)→MX(g)→Mo(g)+Xo(g)脱溶气化原子化①试样在原子化器中的原子化过程②原子化过程的副反应：

A.基态原子蒸气进一步的激发和电离

Mo(g)M*(g)M+(g)+e-B.在乙炔-空气火焰燃烧过程中，存在着O、OH、C、CO、CH等气态分解产物，某些金属元素的基态气态原子易形成难离解的单氧化物(MO)或单氢氧化物(MOH)，使基态原子数减少，使测定方法的灵敏度降低，并且这些MO和MOH分子可能被激发，形成分子光谱干扰。

Mo(g)+O→MO(g)MO*(g)Mo(g)+OH→MOH(g)MOH*(g)(3)火焰的分类A.不同种类的火焰其成分和温度不同，并且对不同的辐射波段表现出各异的吸收和发射特征。B.同一种类的火焰，若燃气和助燃气的比例不同，其性质也不相同。按燃气和助燃气的比例不同分类分三类

①中性火焰②贫燃火焰③富燃火焰

①中性火焰配比：燃气:助燃气=化学反应计量关系特点：火焰稳定，层次清楚，蓝色透明，温度较高，背景低，噪声小。应用：日常分析常用火焰，适用于测量大多数元素。②贫燃火焰配比：燃气:助燃气<化学反应计量关系特点：火焰呈蓝色但发暗，氧化性较强，燃烧充分，温度不高。应用：适用于不易生成氧化物、易分解、易电离元素的测定。例如：碱金属和不易氧化的元素如Ag、Au、Pd等的测定。

③富燃火焰配比：燃气:助燃气>化学反应计量关系特点：火焰呈黄色，燃烧不完全，层次模糊，具有还原性，火焰温度比贫燃火焰低，背景高，噪声大，干扰大。应用：适用于易形成难解离氧化物的元素的测量。例如：Al、Ba、Cr、Mo、稀土元素等。按燃气的种类分类

几种常用火焰

火焰类型化学反应发火温度/℃燃烧速度/cm.s-1

火焰温度/K丙烷-空气氢气-空气乙炔-空气乙炔-N2OC3H8+5O2=3CO2+4H2OH2+1/2O2=H2OC2H2+5/2O2=2CO2+H2OC2H2+5N2O=2CO2+H2O+5N2

560530350400553201601802200230026003200(4)火焰的选择依据火焰的选择主要考虑①火焰的温度及待测元素的性质；②火焰本身对光的吸收。合适的火焰应该是能使待测元素恰好能解离成基态气态自由原子。

A．温度过低，试样不能完全解离为基态自由原子

B．温度过高，会使基态原子激发，产生激发态原子或使原子电离，结果是使基态原子数减少。(5)火焰的选择

①对于一般元素，常选用乙炔-空气火焰。②对于电离电位较低的元素，应选择低温火焰或贫燃火焰，

例如：碱金属、碱土金属、Zn、Cd、Cu、Ag等，可用氢气-空气火焰。③对于难挥发、难原子化的元素，应选择高温火焰

例如：Si、Al、Ti、V、B及稀土元素等选乙炔-N2O火焰。④对于易生成氧化物，易电离的元素，应选用还原性的富燃火焰，

例如：K、Mg、W等，测K或Mg时，使用富燃火焰可提高灵敏度2030%，测Mo时可增大灵敏度100倍。⑤对于易形成氧化物，而氧化物又难离解的元素，应选择高温富燃火焰，

例如：Al、Zr、Mo。⑥火焰的选择必须考虑火焰对光的吸收，例如：用196.0nm的共振线测硒时，根据下列火焰的吸收曲线，应选择何种火焰？

有些火焰在短波区吸收共振线，所以共振线在短波区的元素在测定时，要特别注意火焰的选择。答案烃类火焰在短波区的吸收较大，即透射性能较差，而氢火焰的透射性能则很好。应选择氢气-空气火焰。(6)火焰原子化系统的特点优点：(1)结构简单，操作方便，应用较广；(2)火焰稳定，重现性及精密度较好；(3)基体效应及记忆效应较小。缺点：(1)雾化效率低，原子化效率低(一般低于30%)，检测限比非火焰原子化器高；(2)使用大量载气，起了稀释作用，使原子蒸气浓度降低，也限制其灵敏度和检测限；(3)某些金属原子易受助燃气或火焰周围空气的氧化作用生成难熔氧化物或发生某些化学反应，也会减少原子蒸气的密度。(二)非火焰原子化器(石墨炉)

(GraphiteFuranceAtomizer,GFA)1.结构(1)电源能提供低电压10~25V，大电流500A的供电设备。作用：使石墨管迅速加热，达到2000K~3000K的高温，并能以电阻加热方式形成各种温度梯度，便于不同的元素选择最佳原子化条件。(2)炉体外部是水冷装置内部通惰性气体两端装有石英窗中间有进样孔。炉体各部分的作用(1)水冷装置的作用是保护炉体，当电源切断时，炉子能很快冷却到室温。

(2)惰性气体(Ar或N2)的作用是:①防止石墨管在高温被氧化。②防止或减少被测元素形成氧化物。③排除分析过程中形成的烟雾。(3)石墨管作用：原子化样品形状：有两种①沟纹型：用于有机溶剂，取样50L，但其最高温度较低，不适于测定钒、钼等高沸点元素。②标准型：广泛使用，长28mm，内径4mm，管中央有一小孔，可以加试样。

2.操作程序石墨炉工作时，分四个步骤。

（1）干燥（2）灰化（3）原子化（4）除残石墨炉升温程序示意图

3.特点①原子化效率高可用于那些较难挥发和原子化的元素的分析。在惰性气体气氛下原子化，对于那些易形成难解离氧化物的元素分析更为有利；注入的试样几乎可以完全原子化，达100%，而火焰原子化仅30%。②取样量少溶液试样量仅为1～50L，固体试样量仅为几mg。③绝对灵敏度高，检测线低

这是由于温度较高，原子化效率高；管内原子蒸气不被载气稀释，原子在吸收区域中平均停留时间长；约为10-1s，经干燥、灰化过程，起到了分离、富集的作用，所以绝对灵敏度比火焰原子化高几个数量级，可达10-12g，相对灵敏度提高23个数量级。④适用范围广

固体试样，液体试样，粘稠试样，都可测定，对难挥发、难原子化的元素及痕量元素也可测定。缺点：①精密度较差管内温度不均匀，进样量、进样位置的变化，引起管内原子浓度的不均匀等因素所致。②操作较复杂仪器装置较复杂，价格较贵，需要水冷。③干扰较大基体效应、化学干扰较严重，有记忆效应，背景较强。表3-5：火焰原子化法与石墨炉原子化法比较方法原子化热源原子化温度原子化效率进样体积讯号形状检出限重现性基体效应火焰化学火焰能相对较低(一般<3000℃)较低(<30％)较多(12mL)平顶形高Cd：0.5ng/mLAl：20ng/mL较好

RSD为0.5～1%较小石墨炉电热能相对较高

(可达3000℃高(>90%)较少

(1～50L)尖峰状低Cd：0.002ng/mLAl：1.0ng/mL较差

RSD为1.5～5%较大(三)氢化物发生原子化法

(HydrideGenertion,HG)

适用于As、Sb、Ge、Sn、Pb、Se及Te等元素的测定，因为这些元素如果采用液体进样原子化，无论用火焰原子化法或用石墨炉原子化法均不能得到好的灵敏度。但在一定酸度下，将这些被测元素用KBH4或NaBH4还原成极易挥发和分解的氢化物，如AsH3、SbH3、BiH3、GeH4、SnH4、PbH4、SeH2、TeH2等。NaBH4+HCl+3H2O→H3BO3+NaCl+8H→XHn+H2

这些氢化物用载气送入石英管加热，进行原子化及吸光度的测量。由于反应生成的挥发性氢化物的解离能较低，所以在电加热或火焰加热的石英管原子化器中极易原子化。Xm+活泼氢待测元素氢化物优点：(1)原子化效率高。(2)灵敏度提高了1～3个数量级。(3)检测限比火焰化低1～3个数量级。(4)避免了基体干扰.(5)选择性好。三、分光系统(一)组成1.外电路：锐线光源和两个透镜组成2.单色器

(1)入射狭缝

(2)出射狭缝

(3)分光元件

(4)反射镜作用：使锐线光源辐射的共振发射线能正确地通过或聚焦于原子化区，并把透过光聚焦于单色器的入射狭缝。(二)作用将待测元素的共振线与临近谱线分开。

(三)性能选择1.光谱通带定义：指通过单色器出射狭缝的光的波长范围。公式：W=D·S

W：光谱通带（nm）

D：倒线色散率（nm.m