原子吸收分光光度計(jì)的工作原理是什么?
原子吸收分光光度計(jì)是現(xiàn)代分析化學(xué)領(lǐng)域中用于元素含量的重要儀器,其工作原理基于原子對(duì)特定波長(zhǎng)光的選擇性吸收,通過測(cè)量吸光度來確定樣品中待測(cè)元素的濃度,整個(gè)過程涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和物理化學(xué)現(xiàn)象。
儀器基本組成與光源發(fā)射
原子吸收分光光度計(jì)主要由光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)四部分組成。光源是儀器的關(guān)鍵部件之一,通常采用空心陰極燈,它能發(fā)射出特定元素的特征譜線。例如,當(dāng)檢測(cè)樣品中的鐵元素時(shí),鐵空心陰極燈可發(fā)射出鐵元素的特征波長(zhǎng)光。在空心陰極燈內(nèi)部,陰極由待測(cè)元素的純金屬或合金制成,當(dāng)燈通電后,陰極表面的原子被激發(fā),電子從基態(tài)躍遷到高能態(tài),處于高能態(tài)的電子不穩(wěn)定,會(huì)迅速躍遷回基態(tài),并以光的形式釋放出能量,此能量對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為該元素的特征譜線。這些特征譜線具有銳度和強(qiáng)度,且僅與特定元素相關(guān),是原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行元素分析的基礎(chǔ)。
原子化系統(tǒng):將樣品轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子蒸氣
原子化系統(tǒng)的作用是將樣品中的待測(cè)元素轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子蒸氣,使其能夠吸收光源發(fā)射的特征譜線。常見的原子化方式有火焰原子化和石墨爐原子化。在火焰原子化中,樣品溶液首先通過霧化器被霧化成細(xì)小的霧滴,與燃?xì)猓ㄈ缫胰玻┖椭細(xì)猓ㄈ缈諝猓┏浞只旌虾筮M(jìn)入燃燒器。在高溫火焰(通常溫度可達(dá) 2000 - 3000K)的作用下,霧滴中的溶劑迅速蒸發(fā),溶質(zhì)則形成固體顆粒,隨后這些固體顆粒在火焰中經(jīng)歷干燥、灰化、原子化等過程。干燥過程去除溶劑殘留,灰化階段使有機(jī)物質(zhì)分解,最后原子化階段將待測(cè)元素的化合物分解為基態(tài)原子。而石墨爐原子化采用電加熱的方式,將極少量的樣品(通常為幾微升至幾十微升)注入石墨管中,通過程序升溫,依次經(jīng)歷干燥、灰化、原子化和凈化四個(gè)階段。干燥階段去除樣品中的水分和易揮發(fā)溶劑;灰化階段進(jìn)一步分解有機(jī)物并去除基體干擾;原子化階段通過瞬間高溫(可達(dá) 2000 - 3000℃)使待測(cè)元素原子化;凈化階段則將殘留物質(zhì)去除,防止對(duì)下一次分析產(chǎn)生影響。石墨爐原子化具有更高的靈敏度,適用于痕量元素分析。
分光系統(tǒng)與光吸收原理
分光系統(tǒng)的功能是將光源發(fā)射的復(fù)合光分解為單色光,并分離出待測(cè)元素的特征譜線。它主要由色散元件(如光柵)和狹縫等組成。從原子化系統(tǒng)產(chǎn)生的基態(tài)原子蒸氣會(huì)對(duì)光源發(fā)射的特征譜線產(chǎn)生吸收作用。根據(jù)朗伯 - 比爾定律,當(dāng)一束特定波長(zhǎng)的光通過原子蒸氣時(shí),光的吸收程度與原子蒸氣中待測(cè)原子的濃度和光程長(zhǎng)度成正比。也就是說,基態(tài)原子越多,對(duì)光的吸收就越強(qiáng)。例如,當(dāng)樣品中銅元素含量較高時(shí),銅的基態(tài)原子蒸氣會(huì)吸收更多來自銅空心陰極燈發(fā)射的特征譜線光。被吸收后的光進(jìn)入分光系統(tǒng),經(jīng)過光柵的色散作用,不同波長(zhǎng)的光被分散開來,再通過狹縫選擇出待測(cè)元素的特征譜線,使其進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)。
檢測(cè)系統(tǒng)與定量分析
檢測(cè)系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換器(如光電倍增管)和信號(hào)處理裝置組成。光電轉(zhuǎn)換器將透過原子蒸氣并經(jīng)過分光系統(tǒng)分離后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)的強(qiáng)度與光的強(qiáng)度成正比。由于光被基態(tài)原子吸收,導(dǎo)致到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)度減弱,相應(yīng)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)也變?nèi)?。信?hào)處理裝置對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、積分等處理后,最終以吸光度的形式顯示出來。在實(shí)際分析中,通過配制一系列已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照與樣品相同的操作步驟進(jìn)行測(cè)定,得到標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。以標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。然后測(cè)定樣品溶液的吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線即可查得樣品中待測(cè)元素的濃度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中元素含量的定量分析。



