原子吸收光譜法在測定水中重金屬的應(yīng)用探究

摘要：原子吸收光譜法（AAS）又稱原子分光光度法，通過利用原子可以吸收一定波長光輻射的特點(diǎn)，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，在這一過程中可以用原子吸收光譜儀對特征譜線的減弱程度進(jìn)行定量分析。由于該種測量方法具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、分析范圍廣等特點(diǎn)，因此在測定水中重金屬離子種類、含量等方面有廣泛應(yīng)用。文章首先概述了原子吸收光譜法的應(yīng)用原理和儀器功能，隨后就利用原子吸收光譜法測定水中重金屬含量的具體操作步驟展開了分析，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)效果，分別從儀器裝置、樣品處理等方面提出了幾點(diǎn)改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：原子吸收光譜法；基本原理；儀器設(shè)備；改進(jìn)方案

中圖分類號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）03-0112-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.065

Abstract： Atomic absorption spectroscopy （AAS）， also known as atomic spectrophotometry， utilizes the fact that atoms can absorb light of a certain wavelength to cause the electrons in the outer and middle layers to transition from the ground state to the excited state. In this process， atoms Absorption spectrometer quantitative analysis of the degree of attenuation of the characteristic spectrum. Due to its high sensitivity， high selectivity and wide range of analysis， this kind of measurement method is widely used in the determination of kinds and contents of heavy metal ions in water. The article first outlines the application principle and instrument function of atomic absorption spectrometry， and then analyzes the specific operation steps of using atomic absorption spectrometry to determine the content of heavy metals in water. Finally， according to the experimental results， Some suggestions for improvement.

Key words： Atomic absorption spectrometry； Basic principle； Equipment； Improvement plan

水資源的重金屬污染不僅會(huì)降低水質(zhì)，破壞水生態(tài)環(huán)境，而且這些重金屬還能夠在水生生物體內(nèi)聚集，通過食用嚴(yán)重影響人體健康安全。近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對重金屬污染水資源的檢測力度不斷增強(qiáng)。但是由于重金屬離子的種類豐富且相互間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，給檢測工作帶來很大難度。原子吸收光譜法在測定水中重金屬含量、成分等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。該種方法具有靈敏度高、重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用效果。

1 原子吸收光譜法的測定原理

原子吸收光譜法（AAS）是利用氣態(tài)原子可以吸收一定波長的光輻射，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的現(xiàn)象而建立的。由于各種原子中電子的能級(jí)不同，將有選擇性地共振吸收一定波長的輻射光，這個(gè)共振吸收波長恰好等于該原子受激發(fā)后發(fā)射光譜的波長。當(dāng)光源發(fā)射的某一特征波長的光通過原子蒸氣時(shí)，即入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)（一般情況下都是第一激發(fā)態(tài)）所需要的能量頻率時(shí)，原子中的外層電子將選擇性地吸收其同種元素所發(fā)射的特征譜線，使入射光減弱[2]。特征譜線因吸收而減弱的程度稱吸光度A，在線性范圍內(nèi)與被測元素的含量成正比：A=KC

式中K為常數(shù)；C為試樣濃度；K包含了所有的常數(shù)。此式就是原子吸收光譜法進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)由于原子能級(jí)是量子化的。除此之外，我們還知道不同的原子對于輻射也會(huì)有一定的選擇性，并且在原子狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變（基態(tài)躍遷為激發(fā)態(tài)）時(shí)，還會(huì)從外界吸收一定的能量。這樣一來，我們可以根據(jù)離子吸收能量的多少判斷吸收輻射強(qiáng)度，進(jìn)而判定微量重金屬元素具體含量，這種測定方法在一些重金屬離子含量較少、且對測定結(jié)果進(jìn)度要求較高的試驗(yàn)中較為常見。

2 原子吸收光譜分析儀器的組成

目前市面上銷售的原子吸收光譜儀根據(jù)光譜種類的不同，可分為單光束和雙光束兩大類，兩種類型的儀器在內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)上具有較大的共性，主要的功能性結(jié)構(gòu)包括光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)四大模塊。

2.1 光源

水中重金屬以離子形式存在，不同金屬離子對于光源發(fā)出特征光的吸收能力有很大差異，通過捕捉和分析這些信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)，然后進(jìn)行高精度處理，最終測量出水中各類金屬離子的含量。因此，在利用原子吸收光譜儀進(jìn)行重金屬檢測時(shí)，對于光源的具體性能也提出了嚴(yán)格要求：首先，光源所發(fā)出的共振輻射寬度必須低于吸收線的寬度，可以減少檢測結(jié)果的誤差；其次，要求光源穩(wěn)定性好，一般來說需要至少在20-30min內(nèi)不發(fā)生漂移；再次，為了順利完成檢測過程，使用壽命需要不低于8h。

2.2 原子化器

原子化系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，原子化器的工作效率將會(huì)對最終的檢測結(jié)果產(chǎn)生直接影響。原子化器的功能是提供穩(wěn)定的能量，保證所取的試驗(yàn)水樣品能夠盡快地蒸發(fā)、干燥、原子化。然后將原子化的樣品進(jìn)行分析、測定。根據(jù)對測定結(jié)果要求的不同，現(xiàn)階段可供選擇的原子化器種類有四種，分別是火焰原子化器、石墨爐原子化器、冷蒸汽原子化器以及氫化物發(fā)生原子化器[3]。

2.3 檢測系統(tǒng)

將原子化器測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中，對水中各類重金屬的含量給出一個(gè)定量的檢測結(jié)果，直觀的反映出水中各類重金屬離子的濃度。

3 原子吸收光譜法測定水中重金屬含量的應(yīng)用

3.1 直接測定法

用取樣容器取一定體積的樣品水溶液，將其放置實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，使用電磁爐對樣品進(jìn)行加熱，使水溶液中的鋅、鐵、銅等金屬離子濃縮15倍，鎳、鎘重金屬離子濃縮100倍。將濃縮后的溶液用空心陰極燈照射，然后運(yùn)用儀器收集水溶液中各重金屬離子的吸光度。用火焰原子吸收光譜法測定地表水中鉀、鈉、鈣、錳和鋅含量，以相應(yīng)元素的空心陰極燈為光源，空氣-乙炔火焰，測定Zn時(shí)用（1+1）硝酸酸化至pH≤2.0，測鉀時(shí)在水樣中加入適量NaCl以減少電離干擾，各元素的回歸方程的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99，Mn和Zn的RSD分別為1.61%、2.56%。

3.2 原子吸收光譜法的改進(jìn)

新技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備的革新是不斷提高檢測精讀的有效方法，尤其是隨著計(jì)算機(jī)分析和數(shù)據(jù)獲取能力的不斷提升，為原子吸收光譜法的優(yōu)化提供了一些借鑒。（1）儀器裝置的改進(jìn)。早期的原子吸收光譜儀需要人工進(jìn)行樣品處理，包括對樣品中含有殘?jiān)奶幚?、儀器的清洗等。由于人工處理存在一定的誤差，因此很有可能影響最終的測量結(jié)果。近年來，日本、德國等推出了一種自動(dòng)進(jìn)樣器，可以根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值自動(dòng)完成清潔處理、樣品稀釋和自動(dòng)清潔等。以火焰原子吸收分析技術(shù)為例，在進(jìn)行儀器裝置改良后，其測定結(jié)果的靈敏度可以提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且實(shí)現(xiàn)了原子與離子兩種物質(zhì)狀態(tài)的獨(dú)立檢測。（2）樣品的預(yù)處理。在取得試驗(yàn)水樣品后，為了排除無關(guān)要素的干擾，需要對水樣品進(jìn)行預(yù)處理，這也是水中重金屬測定的第一個(gè)環(huán)節(jié)。樣品預(yù)處理分為物理處理和化學(xué)處理兩種：物理處理就是對所取樣品進(jìn)行過濾，篩除水中的固體懸浮顆粒以及水生生物等；化學(xué)處理包含兩步，第一步是向?qū)嶒?yàn)水樣品中加入高氯酸，反應(yīng)時(shí)間控制在40min左右，第二步是采用微波消解技術(shù)，可以在保證樣品成分不受到影響的前提下，避免金屬元素的損失[4]。（3）共存組分的干擾和抑制。對試驗(yàn)水樣品進(jìn)行處理的過程中，內(nèi)部的一些離子不可避免會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更加穩(wěn)定的化合物，并導(dǎo)致物質(zhì)的量的變化。由于這種干擾的存在，使得測定結(jié)果要比實(shí)際值更低。因此，必須要盡可能地消除這些干擾，防止各種離子相互反應(yīng)。

現(xiàn)階段常用的干擾抑制方法有兩種：一是向樣品溶液中加入一定量的抑制劑，優(yōu)先與非金屬離子發(fā)生化合反應(yīng)，讓金屬離子失去反應(yīng)的游離陽離子，以便于準(zhǔn)確測定；二是更改原子化的外部條件，如通過升高試驗(yàn)溫度的方式，使一些原本聚合的離子重新解離，保持原狀態(tài)。

4 結(jié)語

水資源的重金屬污染對生態(tài)環(huán)境以及人的健康造成嚴(yán)重威脅。而水資源中的重金屬離子種類多，且相互之間容易發(fā)生反應(yīng)，極易對最終的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果造成干擾。原子吸收光譜法具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)，通過改良后可以滿足檢測需要，從而為下一步進(jìn)行重金屬離子的針對性處理提供了參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]陳建榮，林建軍.濁點(diǎn)萃取--火焰原子吸收光譜法測定水樣中痕量銅的研究[J].分析試驗(yàn)室，2012，21（5）：86-89.

[4]楊琳.濁點(diǎn)萃取-火焰原子吸收光譜法分析環(huán)境樣品中不同形態(tài)的Cr、Mn、Co和Cu[D].河南：鄭州大學(xué)，2013.

收稿日期：2018-1-24

作者簡介：唐姣榮（1981-），女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樗|(zhì)檢測。