原子吸收光谱法优化方法的研究

原子吸收光谱法优化方法的研究

昝川南

（广西-东盟食品检验检测中心广西南宁530021）

摘要：原子吸收光谱法是各个领域重金属分析的重要手段之一,在测定样品时,一般是采用厂家标准配置的进样系统及预设方法进行测定。而在不同行业的实际应用中,往往需要优化方法,如使用特殊的样品前处理技术、进样技术及设备联用技术等,才能解决常规原子吸收光谱法遇到的各种应用难题。本文介绍了近年来原子吸收光谱法的多种优化方法实例,大略分析其优化的目的、意义和原理,提供了方法相应的检出限、精密度、线性范围和回收率等参数,并对其应用范围及优缺点进行分析,供原子吸收光谱仪的使用者参考借鉴。

关键词：原子吸收光谱法;优化方法;样品前处理技术;进样技术;设备联用技术

1引言

原子吸收光谱法(atomicabsorptionspectrometry,AAS）,即原子吸收分光光度法,是20世纪中期出现,并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法,根据原子化器的不同,还分为火焰原子吸收光谱法(flameatomicabsorptionspectrometry,FAAS)和石墨炉原子吸收光谱法(graphitefurnaceatomicabsorptionspectrometry,GFAAS)。原子吸收光谱法以其准确度好、精密度高、选择性好、重现性好、分析快速、成本较低等优点,近半个世纪以来一直在元素分析中被广泛使用[1]。其应用的领域包括：地质、冶金、材料、石油化工和轻工、农林和食品、生物医药和保健品、环境等,成为不可或缺的分析技术[2]。该方法在不同领域的应用中,会遇到仪器灵敏度无法满足测定需求[3]、基质干扰太强无法有效去除、样品前处理太耗时且消解效果不理想等情况,本文查阅和收集国内外相关文献和资料,进行比较和总结了多种优化方法的优缺点及应用范围,供原子吸收光谱仪的操作者在遇到类似困难时快速有效地找到合适的参考方法。

2仪器结构及原理

2.1原子吸收光谱仪的系统组成

原子吸收光谱仪包括5个基本部件,分别是：

①光源：发射待测元素光谱。

②吸收池：样品的原子化及原子吸收过程在池内发生(火焰、石墨炉、MHS池、FIAS池,FIMS池)。

③分光器：用于光散射。

④检测器：测量光强度,同时可放大信号。

⑤显示器：经由仪器的检测器信号传输转换,最终将反馈值以读数形式显示。

2.2基本原理

原子吸收的光源(空心阴极灯或无极放电灯)中包含纯度极高的待测元素金属,受激发则放射出与待测元素相匹配的光谱,这些光将通过样品池,最终进入分光器当中。原子吸收光谱仪的工作原理是利用单一或连续光源获得待测金属或者非金属元素的原子发射光谱,继而将其全数流过样品蒸气,得到的接收光谱被削弱的程度即显示了样品中待测元素的含量[4]。

3原子吸收光谱法的优化方法及其应用

3.1火焰原子吸收光谱法

常规火焰原子吸收光谱法使用的是标准配置的毛细管进样,直接吸取消解完全的样品溶液,经由雾化器喷雾产生的气态分子进入空气-乙炔(或氮氧化物-乙炔)火焰中,被解离为原子蒸汽,原子的外层电子选择性吸收光源中相应波长的谱线,即可得到特定元素的吸收值,从而推算其在样品溶液中的浓度。由于火焰原子化法只有约10%样品溶液被原子化[5],原子化效率低且进样过程简单,导致样品消耗量大,部分元素灵敏度低,基体干扰不能很好的消除等问题,为此科研工作者们开发了多种优化方法[6-7]。

3.1.1流动注射(flowinjection,FI)-火焰原子吸收光谱法联用

流动注射分析技术（FI）最初是用于解决将样品溶液在线处理的同时进行连续自动测定的难题,由丹麦技术大学的科学家J.Ruzicka[8]和E.H.Hansen于20世纪70年代所创立。该项技术是通过将样品溶液注射到持续流动的特定载液中,样品与载液在反应管内混合并发生反应,形成严格的分散体系,随后流入检测器进行测定。由于火焰原子吸收光谱法的灵敏度有限,对于痕量重金属元素的测定,常规进样方式无法准确定量,为了解决这一技术难题,现代的科研人员倾向于将流动注射分析法(FI)与火焰原子吸收光谱法(FAAS)联用以解决这一难题,流动注射分析技术现已被广泛应用于食品分析、环境监测、医药和临床化验、工业在线分析等领域。孙晓娟[9]利用流动注射在线预浓集-火焰原子吸收光谱法测定了葡萄酒中微量铅,样品经简单消化后由流动注射仪进样,使管道内充满溶液,继续进样且经过一段时间的在线富集后,用洗脱剂进行洗脱,洗脱后的样品直接由流路自动注入火焰原子化器进行原子吸收测定。经过实验证明,流动注射-火焰原子吸收光谱法联用,摒弃了传统费时的手工进样操作,且由于进样、洗脱等操作全都在密闭管路内自动进行,避免了痕量分析操作中样品被污染的可能性。这一联用技术的优点在于：提高了方法的灵敏度,使因样品中含量太低无法准确定量的元素,通过该方法的富集手段,提高其浓度至火焰原子吸收光谱可以测定的范围。肖尊煌[10]将流动注射在线过滤系统与火焰原子吸收光谱法联用间接测定水中氯离子,水样中的氯离子在流动注射装置中经定量且过量的银离子完全反应,在硝酸钠作用下絮凝,絮凝物被在线过滤,过滤液进入原子吸收火焰光谱仪对剩余银离子的含量进行测定,从而间接算出氯离子含量。经实验证明,该方法的线性相关系数R=0.9985,RSD为0.26%,加标回收率为105.3%,方法线性良好,精密度高,回收率较好,具有一定的创新性,流动注射的思路可供各种液体样品的测定参考借鉴。

3.1.2脉冲进样原子吸收光谱法

镍基体溶液中微量铜含量是电解镍产品生产过程中的一项重要的质量控制指标,这项指标的分析,目前分析方法为二苯硫卡贝松-四氯化碳萃取滴定-目视比色法。由于该方法存在操作繁琐、流程长、劳动强度大、试剂对环境污染严重等问题,任慧萍[11]等开发出自制脉冲进样器与火焰原子吸收光谱仪结合来测定铜元素的方法,通过优化脉冲时间、积分时间、燃气流量、燃烧器高度等因素,获得方法线性范围在0.0~3.0μg/mL之间,方法检出限为0.022μg/mL,回收率在90.3%~108.0%之间,RSD在4.25%~10.70%之间。脉冲进样器原理：通过利用电磁阀通断时间长短来控制进样量,采用峰高法采集数据。由于原子吸收火焰法的毛细管直接进样喷雾容易使样品基体中的盐结晶于燃烧头,燃烧头缝隙和雾化器堵塞就导致出现锯齿状火焰、雾化效率低等,极大地影响实验效果。为此,采用脉冲进样方式,以克服高盐基体液体引起的堵塞现象,同时具有样品消耗量小,减轻或克服基体干扰的优点,同时该方法快捷、环保、降低了劳动强度,相比目视比色法更精准、更灵活且更具先进性。脉冲进样以其应对高盐基体样品的能力,可以有效应用于工业废水、海水、污水测定等高盐基体样品的长期监测,大大降低了前处理成本和高盐基体带来的堵塞等一些列问题。

3.1.3氢化物发生(hydridegeneration,HG)原子吸收分光光度法

常规的火焰原子吸收光谱法(FAAS)测定Se、As、Sb和Te等元素时,其困难在于样品溶液直接喷入火焰中,而这些元素的最佳分析线都处于近紫外区(如230nm),而常规空气-乙炔火焰中产生强大的背景吸收比如：193.7nm线的背景吸收等于有用信号的62%；而石墨炉法(GF-AAS)测定的困难在于,这些元素处于短波分析线,产生了碳粒光散射引起的严重基体干扰。氢化物发生-火焰原子吸收光谱法(HG-FAAS)则较好的解决了以上困难,其原理是利用水溶液中的待测元素离子(如As3+)与NaBH4以及盐酸共同发生反应生成气态氢化物(如H3As),氢化物在850~1000℃火焰下[12]迅速生成目标原子,同时生成原子吸收光谱,利用原子吸收光谱的波长及强度来对目标物进行定性定量。梁有等[13]通过氢化物发生法使砷与样品产生基体分离,消除基体干扰,由原子吸收光谱自动测定,准确测定了土壤和地表低含量砷。该法的检出限为0.26ng/mL,水样加标回收率在98.9%~103.3%之间,土壤标准物质中砷含量测定值达标,其RSD为3.37%。由此可见该方法精密度好,灵敏度高,抗干扰能力强,可以广泛应用于复杂基体样品如：海水、污水、土壤、矿物等中Se、As、Sb和Te等元素的测定。

3.2石墨炉原子吸收光谱法

现代的石墨炉常规进样基本都配备自动进样装置,由机械臂、样品盘、进样针、定量环等部分组成,可以精确吸取试剂和样品溶液,精度可达到微升级。其优点是能够通过定量环的功能实现在线稀释标准溶液、在线加标等,大大降低了人员劳动强度,提高了实验的精密度和重现性。样品溶液由自动进样器注入石墨管,经过干燥、灰化、原子化、净化等步骤,完成样品的测定。该进样方式是石墨炉原子吸收法的标准配置,在各行各业中广泛使用。在ICP-MS技术成熟之前,该方法是多种元素微量分析的最主要的方法,具有方法灵敏度高,重现性好等优点,为了拓展该方法的应用领域,近年来涌现出多种原子吸收石墨炉法的优化方法。

3.2.1液态样品直接进样

液态样品直接进样法是指一些主要成分是水的样品例如：牛奶、酱油、饮料、低度酒等,不经加酸加热消解,而是直接简单稀释、定容、超声后注入石墨管中,供石墨炉原子吸收光谱仪进行测定。其原理是利用石墨炉中石墨管的加热特性,控制好干燥、灰化、原子化的温度,以达通常干灰化法使元素变为游离态的效果。液态样品直接进样方式的优点在于：能在特定产品中特定分析项目的应用上有一定的价值,节约了试剂和人力,避免样品人工消解环节带来的污染风险。夏环等[14]用液态样品直接进样法测定原料奶中铅的含量,测得加标回收率在92.0％~104％之间,日内RSD在2.9％~6.7％之间,日间RSD在4.4％~8.2％之间,说明本方法具有较高的准确度和精密度。该方法的缺点是只能应用于基质简单、本底干扰小的样品,并且需要针对样品基质的特性,摸索出较为合适的石墨炉升温步骤和基体改进剂类型,但在如水质监控、饮用水生产监控等长期大量单一产品的检测中,有着较高的应用价值。

3.2.2悬浮液直接进样

为了能更为高效的测定一些产品中的元素,减少样品前处理时间,人们开始研究将固体样品制成悬浮液,供石墨炉直接进样测定。明佳佳等[15]采用植物破碎仪破碎植物组织,并用英国马尔文电位与纳米粒度仪进行确保其粒径在1.0μm左右,既有利于形成稳定的悬浮液,又能有效地防止堵塞石墨炉原子吸收的自动进样器,所得的悬浮液均匀分布,按此方法测定得到Cd的线性范围为1.0~5.0μg/L,相关系数r为0.9996,RSD为0.823%,Cd的方法检出限为0.003mg/kg；Pb的线性范围为10~50μg/L,相关系数r为0.9990,RSD为0.645%,Pb的方法检出限为0.0045mg/kg。对标准物质GBW10013黄豆和GBW10015菠菜进行检测,测定值在推荐值范围内。方法的回收率和精密度良好,符合分析要求。悬浮液直接进样-石墨炉原子吸收法在食品、化工、环境检测等领域都已被广泛应用,其优点是缩短了样品前处理时间,减少消解所用的试剂成本及对环境的污染。

3.2.3微乳液进样

微乳液是指油相、水相、表面活性剂和助表面活性剂按照一定比例混合成的均匀透明液体。要测定油脂类样品中的元素含量,干灰化法、湿法消解及微波消解法等存在耗时、消解难度大、容易消解不彻底等问题,将油脂样品用一定比例的试剂配制成微乳液体系后由石墨炉原子吸收光谱仪直接进样测定,可大大缩短样品前处理时间,并且避免了消解不彻底的问题。IEGGLI等[16]认为能够供石墨炉原子吸收光谱仪测定的微乳液需具备如下条件：①微乳液的油相组分大,油相组分越大方法的灵敏度越高；②粘度过高会导致进行系统的精准度下降,应确保微乳液粘度足够低；③微乳液应由空白和背景都较低的试剂配置；④微乳液在分析过程中能维持其稳定。吴晨曦等[17]用微乳液进样GF-AAS法测定食用油中的铬,样品按质量分数为15%食用油,6%水相,20%曲拉通X-100和59%正丁醇能配制成稳定的微乳液进样测试,试验RSD＜5%,检出限为0.211ng/mL,加标回收率在90%~110%之间,检测结果与微波消解法结果相近。该方法简单,准确,实用性强,并适用于大量食用油样品的测量,解决了食用油中无机元素按照常规标准检测时难消解、方法灵敏度低的问题。

3.2.4固体直接进样

固体直接进样-石墨炉法在环境检测的土壤、淤泥等样品有着较为广泛的应用,固体样品可不经过消解步骤直接进入石墨管中,利用石墨炉升温程序完成干燥、高温灰化、原子化等步骤,因此取样量不能过高,对样品均匀度、称量精度要求比较高。姜欣[18]建立了固体进样石墨炉原子吸收光谱法测定污水厂污泥中铅镉的方法。污泥样品经风干处理,选取最适合的取样量,将固体样品直接通过石墨舟进样检测。污泥中铅和镉的检出限分别为1.5和0.05μg/g。铅和镉测定结果的相对标准偏差分别为4.0%和5.3%。该方法与湿法消解法比较,具有样品消耗量少,操作简便和环保的优点。李勇[19]将地质样品中痕量金用表面涂有磷酸三丁醋的聚氨醋泡沫塑料(PUPF)吸附富集后用石墨炉原子吸收光谱法(GF-AAS)测定,测定中采用外形改变的热解石墨管,表面吸附有金离子的PUPF毋需经过解吸操作,直接引入石墨管中进行测定,实验测得方法检出限为10pg/g,回收率在102%~107%之间,RSD≤3.6%。该方法避免了因解吸操作而引起的金的损失,同时降低方法的检出限,具有一定的创新性。固体进样虽然快捷、简单、环保,但是要得到准确的实验结果,对样品的均一性和石墨炉炉内消解程序的合理性要求较高,在满足了这些要求的前提下,固体直接进样法才能投入实际应用。

3.2.5石墨炉在线预富集法

石墨炉原子吸收光谱仪的仪器灵敏度相比ICP-MS的灵敏度要低,对于一些痕量元素的测定,如果仪器灵敏度达不到,只能通过富集样品中的目标元素后再进行测定的办法来解决。魏攀等[20]利用PE原子吸收光谱仪配套的独特的操作软件,多次重复将样品注入石墨管-干燥这一过程,当石墨管内铊元素浓度达到仪器测量范围时,再继续灰化及原子化等步骤。经实验获得的方法线性范围为0.1~0.5μg/L,检测限值为0.014μg/L,回收率90~98%之间,该方法实现了水样品在石墨管中的预富集,从而使超痕量铊的直接测定成为可能。该方法对比HJ748-2015《水质铊的测定石墨炉原子吸收分光光度法》,样品的人工预处理时间从24h缩短至15min,节约了人工前处理时间,提供了灵敏度、并且重现性良好。该方法炉内富集的特性还大大提高检测效率,减少前处理环节样品污染的风险,在环境检测和一些生产企业排放废水的金属离子监控中有着重要的贡献。但要实现在线预富集的应用,对于仪器的要求较为严苛,仪器自带的软件必须支持在线预富集的进样方式,因此方法的普及程度受到影响。在满足这一条件的前提下,该方法的实用性较高,例如测定食用油中含量极低的重金属元素,或纯水中的痕量杂质元素等。

3.2.6顶空固相微萃取-热脱附原子吸收光谱法

固相微萃取(solid-phasemicroextraction,SPME)是绿色环保的样品前处理技术,因其操作简单、快速、富集效率高且易于与各种仪器联用等独特优势,已被广泛应用于环境分析领域。马旭等[21]以负载金离子的木基牙签作为一次性固相微萃取采样器,建立了顶空固相微萃取-热脱附便携式原子吸收光谱仪联用快速测定环境水样中痕量汞的方法。实验结果表明,方法的线性范围为0.25~10.0ng/mL,相关系数大于0.998,汞离子的检出限为0.03ng/mL,RSD为2.1%,加标回收率在89.6%~106.2%之间。其原理是用化学吸附法将氯金酸溶液中的金离子吸附于木基牙签表面形成涂层,并通过能谱(energydispersivespectrometer,EDS)及傅里叶变换红外光谱(fouriertranslationinfraredspectroscopy,FT-IR)对其进行了表征,在确认木基采样器性能稳定的基础上,用顶空SPME-热脱附-原子吸收光谱法测定水样中汞含量。以自制的木基固相微萃取采样器,吸附污水中的汞后,配合热脱附-原子吸收光谱仪进行定量,经验证,该方法具有自制的木基固相微萃取采样器成本低廉、制备过程简单、采样器间重现性好,方法测定速度快、准确性高等优点,适合于水中汞污染的原位筛查与风险评估[21]。除此之外,该方法的科学严谨和独特创新之处是非常值得借鉴的。

4结语

目前随着科学技术的发展,检测行业多样化的需求逐渐增加,基于原子吸收光谱的元素分析也逐渐不再只局限于标准配置和仪器厂家的作业指导书；人员水平的提高,推动着各种联用技术、进样技术的不断涌现。现代检测技术追求更环保、更便捷、更实用、更高效的同时又要能确保方法的准确度、灵敏度、精密度,由此应运而生的多种多样的优化方法,可以说是当今检测技术达到成熟阶段的产物。在此基础上我们对已有的创新方法进行归纳和总结,以期开发出更为实用、快速、有效的新方法。

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