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淺談原子吸收光譜分析

作者:管理員 來源:本站 瀏覽數:4997 發布時間:2014-6-30 17:25:59

        眾所周知,在20世紀30年代后期,由于工業廣泛應用元素汞,但它在室溫下極易氣化,且毒性很強,當時用一般方法測定大氣中的汞有很大難度,因此利用原子吸收光譜的原理設計了測汞儀,這是原子吸收光譜的最初應用。
        在上世紀初期,由于原子結構和原子光譜理論的建立,對譜線輪廓的研究和實驗,特別是火焰光度法的發展,人們廣泛地應用該技術測定堿金屬和堿土金屬,并制造了大批儀器。同時,在長期從事分子光譜和發射光譜及分析總結前人工作的基礎上,提出了原子吸收光譜作為一般分析方法廣泛應用的可能性,討論了吸光度與原子濃度之間的關系和實驗中的有關問題,使原子吸收光譜作為一種分析方法才逐漸發展起來。至上世紀60年代后,又發展了非火焰原子吸收裝置,如石墨爐、金屬盤等,使原子吸收光譜分析的元素范圍和靈敏度達到了一個新階段。
        我國在1963年開始就有一些介紹性的論述報告,1965年冶金有色院用自制的空心陰極燈裝配成功原子吸收分光光度計并投入使用;1967年,山東省地質局實驗室組裝了儀器,并于1969年成功地應用于巖石礦物的分析;1970年北京科學儀器廠試制成功我國第一批單光束選頻放大原子吸收分光光度計;1971年地質部門也試制了幾臺儀器,使用效果較好;1973年由中國科學院地化所、赤天光學儀器廠、昆明冶金研究所試制的我國第一臺雙光束樣機;1974年由冶金有色院、沈陽熱工儀表廠共同設計試制的wyx-401型單光束儀器都具有較好的性能;1975年,北京地質儀器廠出產的GGX-1型原子吸收分光光度計;同年,礦冶院等單位研制的WFD-y3型原子吸收分光光度計,這些儀器在主要性能方面都接近了世界先進水平。
        關于原子吸收實驗技術方面,我國也取得了很多成就。如光源方面,全國有許多單位和工廠自制成生產各種元素的空心陰極燈,例如冶金有色院五七工廠、上海電光儀器廠正式生產的各種元素的空心陰極燈,質量都比較高。在原子化方面,國內許多單位采用了玻璃霧化器和霧室,既降低了成本,又解決了酸腐蝕問題。中國科學院長春應用化學研究所設計了自動控制熱霧化室,使測定靈敏度提高了幾倍。
        下面再簡述原子吸收光譜分析的基礎理論:以適當波長的光照射以原子狀態處于氣相的待測元素時,則原為基態的原子吸收光而激發,以此種現象做分析的方法稱作原子吸收光譜法。
        原子光譜產生于原子中的電子在不同能量狀態間發生躍遷的結果,也就是說,原子中的電子,從一個能量狀態E0,受某種因素的影響,躍遷到另一能量狀態E時,就要產生光的輻射。很明顯,電子躍遷時能量的改變,必定與輻射光的光子能量相等:
        式中h為普朗克(Plonck)常數,其值等于6.624×10-27爾格秒,E1是高能態、E0是低能態。
        一個原子可具有許多能級狀態,最低的能態稱為基態(E0=0),如果原子接受外界能量使其激發至最低激發態(即第一激發態E1),當其又回到基態時發射出的輻射即為“共振線” 。相反,基態原子吸收共振線輻射也可從基態上升到最低激發態.
        原子吸收光譜只能發生在基態原子,所以由試樣中的被測元素產生出一定濃度基態原子,是原子吸收分光光度的關鍵。但是在原子化的過程中,無論是用火焰或非火焰法,被測元素由分子解離為原子后,不可能全部是基態原子,其中有一部分由于從原子化器中吸收了較多的能量,而變為激發態原子。一定濃度的試樣被解離后產生的激發態原子數越多,就會使靈敏度下降越大。
        在一定條件下,基態與激發態原子數之比服從波茨曼分配定律,可以公式表示如下:
        式中ni及nj分別為激發態及基態原子數,Ei 及Ej是相應狀態原子能量,K為波茨曼常數(1.38×10-23 J·K-1 ) , T為絕對溫度。由上述可看出,在原子化過程中,產生激發態原子決定于原子化器中的溫度和元素的激發能。當元素的激發能固定式,溫度愈高,激發態原子數迅速增加;當溫度固定時,激發能愈低,激發態原子數迅速增加。
        在日常的原子吸收分析中,原子化器中的溫度為2000 K<T<3500 K ,元素的激發能一般情形是2 eV<Ej<10 eV。在這樣的T及Ej ,激發態與基態原子數之比,總是一個很小的數。
        從上面的理分析可以看到,對于激發電位較高的元素,可以選擇較高的溫度進行原子化,因為這樣有利于樣品中分子的解離,可以獲得更多的基態原子,提高靈敏度。相反,對于激發電位較低的元素,選用較低的原子化溫度對提高靈敏度有利。
        關于原子吸收分析的理論,還有如吸收定律、譜線輪廓與譜線變寬、積分吸收、銳線光源與峰值吸收、干擾與消除等,限于篇幅不勝一一枚舉。下方引出該分析儀的主要工件圖如下,以示其概況。(集團技術部  陳紀光)

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