原子吸收光譜中的背景吸收及儀器校正技術的發展

　　摘　要　介紹了火焰原子吸收光譜(FAAS)和石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)背景吸收干擾的特點,討論了氘燈連續光源背景校正、塞曼效應背景校正、自吸收效應背景校正的原理和優缺點,對現代原子吸收分光光度計中各種背景校正方式的發展進行了綜述。

　　干擾少,靈敏度高,選擇性好是原子吸收光譜(AAS)分析的顯著優點,但在實際分析過程中,由于試樣中存在與分析元素伴生的其它組分,元素與化合物在高溫下的復雜行為以及試驗條件的改變使干擾仍不可避免。特別是背景吸收的存在,對儀器的設計和使用提出了更高的要求。現代原子吸收分光光度計的發展,一個很重要的方面就是針對背景吸收而進行的。目前,在商品儀器中已有氘燈連續光源背景校正、塞曼效應背景校正和空心陰極燈強脈沖自吸背景校正等方法,其中塞曼效應校正背景還衍生出幾種不同的磁場調制與排列方式。本文討論了火焰原子吸收光譜(FAAS)和石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)背景吸收干擾的特點,并概述和評價了現代原子吸收分光光度計的各種背景校正方式。

　　1　原子吸收中背景吸收干擾的特點[1~3]

　　在AAS中,伴生物分子譜帶重疊而引起的吸收與不揮發顆粒對輻射光的散射,實際上難以區分,并且采用同樣的方法加以消除。通常將其并稱為非特征衰減、非特征輻射損失或背景衰減,甚至叫做背景吸收(雖然散射不屬于吸收現象)[1]。從背景吸收的光譜特性來看,有兩種表現形式:一種是連續背景,包括寬帶分子吸收和光散射,雖有吸收峰,但在所采用的光譜通帶范圍內吸收值變化不大,它在AAS中更為常見;另一種是背景吸收系數隨波長而明顯變化的結構背景。這主要是由分子內部電子躍遷所產生的。另外,AAS中還存在著共存元素與分析元素譜線的重疊,以及基體對單色器通帶內非待測元素特征輻射的吸收。由于這類光譜干擾通常疊加在背景吸收信號之上使表觀吸光度增加,故有人在概念的實際使用時,將其也視為背景吸收,這在一定程度上引起了混淆。

　　FAAS中的分子吸收取決于該分子是否在火焰中解離及其解離度,如在較低溫火焰中測定容易原子化的元素時,伴生物可能與火焰氣體生成難分解的氧化物、氫氧化物或氰化物等。因此使用較高溫度和還原性強的火焰,分子數目就會急劇下降。FAAS的背景吸收主要是氣體分子顆粒散射所引起的,光散射服從瑞利(Rayleigh)散射定律,散射光的強度與單位體積內散射顆粒的數目和顆粒體積的平方成正比,與波長的4次方成反比。光散射在設計良好的預混合式燃燒器火焰中很少發生[1]。因此總的說來,FAAS中背景吸收干擾較少,而且主要是連續背景,所以除個別公司個別型號(如日立Z5000)以外,絕大多數儀器都采用氘燈連續光源校正FAAS背景,還有的采用了氘燈和自吸收法聯合校正背景(如島津AA6800)。

      對GFAAS來說,形成分子吸收的條件是伴生物分子具有一定的解離能(3·5~6·0eV),其沸點在原子化階段的溫度區間內,且灰化時不至于完全蒸發,其中較常見的是堿金屬和堿土金屬鹵化物。另外還有伴生物與原子化器材料(如石墨中的碳)的反應生成物,如在氮氣存在下生成的單氰化物[1,2]。GFAAS中的光散射通常要比分子吸收小的多[2],當有機物在惰性氣體中熱分解,或者當揮發性共存組分通過溫度較低的區域時凝聚常常會有輻射光的散射[1]。GFAAS中背景吸收的大小,很大程度上取決于石墨爐的設計、溫度程序、氣流和其它操作參數。原子化器的溫度特性和結構對背景吸收有顯著影響,穩定和均勻的石墨爐溫度能減小背景吸收[2]。如Analytic Jena公司的AAS 6Vario和Zeenit 60,Aurora公司的AI1000,Perkin-Elmer公司的AA600/800均采用橫向加熱石墨爐,使分析中的背景吸收大大減小。通過選擇適當的升溫程序和原子化溫度一般可以使分子吸收降低,如果待測元素和基體揮發性質非常相似,加入基體改進劑使分析元素變得較為穩定或是使伴生物變得較易揮發仍是減小背景吸收的一種有效手段。在GFAAS中,氘燈法仍是使用最多的儀器背景校正方式,其次是交流塞曼效應校正法,另外還有恒磁塞曼校正法、氘燈與自吸收聯合校正法、氘燈與交流塞曼聯合校正法等。

　　2　連續光源背景校正[1~6]

　　連續光源背景校正首先由Koirtyohann于1965年提出。在現代原子吸收分光光度計中,氘燈校正法是應用最廣泛的儀器校正方法,尤其是在FAAS中占絕對優勢。代表產品有Analytic Jena公司的AAS 6Vario, GBC公司的932/933 plus/Avanta, Perkin-Elmer公司的AA300/700及AA800火焰,Unicom公司的Solaar 969/M5及M6火焰, Varian公司的

　　Speetr 110/220/220FS/880等。其原理為:用待測元素空心陰極燈的輻射作為樣品光束,測量總的吸收信號;用連續光源(一般是氘燈)的輻射作為參比光束,在同一波長下測量吸收值。對于連續背景,它對空心陰極燈和連續光源的輻射有相同的吸收。待測原子對連續光源也有吸收,但由于元素分析線很窄,不到通帶寬度的1%,故可以忽略,連續光源所測值可視為純背景吸收。光輻射交替通過原子化器,兩次所測吸光值相減使背景得到校正。

　　這種方法是在分析線相同波長位置扣除背景,可避免兩次測量和光源不穩的誤差[3];對連續背景校正效果好;在所有儀器背景校正方法中靈敏度最佳;工作曲線線性范圍好;對原子化器無任何限制,在目前看來是校正FAAS背景最宜用的方法。

　　一般認為對于結構背景,由于連續光源所測吸收值為通帶寬度內的平均背景,采用氘燈法會產生校正過度或校正不足。如果共存物的原子對通過單色器的連續輻射產生吸收,也會出現補償過度現象。文獻[2]總結了在GFAAS中使用連續光源背景校正的校正過度實例,其中大部分是由于高濃度共存元素原子所引起的,少部分是結構背景所致。由于氘燈在長波范圍內能量較低,因此此法應用波段有限制[3],但可見光區的元素基本上不需要在石墨爐上進行檢測。另外,如果采用單光束會使基線漂移增加,雙光束方式則不存在這個問題[2]。在實際使用時,應精心調配使氘燈連續光源和空心陰極燈銳線光源強度匹配,并盡可能使光斑重合一致[3]。如Analytic Jena公司的AAS 6 Vario通過設計空心陰極燈的幾何形狀和成像光學部件,使兩種輻射光束穿過完全相同的吸收體積,有效地避免了雙燈源的采用而帶來的光學平衡問題。使用第二種輻射源以及信號處理方式的改變使噪聲增加,很強的背景吸收會導致噪聲進一步增加,一般不能校正高背景吸收[1]。針對這個缺點可采用高強度光源及高頻調制電源,提高數據采集速度也可加以改善[5]。提高調諧頻率(傳統儀器的調諧頻率為50/60Hz)可以避免交替測量時間差所帶來的校正誤差,目前這一技術已有Analytic Jena公司的AAS 6 Vario,Uni-com公司的Solaar 969/M5及M6火焰等采用。

　　3　塞曼效應背景校正[1~8]

　　塞曼效應是指在強磁場作用下,原子發射線或吸收線發生分裂和偏振化,其實質是原子內部能級發生分裂。磁場垂直或平行于光束傳播方向,分裂和偏振化的結果不同。塞曼效應應用于原子吸收光譜儀,磁場可以有不同的調制與排列方式。除了可以將磁場垂直(橫向)或平行(縱向)于光束傳播方向,還可以把磁場施加于輻射源(正向)或原子化器(反向),可以用恒定磁場或交變磁場。由此而組合的八種方式中,目前商品儀器已采用的有四種。

　　塞曼效應校正背景的基礎是,有的偏振組分偏離中心波長,若頻移足夠大不為待測物所吸收,測量的只是背景吸收。波長位移與磁場強度有關。因此將磁場施加于光源、火焰原子化器以及縱向磁場施加于石墨管,都可能因磁場間距過大而使磁場強度不夠和不均勻,造成譜線分裂不夠理想,降低測量的準確性。塞曼AAS早期的應用均采用正向塞曼效應,即將磁場加在輻射源上的光源調制法。由于光源的尺寸需要較大磁鐵來保證強磁場,更重要的是在強磁場中難以產生輝光放電及保持穩定的發射,不能應用普通的空心陰極燈,這些都使正向塞曼效應的應用受到極大限制[1]。目前除個別公司生產橫向恒定磁場置于光源的商品儀器外,絕大多數產品都采用磁場置于原子化器的吸收線調制法(表1)。原子化器的尺寸問題同樣困擾著FAAS塞曼效應和GFAAS縱向塞曼效應的應用。由于普通燃燒器的尺寸較大,而且火焰的輻射熱一般需要將磁鐵水冷,并在磁極和火焰間留有一定間隙,因此很難在FAAS中得到足以產生理想分裂所需的磁通量密度[1]。如采用恒磁磁場又會帶來靈敏度和線性損失[1],長期使用磁鐵退磁等問題;燃燒器尺寸較大其各部分的磁場強度不可能一致,也會導致校正誤差。磁鐵和燃燒頭用水冷還會帶來儀器使用和維修上的麻煩。事實上,火焰的背景吸收干擾通常較低,因此,沒有必要在火焰技術中采用塞曼效應,這樣做的弊大于利[1]。即使在砷和硒的遠紫外波長處,也可用氘燈背景校正器來校正火焰對輻射的明顯吸收,附帶的還可以改善信噪比和檢出限[1]。基于上述原因,目前除個別儀器外,在火焰部分都采用氘燈法校正背景。

　　在表1所列吸收線調制法儀器的三種磁場方式中,橫向恒定磁場在技術上最為簡單[1],因此儀器成本較低。恒定磁場可以是永久磁鐵(以日立Z5000為代表)或直流電磁鐵。由于不同元素的測定,取得最佳靈敏度所需要的磁場強度是不同的,對于采用永久磁鐵或固定磁通量密度的電磁鐵的系統來說,不能使磁場最優化,會造成塞曼效應譜線分裂不完整,而降低測量的準確性,同時儀器靈敏度往往低于正常AAS的一半[1,2]。另外,永久磁鐵長期使用會退磁,而使實際磁場強度降低。如使用旋轉偏振器,還會因其質量較大而出現某種程度的不平衡[1],不均勻的透射性產生不均勻的光束,使背景校正能力惡化[6]。

　　意識到采用固定磁場所帶來的種種缺陷,Perkin-Elmer公司推出了橫向交變磁場吸收線調制法的原子吸收分光光度計(早期型號為塞曼/5000)[2]。其后,這種方式為許多公司所采用,如Analytic Jena公司的AAS Zeenit 60, Unicam公司的Solar 969Z/MQZ及M6石墨爐, Varian公司的Spectr A220Z/880Z等,Solar MQZ還引入了氘燈與交流塞曼聯合校正法等。雖然縱向交變磁場很難達到所需要的磁場強度[2],在整個原子化區域磁場強度也很難均勻一致,但由于未采用偏振元件,因此從能量角度考慮較為優越[1]。現有Perkin-Elmer公司的AA600及AA800石墨爐和GBC公司的Avanta ultra Z采用了將縱向交變磁場置于石墨爐的方式。

　　塞曼效應的優點是可校正高背景吸收;可進行全波段校正;使用同一光源,不需調整光軸及光量;基線漂移小;能校正結構背景與某些原子譜線重疊干擾。許多文獻認為塞曼AAS中沒有光譜干擾,實踐證明同樣存在著由于光譜線重疊而引起的光譜干擾,有時甚至比氘燈法更明顯[2]。與氘燈法系統本身不會引起背景變化不同,塞曼分裂會使結構背景或干擾元素線發生位移(即背景產生塞曼分裂),樣品光束與參比光束檢測到的背景有可能不同。

　　塞曼效應背景校正的靈敏度與所采用的磁場方式、磁場強度、塞曼分裂行為(正常或反常)和光源發射線的輪廓有關。文獻[6]列出了40種元素分別采用永久磁鐵、直流可變磁場和交變磁場塞曼效應儀器測定的相對靈敏度,發現24種元素的相對靈敏度相當(相對靈敏度之差不超過0·1),Ag,As,Cr,Fe,K,Na,Se等15種元素均以恒磁塞曼效應的相對靈敏度為最低,而交變磁場塞曼效應的相對靈敏度最佳,僅Be以前者稍佳。考慮到塞曼AAS的噪音水平類似于或略高于普通AAS,在靈敏度相同情況下,其檢出限一般優于氘燈校正法。但使用恒定磁場,特別是磁場強度固定的永久磁鐵,因其靈敏度較差,就不能發揮出這些優點[1]。塞曼效應的分析曲線線性問題也與上述或使用恒定磁場,工作曲線會出現反轉[1]。有研究發現縱向交流塞曼方式使分析動態范圍大大拓寬[7]。交變塞曼三磁場系統亦能使校正曲線延伸并校正雜散光的影響[2],采用這一技術的商品儀器有AnalyticJena公司的AAS Zeenit 60。另外,與一般交變塞曼AAS調諧頻率受到限制[8]和磁場強度固定不同,這一儀器的磁場強度可以調整,最大磁場強度0·9特斯拉,調諧頻率達到200Hz。

　　4　自吸效應背景校正[2,4,5]

　　自吸效應校正背景是由Smith和Hieftje于1982年提出,又稱S-H法。其原理為:以低電流脈沖供電,空心陰極燈發射銳線光譜,測得原子吸收與背景吸收的總吸光度;以短時高電流脈沖供電,發射線產生自吸效應,輻射能量由于自吸變寬而集中于原波長的兩側,不為原子蒸氣所吸收,所測為背景吸收值。將兩值相減得到校正后的原子吸收值。

　　這種方法是最簡單和成本最低的系統。能校正某些結構背景與原子譜線重疊干擾;無光能量損失;可進行全波長校正。但許多元素不能產生自吸;兩種脈沖電流下的空心陰極燈譜線寬度有差別,校正不夠精確;在有無自吸時空心陰極燈的發光部位不同而產生準光偏差[2];靈敏度受強脈沖條件下空心陰極燈自吸程度影響,除易自吸元素外均損失很大,如Al,Ba,Ca,Sr,V等的相對靈敏度只有0·3左右。還有的元素相對靈敏度只有0·05~0·1[2]。由于自吸效應和燈內溫度有密切關系,雖采用高電流作為參比光束,但仍不能獲得較長時間的基線穩定性效能和較低的基線噪聲[2];Al,Ca,Si,Ti,W,V等元素檢出限變差[2];強脈沖電流影響燈壽命。為了使譜線在自吸后能回到正常狀態,調諧頻率不能太高[2],僅適合于火焰法,用于石墨爐則較差[5]。單獨采用這種方法的儀器很少,基本上是作為其他校正方法的補充[5],如島津公司的AA6800等。

　　5　結束語

　　應該指出的是,原子吸收分光光度計是一個完整的整體,片面夸大和縮小背景吸收的影響以及過分強調某種儀器校正方式的能力都是不符合分析工作實際的。由上所述,在一個設計良好的火焰預混合燃燒器中,背景干擾比較少。在GFAAS中,橫向加熱方式可使分析中的背景吸收大大減小。要把背景吸收的問題降低到背景校正器能正常工作的范圍,還需通過適當的溫度程序和基體改進方法的運用,剩下的干擾才最后由儀器校正。不同火焰組分在190~230nm的分子吸收,石墨爐高溫條件與環境氣體作用產生的N2,CN,CO等分子帶狀吸收,不同的酸類分子(尤其是H3PO4,H2SO4)在300nm以下波段的分子吸收,現在儀器均可通過自動調零功能來解決,或由配制相似酸組成來扣除[3]。

　　對不同的背景校正方式,不同的研究者和廠家持有不同的看法。事實上,每種校正方式各有優缺點,至少到目前為止還沒有哪種方式在校正所有背景的同時能保證分析的靈敏度、檢出限和工作曲線范圍不受影響,也不帶來新的光譜干擾。氘燈連續光源背景校正是目前使用最為廣泛的儀器,隨著應用的普及,其不足之處也在不斷改進。氘燈校正法最大的不足是對結構背景和光譜線重疊干擾產生校正過度,尤其以后者為主。但原子吸收中的光譜線重疊干擾,各種背景校正裝置都不可能完全予以避免,也不可能簡單的斷言某種裝置的抑制能力更好[2]。對于結構背景,即使塞曼效應也因為校正過程可能使背景發生變化而帶來補償過度[2]。

　　塞曼效應正如Welz所指出的那樣,火焰技術中應用塞曼效應不太值得,也不應把塞曼效應看作是解決石墨爐AAS中的一切問題的靈丹妙藥。所謂不必經過預處理的輕率評論,說明缺乏分析化學的基本知識[1]。目前有四種不同的塞曼效應儀器應用方式,各有優缺點。混淆四種校正方式,將塞曼效應作為整體與其它方法進行比較在文獻上比較常見。事實上,盡管同為利用強磁場下譜線的分裂現象,但這些不同方法之間有很大的差別,有的甚至超過了塞曼效應與其它校正方式的不同。總的說來,采用將磁場加在原子化器的方法更為可取。恒定磁場一般較易產生,但因磁場條件不可優化使其無論是在靈敏度、檢出限還是工作曲線線性上都存在缺陷。從儀器實用角度考慮,選擇應用橫向交流塞曼效應較好。這種系統具有最佳的雙光束性能,背景校正高度準確,線性和靈敏度與普通AAS相類似,檢出限比連續光源背景校正器更好,以及分析曲線反轉的問題較少[1]等。此外縱向交變磁場無需偏振元件,在光能量方面存在優勢。

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