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1、任务2：原子吸收分光光度计基本操作,项目3 用原子吸收光谱法检测物质中微量元素,一、原子吸收分光光度计的结构,原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectrometry,AAS）在近半个世纪以来，是广泛应用于定量测定试样中单独元素的分析方法。 原子吸收光谱仪主要有单光束和双光束两种类型。其基本构造原理如图3-1所示。由图可见，如果将原子化器看作是分光光度计中的吸收池，则其仪器的构造原理与一般的分光光度计是相类似的，即一般由光源、原子化系统、光学系统及检测系统四个主要部分组成。,图3-1 原子吸收光谱仪的基本构造,一、原子吸收分光光度计的结构光 源,原子吸收法对其光源的要求主要
2、有： 发射的谱线的半宽度要窄，应小于吸收谱线的半宽度； 发射的谱线强度要足够的大，以确保有足够的信噪比； 发射的谱线的强度要稳定且没有背景发射或背景发射很小； 工作电压低，使用寿命长。,一、原子吸收分光光度计的结构光 源,空心阴极灯(Ho11ow Cathode Lamp)是一种特殊的辉光放电管，其放电和发光机理与普通辉光放电管一样，只是在灯的阴极和阳极的材料选用以及装置方式上有其特殊之处，目的是为了满足产生锐线光的需要。 空心阴极灯的结构主要包括：一个阳极和一个空心圆筒形阴极。两电极密封于充有低压（210mmHg）惰性气体的带有光学窗口（玻璃窗或石英）的玻璃壳中。其结构如图3-2所示。,图3
3、-2 空心阴极灯结构示意,一、原子吸收分光光度计的结构光 源,空心阴极灯的工作原理是：当在阴、阳两电极间施加适当直流电压(通常是300500 V)时（便开始辉光放电），两极间气体中自然存在着的极少数阳离子在电场的作用下向阴极运动，并轰击阴极表面，使阴极表面的电子获得能量而逸出（即脱离阴极），逸出的电子受电场加速并奔向阳极，在奔向阳极的途中与相遇的原子碰撞使后者电离产生阴阳离子，阳离子在电场作用之下奔向阴极，并轰击阴极表面。这样，放电一经在比较高的电压（起辉电压）下触发（起辉），就可以在比较低的电压下持续保持放电并发光（辉光）。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,原子化系统的作用是将样品中
4、待测元素转变为气态的基态原子（这一过程叫做样品的原子化），并将其送入光路，以便对空心灯提供的共振（特征）辐射产生吸收。 （1）火焰原子化装置 火焰原子化法使用的装置（叫火焰原子化器），主要由雾化器、雾室和燃烧器三部分组成。 雾化器 ：作用是将试液分散成极细小（直径在570m）的雾滴，其性能对测定的灵敏度、准确度、精密度和化学干扰等有显著影响，是原子吸收光谱仪的核心部件。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,（1）火焰原子化装置 燃烧器 ：试液雾化后进入预混合室(也叫雾室，其作用有二，一是使雾滴直径均匀化，二是使燃气、助燃气和小雾滴均匀混合)，形成气-溶胶，进入火焰中，而较大的雾滴凝结在壁上
5、，经下方的废液管排出。,图3-4 预混合型燃烧器 1火焰 2燃烧器 3撞击球 4毛细管 5雾化器 6试液 7废液 8预混合室,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,（1）火焰原子化装置 火焰及其类型：原子吸收光谱分析测定的是基态原子，而火焰为样品原子化提供了能源。化合物在火焰温度的作用下经历蒸发、干燥、气化、解离甚至激发、电离和化合等一系列复杂的过程。,图3-4 预混合型燃烧器 1火焰 2燃烧器 3撞击球 4毛细管 5雾化器 6试液 7废液 8预混合室,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,火焰是由燃料气（还原剂）和助燃气（氧化剂）相遇后发生激烈的化学反应燃烧而形成的。 其一，正常焰也叫中
6、性焰。表示燃料气和助燃气基本是按它们之间的化学反应计算的量配比的，故也称之为“化学计量火焰”。这种火焰具有温度高、干扰少、稳定及背景低等特点。 其二，富燃焰，即燃料气的比例高于化学计量的配比时形成的火焰。这种火焰有丰富的半分解产物，具有较强的还原气氛。火焰温度略低于前者，但适于原子化的区域较大。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,其三，贫燃焰，即燃料气的比例低于化学计量的配比时所形成的火焰。由于在这种火焰中，大量冷的助燃气带走了火焰中的热量，所以其温度相对较低。 最常使用的火焰主要有两类，即碳氢火焰和氢气火焰。空气-乙炔火焰和笑气-乙炔火焰均属第一类火焰。这两种火焰已基本能满足大部分元素
7、的原子吸收分析测定的要求，因此也是在日常分析工作中最常用的火焰。 预混合燃烧器产生的火焰层次清晰，并大致可分为四个不同区域：,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,常用火焰的组成及其性质,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,气源装置及使用安全措施 在火焰原子吸收法中，可能用到的燃料气和助燃气的种类比较多。各种气体来源也不尽相同，并非都由仪器配套供给。 空气 多由空压机供给。空压机有活塞式和膜动式之分。一般前者压强为6105Pa(6 atm),需经减压、稳压和净化（除去压缩空气中的水汽及空压机带入的油）后使用；后者最大压强可达3105Pa(3 atm)，可经安全阀调节压力至所需值。空气的使
8、用压强一般为2105Pa(2 atm)，流量在1020 L/min。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,乙炔 多由钢瓶提供。钢瓶中的乙炔是被加压溶解在多孔性吸附材料中的丙酮中，需通过减压、稳压后使用；瓶内最大压强为15105Pa(15atm)，可经稳压调节器调节压力至所需值。对于具体一台仪器乙炔的使用压强和流量应参照仪器说明书设置为所需值。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,氧化亚氮 这种气体对嗅觉有刺激性，会使人产生兴奋感，故熟称笑气。多由钢瓶提供。瓶内压强约为7106Pa，需通过稳压调节器减压、稳压后使用。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,在原子吸收分析工作中，对于燃料
9、气的使用，应注意采取并遵守以下特别的安全措施，以免发生人身或设备事故。 （a）燃料气，助燃气钢瓶和乙炔气钢瓶应绝对远离火源。 （b）点火操作前应检查并确认气路系统密封良好。点火前，应先打开气源，并随手设置和确认气体压力与流量为仪器说明书规定参数。 （c）熄火时，应先关闭燃气阀门，待火焰熄灭后，再关闭助燃气阀门，以防发生回火。对于由微机控制的新型号仪器，关闭气源后，待火焰熄灭，再关闭仪器的总电源开关。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,在原子吸收分析工作中，对于燃料气的使用，应注意采取并遵守以下特别的安全措施，以免发生人身或设备事故。 （d）膨胀室或燃烧器应安装有安全排气塞，并经常保持其良
10、好有效，以确保安全。 （e）要防止回火，尤其是氧化亚氮乙炔火焰。点火与熄火一定要严格经过空气乙炔火焰过渡，即确保氧化亚氮乙炔火焰始终为富燃焰（红色火焰）。 （f）工作结束应确保切断燃气气源，一切漏气的可能都是安全隐患。特别是燃料气流量计的针形阀很易密封不好，一旦泄漏到仪器中，极易发生爆炸事故。 （g）仪器上部应按规定安装排风装置，并保持正常有效。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,（2）非火焰原子化装置 非火焰原子化是火焰原子化以外其它原子化方式的统称，包括了许多具体的方法。其中目前使用相对较多的是电热高温石墨炉原子化器，简称“石墨炉原子化器 (atomization in graphi
11、te furnace,GFA) ”法。,石墨炉原子化器的构造,石墨管的装配,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,石墨炉原子化采取程序升温的方式，并分为干燥、灰化、原子化、净化（或称“除残”）四个步骤，由微机控制自动进行。石墨炉原子化器的升温方式有如图3-10所示的阶梯式和斜坡式。后者能使试样更有效地灰化，减少背景干扰，还能以逐渐升温来控制化学反应速度，对测定难挥发性元素更为有利。,图3-10 石墨炉原子化器升温过程示意,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,石墨炉原子化的最大优点是：注入到石墨管中的试样几乎可以完全原子化（原子化效率可达约90%），由于管腔空间相对火焰要小得多，因而原子蒸
12、气浓度被大大提高，致使测定的灵敏度也大大提高。当试样含量很低，或只能提供很少量的试样时，使用这种原子化方式是很适合的。,一、原子吸收分光光度计的结构原子化系统,（3）其它原子化方法 1）氢化物原子化(hydride atomization)装置 氢化物原子化法也称氢化物发生法。这种方法是“低温”原子化法的一种。主要用来测定As，Sb，Bi，Sn，Ge，Se， Te以及Pb等一些在常温下经过化学反应可以形成氢化物的元素。当上述元素在较低温度下于酸性介质中与强还原剂硼氢化钠(钾)反应时，生成了气态的氢化物。 2）冷原子化(coLd-vapour atomization)装置 该法也称为“冷原子吸收
13、法”。此法首先是将试液中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺还原为单质的汞，然后用空气流将汞蒸气（利用其沸点低的特性）带入具有石英窗的气体吸收管中完成原子吸收光谱测定。,一、原子吸收分光光度计的结构光学系统,原子吸收光谱仪的光学系统由聚光（外光路）和分光（单色器）两个系统组成。其一般结构原理如图3-11所示。 （1）外光路系统 其作用是先由第一透镜使光源发出的共振线正确地聚焦于被测样品的原子蒸气（火焰）中央，再由第二透镜将通过原子蒸气后的谱线聚焦在单色器的入射狭缝上。,图3-11 单光束外光路系统,一、原子吸收分光光度计的结构光学系统,（1）分光系统(单色器) 如图3-12中虚线所围部分。主要由色散
14、元件(光栅或棱镜)、准直镜、狭缝等组成。,图3-12 分光系统示意 S1入射狭缝 M准直镜 G光栅 S2出射狭缝 PM 检测器,一、原子吸收分光光度计的结构检测系统,原子吸收光谱仪的检测系统主要包括：检测器、放大器、对数变换器以及显示装置。 (1)检测器 原子吸收光谱仪检测器的作用是将单色器分出的光信号转换为电信号。目前主要采用光电倍增管(photomuLtipLier)作光电转换器（检测器）。为了选择所需要的增益和便于调节参比的透射率T%为100% （也即吸光度A等于零），光电倍增管的电源电压（也叫增益负高压）是可调节的。,光电倍增管示意 K光敏阴极 14倍增极 A阳极 R，R1R5电阻,一
15、、原子吸收分光光度计的结构检测系统,(2)放大器 其作用是将光电倍增管输出的电信号放大。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，故电信号在进入显示装置前还必须再经进一步放大。 (3)对数变换器 将指示仪表的表面按对数进行刻度(与一般的分光光度计相同)，但这样的对数刻度疏密不均匀，浓度越高(吸光度越大)，刻度越密，对高浓度测定的读数误差就较大，而且欲将指示仪表改为别的显示仪器(如记录器，数字显示器等)或进行量程扩展时也会发生困难，为此信号在进入指示仪表前，利用如三极管运算放大器直流型对数变换电路进行了对数变换。,二、原子吸收分光光度计的工作流程,以测定试液
16、中镁离子的含量为例，其仪器装置如图3-14所示，先将试液喷射成雾状并引入到火焰中，含镁盐的雾滴在火焰温度下，蒸发、离解成镁原子形成原子蒸气。当用镁的空心阴极灯作光源，它便辐射出具有波长为285.2nm的镁的特征光谱（波），当其通过火焰中一定厚度的镁原子蒸气时，部分光被蒸气中基态镁原子所吸收而使强度有所减弱。通过单色器分光后被检测器接受，检测器测得镁的285.2nm谱线光的减弱程度，进而即可求出试样中镁的含量。,实训3-2 仪器开、关机操作、工作软件使用,一、开机 1开稳压电源，待电压稳定在220伏后开主机电源开关； 2开空压机； 3开燃气钢瓶主阀，乙炔钢瓶主阀最多开启一圈； 4开排风扇和冷却水(采用石墨炉原子化时)。 二、测试 1.装上待测元素空心阴极灯，调节灯电流与波长至所需值； 2.点火，设置仪器测试参数； 3.将雾化器毛细管插入去离子水中，调零后,再将雾化器毛细管插入溶液，待吸光度显示稳定后，记录测试结果,将雾化器毛细管插入去
