原子吸收光谱中的背景吸收及仪器校正技术的发展
摘 要 介绍了火焰原子吸收光谱(FAAS)和石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)背景吸收干扰的特点,讨论了氘灯连续光源背景校正、塞曼效应背景校正、自吸收效应背景校正的原理和优缺点,对现代原子吸收分光光度计中各种背景校正方式的发展进行了综述。
干扰少,灵敏度高,选择性好是原子吸收光谱(AAS)分析的显著优点,但在实际分析过程中,由于试样中存在与分析元素伴生的其它组分,元素与化合物在高温下的复杂行为以及试验条件的改变使干扰仍不可避免。特别是背景吸收的存在,对仪器的设计和使用提出了更高的要求。现代原子吸收分光光度计的发展,一个很重要的方面就是针对背景吸收而进行的。目前,在商品仪器中已有氘灯连续光源背景校正、塞曼效应背景校正和空心阴极灯强脉冲自吸背景校正等方法,其中塞曼效应校正背景还衍生出几种不同的磁场调制与排列方式。本文讨论了火焰原子吸收光谱(FAAS)和石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)背景吸收干扰的特点,并概述和评价了现代原子吸收分光光度计的各种背景校正方式。
1 原子吸收中背景吸收干扰的特点[1~3]
在AAS中,伴生物分子谱带重叠而引起的吸收与不挥发颗粒对辐射光的散射,实际上难以区分,并且采用同样的方法加以消除。通常将其并称为非特征衰减、非特征辐射损失或背景衰减,甚至叫做背景吸收(虽然散射不属于吸收现象)[1]。从背景吸收的光谱特性来看,有两种表现形式:一种是连续背景,包括宽带分子吸收和光散射,虽有吸收峰,但在所采用的光谱通带范围内吸收值变化不大,它在AAS中更为常见;另一种是背景吸收系数随波长而明显变化的结构背景。这主要是由分子内部电子跃迁所产生的。另外,AAS中还存在着共存元素与分析元素谱线的重叠,以及基体对单色器通带内非待测元素特征辐射的吸收。由于这类光谱干扰通常叠加在背景吸收信号之上使表观吸光度增加,故有人在概念的实际使用时,将其也视为背景吸收,这在一定程度上引起了混淆。
FAAS中的分子吸收取决于该分子是否在火焰中解离及其解离度,如在较低温火焰中测定容易原子化的元素时,伴生物可能与火焰气体生成难分解的氧化物、氢氧化物或氰化物等。因此使用较高温度和还原性强的火焰,分子数目就会急剧下降。FAAS的背景吸收主要是气体分子颗粒散射所引起的,光散射服从瑞利(Rayleigh)散射定律,散射光的强度与单位体积内散射颗粒的数目和颗粒体积的平方成正比,与波长的4次方成反比。光散射在设计良好的预混合式燃烧器火焰中很少发生[1]。因此总的说来,FAAS中背景吸收干扰较少,而且主要是连续背景,所以除个别公司个别型号(如日立Z5000)以外,绝大多数仪器都采用氘灯连续光源校正FAAS背景,还有的采用了氘灯和自吸收法联合校正背景(如岛津AA6800)。
对GFAAS来说,形成分子吸收的条件是伴生物分子具有一定的解离能(3·5~6·0eV),其沸点在原子化阶段的温度区间内,且灰化时不至于完全蒸发,其中较常见的是碱金属和碱土金属卤化物。另外还有伴生物与原子化器材料(如石墨中的碳)的反应生成物,如在氮气存在下生成的单氰化物[1,2]。GFAAS中的光散射通常要比分子吸收小的多[2],当有机物在惰性气体中热分解,或者当挥发性共存组分通过温度较低的区域时凝聚常常会有辐射光的散射[1]。GFAAS中背景吸收的大小,很大程度上取决于石墨炉的设计、温度程序、气流和其它操作参数。原子化器的温度特性和结构对背景吸收有显著影响,稳定和均匀的石墨炉温度能减小背景吸收[2]。如Analytic Jena公司的AAS 6Vario和Zeenit 60,Aurora公司的AI1000,Perkin-Elmer公司的AA600/800均采用横向加热石墨炉,使分析中的背景吸收大大减小。通过选择适当的升温程序和原子化温度一般可以使分子吸收降低,如果待测元素和基体挥发性质非常相似,加入基体改进剂使分析元素变得较为稳定或是使伴生物变得较易挥发仍是减小背景吸收的一种有效手段。在GFAAS中,氘灯法仍是使用最多的仪器背景校正方式,其次是交流塞曼效应校正法,另外还有恒磁塞曼校正法、氘灯与自吸收联合校正法、氘灯与交流塞曼联合校正法等。
2 连续光源背景校正[1~6]
连续光源背景校正首先由Koirtyohann于1965年提出。在现代原子吸收分光光度计中,氘灯校正法是应用最广泛的仪器校正方法,尤其是在FAAS中占绝对优势。代表产品有Analytic Jena公司的AAS 6Vario, GBC公司的932/933 plus/Avanta, Perkin-Elmer公司的AA300/700及AA800火焰,Unicom公司的Solaar 969/M5及M6火焰, Varian公司的
Speetr 110/220/220FS/880等。其原理为:用待测元素空心阴极灯的辐射作为样品光束,测量总的吸收信号;用连续光源(一般是氘灯)的辐射作为参比光束,在同一波长下测量吸收值。对于连续背景,它对空心阴极灯和连续光源的辐射有相同的吸收。待测原子对连续光源也有吸收,但由于元素分析线很窄,不到通带宽度的1%,故可以忽略,连续光源所测值可视为纯背景吸收。光辐射交替通过原子化器,两次所测吸光值相减使背景得到校正。
这种方法是在分析线相同波长位置扣除背景,可避免两次测量和光源不稳的误差[3];对连续背景校正效果好;在所有仪器背景校正方法中灵敏度最佳;工作曲线线性范围好;对原子化器无任何限制,在目前看来是校正FAAS背景最宜用的方法。
一般认为对于结构背景,由于连续光源所测吸收值为通带宽度内的平均背景,采用氘灯法会产生校正过度或校正不足。如果共存物的原子对通过单色器的连续辐射产生吸收,也会出现补偿过度现象。文献[2]总结了在GFAAS中使用连续光源背景校正的校正过度实例,其中大部分是由于高浓度共存元素原子所引起的,少部分是结构背景所致。由于氘灯在长波范围内能量较低,因此此法应用波段有限制[3],但可见光区的元素基本上不需要在石墨炉上进行检测。另外,如果采用单光束会使基线漂移增加,双光束方式则不存在这个问题[2]。在实际使用时,应精心调配使氘灯连续光源和空心阴极灯锐线光源强度匹配,并尽可能使光斑重合一致[3]。如Analytic Jena公司的AAS 6 Vario通过设计空心阴极灯的几何形状和成像光学部件,使两种辐射光束穿过完全相同的吸收体积,有效地避免了双灯源的采用而带来的光学平衡问题。使用第二种辐射源以及信号处理方式的改变使噪声增加,很强的背景吸收会导致噪声进一步增加,一般不能校正高背景吸收[1]。针对这个缺点可采用高强度光源及高频调制电源,提高数据采集速度也可加以改善[5]。提高调谐频率(传统仪器的调谐频率为50/60Hz)可以避免交替测量时间差所带来的校正误差,目前这一技术已有Analytic Jena公司的AAS 6 Vario,Uni-com公司的Solaar 969/M5及M6火焰等采用。
3 塞曼效应背景校正[1~8]
塞曼效应是指在强磁场作用下,原子发射线或吸收线发生分裂和偏振化,其实质是原子内部能级发生分裂。磁场垂直或平行于光束传播方向,分裂和偏振化的结果不同。塞曼效应应用于原子吸收光谱仪,磁场可以有不同的调制与排列方式。除了可以将磁场垂直(横向)或平行(纵向)于光束传播方向,还可以把磁场施加于辐射源(正向)或原子化器(反向),可以用恒定磁场或交变磁场。由此而组合的八种方式中,目前商品仪器已采用的有四种。
塞曼效应校正背景的基础是,有的偏振组分偏离中心波长,若频移足够大不为待测物所吸收,测量的只是背景吸收。波长位移与磁场强度有关。因此将磁场施加于光源、火焰原子化器以及纵向磁场施加于石墨管,都可能因磁场间距过大而使磁场强度不够和不均匀,造成谱线分裂不够理想,降低测量的准确性。塞曼AAS早期的应用均采用正向塞曼效应,即将磁场加在辐射源上的光源调制法。由于光源的尺寸需要较大磁铁来保证强磁场,更重要的是在强磁场中难以产生辉光放电及保持稳定的发射,不能应用普通的空心阴极灯,这些都使正向塞曼效应的应用受到极大限制[1]。目前除个别公司生产横向恒定磁场置于光源的商品仪器外,绝大多数产品都采用磁场置于原子化器的吸收线调制法(表1)。原子化器的尺寸问题同样困扰着FAAS塞曼效应和GFAAS纵向塞曼效应的应用。由于普通燃烧器的尺寸较大,而且火焰的辐射热一般需要将磁铁水冷,并在磁极和火焰间留有一定间隙,因此很难在FAAS中得到足以产生理想分裂所需的磁通量密度[1]。如采用恒磁磁场又会带来灵敏度和线性损失[1],长期使用磁铁退磁等问题;燃烧器尺寸较大其各部分的磁场强度不可能一致,也会导致校正误差。磁铁和燃烧头用水冷还会带来仪器使用和维修上的麻烦。事实上,火焰的背景吸收干扰通常较低,因此,没有必要在火焰技术中采用塞曼效应,这样做的弊大于利[1]。即使在砷和硒的远紫外波长处,也可用氘灯背景校正器来校正火焰对辐射的明显吸收,附带的还可以改善信噪比和检出限[1]。基于上述原因,目前除个别仪器外,在火焰部分都采用氘灯法校正背景。
在表1所列吸收线调制法仪器的三种磁场方式中,横向恒定磁场在技术上最为简单[1],因此仪器成本较低。恒定磁场可以是永久磁铁(以日立Z5000为代表)或直流电磁铁。由于不同元素的测定,取得最佳灵敏度所需要的磁场强度是不同的,对于采用永久磁铁或固定磁通量密度的电磁铁的系统来说,不能使磁场最优化,会造成塞曼效应谱线分裂不完整,而降低测量的准确性,同时仪器灵敏度往往低于正常AAS的一半[1,2]。另外,永久磁铁长期使用会退磁,而使实际磁场强度降低。如使用旋转偏振器,还会因其质量较大而出现某种程度的不平衡[1],不均匀的透射性产生不均匀的光束,使背景校正能力恶化[6]。
意识到采用固定磁场所带来的种种缺陷,Perkin-Elmer公司推出了横向交变磁场吸收线调制法的原子吸收分光光度计(早期型号为塞曼/5000)[2]。其后,这种方式为许多公司所采用,如Analytic Jena公司的AAS Zeenit 60, Unicam公司的Solar 969Z/MQZ及M6石墨炉, Varian公司的Spectr A220Z/880Z等,Solar MQZ还引入了氘灯与交流塞曼联合校正法等。虽然纵向交变磁场很难达到所需要的磁场强度[2],在整个原子化区域磁场强度也很难均匀一致,但由于未采用偏振元件,因此从能量角度考虑较为优越[1]。现有Perkin-Elmer公司的AA600及AA800石墨炉和GBC公司的Avanta ultra Z采用了将纵向交变磁场置于石墨炉的方式。
塞曼效应的优点是可校正高背景吸收;可进行全波段校正;使用同一光源,不需调整光轴及光量;基线漂移小;能校正结构背景与某些原子谱线重叠干扰。许多文献认为塞曼AAS中没有光谱干扰,实践证明同样存在着由于光谱线重叠而引起的光谱干扰,有时甚至比氘灯法更明显[2]。与氘灯法系统本身不会引起背景变化不同,塞曼分裂会使结构背景或干扰元素线发生位移(即背景产生塞曼分裂),样品光束与参比光束检测到的背景有可能不同。
塞曼效应背景校正的灵敏度与所采用的磁场方式、磁场强度、塞曼分裂行为(正常或反常)和光源发射线的轮廓有关。文献[6]列出了40种元素分别采用永久磁铁、直流可变磁场和交变磁场塞曼效应仪器测定的相对灵敏度,发现24种元素的相对灵敏度相当(相对灵敏度之差不超过0·1),Ag,As,Cr,Fe,K,Na,Se等15种元素均以恒磁塞曼效应的相对灵敏度为最低,而交变磁场塞曼效应的相对灵敏度最佳,仅Be以前者稍佳。考虑到塞曼AAS的噪音水平类似于或略高于普通AAS,在灵敏度相同情况下,其检出限一般优于氘灯校正法。但使用恒定磁场,特别是磁场强度固定的永久磁铁,因其灵敏度较差,就不能发挥出这些优点[1]。塞曼效应的分析曲线线性问题也与上述或使用恒定磁场,工作曲线会出现反转[1]。有研究发现纵向交流塞曼方式使分析动态范围大大拓宽[7]。交变塞曼三磁场系统亦能使校正曲线延伸并校正杂散光的影响[2],采用这一技术的商品仪器有AnalyticJena公司的AAS Zeenit 60。另外,与一般交变塞曼AAS调谐频率受到限制[8]和磁场强度固定不同,这一仪器的磁场强度可以调整,最大磁场强度0·9特斯拉,调谐频率达到200Hz。
4 自吸效应背景校正[2,4,5]
自吸效应校正背景是由Smith和Hieftje于1982年提出,又称S-H法。其原理为:以低电流脉冲供电,空心阴极灯发射锐线光谱,测得原子吸收与背景吸收的总吸光度;以短时高电流脉冲供电,发射线产生自吸效应,辐射能量由于自吸变宽而集中于原波长的两侧,不为原子蒸气所吸收,所测为背景吸收值。将两值相减得到校正后的原子吸收值。
这种方法是最简单和成本最低的系统。能校正某些结构背景与原子谱线重叠干扰;无光能量损失;可进行全波长校正。但许多元素不能产生自吸;两种脉冲电流下的空心阴极灯谱线宽度有差别,校正不够精确;在有无自吸时空心阴极灯的发光部位不同而产生准光偏差[2];灵敏度受强脉冲条件下空心阴极灯自吸程度影响,除易自吸元素外均损失很大,如Al,Ba,Ca,Sr,V等的相对灵敏度只有0·3左右。还有的元素相对灵敏度只有0·05~0·1[2]。由于自吸效应和灯内温度有密切关系,虽采用高电流作为参比光束,但仍不能获得较长时间的基线稳定性效能和较低的基线噪声[2];Al,Ca,Si,Ti,W,V等元素检出限变差[2];强脉冲电流影响灯寿命。为了使谱线在自吸后能回到正常状态,调谐频率不能太高[2],仅适合于火焰法,用于石墨炉则较差[5]。单独采用这种方法的仪器很少,基本上是作为其他校正方法的补充[5],如岛津公司的AA6800等。
5 结束语
应该指出的是,原子吸收分光光度计是一个完整的整体,片面夸大和缩小背景吸收的影响以及过分强调某种仪器校正方式的能力都是不符合分析工作实际的。由上所述,在一个设计良好的火焰预混合燃烧器中,背景干扰比较少。在GFAAS中,横向加热方式可使分析中的背景吸收大大减小。要把背景吸收的问题降低到背景校正器能正常工作的范围,还需通过适当的温度程序和基体改进方法的运用,剩下的干扰才最后由仪器校正。不同火焰组分在190~230nm的分子吸收,石墨炉高温条件与环境气体作用产生的N2,CN,CO等分子带状吸收,不同的酸类分子(尤其是H3PO4,H2SO4)在300nm以下波段的分子吸收,现在仪器均可通过自动调零功能来解决,或由配制相似酸组成来扣除[3]。
对不同的背景校正方式,不同的研究者和厂家持有不同的看法。事实上,每种校正方式各有优缺点,至少到目前为止还没有哪种方式在校正所有背景的同时能保证分析的灵敏度、检出限和工作曲线范围不受影响,也不带来新的光谱干扰。氘灯连续光源背景校正是目前使用最为广泛的仪器,随着应用的普及,其不足之处也在不断改进。氘灯校正法最大的不足是对结构背景和光谱线重叠干扰产生校正过度,尤其以后者为主。但原子吸收中的光谱线重叠干扰,各种背景校正装置都不可能完全予以避免,也不可能简单的断言某种装置的抑制能力更好[2]。对于结构背景,即使塞曼效应也因为校正过程可能使背景发生变化而带来补偿过度[2]。
塞曼效应正如Welz所指出的那样,火焰技术中应用塞曼效应不太值得,也不应把塞曼效应看作是解决石墨炉AAS中的一切问题的灵丹妙药。所谓不必经过预处理的轻率评论,说明缺乏分析化学的基本知识[1]。目前有四种不同的塞曼效应仪器应用方式,各有优缺点。混淆四种校正方式,将塞曼效应作为整体与其它方法进行比较在文献上比较常见。事实上,尽管同为利用强磁场下谱线的分裂现象,但这些不同方法之间有很大的差别,有的甚至超过了塞曼效应与其它校正方式的不同。总的说来,采用将磁场加在原子化器的方法更为可取。恒定磁场一般较易产生,但因磁场条件不可优化使其无论是在灵敏度、检出限还是工作曲线线性上都存在缺陷。从仪器实用角度考虑,选择应用横向交流塞曼效应较好。这种系统具有最佳的双光束性能,背景校正高度准确,线性和灵敏度与普通AAS相类似,检出限比连续光源背景校正器更好,以及分析曲线反转的问题较少[1]等。此外纵向交变磁场无需偏振元件,在光能量方面存在优势。
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