項(xiàng)目八 原子吸收分光光度法

項(xiàng)目八原子吸收分光光度法332任務(wù)一

火焰原子化法測(cè)定地下水中鋅的含量任務(wù)二

石墨爐原子吸收法測(cè)定地表水中鉛的含量項(xiàng)目八原子吸收分光光度法333該項(xiàng)目有2個(gè)代表性工作任務(wù)。對(duì)地表水源和地下水水源層樣品中Hg、As、Pb、Zn等微量元素含量進(jìn)行測(cè)定，出具檢測(cè)報(bào)告，判斷水源水質(zhì)情況。任務(wù)引入334地下水質(zhì)分析方法依據(jù)《地下水質(zhì)分析方法第21部分：銅、鉛、鋅、鎘、鎳、鉻、鉬和銀量的測(cè)定無火焰原子吸收分光光度法》(DZ/T0064.21—2021)，地下水、地面水和廢水中的銅、鋅、鉛、鎘檢測(cè)依據(jù)《水質(zhì)銅、鋅、鉛、鎘的測(cè)原子吸收分光光度法》(GB7475—1987)。分析方法335原子吸收光譜分析法以其靈敏度高、準(zhǔn)確度高、選擇性好、方法簡(jiǎn)便、分析速度快等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于科研和教學(xué)中。原子吸收光譜分析法可以進(jìn)行70多種金屬、兩性元素和非金屬元素的分析?；ぎa(chǎn)品、環(huán)境水質(zhì)樣品和食品中的微量金屬，農(nóng)藥中殘留的重金屬含量測(cè)定，首選原子光譜分析法。原子吸收光譜分析是基于待測(cè)元素構(gòu)成的光源如空心陰極燈在300~500V的電壓作用下，發(fā)射出待測(cè)元素的特征譜線，特征譜線通過樣品的原子蒸氣時(shí)將被蒸氣中的待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，特征譜線將減弱。根據(jù)特征譜線減弱程度，便可測(cè)出被測(cè)金屬元素的含量。336【知識(shí)、技能與素養(yǎng)】任務(wù)目標(biāo)337任務(wù)一火焰原子化法測(cè)定地下水中鋅的含量338原子吸收分光光度計(jì)及工作站、鋅空心陰極燈、乙炔高壓氣瓶、空壓機(jī)、實(shí)驗(yàn)室常用分析玻璃儀器?；顒?dòng)一儀器與試劑的準(zhǔn)備339準(zhǔn)備儀器340準(zhǔn)備試劑1.硝酸(HNO3)：ρ=1.42g/mL，優(yōu)級(jí)純。2.硝酸(HNO3)：ρ=1.42g/mL，分析純。3.高氯酸(HClO4)：ρ=1.67g/mL，優(yōu)級(jí)純。4.1∶1硝酸溶液。5.1∶499硝酸溶液。6.乙炔：由氣瓶或由乙炔發(fā)生器供給，純度不低于99.6%。341準(zhǔn)備試劑7.空氣：由空氣壓縮機(jī)供給。8.鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：準(zhǔn)確稱取光譜純金屬鋅0.5000g，用50.00mL1∶1硝酸加熱溶解，冷卻、轉(zhuǎn)移至500.0mL容量瓶，洗滌、加水定容、搖勻。此溶液每mL含1.0000mg金屬鋅。9.鋅標(biāo)準(zhǔn)使用溶液：準(zhǔn)確量取鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液0.50mL，用1∶499硝酸溶液定容至100.0mL，此鋅標(biāo)準(zhǔn)使用液濃度為5mg/L。一、原子吸收分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)單光束火焰原子吸收光度計(jì)主要由光源、原子化器、單色器和檢測(cè)放大系統(tǒng)四部分組成。主要部件如圖所示。342必備知識(shí)原子吸收分光光度計(jì)基本構(gòu)造示意圖1—光源2—讀數(shù)3—光電倍增管4—單色器5—原子化器6—溶液二、光源光源的作用是發(fā)射待測(cè)元素的特征光譜(共振線)，供測(cè)量用。光源須滿足如下要求：1.光源能發(fā)射待測(cè)元素的共振線，而且強(qiáng)度要足夠大。2.光源發(fā)射的譜線是銳線光。3.輻射光的強(qiáng)度要穩(wěn)定，而且背景發(fā)射要小。在原子吸收分析中，空心陰極燈被廣泛使用。343344空心陰極燈的實(shí)物和結(jié)構(gòu)原理圖345燈與燈的電源插座連接示意圖三、原子化器原子化器是將試樣中的待測(cè)元素由化合物狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)原子蒸氣。空氣—乙炔火焰燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖及燃燒器如圖所示。346空氣—乙炔燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖及火焰原子化裝置1—原子化火焰2—壓縮空氣3—毛細(xì)軟管4—試樣5—燃料氣C2H26—廢液火焰原子化裝置一般由霧化器、預(yù)混合室和燃燒器3部分組成。霧化器的作用是將試液霧化。預(yù)混合室的作用是進(jìn)一步細(xì)化霧滴，并使之與燃料氣均勻混合后進(jìn)入火焰。為了提高霧化效率，在噴嘴前裝一撞擊球，或用燃料氣與霧化器噴嘴對(duì)噴的方法，使霧滴進(jìn)一步細(xì)化。預(yù)混合室的廢液排出管，要用導(dǎo)管通入廢液收集瓶中并加水封，以保證火焰的穩(wěn)定性，也避免燃料氣逸出造成火災(zāi)。燃燒器多由不銹鋼制成，有孔型和長(zhǎng)狹縫型。為了提高測(cè)定的靈敏度，一般采用長(zhǎng)狹縫型燃燒器，一種為100mm×0.5mm，另一種為50mm×0.4mm。前者適用于空氣—乙炔火焰，后者適用于氧化亞氮—乙炔火焰。347火焰原子化裝置常用火焰及溫度見表。348火焰原子化裝置常用火焰的溫度四、單色器空心陰極燈發(fā)出的譜線除原子蒸氣吸收的共振線外，還有其他的譜線，這些譜線干擾原子蒸氣對(duì)共振線的吸收，因此必須分離。單色器的作用就是將共振線與其他譜線分開。單色器主要元件是棱鏡或光柵，現(xiàn)在一般由精密電器控制棱鏡或光柵位置取出所需波長(zhǎng)的光。光學(xué)系統(tǒng)全部集成封裝，不許私下拆封。349五、檢測(cè)放大系統(tǒng)測(cè)放大系統(tǒng)由光電倍增管、放大器和讀數(shù)儀表組成。光電倍增管是利用光電效應(yīng)使光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏鞯囊环N裝置，其結(jié)構(gòu)及工作原理圖如圖所示。350光電倍增管工作原理一、水樣制備樣品采集后，加入硝酸(1L水樣中加濃硝酸10mL)保存，復(fù)雜樣品使用前將樣品用高氯酸消解，去除干擾，再過濾至50mL容量瓶中，定容。同時(shí)作平行樣使用。活動(dòng)二測(cè)定鋅的含量351二、配制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線系列溶液參照表，在100mL容量瓶中，用1∶499硝酸溶液稀釋容量瓶的標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，配制工作曲線系列溶液。352標(biāo)準(zhǔn)工作系列溶液配制參考方案三、設(shè)置儀器條件1.熟悉儀器設(shè)備認(rèn)真閱讀原子分光光度儀及配套工作站的使用說明書和用戶操作守則，梳理儀器操作流程和設(shè)置儀器工作參數(shù)，在老師的幫助下，用工作站的向?qū)Ы⒎治龇椒ê蛿?shù)據(jù)處理方法，完成分析檢查任務(wù)。2.設(shè)置儀器分析參數(shù)以某原子吸收分光光度儀為例，分析線213.9nm、譜帶寬0.4nm、空心陰極燈電流3mA、乙炔流量1500mL/min(鋼瓶減壓輸出0.2~0.25MPa)、燃燒器高度6mm。353四、進(jìn)入樣品設(shè)置向?qū)б訟AWin2.0工作站為例，簡(jiǎn)要說明分析方法。1.在校正方法中選擇

“標(biāo)準(zhǔn)曲線法”。2.曲線方程中選擇“一次方程”。3.濃度單位可選擇“ng/mL”“μg/mL”“ppb”“ppm”等，也可以手動(dòng)輸入。3544.輸入標(biāo)準(zhǔn)樣品名稱，本實(shí)驗(yàn)為“鋅標(biāo)樣”。5.起始編號(hào)為“1”。6.單擊“下一步”設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣品的個(gè)數(shù)、輸入相應(yīng)濃度，可點(diǎn)擊增加或減少，設(shè)置樣品個(gè)數(shù)。7.單擊“下一步”，再單擊“下一步”設(shè)置未知樣品名稱(本實(shí)驗(yàn)為“水試樣”)、數(shù)量、編號(hào)等信息。8.單擊“完成”結(jié)束樣品設(shè)置向?qū)?，返回測(cè)量界面。355五、進(jìn)樣分析單擊“點(diǎn)火”，火焰點(diǎn)燃，待燃燒穩(wěn)定后吸入蒸餾水“校零”，吸入標(biāo)準(zhǔn)系列溶液(濃度由小到大)，點(diǎn)擊“測(cè)量”，待吸光度穩(wěn)定后點(diǎn)擊“開始”采樣讀取吸光度，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線溶液進(jìn)樣完成后，儀器會(huì)自動(dòng)根據(jù)濃度與吸光度值繪制工作曲線，再進(jìn)樣品溶液，儀器自動(dòng)計(jì)算樣品濃度。通過工作站，可以查看工作曲線相關(guān)信息，如線性方程、相關(guān)系數(shù)等參數(shù)，點(diǎn)擊“視圖”“校準(zhǔn)曲線”顯示方程的斜率、截距、相關(guān)系數(shù)。356六、結(jié)束實(shí)驗(yàn)1.保存數(shù)據(jù)，填寫儀器使用記錄。2.最后一組學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，按照“先關(guān)燃?xì)夂箨P(guān)電”的關(guān)機(jī)順序關(guān)閉儀器設(shè)備。3.按6S管理要求整理整頓工作臺(tái)面和實(shí)驗(yàn)室。357一、原子光譜分析樣品采集采樣應(yīng)注意以下問題，分析溶解的金屬時(shí)，樣品采集后立即通過0.45μm濾膜過濾，并酸化。1.取樣要有代表性，即從整體中取出的少量樣品能夠反映被測(cè)對(duì)象的總體狀況。358知識(shí)拓展2.取樣量大小要適當(dāng)，取決于樣品中被測(cè)元素的含量、分析方法和所要求的精度。3.樣品在采樣、包裝、運(yùn)輸、碎樣、保存等過程中要防止污染，建議用聚乙烯塑料容器，不用玻璃瓶，并維持必要的酸度，存放于清潔、低溫、陰暗處。359二、原子光譜分析樣品消解1.樣品溶解對(duì)無機(jī)樣品，首先考慮能否溶解于水，若能溶解于水，應(yīng)首選去離子水為溶劑來溶解樣品，并配制成合適的濃度范圍。若樣品不能溶于水，則考慮用稀酸、濃酸或混合酸處理后配制成合適濃度的溶液。用酸不能溶解或溶解不完全的樣品則采用熔融法。熔劑的選擇原則是酸性樣品用堿性熔劑，堿性樣品用酸性熔劑。3602.樣品灰化樣品灰化是利用高溫除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，剩余的灰分用酸溶解，作為樣品待測(cè)溶液。該法主要優(yōu)點(diǎn)是能處理較大樣品量、操作簡(jiǎn)單、安全。灰化分為干法灰化和濕法灰化。3.微波消解法微波消解是目前流行的樣品處理方法。即將樣品放在聚四氟乙烯悶罐中，于專用微波爐中加熱使樣品消解，這種方法樣品消解快、分解完全、損失少，適合大批量樣品的處理，對(duì)微量、痕量元素的測(cè)定結(jié)果好。361三、原子光譜分析試驗(yàn)方法驗(yàn)證通過實(shí)驗(yàn)建立起來的分析方法是否能夠滿足測(cè)試要求，需要進(jìn)行方法的驗(yàn)證。驗(yàn)證的內(nèi)容主要有靈敏度、檢出限、精密度和回收率。1.靈敏度靈敏度是指A-c工作曲線的斜率，用S表示，即當(dāng)待測(cè)元素的濃度或質(zhì)量改變一個(gè)單位時(shí)吸光度的變化量。2.檢出限檢出限指能給出3倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差的吸光度所對(duì)應(yīng)的待測(cè)元素濃度。3623.回收率回收率用于評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確度和可靠性，常用計(jì)算方法為：顯然，回收率越接近1，方法越準(zhǔn)確。方法驗(yàn)證通常由高級(jí)工或儀器保養(yǎng)維護(hù)工程師來做。363任務(wù)二石墨爐原子吸收法測(cè)定地表水中鉛的含量364原子吸收分光光度計(jì)及工作站、鉛空心陰極燈、石墨爐、氬氣鋼瓶氣(純度不低于99.99%)、水冷卻器、自動(dòng)進(jìn)樣器、實(shí)驗(yàn)室常用分析玻璃儀器。活動(dòng)一儀器與試劑的準(zhǔn)備365準(zhǔn)備儀器366準(zhǔn)備試劑1.硝酸(HNO3)。ρ=1.42g/mL，優(yōu)級(jí)純。2.1∶1硝酸溶液。3.1∶99硝酸溶液。4.1.000μg/mL鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(建議購(gòu)買有國(guó)家資質(zhì)證書的標(biāo)準(zhǔn)品)。5.1.00μg/mL鉛標(biāo)準(zhǔn)使用液。6.磷酸二氫銨溶液(120g/L)。石墨爐式原子吸收光譜法(GFAA)非火焰原子化法中，常用的是電加熱管式石墨爐原子化器。管式石墨爐原子化器由加熱電源、氬氣保護(hù)系統(tǒng)、石墨管冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。電流通過石墨管產(chǎn)生高熱高溫，最高溫度可達(dá)3000℃。保護(hù)氣Ar保護(hù)石墨管不被燒蝕，有效除去干燥的基體蒸氣，同時(shí)保護(hù)已原子化了的原子不再被氧化。367必備知識(shí)368石墨爐原子化器石墨爐原子化器的工作分為干燥、灰化、原子化和清潔4步，如圖所示。369石墨爐原子化器的工作過程石墨爐原子化法的優(yōu)點(diǎn)是用樣量小，樣品利用率高，原子在吸收區(qū)平均停留時(shí)間較長(zhǎng)，絕對(duì)靈敏度高。液體和固體均可直接進(jìn)樣。缺點(diǎn)是試樣組成不均勻性影響較大，有較強(qiáng)的背景吸收，測(cè)定精密度不如火焰原子化法。370一、水樣制備樣品采集后，加入硝酸(1L水樣中加濃硝酸10mL)保存，復(fù)雜樣品使用前選擇合適的方法在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行消解，消除干擾，再過濾至50mL容量瓶中，定容，同時(shí)做平行樣待用。如果只測(cè)可溶鉛，可不消解。活動(dòng)二測(cè)定水樣中鉛的含量371二、配制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線系列溶液參照表，在100mL容量瓶中，依次加入鉛標(biāo)準(zhǔn)使用溶液和10mL磷酸二氫銨溶液，用1∶99硝酸溶液稀釋容量瓶的標(biāo)準(zhǔn)使用溶液配制工作曲線溶液，定容、搖勻。372標(biāo)準(zhǔn)工作曲線系列溶液配制參考方案三、開機(jī)測(cè)量方法：設(shè)置選“石墨爐”，儀器參數(shù)以及儀器工作條件見表。373標(biāo)準(zhǔn)工作曲線系列溶液配制參考方案四、分析方法設(shè)置某原子吸收分光光度儀，尋峰完成后進(jìn)入樣品測(cè)量界面，在測(cè)量界面點(diǎn)擊“樣品”進(jìn)入樣品設(shè)置向?qū)А?.在校正方法中選擇“標(biāo)準(zhǔn)曲線”。2.曲線方程中選擇“一次方程”。3.濃度單位“μg/L”。3744.輸入標(biāo)準(zhǔn)樣品名稱，本實(shí)驗(yàn)為“鉛標(biāo)樣”。5.起始編號(hào)為“1”。6.單擊“下一步”，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度及個(gè)數(shù)。7.設(shè)置完成后，單擊“下一步”兩次，設(shè)置未知樣品名稱、數(shù)量、編號(hào)等信息。8.單擊“完成”，結(jié)束樣品設(shè)置向?qū)?，返回測(cè)量界面。375五、進(jìn)樣分析進(jìn)入測(cè)量之前，打開冷卻水，調(diào)節(jié)氬氣鋼瓶出口壓力為0.5MPa，認(rèn)真檢查氣路與水路，以免出現(xiàn)泄漏。注意調(diào)整原子化器的位置，利用主菜單“儀器”→“原子化器位置”調(diào)節(jié)原子化器的位置，讓光源的光線穿過原子化器中心。選擇主菜單“設(shè)置”→“石墨爐加熱程序”，觀察檢測(cè)元素的熱程序設(shè)置，通常使用默認(rèn)值，單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將把設(shè)置發(fā)送給儀器。當(dāng)一切設(shè)置就緒時(shí)，首先選擇工具欄的“空燒”按鈕對(duì)石墨爐進(jìn)行不少于2次的空燒。然后依次選擇主菜單“測(cè)量”→“開始”，轉(zhuǎn)入測(cè)量畫面。376如果手動(dòng)用微量進(jìn)樣，試樣加入石墨管后，單擊“開始”按鈕，系統(tǒng)將開始對(duì)石墨爐進(jìn)行加熱。此時(shí)，測(cè)量曲線將出現(xiàn)在譜圖中，并在測(cè)量窗口中顯示當(dāng)時(shí)的石墨管加熱溫度以及對(duì)每個(gè)加熱步驟的倒計(jì)時(shí)。一次測(cè)量結(jié)束后畫面將彈出顯示冷卻倒計(jì)時(shí)窗口，顯示石墨爐冷卻時(shí)間。此時(shí)，無法對(duì)工作站進(jìn)行其他操作，必須在計(jì)時(shí)結(jié)束后才可繼續(xù)測(cè)量。測(cè)量時(shí)，先將空白、標(biāo)準(zhǔn)鉛溶液(濃度從小到大)、樣品依次放入自動(dòng)進(jìn)樣器，設(shè)置好進(jìn)樣程序。點(diǎn)擊“測(cè)量”進(jìn)行檢測(cè)。377六、數(shù)據(jù)保存全部數(shù)據(jù)測(cè)量完成后選擇主菜單中“文件”的“保存”，輸入文件名、選擇路徑保存。七、關(guān)機(jī)按照正常關(guān)機(jī)順序關(guān)閉儀器、鋼瓶和冷卻水，填寫儀器使用記錄，整理現(xiàn)場(chǎng)。378一、標(biāo)準(zhǔn)加入法標(biāo)準(zhǔn)加入法是原子吸收光譜分析中常用的一種定量方法，當(dāng)試樣待測(cè)組分含量很低時(shí)，取試液4份以上，第一份不加待測(cè)元素，從第二份開始，依次按比例加入不同量待測(cè)組分標(biāo)準(zhǔn)溶液，用溶劑稀釋至同一體積，以空白為參比，在相同測(cè)量條件下，分別測(cè)量各組分試液的吸光度，繪制出工作曲線，所繪制的直線延長(zhǎng)，延長(zhǎng)線在橫軸上的截距表示的濃度即為待測(cè)試樣的濃度，如圖所示。379知識(shí)拓展380標(biāo)準(zhǔn)加入法定量原理示意圖標(biāo)準(zhǔn)加入法將樣品與標(biāo)準(zhǔn)溶液混合后測(cè)得吸光度，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)與樣品基體的相似，從而消除了基體干擾。但是它無法消除背景干擾，消除背景干擾需要采樣背景校正技術(shù)。因此，標(biāo)準(zhǔn)加入法適合干擾不易消除、分析樣品數(shù)量較少、試樣中共存物不明或基體復(fù)雜的試樣分析。二、基態(tài)原子的產(chǎn)生原子吸收光譜分析方法，是建立在研究基態(tài)原子蒸氣對(duì)光吸收的性質(zhì)和規(guī)律上的分析方法。待測(cè)元素在試樣中都是以化合物的狀態(tài)存在，因此在進(jìn)行原子吸收分析時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)使待測(cè)元素由化合物狀態(tài)變成基態(tài)原子。使試樣原子化的方法很多，其中火焰原子化方法是以火焰為熱源，使試樣中待測(cè)元素的化合物解離，變成基態(tài)原子。石墨原子化是讓大電流通過石墨爐產(chǎn)生高溫作為熱源使待測(cè)元素的化合物解離，變成基態(tài)原子。381金屬鹽(以MX表示)的水溶液，經(jīng)過霧化成為微小的霧粒噴入火焰中，大體可分為蒸發(fā)、解離、激發(fā)、電離、化合等過程。金屬鹽的氣態(tài)分子，在高溫下吸收熱能，可被分解(熱解離)成基態(tài)原子(包括氣態(tài)金屬原子和氣態(tài)非金屬原子)。一部分基態(tài)原子由于熱能和碰撞的作用被激發(fā)成為激發(fā)態(tài)原子，或被電離成為離子。由于火焰中還有其他物質(zhì)(如氧)，它們?cè)诨鹧娴淖饔孟?，還可能與基態(tài)金屬原子進(jìn)行化合反應(yīng)，生成某些化合物。在原子吸收分析中，應(yīng)當(dāng)使試樣在火焰中更多地生成基態(tài)原子，而盡可能不使基態(tài)原子被激發(fā)，電離或生成化合物。382三、共振線與吸收線任何元素的原子都由原子核和核外的電子組成，核外電子是分層排布的，每層都具有確定的能量，稱為原子能級(jí)。所有電子都按一定的規(guī)律排布在各個(gè)能級(jí)上，每個(gè)電子的能量由它所處的能級(jí)決定。核外電子排布處于最低能級(jí)時(shí)，原子的能量最低、最穩(wěn)定，原子處于基態(tài)，稱為基態(tài)原子。當(dāng)原子受到外界能量(如熱能、電能、光能等)激發(fā)時(shí)，最外層電子吸收一定的能量而躍遷到較高的能級(jí)上，原子處于激發(fā)態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)原子。激發(fā)態(tài)原子能量較高，很不穩(wěn)定，在短時(shí)間內(nèi)，躍遷到較高能級(jí)的電子又躍遷回原能級(jí)，同時(shí)輻射出其吸收的能量(以某一波長(zhǎng)的光發(fā)射出來)，如圖所示。383384原子能量的吸收與發(fā)射電子由基態(tài)能級(jí)E0躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)時(shí)E1，要從外界吸收一定的能量;由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)，要輻射出相等的能量。吸收和輻射的能量等于兩個(gè)能級(jí)的能量差ΔE。相應(yīng)的光譜波長(zhǎng)為：原子受外界能量的激發(fā)，其最外層電子可能