李昌厚教授:用好AAS的几个关键问题

2020年8月17日 10:55:37 来源: 分析测试百科
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  原子吸收分光光度计是分析化学领域中一种极其重要的光谱分析仪器,已广泛用于冶金工业、食品安全、环境监测等领域。原子光谱法具有检出限低,准确度高,选择性好,分析速度快,稳定性良好等优点。然而,要想使用好这一分析方法,需要较高的操作人员素质以及较为丰富的使用经验。若需获得理想的分析结果,则需要操作者选择适宜的阴极空心灯、灯电流、光谱带宽、灯温等。对于新手来说,这些问题常常成为“拦路虎”,阻拦着人们获得理想的检测结果。那么我们应该如解决这些困扰?就这些问题,中国科学院上海生物工程研究中心李昌厚教授带来了解答,期望为饱受其困扰的科技工作者们提供解决思路。

0. 前言

  原子吸收分光光度计是研究物质的原子对光吸收的仪器;紫外可见分光光度计是研究物质的分子对光吸收的仪器;因此,原子吸收分光光度计要将分子变成原子后才能进行原子吸收分析。这是原子吸收分光光度计与紫外分光光度计的根本不同点。

  因为要将分子变原子,所以从仪器结构上讲,就多了原子化器部分,因此,影响原子吸收分光光度计分析结果可靠性的因素就会增多。所以,

  用好原子吸收分光光度计的必须掌握的关键就比较多。本人的实践证和很多光谱仪器维修工作者的经验表明:AAS报修中75%以上不是仪器问题,而是使用问题。

  经常有使用者发现自己的原子吸收分光光度计仪器“有问题”,打电话找制造厂维修,制造厂的工程师到场检查仪器后,告知仪器没有问题,而使用者坚持有问题。吵了很久,最后发现仪器真的没有问题,而是样品处理或仪器条件的选择有问题。这样的事例很多。

  积作者多年使用、维修AAS的经验教训,认为要使用好原子吸收分光光度计,是一件非常复杂的事情。本文根据仪器学理论、作者的实践,总结了用好AAS的四个最关键的问题。可供有关科技工作者参考。

1. 空心阴极灯类型的选择:

  1.1 空心阴极灯选择的原则:谱线宽度要窄(发射的共振线半宽度要求明显小于吸收线半宽度),一般最窄的线光谱可达到0.005 nm;背景要小,次灵敏线要少;稳定性要好,如果采用直流电源,则一般要求SI达5×10-4、光强度要大;使用寿命要长。

  1.2 空心阴极灯的类型和特点

  ① 普通型:单元素灯被普遍采用,特点是共振线窄、强度大、作单元素灯的材料成本低、价格便宜。一般的常规分析可以选择普通型空心阴极灯。

  ② 高强度灯:比普通型的光强度大几十~几百倍;主要用于共振线在远紫外区的砷、硒等不灵敏元素的分析测试,还可用于稀土元素和有干扰的镍等的测试。但高强度灯的价格贵,一般很少使用。

  ③ 无极放电灯;比普通型灯的强度大2~3个数量级,但价格贵,用者甚寡。

  ④ 多元素灯;目前可同时分析2~7个元素的灯国外已有市售,国内已能生产2~5个元素的多元素灯。但多元素灯的发光强度低,各元素的发光强度不同,元素间的谱线相互有干扰。此类元素灯目前尚未普遍推广。只在某些专用原子吸收分光光度计上使用。如:北京普析通用的MB5(采用国产五元素灯)、MG2(采用国产两元素灯)、博晖等的医用原子吸收仪器都是如此。

2. 灯电流的选择:

  2.1 灯电流的选择的重要性原子吸收空心阴极灯的灯电流选择很重要,它直接决定光源的强度、直接影响仪器的信噪比(或灵敏度)。如果灯电流选择很小,会因为光强度小,而使仪器的信噪比会很小;有人认为灯电流小,噪声也小;其实不然,因为原子吸收分光光度计仪器的噪声包括电噪声和光噪声两部分;其中电噪声是整个仪器噪声的主要部分,光噪声一般都很小,如果采用脉冲电源,光噪声会更小(大多数原子吸收分光光度计采用脉冲电源)。所以,如果选择的灯电流很小,只能适当降低一些光噪声,但不能降低电噪声,不能真正改善仪器的信噪比。但是,灯电流小了以后,光信号将随之变小,使整机的信噪比变小。所以,过小的灯电流是不合适的。如果灯电流选择过大,虽说光信号增大了,但是相应的光噪声也增大了,还是不能提高仪器的信噪比。甚至会降低仪器的信噪比。因为灯电流大了以后,会使灯发热,造成漂移。因此,如何选择合适的灯电流,非常重要。

  2.2 灯电流选择要注意的几个问题

  ①灯电流不能太大也不能太小:在仪器噪声允许的前提下,较大的灯电流为好。但要与光电倍增管的负高压电源(-HV)和仪器整机的噪声综合考虑;

  目前国产的原子吸收分光光度计中,绝大多数都是采用的日本浜松公司生产的R-928光电倍增管,其暗电流在1000V额定负高压的条件下,为2~5×10-9A。根据作者实测,如果负高压在500V左右时,其暗电流大约是2×10-9A。一般原子吸收分光光度计的光电倍增管的负高压大多在250~600V之内。如果仪器的噪声已经很大,光电倍增管就应选择较低的高压。同时,灯电流也要选择得小一点为好。

  ②要注意防止多普勒增宽:当电流大到一定程度时,空心阴极灯的阴极溅射过程会使阴极周围的基态原子密度过大,这些基态原子吸收了激发态原子发射出来的能量,从而使发射能量下降,谱线增宽,这叫做多普勒增宽,反而使吸收峰变矮。因此,灯电流不能太大。

  ③ 要注意自吸现象的两重性:这种基态原子吸收激发态原子发射能量的现象叫做自吸现象,它对分析测试有害,但可用来扣背景。在常规的分析测试工作中要防止自吸现象的产生。

  ④ 灯电流选择一般着眼于五个基本点;电流调整率(Si)、漂移(SD)、纹波(SR)、、光谱带宽(SBW)、光电倍增管负高压(-HV)。

  一般情况下,如果采用直流供电,灯电流可以取半功率点。如:额定电流为10 mA,可以取5 mA左右。但是,很多科技工作者在实际工作中,选择的灯电流太小,有人选2 mA的灯电流,似乎太小。因为2 mA电流时,灯并未满足正常工作的条件。

3. 光谱带宽(SBW)的选择:

  光谱带宽(SBW)选择的重要性光谱带宽影响原子吸收分光光度计的分析测试结果的准确度。原子吸收使用的是线光源,其光谱带宽很窄,按理说,光谱带宽(SBW)并不重要。但是原子吸收仪器的光噪声很大(特别是火焰)。如果光谱带宽选择很小,可以减少进入主光路的杂散光。反之,会增大仪器杂散光的影响。因此,原子吸收分光光度计的使用者要重视对光谱带宽的选择。原子吸收分光光度计的光谱带宽一般为0.1、0.2、0.5、1.0 、2.0 nm等档次。根据作者长期使用各类光谱仪器、特别是使用原子吸收分光光度计的实践,提出了选择光谱带宽的八个原则:

  ①与灯电流的关系;灯电流大,光谱带宽可以小一点,反则反之;

  ②与元素灯的灵敏线和次灵敏线的间距关系;小者光谱带宽可以小一点,反则反之;

  ③与元素灯灵敏线的强度大小的关系;强度大,光谱带宽可以小一点,反则反之;

  ④与试样浓度的关系;浓度大,光谱带宽可以小一点可小,反则反之;,

  ⑤与光电倍增管高压的关系;高压高,光谱带宽可以小一点可小,反则反之;

  ⑥与原子化器的温度的关系;温度越高,光谱带宽可以小一点,反则反之;

  ⑦与原子化器的雾化效率的关系;雾化效率高,光谱带宽可以小一点,反则反之;

  ⑧与边缘能量的关系;边缘能量大,光谱带宽可以小一点,反则反之;

4. 四种温度的选择:

   干燥温度和灰化温度和原子化温度以及净化温度的选择是用好石墨炉原子吸收分光光度计最重要的问题,可以说它是石墨炉原子吸收分光光度计使用好坏的关键。它是所有原子吸收分光光度计使用者必须高度重视的问题。

  4.1 干燥温度

  什么叫干燥温度?应该选多少为宜?所谓干燥温度,就是指通过加温,使试样中的水份或溶剂蒸发掉的温度。一般干燥温度应选100左右℃。对于有机试样最高可选130℃。 但是,有些科技工作者选取的干燥温度为80℃,水份或有机溶剂不能蒸发,所以,分析测试结果很不理想。干燥时间应根据样品体积而定,作者的实践表明,干燥时间一般取样品的微升数1~2(秒)。但是,必须注意,干燥时间与石墨炉的结构、加热方式、升温模式等有关,不能千篇一律。干燥阶段的升温方式的选择也很关键。作者的实践证明:干燥阶段的升温方式,最好是通过实验来寻找;如果分析工作者已知样品的性质,可以将温度快速升到略低于沸点,然后再缓慢的把温度升到刚好高于沸点,并且保持12~18秒。但是,实际分析工作中,样品基本上是未知的。 因此,如何选择升温方式很重要。尤其是有些样品很复杂,属于复杂体系、多组分的样品,例如:中药类、食品类的样品就特别需要注意这个问题。还有对各类生物样品也需要重视;例如:各种胃液、血液等。

  干燥阶段还需要注意防止因为升温方式和升温速率的选择不恰当,而使样品发生飞溅现象,带来分析误差。这个问题许多科技工作者、特别是初学者不大注意,应该引起高度重视。

  4.2 灰化温度

  什么叫灰化温度? 应选多少为好?所谓灰化温度,就是通过加温,使试样中的基体灰化掉,只留下被测试样的温度。一般来讲,灰化温度的选择,要根据具体情况而定

  如:作Cd时,一般选择灰化温度在500℃以下( 如:300℃;但是与所加的基体改进剂有关);作铜时一般选择800~900℃;(如果加某些基体改进剂,最多可选1200℃);又如:作As时,可选择300℃(如加钯和硝酸镁改进剂,则最多可选1200℃)。

  灰化温度和升温方式的选择原则:根据作者的实践,灰化温度和升温方式灰化温度和升温方式的选择,一般是在不产生待测元素损失的原则下,尽量选用比较高的灰化温度,并采用阶梯升温方式。为了尽量多的排除共存物质,在升温时要注意设置一段保温时间(又叫保持时间);保温时间的长短,也是根据不同的加热方式和石墨炉的结构而定。

  对于生物样品、油料样品或非常复杂的样品,为了能除去盐类、油类、生物基体等,应选择斜坡升温方式,将温度从低到高,慢慢地升到沸点或分解点,再保温一段时间。有时为了能除去更多的共存组分,可以考虑设置多个灰化阶段。 但前提只有一个,这就是不把被测样品灰发掉。特别需要注意的是,使用者要善于根据不同的仪器、不同的条件(环境)、不同的石墨炉、不同的加热方式等,灵活机动区别对待。千万不要生搬硬套。

  4.3 原子化温度

  什么叫原子化温度?应选多少为好?所谓原子化温度,就是通过加温使试样由分子状态变成原子状态的温度。原子化温度是由元素及其化合物的性质所决定的。最佳原子化温度应选择在刚好出现最大吸光度时对应的温度。 原则上应选择较高的原子化温度或吸光度峰值处的原子化温度。石墨管原子化温度的高低,除与被分析元素的性质有关外,还与基体改进剂有关。因此,原子化温度的选择既重要,又很复杂,要根据不同的具体情况具体进行选择。

  最佳原子化温度和最佳原子化时间可以用实验来决定;主要是通过实验,找到原子吸收信号的真正峰值(即最佳原子化温度)。原子化时间选择的原则是:必须使吸收信号能在原子化阶段回到基线。从开始到回到基线的整个时间,就是最佳原子化时间。一般来讲,在保证样品完全原子化的前提下,原子化时间越短越好。

  4.4 净化温度

  什么叫净化温度?应选多少为好?所谓净化温度,就是用比原子化阶段稍高的温度加热空烧石墨管,以此除去石墨管内上一次测试时样品的残渣,这个温度就叫做净化温度。作者的实践证明,对纵向加热的原子吸收仪器,一般净化温度可取2600℃~3000℃;横向加热的仪器,一般净化温度可取2200℃~2600℃。同时,净化时间也应重视;对纵向加热的仪器,一般净化时间为3~5秒;横向加热的仪器,一般净化时间为2~3秒。

   要用好AAS学问很深、涉及的问题很多,作者认为本文中的四个问题,是直接影响分析检测数据可靠性的最关键的问题。如果读者想深入了解,请参考本文的参考文献。

  主要参考文献

  1、李昌厚著,原子吸收分光光度计及其应用,北京:科学出版社,2006

  2、李昌厚著,仪器学理论与实践,北京:科学出版社,2008

  作者简介

  李昌厚,男,中国科学院上海生物工程研究中心原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授,终身享受国务院政府特殊津贴。

  主要研究方向:分析仪器及其应用研究。长期从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等)、色谱仪器(液相色谱、气相色谱等)及其应用研究;特别对《仪器学理论》等有精深研究;以第一完成者身份,完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定,其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平,2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇,出版专著5本;现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》付主编;曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长;国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职务。

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