原子吸收光谱法在测定水中重金属的应用探究
摘要：原子吸收光谱法（AAS）又称原子分光光度法，通过利用原子可以吸收一定波长光辐射的特点，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态，在这一过程中可以用原子吸收光谱仪对特征谱线的减弱程度进行定量分析。由于该种测量方法具有灵敏度高、选择性强、分析范围广等特点，因此在测定水中重金属离子种类、含量等方面有广泛应用。文章首先概述了原子吸收光谱法的应用原理和仪器功能，随后就利用原子吸收光谱法测定水中重金属含量的具体操作步骤展开了分析，最后结合实验效果，分别从仪器装置、样品处理等方面提出了几点改进建议。
关键词：原子吸收光谱法；基本原理；仪器设备；改进方案
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：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
水資源的重金属污染不仅会降低水质，破坏水生态环境，而且这些重金属还能够在水生生物体内聚集，通过食用严重影响人体健康安全。近年来，随着人们环保意识的增强，对重金属污染水资源的检测力度不断增强。但是由于重金属离子的种类丰富且相互间容易发生化学反应，给检测工作带来很大难度。原子吸收光谱法在测定水中重金属含量、成分等方面得到了广泛应用[1]。该种方法具有灵敏度高、重复性好、抗干扰能力强等特点，具有良好的推广应用效果。
1 原子吸收光谱法的测定原理
原子吸收光谱法（AAS）是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱[2]。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A，在线性范围内与被测元素的含量成正比：A=KC
式中K为常数；C为试样浓度；K包含了所有的常数。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础由于原子能级是量子化的。除此之外，我们还知道不同的原子对于辐射也会有一定的选择性，并且在原子状态发生转变（基态跃迁为激发态）时，还会从外界吸收一定的能量。这样一来，我们可以根据离子吸收能量的多少判断吸收辐射强度，进而判定微量重金属元素具体含量，这种测定方法在一些重金属离子含量较少、且对测定结果进度要求较高的试验中较为常见。
2 原子吸收光谱分析仪器的组成
目前市面上销售的原子吸收光谱仪根据光谱种类的不同，可分为单光束和双光束两大类，两种类型的仪器在内部主体结构上具有较大的共性，主要的功能性结构包括光源、原子化系统、分光系统和检测系统四大模块。
2.1 光源
水中重金属以离子形式存在，不同金属离子对于光源发出特征光的吸收能力有很大差异，通过捕捉和分析这些信号，将其转化为计算机可识别的电信号，然后进行高精度处理，最终测量出水中各类金属离子的含量。因此，在利用原子吸收光谱仪进行重金属检测时，对于光源的具体性能也提出了严格要求：首先，光源所发出的共振辐射宽度必须低于吸收线的宽度，可以减少检测结果的误差；其次，要求光源稳定性好，一般来说需要至少在20-30min内不发生漂移；再次，为了顺利完成检测过程，使用寿命需要不低于8h。
2.2 原子化器
原子化系统是整个系统的核心组成部分，原子化器的工作效率将会对最终的检测结果产生直接影响。原子化器的功能是提供稳定的能量，保证所取的试验水样品能够尽快地蒸发、干燥、原子化。然后将原子化的样品进行分析、测定。根据对测定结果要求的不同，现阶段可供选择的原子化器种类有四种，分别是火焰原子化器、石墨炉原子化器、冷蒸汽原子化器以及氢化物发生原子化器[3]。
2.3 检测系统
将原子化器测得的数据传输到检测系统中，对水中各类重金属的含量给出一个定量的检测结果，直观的反映出水中各类重金属离子的浓度。
3 原子吸收光谱法测定水中重金属含量的应用
3.1 直接测定法
用取样容器取一定体积的样品水溶液，将其放置实验环境内，使用电磁炉对样品进行加热，使水溶液中的锌、铁、铜等金属离子浓缩15倍，镍、镉重金属离子浓缩100倍。将浓缩后的溶液用空心阴极灯照射，然后运用仪器收集水溶液中各重金属离子的吸光度。用火焰原子吸收光谱法测定地表水中鉀、钠、钙、锰和锌含量，以相应元素的空心阴极灯为光源，空气-乙炔火焰，测定Zn时用（1+1）硝酸酸化至pH≤2.0，测钾时在水样中加入适量NaCl以减少电离干扰，各元素的回归方程的相关系数均达到0.99，Mn和Zn的RSD分别为1.61%、2.56%。
3.2 原子吸收光谱法的改进
新技术的应用和设备的革新是不断提高检测精读的有效方法，尤其是随着计算机分析和数据获取能力的不断提升，为原子吸收光谱法的优化提供了一些借鉴。（1）仪器装置的改进。早期的原子吸收光谱仪需要人工进行样品处理，包括对样品中含有残渣的处理、仪器的清洗等。由于人工处理存在一定的误差，因此很有可能影响最终的测量结果。近年来，日本、德国等推出了一种自动进样器，可以根据设定的标准值自动完成清洁处理、样品稀释和自动清洁等。以火焰原子吸收分析技术为例，在进行仪器装置改良后，其测定结果的灵敏度可以提高2个数量级，并且实现了原子与离子两种物质状态的独立检测。（2）样品的预处理。在取得试验水样品后，为了排除无关要素的干扰，需要对水样品进行预处理，这也是水中重金属测定的第一个环节。样品预处理分为物理处理和化学处理两种：物理处理就是对所取样品进行过滤，筛除水中的固体悬浮颗粒以及水生生物等；化学处理包含两步，第一步是向实验水样品中加入高氯酸，反应时间控制在40min左右，第二步是采用微波消解技术，可以在保证样品成分不受到影响的前提下，避免金属元素的损失[4]。（3）共存组分的干扰和抑制。对试验水样品进行处理的过程中，内部的一些离子不可避免会发生化学反应，生成更加稳定的化合物，并导致物质的量的变化。由于这种干扰的存在，使得测定结果要比实际值更低。因此，必须要尽可能地消除这些干扰，防止各种离子相互反应。
现阶段常用的干扰抑制方法有两种：一是向样品溶液中加入一定量的抑制剂，优先与非金属离子发生化合反应，让金属离子失去反应的游离阳离子，以便于准确测定；二是更改原子化的外部条件，如通过升高试验温度的方式，使一些原本聚合的离子重新解离，保持原状态。
4 结语
水资源的重金属污染对生态环境以及人的健康造成严重威胁。而水资源中的重金属离子种类多，且相互之间容易发生反应，极易对最终的实验测定结果造成干扰。原子吸收光谱法具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，通过改良后可以满足检测需要，从而为下一步进行重金属离子的针对性处理提供了参考。
参考文献
[1]冯新斌，张洪冰.两次金汞齐—冷原子吸收光谱法测定雨水中不同形态汞[J].环境化学，2016，（04）：388-392.
[2]肖珊美，陈建荣，沈玉勤.双硫腙浊点萃取--石墨炉原子吸收光谱法测定环境水样中痕量铅的研究[J].光谱学与光谱分析，2016，26（5）：955-958.
[3]陈建荣，林建军.浊点萃取--火焰原子吸收光谱法测定水样中痕量铜的研究[J].分析试验室，2012，21（5）：86-89.
[4]杨琳.浊点萃取-火焰原子吸收光谱法分析环境样品中不同形态的Cr、Mn、Co和Cu[D].河南：郑州大学，2013.
收稿日期：2018-1-24
作者简介：唐姣荣（1981-），女，硕士研究生，工程师，研究方向为水质检测。
关键词：原子吸收光谱法；基本原理；仪器设备；改进方案
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：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
水資源的重金属污染不仅会降低水质，破坏水生态环境，而且这些重金属还能够在水生生物体内聚集，通过食用严重影响人体健康安全。近年来，随着人们环保意识的增强，对重金属污染水资源的检测力度不断增强。但是由于重金属离子的种类丰富且相互间容易发生化学反应，给检测工作带来很大难度。原子吸收光谱法在测定水中重金属含量、成分等方面得到了广泛应用[1]。该种方法具有灵敏度高、重复性好、抗干扰能力强等特点，具有良好的推广应用效果。
1 原子吸收光谱法的测定原理
原子吸收光谱法（AAS）是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱[2]。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A，在线性范围内与被测元素的含量成正比：A=KC
式中K为常数；C为试样浓度；K包含了所有的常数。此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础由于原子能级是量子化的。除此之外，我们还知道不同的原子对于辐射也会有一定的选择性，并且在原子状态发生转变（基态跃迁为激发态）时，还会从外界吸收一定的能量。这样一来，我们可以根据离子吸收能量的多少判断吸收辐射强度，进而判定微量重金属元素具体含量，这种测定方法在一些重金属离子含量较少、且对测定结果进度要求较高的试验中较为常见。
2 原子吸收光谱分析仪器的组成
目前市面上销售的原子吸收光谱仪根据光谱种类的不同，可分为单光束和双光束两大类，两种类型的仪器在内部主体结构上具有较大的共性，主要的功能性结构包括光源、原子化系统、分光系统和检测系统四大模块。
2.1 光源
水中重金属以离子形式存在，不同金属离子对于光源发出特征光的吸收能力有很大差异，通过捕捉和分析这些信号，将其转化为计算机可识别的电信号，然后进行高精度处理，最终测量出水中各类金属离子的含量。因此，在利用原子吸收光谱仪进行重金属检测时，对于光源的具体性能也提出了严格要求：首先，光源所发出的共振辐射宽度必须低于吸收线的宽度，可以减少检测结果的误差；其次，要求光源稳定性好，一般来说需要至少在20-30min内不发生漂移；再次，为了顺利完成检测过程，使用寿命需要不低于8h。
2.2 原子化器
原子化系统是整个系统的核心组成部分，原子化器的工作效率将会对最终的检测结果产生直接影响。原子化器的功能是提供稳定的能量，保证所取的试验水样品能够尽快地蒸发、干燥、原子化。然后将原子化的样品进行分析、测定。根据对测定结果要求的不同，现阶段可供选择的原子化器种类有四种，分别是火焰原子化器、石墨炉原子化器、冷蒸汽原子化器以及氢化物发生原子化器[3]。
2.3 检测系统
将原子化器测得的数据传输到检测系统中，对水中各类重金属的含量给出一个定量的检测结果，直观的反映出水中各类重金属离子的浓度。
3 原子吸收光谱法测定水中重金属含量的应用
3.1 直接测定法
用取样容器取一定体积的样品水溶液，将其放置实验环境内，使用电磁炉对样品进行加热，使水溶液中的锌、铁、铜等金属离子浓缩15倍，镍、镉重金属离子浓缩100倍。将浓缩后的溶液用空心阴极灯照射，然后运用仪器收集水溶液中各重金属离子的吸光度。用火焰原子吸收光谱法测定地表水中鉀、钠、钙、锰和锌含量，以相应元素的空心阴极灯为光源，空气-乙炔火焰，测定Zn时用（1+1）硝酸酸化至pH≤2.0，测钾时在水样中加入适量NaCl以减少电离干扰，各元素的回归方程的相关系数均达到0.99，Mn和Zn的RSD分别为1.61%、2.56%。
3.2 原子吸收光谱法的改进
新技术的应用和设备的革新是不断提高检测精读的有效方法，尤其是随着计算机分析和数据获取能力的不断提升，为原子吸收光谱法的优化提供了一些借鉴。（1）仪器装置的改进。早期的原子吸收光谱仪需要人工进行样品处理，包括对样品中含有残渣的处理、仪器的清洗等。由于人工处理存在一定的误差，因此很有可能影响最终的测量结果。近年来，日本、德国等推出了一种自动进样器，可以根据设定的标准值自动完成清洁处理、样品稀释和自动清洁等。以火焰原子吸收分析技术为例，在进行仪器装置改良后，其测定结果的灵敏度可以提高2个数量级，并且实现了原子与离子两种物质状态的独立检测。（2）样品的预处理。在取得试验水样品后，为了排除无关要素的干扰，需要对水样品进行预处理，这也是水中重金属测定的第一个环节。样品预处理分为物理处理和化学处理两种：物理处理就是对所取样品进行过滤，筛除水中的固体悬浮颗粒以及水生生物等；化学处理包含两步，第一步是向实验水样品中加入高氯酸，反应时间控制在40min左右，第二步是采用微波消解技术，可以在保证样品成分不受到影响的前提下，避免金属元素的损失[4]。（3）共存组分的干扰和抑制。对试验水样品进行处理的过程中，内部的一些离子不可避免会发生化学反应，生成更加稳定的化合物，并导致物质的量的变化。由于这种干扰的存在，使得测定结果要比实际值更低。因此，必须要尽可能地消除这些干扰，防止各种离子相互反应。
现阶段常用的干扰抑制方法有两种：一是向样品溶液中加入一定量的抑制剂，优先与非金属离子发生化合反应，让金属离子失去反应的游离阳离子，以便于准确测定；二是更改原子化的外部条件，如通过升高试验温度的方式，使一些原本聚合的离子重新解离，保持原状态。
4 结语
水资源的重金属污染对生态环境以及人的健康造成严重威胁。而水资源中的重金属离子种类多，且相互之间容易发生反应，极易对最终的实验测定结果造成干扰。原子吸收光谱法具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，通过改良后可以满足检测需要，从而为下一步进行重金属离子的针对性处理提供了参考。
参考文献
[1]冯新斌，张洪冰.两次金汞齐—冷原子吸收光谱法测定雨水中不同形态汞[J].环境化学，2016，（04）：388-392.
[2]肖珊美，陈建荣，沈玉勤.双硫腙浊点萃取--石墨炉原子吸收光谱法测定环境水样中痕量铅的研究[J].光谱学与光谱分析，2016，26（5）：955-958.
[3]陈建荣，林建军.浊点萃取--火焰原子吸收光谱法测定水样中痕量铜的研究[J].分析试验室，2012，21（5）：86-89.
[4]杨琳.浊点萃取-火焰原子吸收光谱法分析环境样品中不同形态的Cr、Mn、Co和Cu[D].河南：郑州大学，2013.
收稿日期：2018-1-24
作者简介：唐姣荣（1981-），女，硕士研究生，工程师，研究方向为水质检测。
