PE800原子吸收光譜儀原理.doc

原子吸收光譜儀原理一、 背景現(xiàn)代科技包括自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科技、環(huán)境及工業(yè)技術(shù)等發(fā)展，對(duì)物質(zhì)成份分析的需求較之過(guò)去有明顯的改變。對(duì)於低濃度金屬的分析，除了所使用的分析儀器是否具有足夠的偵測(cè)靈敏度外，若無(wú)法有效的控制樣品基質(zhì)所產(chǎn)生的干擾效應(yīng)，將造成嚴(yán)重的分析誤差。本文將針對(duì)原子吸收光譜儀基本原理及PerkinElmer AAnalyst 800型單機(jī)多功能的設(shè)計(jì)(含火焰式及石墨爐式)，是具高精準(zhǔn)性及方便性的分析儀器。二、 原理MonochromatorDetectorReference BeamSample BeamHollowCathode LampBurnerRotatingChopper圖一 原子吸收光譜儀的基本構(gòu)造原子吸收的過(guò)程是當(dāng)基態(tài)原子吸收某些特定波長(zhǎng)的能量由基態(tài)到激發(fā)態(tài)。根據(jù)Beer定律，吸收值與濃度成正比關(guān)係，從標(biāo)準(zhǔn)溶液作出校正曲線後，再讀出未知溶液的濃度。而原子吸收光譜儀即是利用原子化器將樣品(A)原子化器後，吸收某一特定波長(zhǎng)光，此光來(lái)自(B)燈管，再經(jīng)過(guò)(C)光學(xué)系統(tǒng)分光經(jīng)由單光器過(guò)濾僅有要測(cè)的波長(zhǎng)光進(jìn)入(D)偵測(cè)器，原子收光譜儀的基本構(gòu)造如圖一所示。A. 原子化器:原子化器有三種設(shè)計(jì)，有火焰式、石墨爐式及汞蒸氣氫化裝置。(1) 火焰式燃燒系統(tǒng)之剖示圖，如圖二所示，在預(yù)混系統(tǒng)內(nèi)，樣品溶液被吸經(jīng)霧化器霧化成小水滴進(jìn)入混合腔與燃料及氧化用氣體混合後，帶入燃燒頭，而樣品原子化即產(chǎn)生。在燃燒系統(tǒng)內(nèi)有些重要因素須在霧化器部份考慮，為了提供最有效之霧化，以各種不同之樣品溶液，霧化器須為可調(diào)式的，而不鏽鋼為最常用的一種材質(zhì)，但其缺點(diǎn)是樣品若含有高濃度之酸或其它腐蝕性氣體則會(huì)被腐蝕，若須為抗腐蝕之材質(zhì)可用惰性塑料材質(zhì)或Pt/Ir之合金為宜。燃燒頭用鈦金屬組成可提供極高之熱阻抗及防腐蝕性。不之火焰或樣品條件須使用不同之燃燒頭，10公分長(zhǎng)是用來(lái)做空氣乙炔之燃燒，而5公分長(zhǎng)的用手作較高溫的笑氣乙炔燃燒。預(yù)混式混合腔霧化器燃燒頭Flow SpoilerImpack Bead圖二 火焰式燃燒系統(tǒng)(2) 石墨爐原子化器其基本構(gòu)造如圖三所示，基本構(gòu)造包含有金屬室、石墨爐及石墨管三部份。金屬室的功能在於提供高電流加熱裝置，石墨爐的功能為固定石墨管，而石墨管則為樣品的原子化裝置。石墨材質(zhì)具有高電阻的特性，當(dāng)瞬間通入大量電流時(shí)，藉由電熱的原理使得石墨管溫度迅速提昇，達(dá)到使樣品中待測(cè)元素原子化的高溫。為避免原子化器在加熱升溫的過(guò)程中，石墨材質(zhì)與空氣中氧氣起氧化作用，通常均在原子化器內(nèi)部通入氬氣以作為保護(hù)。在進(jìn)行樣品分析時(shí)，利用自動(dòng)注樣器將樣品溶液注入石墨管的平臺(tái)上，依石墨爐所設(shè)定之溫度程式加溫，樣品即可隨溫度變化依序進(jìn)行，乾燥、灰化、原子化及清除的反應(yīng)。圖三 石墨爐原子化器基本構(gòu)造(3) 汞蒸氣氫化原子化器，其基本構(gòu)造如圖四所示。可藉強(qiáng)還原劑(NaBH4 or Sncl2)在密閉系統(tǒng)中反應(yīng)還原或自由汞原子，汞原子即可藉由(氮?dú)饣驓鍤?帶至石英管吸收槽中，石英管須稍微加熱以防止冷凝。氫化物系統(tǒng)與汞蒸氣不同的是此產(chǎn)物並非自由原子，而是具揮發(fā)性的氫化物，所以必須加熱石英管吸收槽，使其分解為自由原子。控制閥圖四 汞蒸氣氫化原子化器基本構(gòu)造(4) 原子化器之適用性a. 火焰式原子化器是快速且精密的分析方法，大多數(shù)元素在濃度mg/L(ppm)範(fàn)圍下可以使用，是最常使用的一種儀器，它具有靈敏、操作簡(jiǎn)單、較不易受干擾及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。b. 石墨爐式原子化器，靈敏度很高，適合於極低濃度樣品的分析，僅須少量樣品體積(100mL)即可分析，且可藉由溫度程式的控制，避免干擾問(wèn)題。c. 汞蒸氣、氫化原子化器；仍是最具靈敏性及可信賴的分析技術(shù)。在室溫下，低溫汞蒸氣技術(shù)是最能形成揮發(fā)性的自由原子。氫化技術(shù)測(cè)量的元素(As、Bi、Sb、Se、Sn、Te)可以很容易測(cè)到mg/L以下的濃度。B. 光源(1) 中空極陰管，陰極是一個(gè)空?qǐng)A柱型之金屬，而陽(yáng)極與陰極被密封在一個(gè)玻璃做的圓柱體內(nèi)，充填氖或氬氣，而窗片則封填於圓柱體底，使輻射光穿透出去。(2) 無(wú)電極放電燈管之設(shè)計(jì)，是將少量要分析元素或這類元素之鹽類將它們密封在石英球泡內(nèi)，球泡放在一個(gè)陶瓷圓柱體內(nèi)，以無(wú)線電頻產(chǎn)生器之天線纏繞在外，當(dāng)足夠之能量提供給無(wú)線電產(chǎn)生器時(shí)，會(huì)有相同之能量揮發(fā)與激發(fā)球泡內(nèi)之元素而放射出特定光譜。C. 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)如圖五所示，雙光束儀器較穩(wěn)定，不需事先熱機(jī)，可省時(shí)間，對(duì)基線增加穩(wěn)定性。光學(xué)系統(tǒng)中單光器的設(shè)計(jì)，光來(lái)自燈源由入口狹縫進(jìn)入，由光柵分光作用，被分光後之波長(zhǎng)再由出狹縫出去，由光柵角度之調(diào)整可選擇燈源所放射之光，使其由出口狹縫到達(dá)偵測(cè)器，其它的光則被出口狹縫所阻擋，所以一般單光器的設(shè)計(jì)在光柵的設(shè)計(jì)，刻劃密度愈大解析度佳，光柵面積大，得到較強(qiáng)光能。圖五 AA800光學(xué)系統(tǒng)D. 偵測(cè)器固態(tài)半導(dǎo)體偵測(cè)器，其量子效率高與傳統(tǒng)PMT光電倍增管比較，如圖六所示。且壽命長(zhǎng)。Q:E (%)Wavelength (nm)圖六 固態(tài)半導(dǎo)體偵測(cè)器與傳統(tǒng)PMT管量子效率比較三、 PerkinElmer AAnalyst 800 設(shè)計(jì)AAnalyst 800型是一臺(tái)可全自動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)切換火焰式及石墨爐式的原子吸收光譜儀，全新的設(shè)計(jì)，是PerkinElmer為穩(wěn)合公元2000年而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全自動(dòng)化，新科技的精密儀器。A. 原子化器，包含火焰式及石墨爐式(1) 火焰式原子化器，其燃燒頭位置可經(jīng)由軟體控制調(diào)整至最佳化位置，可節(jié)省時(shí)間及有效去除干擾問(wèn)題，如圖七。圖七 經(jīng)由軟體控制調(diào)整燃燒頭至最佳化位置(2) 石墨爐式原子化器，採(cǎi)用側(cè)向加熱石墨管，溫度分佈均勻，避免記憶效應(yīng)，最佳化原子化溫度較傳統(tǒng)式石墨爐低，因此可延長(zhǎng)石墨管壽命，如圖八。且含有石墨爐專用的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)保持石墨爐信號(hào)的穩(wěn)定性，較傳統(tǒng)式自來(lái)水冷卻裝置節(jié)省水，並可裝置於無(wú)塵室中方便電子產(chǎn)業(yè)的需求。且石墨爐之背景較正系統(tǒng)採(cǎi)用Longitudinal AC Zeemen系統(tǒng)，不用加極化鏡可提高分析感度。圖八 側(cè)向加熱石墨管，溫度分佈均勻B. 燈源設(shè)計(jì)，如圖九?？煞虐酥艄軣糇?，內(nèi)含能量供給系統(tǒng)，除了中空陰極燈管亦可放置無(wú)電極放電燈管。圖九 燈源設(shè)計(jì)C. 光學(xué)系統(tǒng)，如圖十。圖五 AA800光學(xué)系統(tǒng)(1) 高效率雙光速光學(xué)設(shè)計(jì)，Littrow型單光器，體積小，光能效率高，為目前所有原子吸收光譜儀之最。(2) Real Time同時(shí)間測(cè)量樣品光束與參考光束，參考光束使用高效率光學(xué)纖維，不僅可避免基線偏移，亦可降低信號(hào)雜訊。D. 固態(tài)半導(dǎo)體偵測(cè)器，如圖十一。量子效率高，壽命長(zhǎng)且雜訊低等優(yōu)點(diǎn)。圖十一 固態(tài)半導(dǎo)體偵測(cè)器整