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原子吸收光谱仪对光源有何要求?
作者:  浏览量:88  发布时间:2017-12-26 11:35:25

原子吸收光谱仪对光源有何要求

一、概述

原子吸收光谱仪是分析化学领域中一种极其重要的分析仪器,根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光。根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。那么原子吸收光谱仪对光源有何要求?


二、原子吸收光谱法与光源发展历史

原子吸收光谱法是在20世纪五十年代提出并实现的仪器分析方法。但是要说他的渊源,就要提一提1802年Wollaston在研究太阳连续光谱时发现的光谱中的暗线(本来是赤橙黄绿蓝靛紫的连续,中间断开了)。到1817年的时候,Fraunhofer将其命名为Fraunhofer线,但是当时的人们并不清楚为什么会出现这种现象。直到1859年,Kirchhoff与Bunson研究碱土金属的火焰光谱时,发现钠蒸汽发出的光通过温度较低的钠蒸汽时,出现了与太阳连续光谱暗线相同的现象,后来经过研究断定,Fraunhofer线就是太阳外围的钠原子对太阳光谱的钠幅射吸收的结果。


不过这一方法一直被应用于天文观测上。直到1953年,A.Walsh博士试图将其应用到元素分析中。他发明了原子吸收光谱法可以使用的空心阴极灯,并与次年完成了世界上第一台原子吸收光谱仪的设计。1955年A.walsh博士发表了“原子吸收光谱在化学中的应用”一文,由此原子吸收光谱法开始普及,50年代末期商品仪器问世。


往往有人看到光谱二字,便将其与谱图联想到一起。其实不然,原子吸收光谱法不如叫作原子吸收光度法来的贴切。因为我们看到的并不是原子的吸收谱图,而是原子吸收光辐射的程度。定义说:原子吸收光谱法是一种测量气态原子对光辐射的吸收的方法。因此,各位看客不如将其于分光光度法联系在一起。我们先莫讲应用,从结构看起。


正如分光光度计一样,原子吸收光谱仪也需要有光源、吸收池、单色器、检测器。在721里,吸收池就是比色皿;而在原子吸收光谱仪中,我们称之为原子化器——因为是测量原子吸收光辐射的程度。有过实验经验的同事们能轻易的把它们和仪器联想起来。光源就是空心阴极灯;原子化器不过就是燃烧头或者石墨炉;在单色器和检测器配合下,我们就能在电脑上看到读数了。


三、原子吸收光谱仪对光源有何要求?

按照CIE的推荐定义,传统的光指的是400-750nm的电磁波谱。在仪器应用中,我们常见的光源就是空心阴极灯。他是一个内部填充惰性气体的玻璃圆筒,灯里面的金属空心圆筒是阴极。如果是金灯,那阴极就是用金制作的;如果是铜,那这个圆筒就是铜。边上还有一个细的圆柱,通常用钨或者镍制成。当我们在这两个电极上加几百伏的电压时,阴极和阳极之间就会产生辉光放电现象。此时,灯就会发射出该种元素的特征光,供原子化器中的基态原子吸收。


还有一些常见的灯例如蒸汽放电灯,它们都是用在汞、碱金属等易蒸发金属测定的。但是这种灯存在由于自吸现象所带来的光谱干扰,因此现在一般都是用无机放电灯来代替。这里我们就不过多描述了。


现今的仪器,大部分使用空心阴极灯作为光源。每种元素灯都能给出谱线宽度很窄的相应元素发射光谱线。这个技术已经很老了,早在1916年,Paschen就已经介绍了空心阴极灯的工艺,A.Walsh博士和他的同事将其引入了原子吸收法,并对其进行了改进和简化。而在我国是1965年由吴延照和他的同事们成功研制了封闭式空心阴极灯。


1、空心阴极灯

空心阴极灯是依靠空心阴极的放电来激发的一种特殊的低压辉光放电灯。在灯的两极施加电压时,它们之间会形成电场。惰性气体中的少数正离子和自由电子在电场作用下,分别向阳极和阴极加速运动。运动中相互碰撞,导致气体原子电离,继续放出电子。随着电子、正离子数量的增加,从而出现稳定的放电现象。质量较大且高速运动的正离子撞击阴极内表面时,会溅射出阴极材料的原子。同时,阴极因受到撞击而受热,使其原子蒸发。当被溅射和被蒸发的原子进入空心阴极灯内时,便遇上了正在高速运动的正离子、电子、气体原子。它们相互碰撞后,阴极原子获得能量被激发至高能态。当激发态的原子返回基态时,就会以辐射的方式释放能量。也就是光辐射,锐线光源。

以下是这个过程的图示:

图片3


正如我之前所述,空心阴极灯的阴极是一个空心圆筒,用待测元素的金属制作。阳极是一根钨或镍导线。之所以将阴极做成空心圆筒,是因为在这种情况下辉光放电现象是在阴极之间完成的。当发生放电现象时,两极之间产生的载气正离子流轰击阴极表面。由于碰撞而溅射出阴极材料的原子。当这些原子通过强放电区时,在那里原子与稠密的气体离子流和受激惰性气体原子相遇,然后原子被激发,而辐射出其光谱线。因为这个过程主要是在阴极内部发生,因而光束相对较集中,非常适合原子吸收光谱法使用。


一般灯内填充的是氖气或氩气。填充压力为2—10mmHg。以铁为例。铁的离子线Fe(II)和中性原子线Fe(I)的强度随氖气压力的降低而增加。但是离子线强度曲线的峰值位于气压较高处。我们可以由实验数据作出相应的曲线。由于原子吸收分析需要的是中性原子线,故选择填充压力为3mmHg。选择的填充气的光谱和元素的光谱之间必须没有干扰。每种灯的填充压力都是在实验的基础上进行选择的。


为了降低谱线干扰,一般主分析线的出射窗是由石英制成,也有玻璃制的。外壳都由玻璃制成。


灯电流的选择,也需要根据元素的不同和灯工艺的不同来决定。如果灯电流增加,两极之间的溅射和热蒸发肯定会加强。这会导致未被激发的基态原子吸收光辐射,造成自吸、自蚀现象。但是过低的灯电流会使特征辐射强度低、光能量不足。


一般灯点亮以后,灯的辐射强度会随着时间呈现逐渐上升的趋势。依据不同的元素及灯结构,大约在5-20分钟灯的辐射强度会趋于稳定。如果使用不稳定的灯进行测量工作,会出现工作曲线漂移的现象,严重干扰分析工作。对于低熔点的元素灯更容易出现漂移现象,周围环境温度变化的影响均会影响到其稳定性。一般的,小于0.1%漂移的状态我们认为是稳定状态。


随着灯阴极金属的不断消耗以及灯内惰性气体的不断消耗。空心阴极灯最终会失效。当发现灯不能放电,在阴极外部放电,放电不规则,特征辐射漂移大等情况就需要更换了。


空心阴极灯在工作中的自然“腐蚀”过程左边是阴极原来的形状;中间是工作100小时后的形状,阴极自圆筒底部开始“腐蚀”,并逐渐在圆筒开口处堆积起来;右边是经过500小时“腐蚀”后的形状说了这么多,我们来看一下在实际工作中,空心阴极灯的一些容易忽略的注意事项:

(1)制造商已规定了最大电流,不能超过,否则可发生永久性损坏。例如:阴极材料大量溅射;寿命缩短,热蒸发或阴极熔化。

(2)有些元素采用较高电流操作时,其标准线可出现严重弯曲, 并由于自吸收效应而降低灵敏度。空心阴极灯制造厂规定了最佳工作电流和最大电流。使用时不得超过最大电流,而工作电流对大多数分析项目只是一个参考依据。用不同灯电流对一种溶液进行分析(保持火焰条件:燃烧器位置和吸液速度恒定)来确定最佳灯电流。灯电流越大吸收值越小。要确定吸收值大而吸收信号又稳定的灯电流值。在阴极原子雾团中的基态原子吸收发射出的辐射,即发生自吸收过程(这是在火焰中发生的过程)。该现象随灯电流增加而增长。


当然对于不能直接触摸发射窗口等普通问题我就不做过多赘述了。

 

2、高强度空心阴极灯、超灯

此外,目前还能见到高强度空心阴极灯、超灯等。这些都是在空心阴极灯的基础上加以改进而得到的。主要是在消除自吸和提高辐射强度上进行研究。一般只用于特征谱线位于远自外区的元素,例如砷、硒等。这种灯需要利用辅助装置进行热,强化阴极电流,使尽可能多的阴极材料原子化。普通空心阴极灯出现自吸现象的原子云也会被辅助电极的放电所激发。从而得到了更高的辐射强度,且没有了自吸、自蚀现象。他的共振线半宽和轮廓也没有改变。尽管这些信息是振奋人心的,但是高强度灯、超灯的缺点也不容忽视。例如存在辅助放电的第二个电源;为了发射稳定而需要更长时间的预热;阴极材料溅射量较大,灯的寿命也会相应缩短;由于结构复杂,价格也比较高等等缺点。因此它的运营成本也相应的提高了。所以现在这种灯一般用于一些研究项目上,或者应用于原子荧光光谱法。

 

3、无极放电灯

蒸汽放电灯并不适用于原子吸收光谱法,因此我们就不对其进行讨论了。无极放电灯也是原子吸收中一种不错的光源。它主要由射频线圈与石英管组成,由高频电场的能量使石英管内填充的惰性气体产生放电现象,并将封闭在管内的惰性气体原子激发。随着放电的进行,石英管温度升高,管内的金属卤化物蒸发并离解。元素原子与被激发的气体原子发生碰撞从而发射出辐射光谱。这种灯操作简单,预热时间短,并且有很好的稳定性。而且灯的辐射强度也很高。因此无极放电灯是理想的原子吸收光谱法的光源。但是难挥发的金属不便于制造无极放电灯,能与石英管反应的碱金属也不适于无极放电灯。只有元素本身或者其化合物具有较高蒸汽压的元素,才能很好的应用于无极放电灯。有趣的是,这些易挥发的元素常常不适用于空心阴极灯。因此无机放电灯成为了空心阴极灯的很好补充。

 

4、连续光源

目前市面上已经出现了应用连续光谱光源的仪器了。例如氢灯、氘灯、高压氙灯等都可用于连续光源。它们具有很好的稳定性,可作多元素分析,且成本低廉。但因为其超过共振线平均半宽0.002nm的谱线宽度下,光强度小,且当时没有高分辨率的单色仪,因此一直都未被应用。现今,随着科学技术的发展。人们不断的提高单色仪的质量,连续光源已经逐渐走下神坛,相信不久越来越多的人就会接触到这种设备。


四、总结

综上对原子吸收光谱仪对光源有何要求的解答,总结如下:

原子吸收光谱法中应选用空心阴极放电灯作为光源。原因是:光源的功能是发射被测元素的特征共振辐射。


对光源的基本要求是:

1.发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度;

2.辐射强度大、背景低,低于特征共振辐射强度的1%;

3.稳定性好,30分钟之内漂移不超过1%;

4.噪声小于0.1%;使用寿命长于5安培小时。


空心阴极放电灯是能满足上述各项要求的理想的锐线光源,应用最广。


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