原子吸收光谱法,原理及应用

一个简短的历史的光

一个可以追溯到17^th世纪当艾萨克·牛顿爵士发现白光分解为它的组成通过玻璃棱镜光谱颜色当导演。¹从这个工作,他发展了光的微粒说(光由粒子)的事实,而不是只拥有一个波浪式的性质,这打开门发现几个近两个世纪以后。

英国化学家,渥拉斯顿 黑暗,是第一个观察线路被称为太阳光谱 夫琅和费谱线 。在1832年, 布儒斯特 得出结论:大气中的原子蒸气吸收来自太阳的辐射导致的这些线的检测。 本生和基尔霍夫 演示后不久,每个元素都有一个特征光谱颜色或当加热到白炽(例如,钠(Na)黄色;钾(K)紫色)。他们能够再现黑线太阳光谱中观察到在实验室里,从而使识别电晕吸收原子的发射光谱。

艾伦•沃尔什²Lancashire-born物理学家在他的花园里工作在周日早上在1950年代早期,当一个想法将解决一个巨大的分析化学难题出现在他的脑海中:如何精确测量小金属元素浓度的光谱。光谱学是蒸发一个元素的正常程序和测量发射光谱,但这技术是有缺陷和产生不准确的结果。沃尔什决定测量吸收,而不是排放。周一上午下午茶的时候,他表明,这是可以做到的。他花了数年时间说服制造商使用原子吸收光谱(AAS)检测的金属,但他最终成功了。今天,大多数分析实验室将拥有至少一个原子吸收分光光度计。

原子吸收光谱法是什么?

原子吸收光谱法是一个分析技术用于确定样品中金属原子/离子的浓度。金属占大约75%的地球化学元素。在某些情况下,金属材料中金属含量是可取的,但也可以污染物(毒药)。因此,测量金属含量是至关重要的在许多不同的应用程序中,我们将探索在本文的后面。足以说现在它发现质量控制的目的,毒理学和环境测试等等。

原子吸收光谱的原理是什么?

原子吸收光谱法的基本原理可以表示如下。首先,所有的原子或离子可以在特定的吸收光线,独特的波长。当一个示例包含铜(铜)和镍(镍),例如,暴露在铜的特征波长的光,然后只铜原子或离子会吸收光。在这个波长吸收的光量成正比的浓度吸收离子或原子。

原子内的电子在不同能级存在。当原子暴露在自己独特的波长,它可以吸收能量(光子)和电子从基态到激发态。电子吸收的辐射能直接相关的转变发生在这个过程。此外,由于是独一无二的,每一个元素的电子结构的辐射吸收代表一个独特的每个元素和属性可以测量。

原子吸收光谱仪使用这些基本原则和应用在实际的定量分析。一个典型的原子吸收光谱仪由四个主要部分:光源、原子化系统,单色仪和检测系统(图1)。

图1: 原理图的一个典型的原子吸收光谱仪。

在一个典型的实验中,样品,液体或固体,雾化在火焰和石墨炉。自由原子暴露于光线,通常由一个空心阴极灯,并接受电子电子从基态到激发态的转换。产生的光灯发出兴奋的原子相同的元素,因此,辐射能量直接对应波长吸收的雾化样品。一个单色仪样品与探测器之间减少背景干扰。从这里,探测器测量光束的强度并将其转换为吸收数据。

而固体样品可用于原子吸收光谱法分析通常是限制的更昂贵的石墨炉样品可以通过控制电加热加热而不是直接火焰。同时,原子吸收光谱法通常只用于分析金属原子。主要原因是金属窄,明亮和清晰的单一的发射和吸收线。

雾化技术-火焰原子吸收光谱法(FAAS)

法主要是用来确定金属的浓度在ppm解决方案(ppm)或十亿分之几含量范围。金属离子喷雾细喷雾到高温的火焰,他们减少到原子和随后吸收光线从一个特定于元素空心阴极灯。

图2: 法斯的雾化过程。

尽管这种方法已经被证明是一个健壮的技术常规金属决定,它也有缺点。首先,它限制了敏感的光谱噪声产生的火焰。然而,这方面得到改进的技术发展。主要缺点是一次一个只能测量一个金属为每个元素需要不同的灯,灯必须改变每次你想要分析的东西不同。此外,很大一部分样品丢失的火焰法(90%),进一步影响灵敏度。

雾化技术-石墨炉原子吸收光谱(石墨炉)

在石墨炉,一种电热雾化,样本是放置在一个中空的石墨管加热,直到样品完全蒸发。石墨炉比法斯敏感得多,可以检测到非常低浓度的金属(小于1磅)在较小的样本。使用电加热石墨管狭窄的确保所有的样品雾化几毫秒到秒。原子的吸收蒸汽然后测量在该地区立即在加热表面之上。自然,检测单位不必面对光谱噪声,从而提高灵敏度。

图3: 一个典型的石墨管原子化过程。来源:Mertmetin96,重新创建 Creative Commons Attribution-Share都4.0国际 许可证。

雾化技术,专业技术

在雾化仪系统,一个雾化蒸汽产生可被细胞吸收检测。细胞仪可以作为大多数法斯系统配件。介绍了固态样品到阴极高能氩离子(Ar)后,所产生的电流从阳极到阴极,用来轰炸和喷射原子辐射的道路。这个过程被称为溅射。

这种技术工作,样品必须电导体或必须混合导体,如细碎的石墨和铜。³检测比较范围百万之限制在较低的固体样品。

Hydride-generating气泡主要用于重金属的分析样本,甚至其他元素如砷(),锡(Sn)、硒(Se)和铋(Bi)。样品被稀释和酸化与硼氢化钠(NaBH混合₄)。氢化生成和转移到惰性气体雾化室的基于“增大化现实”技术。这里,示例介绍了火焰或炉生产自由金属原子,准备检测。

水银(汞)是唯一的金属不分裂在火焰或炉。分析Hg,一个特殊的技术,冷原子化是就业。Hg样品酸化,横扫之前减少了一种惰性气体。然后确定气体的吸收。

辐射源在AAS和信号检测

有两个主要来源的辐射可用于原子吸收光谱法,即线源(LS)和连续源(CS)。CS通常是由氘灯和发光广泛的波长,而LS,另一方面,发出不同波长的辐射,通常由一个空心阴极灯。

提高检测极限,单色仪用于选择相同波长的光被样品吸收和排除其他波长。这可以确保只有感兴趣的元素会被检测到。探测器将光信号转换成一个电信号与光强度成正比。旧设备使用光电倍增管检测的目的,但现在它们取代了电荷耦合器件(CCD)探测器。CCD阵列探测器的每像素分辨率大约1.5点,小到可以使用连续光。此外,如果一个CCD探测器使用200像素,例如,他们每个人都让自己的测量吸光度或集成的吸光度,这意味着设备有200个独立的探测器提供更好的信噪比。

直到1990年代末,LS光谱仪是唯一的设备用于原子吸收光谱法。沃尔什在1950年代已经意识到,原子吸收的主要困难是“吸收和浓度之间的关系取决于摄谱仪的分辨率,和是否一个措施吸收峰值或总吸收吸收/波长曲线下的面积”。⁴因此,他排除了使用连续光源(来源使用广泛的波长),因为这样做会需要一个分辨率约下午2点,当时无法获得的东西。

与此同时,许多研究人员看到了使用连续辐射源的潜在优势。这样的一个优势是,可以同时检测多个分析物。这导致了发展的各种各样的辐射源,单色和多色器,探测器CS AAS和评价原则。直到1996年,来自德国的一个研究小组提出了一个全新的光谱仪的概念。⁵他们使用了(Xe)短弧氙灯,高分辨率双单色仪和一个线性CCD阵列探测器。在2000年代早期第一high-resolution-CS AAS (HR-CS AAS)谱仪是由一家德国公司。

HR-CS石墨炉有一定的局限性,主要是因为每个元素需要不同雾化温度。在快速、连续测定使用HR-CS法斯然而,无限的分析物可同时(雾化),可以发现通过改变波长从一个分析物移动到下一个。设备也可以调整火焰组成、化学计量学和燃烧器高度大约一秒。以前,在LS AAS,这些调整了很长时间,尤其是当多个分析物测定一个接一个。

有几种方法可以在LS AAS做背景修正,其中大部分限制由于使用光电倍增管或固态探测器集成在光谱范围通过出口狭缝。相比之下,软件耦合到一个CCD探测器在HR-CS AAS自动修正两岸的分析线。任何辐射强度的变化自动校正基线,导致极低的噪音水平。⁶

解释一个原子吸收光谱测定输出

输出在原子吸收光谱法的解释非常简单,比尔定律,即吸光度和浓度成正比。这意味着,被分析物的浓度与电气输出从探测器接收。的一个方法来确定未知浓度的分析物是使用几个解决方案已知浓度的校准仪器。曲线显示辐射(吸光度)与浓度,一旦样品测量,浓度可以从校准曲线获得价值。

在铅的分析(Pb)例如,光为283.3 nm,对应于一个Pb的谱线,通过包含示例的火焰。梁包含283.3纳米的光。Pb原子吸收光,激发他们的电子发生。获得的吸收值和未知样品中铅的浓度可以从校准曲线读取。这些天来,所有的这些都是由电脑完成,但重要的是要理解一个校准曲线的原则。在图4中,有四个分析物的吸光度值与已知浓度的解决方案。测量样品的吸光度和浓度可以推导出的图。

图4 :一个典型的校准曲线。

在图5中,显示了典型的吸光度读数与波长从分析锡、镉(Cd)和铁(Fe)同时,例如从消化食物样本。这三个元素的谱线,由波长值,表示相互接近,允许同时检测。

图5 :的例子锡、铁和Cd在食品样品检测。

背景校正

获得吸收光谱时,探测器会接信号火焰中其他粒子,导致背景干扰。这并不意味着获得的光谱不代表样本,它只是导致光谱的细节,如峰值展宽和峰值的出现在样本不吸收的地方。适当的背景校正技术可以减少这些偏差,提高分析物的信号。

1)Koirtyohann和皮科特⁷开发了第一个自动背景技术使用CS的结合,如氘灯和空心阴极灯(LS)。辐射通过仪器之间的交替氘连续和分析物源,然后减去背景吸收的总吸收测量的空心阴极灯。这个方法有缺陷,主要是氘是一个紫外线源限制了可用波长范围分析。

2)史密斯和Hieftje⁸介绍了一个基于高背景校正方法和正常电流脉冲空心阴极灯。总吸光度,包括干扰,获得正常电流操作时,背景是获得大电流脉冲。这种技术只适用与挥发性元素。此外,它只能用于法斯和连续脉冲空心阴极灯的寿命降低。

3)塞曼效应背景校正方法,它使用一个交变磁场产生背景和样本数据,主要是用于LS石墨炉和大幅发展。^9,10然而,它确实有限制示例包含另一个金属时,不同分析物,与谱线波长接近分析物,例如镍和铁。

相比之下,4)在HR-CS AAS仪器的软件自动选择校正像素分析线的两边,不显示任何吸收线。任何增加或减少的辐射强度是相同的所有调整像素将被自动纠正的基线。这意味着信号输出已经纠正灯噪音和任何连续的背景。这也是与LS AAS,背景修正大大加剧基线噪音(至少两个或两个以上的一个因素增加噪音)。这反过来将影响精度,检测极限(LOD)和量化的极限(定量限)。感兴趣的读者直接Resano的评论文章¹¹等人以获取更多信息。

原子吸收光谱法的优点肯定大于限制如下表中列出。

表1:原子吸收光谱法的优点和局限性。

优势	限制
低成本分析	不能探测非金属
操作方便	新设备非常昂贵
十亿分之高灵敏度(检测)	更面向分析的液体
精度高	样品被摧毁
主要是不受inter-element干涉
在许多行业中广泛应用

原子吸收光谱的应用是什么?

AAS发现领域的广泛应用,改变从采矿业到医药、环境控制和农业。大多数重金属毒性,应该尽量避免。如果你必须使用抗生素,很可能质量控制流程,确保药物使用的钯和铂催化剂是免费让他们是由一个原子吸收光谱法。¹²同样,食物,大麻和健康补充行业利用原子吸收光谱法,以确保他们的产品安全为消费。^13,14,15在采矿,很多重点是黄金等贵金属的回收旧矿堆。用原子吸收光谱法的帮助下,可以量化的黄金数量来确定是否盈利的提取。¹⁶饮用水的分析可能是最重要的一个原子吸收光谱法的应用,特别是在地方环境不是妥善照顾。¹⁷

引用

1。球场HJI更,萨拉查射频卡普里米,否决权AC, de阿尔坎塔拉MAK Peixoto。先进的原子吸收光谱法的趋势。Intechopen。2011年出版。doi:10.5772/26076
2。Hannaford p·艾伦·沃尔什1916 - 1998。澳大利亚科学院。可以在:https://www.science.org.au/fellowship/fellows/biographical - memoirs/alan -沃尔什- 1916 - 1998。2000年出版。2021年11月5日通过。
3所示。温彻斯特先生,马库斯·k·辉光放电不导电粉末溅射原子吸收分析雾化。应用。规范。。1988年,42 (6):941 - 944。doi:10.1366 / 0003702884430335
4所示。沃尔什,a .原子吸收光谱——停滞或怀孕吗?肛交。化学。。1974;46 (8):698 - 708。doi:10.1021 / ac60344a720
5。Beker-Ross h;Florek,美国;发展美国;Weisse, r .光谱仪的光谱带宽对使用连续源原子吸收光谱法的灵敏度。费森尤斯公司的j .肛门。化学。1996年,355年,300年。doi:10.1007 / s0021663550300
6。Welz B,淡水河谷(Vale)下,佩雷拉,Castilho号,Dessuy MB。连续源吸收光谱法:过去、现在和未来——一个关键方面审查。j·布拉兹。化学。Soc。2014;25 (5):799 - 821。doi:10.5935 / 0103 - 5053.20140053
7所示。Koirtyohann SR,皮科特EE。原子吸收光谱法背景修正长路径。肛交。化学。37 1965;(4):601 - 603。doi:10.1021 / ac60223a048
8。史密斯某人,Hieftje g .原子吸收光谱法的新的背景校正方法。应用。规范。。1983年,37 (5):419 - 424。doi:10.1016 / j.jpba.2010.11.030
9。Gleisner H, Eichardt K, Welz b的性能优化分析与塞曼效应石墨炉原子吸收光谱仪使用可变磁场强度背景校正。规范。学报B部分:原子光谱学。2003;58 (9):1663 - 1667。doi:10.1016 / s0584 - 8547 (03) 00141 - 1

10。de Loos-Vollebregt矿渣MTC,德罗•l .塞曼原子吸收光谱法的理论。Spectrochimica学报B部分:原子规范。。1978;33 (8):495 - 511。doi:10.1016 / 0584 - 8547 (78)80058 - 5

11。Resano M, Aramendia M, Belarra马。高分辨率连续源grpahite炉原子吸收spectrometryfor silid样本的直接分析和复杂的材料:一个教程。j .肛门。在。范围。2014;29:2229 - 2250。doi:10.1039 / c4ja00176a

12。卢恩n原子光谱的使用在制药行业药品微量元素的检测。j .制药。生物医学。肛交。55 2011;(4):653 - 651。doi:10.3109 / 03639045.2010.509726

13。博尔赫斯AR, Bazanella DN,杜阿尔特。等。发展顺序的方法测定镉和铬来自同一样本整除的巴拉圭茶利用高分辨率连续源石墨炉原子吸收光谱测定方法。Microchem。J。2017;130:116 - 121。doi:10.1016 / j.microc.2016.08.010

14。崔,Yarlagadda P, Abdullah-Al-Wadud m序列测定蜂蜜的Cd和Pb imcomplete digestion-high分辨率连续源石墨炉原子吸收光谱测定方法。应用。机械。和马。。2014;511 - 512:22 27。doi:/www.scientific.net/amm.511 10.4028 - 512.22

15。m·杰哈卡胡奇宏在维生素和微量元素测定膳食补充剂由高分辨率连续源与泥浆取样石墨炉原子吸收光谱法。j .制药。生物医学。肛交。2014;88:377 - 384。doi:10.1016 / j.jpba.2013.09.016

16。Fouad港元,Elrakaiby RM Hashim。对黄金的火焰原子吸收光谱法测定的应用一些轴承的岩石。点。j .肛门。化学。2015;6 (5):411 - 421。doi:10.4236 / ajac.2015.65040

17所示。Behari JR,普拉卡什r测定总砷的含量在水中的原子吸收光谱(AAS)使用蒸汽生成装配(VGA)。光化层。2006;。17 - 21(1):63区间doi:10.1016 / j.chemosphere.2005.07.073