Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) als eine quantitative Analysetechnik, die auf der selektiven Absorption von Substanzen auf bestimmte Wellenlängen basiert, kann ihre physikalisch-chemische Grundlage in zwei Module der Atomizationsprozesse und des charakteristischen Absorptionsmechanismus aufgebaut werden, die gemeinsam die technischen Vorteile der Methode mit hoher Empfindlichkeit und hoher Selektivität aufbauen.
Atomierungsprozess: Umwandlung von Proben in freie Radikale
Die Atomisierung ist ein entscheidender Schritt bei AAS, dessen Ziel es ist, die zu messenden Elemente aus der Probe in freie Radikalatome zu lösen und einen Absorptionspunkt für die nachfolgende Charakterisabsorption bereitzustellen. Abhängig von der Methode der Atomisierung ist sie hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt:
Atomization der Flamme
Durch eine hohe Temperaturflamme (z. B. Luft-Acetylen-Flammentemperatur von etwa 2300 ° C, Stickstoffmonoxid-Acetylen-Flammentemperatur von etwa 2700 ° C) verdampfen, trocknen und lösen Sie die Probe ab, um schließlich Atome im Grundzustand zu erzeugen.
Eigenschaften: Einfache Bedienung, niedrige Kosten, schnelle Analysegeschwindigkeit, geeignet für die Messung der meisten Metallelemente.
Einschränkungen: Die Flammentemperatur ist begrenzt und empfindlich gegenüber schmelzhaften Elementen (wie Wolfram, Molybden) und Elementen, die leicht flüchtige Oxide bilden (wie Chrom, Aluminium).
Nicht-Flammenatomisierung (z.B. Atomization im Graphitofen)
Die Verwendung von Graphiröhren zur Erzeugung von hohen Temperaturen (bis zu 3000 ° C) unter hohem Strom ermöglicht, dass die Probe durch Trocknung, Grauerung, Atomierung und Reinigung in vier Phasen geht, um Atome im Grundzustand zu erzeugen.
Eigenschaften: hohe Empfindlichkeit (3-4 Größengruppen höher als die Flammenmethode), kann direkte Analyse von festen und flüssigen Proben, geeignet für die Messung von Spurenelementen (wie Blei, Cadmium).
Einschränkungen: Die Genauigkeit ist etwas niedriger als die Flammenmethode und anfällig für die Störung des Substrats.
Faktoren, die die Effizienz der Atomization beeinflussen:
Temperatur: Eine unzureichende Temperatur kann zu einer unvollständigen Atomisierung führen und eine zu hohe Temperatur kann zu ionisierenden Störungen führen.
Probenmatrysate: Komplexe Matricen können die Atomierungseffizienz durch chemische Störungen (wie die Erzeugung schwer flüchtiger Verbindungen) oder physikalische Störungen (wie die Änderung der Viskosität der Probe) beeinflussen.
Probenahme: Eine zu große Probenahme kann einen Kühleffekt auf die Flamme haben oder die Schwierigkeit der Entfernung von Graphenofen erhöhen.
II. Charakteristischer Absorptionsmechanismus: Selektive Absorption von Resonanzstrahlung durch Grundzustandsatome
Charakteristische Absorption ist die quantitative Basis von AAS, deren Kernmechanismus wie folgt ist:
Resonanz Absorption Phänomen
Wenn die Frequenz der einfallenden Strahlung der Energie entspricht, die Elektronen im Atom benötigen, um vom Grundzustand in den ersten angeregten Zustand zu springen, absorbieren die Atome im Grundzustand die Energie und springen in den angeregten Zustand, um ein charakteristisches Absorptionsspektrum zu bilden.
Charakteristik: Die Atomstruktur jedes Elements ist einzigartig und seine Resonanz-Absorptionslinie (wie 589,0 nm Natrium, 285,2 nm Magnesium) kann als Grundlage für die Qualifikation des Elements dienen.
Selektivität: Die Absorption von Strahlung durch Atome ist sehr selektiv und absorbiert nur Strahlung, die mit ihrer eigenen Energiedifferenz übereinstimmt, um Hintergrundstörungen zu vermeiden.
Die quantitative Beziehung des Lambert-Biers-Gesetzes, bei der die Absorptionsgrad (A) proportional zur Konzentration (C) des zu messenden Elements in der Probe ist, ist A = K·C, wobei K eine Konstante ist, die die Auswirkungen aller experimentellen Bedingungen enthält.
Anwendung: Durch die Messung der Absorption von Standardlösungen und unbekannten Lösungen und die Zeichnung von Standardkurven können die Konzentrationen der zu messenden Elemente in unbekannten Flüssigkeiten ermittelt werden.
Voraussetzung: Die experimentellen Bedingungen (z. B. Temperatur, Atomierungseffizienz, optische Weglänge) müssen konsistent bleiben, um sicherzustellen
K
Die Konstanz.
Spektralbreitung und Absorptionsstärke
Atomabsorptionslinien sind keine strikt geometrischen Linien, sondern besetzen einen bestimmten Frequenzbereich (halbe Breite von etwa 10-3 bis 10-2 nm), hauptsächlich durch folgende Faktoren beeinflusst:
Doppler-Verweitung: Je höher die Temperatur ist, desto deutlicher ist die Verweitung, die durch die Wärmebewegung des Atoms verursacht wird.
Kollisionsverbreitung: Zwischenatomische Kollisionen führen zu einer verkürzten durchschnittlichen Lebensdauer des angeregten Atoms, was zu einer Breitung der Spektrallinie führt (unterteilt in die Kreuzmark-Breitung und die Lorentz-Breitung).
Feldverweiterung, Selbstabsorption: In starken elektrischen Feldern oder in hochkonzentrierten Proben kann sich die Spektrallinie weiter erweitern.
Auswirkungen: Die Breitung der Spektrallinie verringert die Absorptionsintensität, aber durch die Auswahl einer scharfen Lichtquelle (z. B. Hohlkathodenleuchte) und die Optimierung der Experimentsbedingungen (z. B. Kontrolle der Atomizationstemperatur und des Drucks) kann der Breitungseffekt minimiert und die Messempfindlichkeit erhöht werden.
Technische Umsetzung: Instrumentensystem und Störungsunterdrückung
Die physikalisch-chemische Grundlage von AAS muss durch Präzisionsinstrumente realisiert werden, ergänzt durch Störungshemmungstechniken:
Komposition des Gerätesystems
Lichtquelle: Die charakteristische Resonanzstrahlung des zu messenden Elements (wie hohle Katodenlampen) erfordert eine hohe Strahlungsintensität, einen niedrigen Hintergrund und eine hohe Stabilität.
Atomisierer: zur Atomisierung der Probe (Flamme oder Graphitofen).
Spektralsystem: Trennt die Charakteristiklinie von der Interferenzspektralinie (z. B. Raster oder Prisma).
Erkennungssystem: Wandelt optische Signale in elektrische Signale um (z. B. optische Multiplikatoren oder CCD-Detektoren).
Technik zur Unterdrückung von Störungen
Physikalische Störungen: Beseitigung durch die Herstellung einer Standardlösung mit ähnlicher Zusammensetzung oder durch die Verwendung eines Standardzusatzverfahrens.
Chemische Störungen: Hinzufügen von Freisetzungsmitteln (z.B. Phosphat-Freisetzung von Calcium), Schutzmitteln (z.B. EDTA-Schutzeisen) oder Matrixverbesserungsmitteln (z.B. Tinium-Nitrat zur Verbesserung der Messung von Aluminium).
Ionisierungsstörungen: Die Hinzufügung von Ionisierungsmitteln (z. B. Alkalimetallverbindungen) hemmt die Ionisierung des zu messenden Atoms.
Spektrale Störungen: Unterdrückung durch Verringerung der Spaltbreite, Auswahl nicht-resonanter Linien oder Anwendung der Seemann-Effekt-Hintergrundkorrekturtechnik.