仪器工作条件的选择

第七节　仪器工作条件的选择

一、分析线

原子吸收强度直接正比于谱线振子强度和处于基态的原子数。从灵敏度的观点出发，通常选择由基态向第一激发态跃迁的共振吸收线做分析线，这是因为由基态向第一激发态跃迁的共振线具有最大的振子强度，而且，在3000℃以下，处于基态的原子数近似地等于总原子数，这也就是说，由基态向第一激发态跃迁的共振线一般说来也就是最灵敏的吸收线。

在选择分析线时，还要考虑其他谱线的干扰，在分析线附近不得有其他非吸收线存在。例如镍共振线Ni 232nm附近有几条非吸收或吸收很差的原子线Ni 231．98nm和Ni 232．14nm及离子线Ni 231．6nm，使用很窄的光谱通带也难于将它们完全分辨开，因此，人们宁愿选用吸收系数稍低的Ni 341．48nm做分析线。

分析线的选择还受到背景吸收的限制。在200nm以下，大气、火焰气和光学元件相当明显地吸收来自光源的共振辐射，对于As、Se、Hg等，其共振吸收线位于远紫外区，背景吸收强烈，这时就不宜选择这些元素的共振线做分析线，可以考虑选择波长较长的次灵敏线。

即使灵敏线不受干扰，在实际工作中，也未必都要选用灵敏线，灵敏线往往用于测定痕量元素，在分析高浓度试样时，有时选取灵敏度较低的次灵敏线，以便得到适度的吸光度值，改善校正曲线的线性范围，减少不必要的稀释操作。最适宜的分析线，应视具体情况由实验来决定。实验的方法是：首先扫描空心阴极灯光源的发射光谱，了解有哪几条可供选用的谱线，然后喷入适当浓度的分析元素标准溶液，查看这些谱线的吸收情况，应当选用不受干扰而且吸光度值适当的谱线为分析线。最强的吸收线是最适宜于测定痕量元素的。

一个元素若有多条分析线，通常采用灵敏线，但也要根据样品中被测元素的含量来选择。例如测定钴时，为了得到最高灵敏度，应使用240．7nm谱线，但要得到较高精度，而且钴的含量较高时，最好使用352．7nm谱线。有时还要考虑干扰问题，如测定铷时，为了消除钾、钠的电离干扰，可用798．4nm代替780．0nm。测定铅时，为了克服短波区域的背景吸收和噪声，不使用217．0nm灵敏线而用283．3nm次灵敏线。

二、光谱通带

它是指单色器出口狭缝包含波长的范围。光谱通带的宽度直接影响测定的灵敏度和标准曲线的线性范围，作为一般原则来讲，应该这样来决定狭缝的宽度，即在不减小吸光度值的条件下，在能将邻近分析线的其他谱线分开的情况下，尽可能使用较宽的狭缝。这样可以增加光强，使用小的增益以降低检测器的噪声，从而提高信噪比与改善检出限，对测定有利。对于有复杂谱线的元素如铁、钴、镍等来说，要求选择较窄的通带，否则会带来光谱干扰，使分析灵敏度下降和工作曲线弯曲。因为吸收线的数目比发射线的数目少得多，所以谱线重叠的几率也会少得多，因此在原子吸收光谱分析时，允许使用较宽的狭缝。

合适的狭缝宽度可用实验方法确定，其方法为将分析元素的标准溶液喷入火焰中，调节狭缝宽度，测定不同狭缝宽度时的吸光度。当狭缝增宽到一定程度，其他谱线或非吸收谱线出现在光谱通带内，吸收度值就立即开始减小。不引起吸收值减小的最大狭缝宽度，就是应当选用的最合适的狭缝宽度。

三、灯电流

在保证稳定放电和合适的光强输出的前提条件下，尽可能选用较低的工作电流。灯电流过高，可导致热变宽和压力变宽，并增加自吸收，反而使辐射的光强度降低，结果是灵敏度下降，校正曲线下弯（弯向浓度轴），灯寿命缩短。寻找最佳工作电流的方法是固定其他测量条件，吸喷某一固定浓度的溶液，改变灯电流和负高压数值，测量吸光度值，然后绘制吸光度—灯电流关系曲线，从中选择灵敏度高，负高压在300～800V之间的灯电流值为工作电流。为了使空心阴极灯发射强度稳定，一般需预热10～30min，对大多数元素而言，应采用额定电流的40%～60%。较小的灯电流可提高测定灵敏度和延长灯的使用寿命。

四、对光

在调节燃烧头时，使其缝口正好在光束的中央，升高或降低燃烧器，使光束正好在缝口上方。点燃火焰，吸入一个标准溶液，对燃烧器再进行调节，直到获得最大吸光度值。

五、火焰的选择

不同的元素可选择不同种类的火焰，原则是使待测元素获得最大原子化效率。易原子化的元素用低温火焰，反之就需要高温火焰。当火焰选定后，要选择合适的燃助比，对于难原子化的元素，易选用富燃火焰，易原子化的元素选用贫燃火焰或化学计量焰，调节时，吸入一个标准溶液，固定助燃气的流量，逐步改变燃气的流量，得到最大的吸光度值和稳定的火焰。

六、燃烧器的高度和角度

调节火焰燃烧器高度的目的，是使来自空心阴极灯的辐射从自由原子浓度最大的火焰区域通过，以获得最大灵敏度。首先从灵敏度和稳定性来考虑，选择适宜的高度；遇到干扰时，再改变其高度以设法避免干扰。若干扰仍然存在，应考虑采用其他消除干扰的方法。其调节方法是在其他测试条件不变的情况下，吸喷待测元素的标准溶液，改变燃烧器高度，测定其吸光度值，绘制吸光度对燃烧器高度的关系曲线，找出最佳燃烧器高度。

通常情况下，燃烧器的角度为0°，即燃烧器缝口与光轴方向一致。在测定高浓度样品时，可选择一定的角度，当角度为90°时，灵敏度仅为0°的1／20。

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一、朗伯—比尔定律

1852年，比尔（Beer A）对朗伯（Lambert）定律作了详细的验证，二者结合起来称为朗伯—比尔定律，也称为光的吸收定律。

式中，A为吸光度，K为比例常数。

上式是朗伯—比尔定律的数学表达式。它表明：当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度A与吸光物质的浓度C及吸收层厚度成正比。因此可以方便地用标准系列做出工作曲线后，从待测物的吸光度大小，求得其含量。这是进行定量分析的理论基础。式中比例常数K与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。

实践证明，溶液对光的吸收程度，与溶液浓度、液层厚度及入射光波长等因素有关。如果保持入射光波长不变，则溶液对光的吸收程度只与溶液浓度和液层厚度有关。

对固定频率的光，原子蒸气对它的吸收是与单位体积中原子的浓度成正比并符合朗伯—比尔定律。在原子吸收光谱法中，原子池中激发态的原子和离子数很少，因此蒸气中的基态原子数目实际上接近于被测元素总的原子数目，与试样中被测元素的浓度c成正比。因此吸光度A与试样中被测元素浓度c的关系如下：

式中，K为吸收系数。

二、灵敏度、检出限、精密度、准确度

在所有光谱化学分析中，都涉及被测元素浓度c和测量值A。所谓“分析函数”（Ana－lytical function），就是表征测量值A与元素浓度c之间的函数关系，即

采用坐标轴绘制分析函数的图形曲线，称作分析曲线（Analytical curve）。对火焰原子化方式而言，通常宜配制8份吸光度在0．05～1．0范围内的标准溶液来绘制标准曲线。当然，对具有干扰效应的系统，元素i的测定值Ai，不仅取决于元素i的浓度c_i，也取决于其他共存元素的浓度。因此分析曲线可表示为，

评定一个分析方法，可以用其灵敏度、检出限、精密度和准确度来衡量。

1．灵敏度

在光谱化学分析中，灵敏度S被定义为：

可见，灵敏度S的物理意义是浓度c的变化（dc），引起测量值x的改变程度（dx）。显然，灵敏度S就是分析工作曲线的斜率，斜率大，则灵敏度高。即元素浓度c的微小变化（dc），将引起测量值较大的改变（dx）。

在原子吸收光谱分析中，常采用“特征浓度”（Characteristic　concentration），来表示灵敏度。

特征浓度就是能产生1%吸收（即吸光度为0．0044A）信号时所对应的待测元素浓度。假定C是待测溶液浓度，A是待测溶液的吸光度，那么：C∶A＝S＊∶0．0044。从而得到1%吸收灵敏度（特征浓度）的计算公式：

显然，S＊（特征浓度）越小，S就越大，则分析灵敏度越高。

对于石墨炉原子吸收光谱分析法，往往采用绝对灵敏度的概念。绝对灵敏度就是能产生1%吸收（0．0044A）信号时所对应的待测元素量，用pg／0．0044A或g／0．0044A表示，计算公式为：

式中，C是待测溶液浓度，单位为微克／毫升；

l是待测溶液体积，单位用微升；

A是待测溶液的吸光度。

计算时要注意单位换算，用pg／0．0044A或g／0．0044A表示。由此可见，所谓灵敏度高，表示S的数值大，分析工作曲线斜率也大，而相应的“特征浓度”S＊的数值则是小的。

2．检出限C_L

检出限通常用C_L表示。其含义是指在给定的分析条件下，能被合理检测出的最小测定值XL，表示为：

式中，x_b1是空白溶液测定的平均值（吸光度值）；S_b1是空白溶液吸光度值测定的标准偏差。空白溶液是指组成与样品相同的不含被测元素的溶液；K是置信因子。

显然，x_L是一个被检测到的确定值（信号），其大小取决于空白测定值的大小及其重现性。检出限浓度C_L则可由此最小值xL导出。这里差值x_L－x_b1＝KS_b1表示被合理检测出的“净测量值”。显然，它对应的浓度值即为C_L。我们假定一个浓度为c的试验溶液的吸光度为A。那么，与“净测量值”KS_b1相比较则得：

所以，检出限为

式中，A是试验溶液（浓度为C）多次测定的平均吸光度。规定C的浓度要很小，一般为C_L的2至5倍，对有限次（通常是10次或20次）测定而言，空白溶液吸光度测定值的标准偏差S_b1，可用σ代替。

早期，在原子吸收光谱测定法中，人们选择K＝2。但是对极低浓度测量而言，误差分布曲线可能是非高斯型的。另一方面，空白标准偏差实际是通过有限次数测量来计算的。因此，就实际意义而言，K＝3相应的实际置信水平只有90%，K＝2就更小了。因此，1975年，国际纯化学和应用化学联盟（IUPAC）通过规定，强调并建议置信因子取K＝3。那么，检测限浓度计算公式为：

单位用μg／mL表示。由此可见，检出限浓度C_L可定义为3倍噪声电平所对应的元素浓度。噪声电平由空白溶液吸光度值的标准偏差求出。

3．精密度

精密度（亦称再现性），它反映的是一组测量结果的波动性，即同一试样多次测定结果的再现性。精密度高也就是再现性好。在分析化学中，有时还使用重复性（Repeatabili－ty）和再现性（Reproducibility）来表征精密度。重复性系指在同一条件下同一操作者多次测定结果数值的接近程度。而再现性则指不同实验室，不同操作者各自独立测定结果数值的接近程度。标准偏差能较好地反映测量过程的精密度。因此，在原子吸收光谱测定法中，精密度习惯用相对标准偏差来表示。

显然，精密度取决于偶然误差的大小。表示精密度应指明测定次数和相应的含量范围。最好是列出各次测定的数值。

4．准确度

“准确度”意味着测定结果与“真值”之间的符合程度。它取决于偶然误差和系统误差。准确度用绝对误差或相对误差表示。

式中，x是测量值，μ是“真值”。我们知道，“真值”是不可知的。但可以在没有系统误差时，通过多次测定的算术平均值T来接近“真值”μ，即：

在实际分析中，人们往往取国家标准样品或“管理样”作“真值”来考察所制定方法的准确度。

5．准确度和精密度的关系

我们以A、B、C三人分别“射箭”的结果来说明。如图6－4所示。

图6－4　准确度和精密度的关系

A表明“精密度”和“准确度”都差；B表明“精密度”高，但“准确度”差；C表明“精密度”和“准确度”都好。

6．试样的污染及预防措施

原子吸收分光光度分析通常用来测定微量元素，同其他微量分析一样，要严防污染。一般认为周围的气氛、容器、水、试剂等都是影响测定结果的主要因素。

（1）气氛污染。实验室空气中的有害气体、气溶胶、尘埃等，均能造成污染。这种污染很难校正，应尽量设法予以避免。

（2）容器污染。容器污染相当严重。容器的材质不同，污染程度也不相同，因此要特别注意容器的选择、清洗及贮藏，以减少污染。同时还必须注意容器表面吸附所造成的损失。

容器必须洗净，用铬酸清洗不好。通常可根据待测元素的种类、容器的使用经历等情况选择适宜的清洗方法，这一点是很重要的。原子吸收光谱分析，常使用20%硝酸浸泡实验器皿24h，然后用去离子水冲洗干净。

（3）试剂污染。分解试样或酸化溶液用的酸类也能造成污染。硝酸中杂质较多，陈旧试剂更为严重。通常可用蒸馏共沸混合物的方法予以精制。精制时要使用石英冷凝器，不然残存杂质较多。盐酸中金属杂质也不少，往往含铅较多，可用二次蒸馏的方法予以精制。必要时可用溶剂萃取法精制所用的盐类。将8－羟基喹啉的氯仿溶液与盐类的中性溶液充分混合，即可萃取除去其中的杂质。

试剂在贮存过程中有污染的可能。试剂溶液即使贮存在耐腐蚀容器中，其浓度也往往会发生变化，所以不应使用长期搁置的试剂。试剂应贮存在清洁、低温和阴暗的地方。

有机试剂有时也含有金属杂质，因此必须蒸馏精制。水必须是高纯的（一般使用实验室二级用水）。