原子光谱法

时间:2020-06-22    作者:     501 次浏览

原子光谱法(atomic spectrum)为近代微量分析的一个重要方法,在生活上的应用则是一种对食品检验快速而有效的方法。

原子光谱法分为两种,一种是原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy, AAS),一种是原子放射光谱法(Atomic Emission Spectroscopy,AES),前者是计算待测物质吸收多少波长的光来提升到激发态,后者是用火焰、电弧、或电浆给予待测物质能量让其提升到激发态后,再测量其回到基态后所放出的特性辐射来定性,并利用比尔定律(Beer’s law)来定量,有些元素 AES 侦测极限较低、有些则是 AAS 较低,两种方法都十分常用。

原子光谱法

原子光谱法之所以如此热门,因为有高选择性、低的侦测极限(ppm~ppb)、分析速度快、可侦测多种原子(70种以上)等优点。其中高选择性与低侦测极限是因为原子能阶没有转动与震动能阶,只有单纯的电子能阶,使光谱谱线非常尖锐,对定性与定量的灵敏度大幅提升。

而分析速度快是因为原子不管是从基态跃迁到激发态(AAS),或是从激发态回到基态(AES)速度都非常快。尤其是在原子放射光谱中,每种原子的特性波长不同以及谱线十分尖锐,因此可以同时分析多种元素。例如可以在数分钟内同时对数十种元素进行定性与定量的实验,相比核磁共振光谱仪(NMR)、X光绕射仪、IR、……都快得多。

分子光谱

原子光谱

分子能阶示意图

原子光谱法
资料来源:
Chemical Analysis Series, 1996, 137, 196

原子能阶示意图

原子光谱法

分子光谱—宽谱线

原子光谱法

原子光谱—-线光谱

原子光谱法
资料来源:
http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/PhyExp/Exp402Spectrum/MolecularSpectrum.htm

整个分析过程如下图,待测样品进入原子化器(atomizer),由于原子光谱是测定“自由原子(free atom)”的光谱,因此要把溶液态待测样品中的溶剂用高温去除。但高温下待测元素有可能跟氧气结合形成氧化物、也有可能此元素容易离子化而对侦测产生干扰,原子化器便是想办法成功将待测元素尽量全部形成自由原子的零件,常见的原子化器有火焰式原子化器、高温石墨炉以及氢化反应式原子化器。

光源(or激发源),原子吸收光谱法需要较窄的谱线来提升定量的灵敏度,因此大多使用中空阴极管(hollow cathode lamp),其原理是利用在阴极由待测金属元素构成,利用其基态到激发态吸收与放射的能量相同来达到产生所需窄谱线的光源,而原子放射光谱则只需要一个能量当激发源,因此最常使用感应偶和电浆来做为激发源,其优点相较于电弧或电火花激发法有着侦测极限较低(ppb)、基质干扰(matrix interference)较不明显、线性範围较大等优点。

原子光谱法

原子光谱法最常遇到两种干扰,一为化学干扰,因为各种化学反应使原子化效率下降,例如形成高沸点化合物(EX: 磷酸钙)、氧化或离子化,这可藉由改变实验条件来降低;二为光谱干扰,可能因为基质吸收过宽而盖住原子吸收的特性波长,此干扰可利用 \(\mathrm{D_2}\) 灯与中空阴极灯来进行校正。


资料来源:

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