环境工程仪器分析实验

实验一 原子吸收分光光度法测定湖水中铁的含量

一、实验目的

1. 了解GGX-9型原子吸收分光光度计的基本结构和使用方法。

2. 观察了解空心阴极灯电流、火焰高度、火焰状态等因素对吸光度的影响。

3. 掌握原子吸收分光光度法进行定量测定的方法。

二、实验原理

1. 原子吸收分光光度法定量原理

原子吸收分光光度法基于由基态跃迁至激发态时对辐射光吸收的测量。通过选择一定波长的辐射光源，使之满足某种原子由基态跃迁到激发态能级的能量要求，则辐射后基态的原子数减少，辐射吸收值与基态原子的数量有关，也即由吸收前后辐射光强度的变化可确定待测元素的浓度。因此从光源发出的待测元素的特征辐射通过样品蒸气时，被待测元素基态原子所吸收，从而由辐射的减弱程度求得样品中被测元素的含量。

在锐线光源条件下，光源的发射线通过一定厚度的原子蒸气，并被基态原子所吸收，吸光度与原子蒸气中待测元素的基态原子数间的关系遵循朗伯-比尔定律：

lN I I κ==)lg(A 0

式中：A 为吸光度；I 0为入射光强度；I 为经过原子蒸气吸收后的透射光强度；κ为摩尔吸收系数；l 为光波所经过的原子蒸气的光程长度；N 为基态原子浓度。

在火焰温度低于3000 K 的条件下，可以认为原子蒸气中基态原子的数目实际上接近于原子总数。在特定的实验条件下，原子总数与样品浓度门的比例是恒定的，所以，上式又可以写成：

B c A 'κ=

这就是原子吸收分光光度法的定量基础。常用的定量方法为标准曲线法和标准加入法等。

2. 原子吸收分光光度仪

原子吸收分光光度计的主要组成部分包括：光源、原子化器、分光系统和检测系统。其光路如图1-11所示。

图1-11 原子吸收分光光度计光路图

（1）光源：

光源的功能是发射被测元素的特征共振辐射。对光源的基本要求是：发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；辐射强度大、背景低，低于特征共振辐射强度的1%；稳定性好，30分钟之内漂移不超过1%；噪声小于0.1%；使用寿命长于5安培小时。

空心阴极放电灯是能满足上述各项要求的理想的锐线光源，应用最广。其一端由石英或玻璃制成光学窗口，两根钨棒封入管内，一根钨棒连有由钛、锆、钽等有吸气性能的金属制成的阳极，另一根上镶有一个圆筒形的空心阴极。筒内衬上或熔入被测元素，管内充有几百帕低压载气，常用氖或氦气。当在阴阳两极间加上电压时，气体发生电离，带正电荷的气体离子在电场作用下轰击阴极，使阴极表面的金属原子溅射出来，金属原子与电子、惰性气体的原子及离子碰撞激发而发出辐射。最后，金属原子又扩散回阴极表面而重新沉积下来。通常，改变空心阴极灯的电流可以改变灯的发射强度，在忽略自吸收的前提下，其经验公式为I＝ai n。其中：a，n均为常数；i为电流。n与阴极材料、灯内所充气体及谱线的性质有关。对于Ne、Ar等气体，n值为2～3，由此可见，灯的发射强度受灯电流的影响较大，影响吸光度。

（2）原子化器：

将试样中的被测元素转化为基态原子的过程称为原子化过程，能完成这个转化的装置称原子化器，目前，使用较普遍的原子化器有两类，一类是火焰原子化器，另一类是由石墨炉原子化器。待测元素的原子化是整个原子吸收分析中最困难和最关键的环节，原子化效率的高低直接影响到测定的灵敏度，原子化效率的稳定性则直接决定了测定的精密度。

火焰原子化法中，常用的预混合型原子化器，这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成。雾化器是关键部件，其作用是将试液雾化，使之形成直径为微米级的气溶胶，作为一个性能良好的原子化装置要求其调节方便，单位时间内吸入的试液尽可能多地产生微细雾粒，并使雾珠尽可能地到达火焰进行原子化；混合室的作用是使较大的气溶胶在室内凝聚为大的溶珠沿室壁流入泄液管排走，使进入火焰的气溶胶在混合室内充分混合均匀以减少它们进入火焰时对火焰的扰动，并让气溶胶在室内部分蒸发脱溶；燃烧器最常用的是单缝燃烧器，其作用是产生火焰，使进入火焰的气溶胶蒸发和原子化。因此，原子吸收分析的火焰应有足够高的温度，能有效地蒸发和分解试样，并使被测元素原子化。此外，火焰应该稳定、背景发射和噪声低、燃烧安全。

原子吸收测定中最常用的火焰是乙炔-空气火焰。原子吸收测定中最常用的火焰是乙炔-空气火焰，此外，应用较多的是氢-空气火焰和乙炔-氧化亚氮高温火焰。乙炔-空气火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，燃烧速度不是很大，温度足够高（约2300℃），对大多数元素有足够的灵敏度。氢-空气火焰是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气火焰高，但温度较低（约2050℃），优点是背景发射较弱，透射性能好。乙炔-氧化亚氮火焰的特点是火焰温度高（约2955℃），而燃烧速度并不快，是目前应用较广泛的一种高温火焰，用它可测定70多种元素。

（3）分光器：

分光器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成，其作用是将所需要的共振吸收线分离出来。分光器的关键部件是色散元件，现在商品仪器都是使用光栅。原子吸收光谱仪对分光器的分辨率要求不高，曾以能分辨开镍三线Ni230.003、Ni231.603、Ni231.096nm为标准，后采用Mn279.5和279.8nm代替Ni三线来检定分辨率。光栅放置在原子化器之后，以

阻止来自原子化器内的所有不需要的辐射进入检测器。

（4）检测系统：

原子吸收光谱仪中广泛使用的检测器是光电倍增管，最近一些仪器也采用CCD（电荷耦合检测器）作为检测器。

三、仪器与试剂

1. GGX-9型原子吸收分光光度计，铁空心阴极灯一只。

2. 空气压缩机（应备有除水、除油、除尘装置）。

3. 乙炔钢瓶。

4. 容量瓶(50 mL，100 mL，l000 mL)，移液管(5 mL)，烧杯(100 mL，250 mL)。

5. 金属铁（光谱纯）。

6. 浓盐酸（分析纯）。

7. 浓硝酸（分析纯）。

四、实验步骤

1. 铁的标准溶液配制

（1）标准储备液配制

铁标准贮备液：称取光谱纯金属铁1.0000 g (准确到0.0001 g)，用60 mL盐酸溶液溶解，用去离子水准确稀释至1000 mL，摇匀。此溶液浓度为1 mg／mL（以Fe计）。

（2）标准溶液配制

取Fe标准贮备液（1000 µg/mL）5mL，移入100mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀备用，此溶液Fe含量为50 µg/mL。

2. 工作曲线的绘制

分别移取铁的标准溶液0.01 mL，1.00 mL，3.00 mL，4.00 mL，5.00 mL于50 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。以零号溶液为空白，选择灯电流为2～5mA，乙炔压力为20 kPa的贫燃火焰，在248.3 nm的波长位置分别测量以上标准溶液的吸光度值。将测得的吸光度值对铁溶液的质量浓度作图，绘出工作曲线。

3. 未知样的分析

水样采集后尽快通过0.45 µm滤膜过滤，并立即加硝酸(1.42g／mL)酸化滤液，使pH为1～2。用制作工作曲线的相同测量条件测定其吸光度值，然后由工作曲线查出未知溶液中铁的质量浓度（µg/mL）。在测定样品的同时，用去离子水代替试样做空白实验。

五、结果处理

1. 根据实验步骤2，以吸光度值为纵坐标，标准铁溶液的质量浓度为横坐标作图，绘制工作曲线。

2. 根据实验步骤3，由测得的未知样的吸光度值，在工作曲线查出未知溶液中铁的质量浓度（µg/mL），并计算出水样中铁的含量（µg/mL）。

六、思考题