原子吸收分光光度法测定奶粉中钙

^＊实验19　原子吸收分光光度法测定奶粉中钙

一、目的

掌握原子吸收分光光度法定量测定钙的方法，奶粉的消解处理，试验影响测定钙的因素，了解原子吸收分光光度计的结构以及使用、维护方法。

二、内容提要

在原子吸收分光光度法中，一般由空心阴极灯提供特定波长的辐射，即待测元素的特征谱线。由喷雾－火焰燃烧器或石墨炉等原子化装置使试样中的待测元素分解为气相状态的基态原子。当空心阴极灯的辐射通过原子蒸气时，特定波长的辐射部分地被基态原子所吸收，经单色器分光后，通过检测器测得其吸收前后的强度变化，从而求得试样中待测元素的含量。

原子吸收分光光度法建立至今已有半个多世纪，它适合于微量元素组分的定量分析，已可测定70多种元素。它优点是灵敏度高、选择性好、操作简单、快速和准确度好，在一般条件下，其相对误差约在1％～2％之间。因此，得到了广泛应用，成为各个部门实验室对物质进行定量分析的常规手段之一。但由于分析不同元素时，必须换用不同的元素灯，给多元素同时分析带来了困难。

在使用锐线光源和低浓度的情况下，基态原子蒸气对被测元素特征谱线的吸收符合比尔定律

式中A为吸光度，I₀为入射光强度，I为经原子蒸气吸收后的透射光强度，K为吸光系数，L为辐射光穿过原子蒸气的光程长度，N₀为基态原子密度。

当试样原子化，火焰的绝对温度低于3 000K时，可以认为原子蒸气中基态原子的数目实际上接近于原子总数。在固定的实验条件下，原子密度与试样浓度c的比例是恒定的，则上式可记为

式中K′为一定实验条件下的常数。此式就是原子吸收分光光度法的定量基础。定量校准方法可用标准曲线法或标准溶液加入法等。

火焰原子化法是目前使用最广泛的原子化技术。火焰中原子的生成是一个复杂的过程，其最大吸收部位是由该处原子生成和消失的速度决定的。它不仅与火焰的类型及喷雾效率有关，而且还因元素的性质及火焰燃料气与助燃气的比例、火焰的不同部位等不同而异。为了获得较高的灵敏度，像钙、锶等与氧化合反应较快的碱土金属，宜选用富燃气的火焰，在火焰上部的浓度较低。

实验测定奶粉中钙的含量。奶粉用浓硝酸在电热板上消解，在422.7nm波长处对钙原子进行测量。同时试验钾离子、磷酸根离子对钙的影响。

三、仪器和试剂

1.仪器

WFX－110原子吸收分光光度计（附钙空心阴极灯）

空气钢瓶或WM－2B型无油气体压缩机

乙炔钢瓶

可调电热炉

容量瓶　50mL 14个，100mL 2个

吸量管　5mL 1支

移液管　5mL 1支

烧杯　50mL 2个，100mL 1个

玻璃三角漏斗 1个

2.试剂

钙的储存标准溶液　1.000mg·mL^－1：取无水CaCO₃在120℃烘箱中烘2h，取出，在干燥器中冷却后称取0.6243g，加去离子水20～30mL，滴加2mol·L^－1盐酸至CaCO₃完全溶解，移入250mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀

钙的工作标准溶液　100μg·mL^－1：取10.0mL钙的储存标准溶液于100mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀

钾标准溶液　10mg·mL^－1：用分析纯KCl配制

磷标准溶液　含磷10mg·mL^－1：用分析纯NaH₂PO₄配制

H₂O₂（30％）

浓硝酸

四、实验步骤

1.系列标准溶液的配制

取6个50mL容量瓶，依次加入0.5、1.00、1.50、2.00、2.50及3.00mL浓度为100μg· mL^－1钙的工作标准溶液，用去离子水稀释至刻度，摇匀。

2.样品试液的配制

称取奶粉0.2000g于50mL烧杯中，加数滴去离子水润湿，加10mL浓硝酸，盖上表面皿。放置在电热板上调至200℃缓缓加热分解，煮沸5～10min，待冒出的棕黄色烟变淡时，冷却，滴加10滴H₂O₂，继续加热分解，煮沸数分钟。若试液不清，冷却后补加3mL浓硝酸，加热，必要时再加10滴H₂O₂。如此反复，直到消解完全。冷却后，定量转入100mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀后用定性滤纸，在三角漏斗中过滤，滤液备用。同时平行做空白试液。

3.标准加入法工作溶液的配制

取4个50mL容量瓶，各加入5.0mL试样溶液，然后依次加入0.00、1.00、2.00及3.00mL浓度为100μg·mL^－1钙的工作标准溶液，用去离子水稀释至刻度，摇匀待测。

4.含钾、磷的试样溶液的配制

取3个50mL容量瓶，各加入5.00mL试样溶液，于其中1个加入4.00mL 10mg·mL^－1钾离子液，另1个加4.00mL含磷10mg·mL^－1的溶液，还有1个不加任何溶液。另取1个50mL容量瓶，加入分解试样的空白溶液5.00mL，最后，用去离子水将4个容量瓶均定容，摇匀备用。

5.吸光度的测量

打开WFX－110原子吸收分光光度计的灯室，装上钙空心阴极灯。开启仪器，测定所有试液吸光度，用空白溶液调零。WFX－110原子吸收分光光度计的使用操作见附录。

五、数据处理

1）以钙的系列标准溶液的吸光度绘制标准曲线或拟合线性方程。根据未知试样溶液的吸光度，求出奶粉中的钙含量。

2）以钙的标准加入法工作溶液测得的吸光度绘制工作曲线，将其外推，求得奶粉中钙的含量。或拟合线性方程，求得奶粉中的钙含量。

3）比较两种定量标准方法的结果。

4）比较共存钾、磷元素对测量的影响，进行讨论。

六、思考题

1.原子吸收分光光度计为什么要用待测元素的空心阴极灯作光源？

2.在原子吸收光度分析中，什么情况下要用标准加入法？

3.雾化室的排废液管子内，为什么要保持液封而不能直接通大气？

七、实验拓展

试验火焰燃气、助燃气比例，火焰高度对测定钙的影响。

八、附录

WFX110原子吸收分光光度计

（1）原理及性能

WFX110原子吸收分光光度计由北京瑞利仪器公司生产，其工作原理是利用光源发出被测元素的特征光谱辐射，被火焰等原子化器产生的样品蒸气中的待测元素基态原子所吸收，通过测定特征辐射被吸收的大小，求出被测元素的含量。

仪器由主机和微型计算机组成，见图5－1。主机的雾化燃烧结构见图5－2。仪器的波长范围为190～900nm；波长准确度为±0.5nm；分辨率优于0.3nm（用锰灯检查，应能分开其279.5nm和279.8nm双线）；空气－乙炔火焰时，对Cu 324.7nm的特征浓度为0.05mg·L^－1，检出限为0.008mg·L^－1。

图5-1　WFX110原子吸收分光光度计

图5-2　雾化燃烧室结构

仪器使用的空心阴极灯用方波脉冲调制，分光系统采用C－T型单色器，1 800条·nm^－1的平面衍射光栅（闪耀波长为250nm），单色器的光谱带宽为0.1、0.2、0.4、1.2nm。单光束原子化系统，火焰法预混合型燃烧器配有100mm 及50mm单缝火焰发射燃烧头，并用自动点火方式。采用微型计算机实时数据处理，系统的测量方式有吸光度、浓度、发射光强度；读出方式有瞬时值、积分值、峰面积值；显示方式有数据、信号图形、拟合曲线等。信号处理功能有标准曲线与标准加入法，标准数1～10个（任选）。此外可存储工作条件、分析数据、信号轮廓图等。瞬时信号图形可重叠显示，便于观察瞬时信号变异，为优化条件提供更为直观的信息。

仪器还具有火焰熄灭安全保护及报警、空气压力不足安全保护及报警、气路燃气漏气安全保护及报警等功能。在背景校正方面，除氘灯背景校正技术外，还采用自吸效应背景校正技术。

自吸效应背景校正技术的原理是对光源空心阴极灯施加两种宽度和幅度不同的周期性脉冲电流，在宽脉冲低电流供电期间，灯的发射线为正常谱线宽度，而在窄脉冲高电流供电期间，灯的发射谱线展宽并产生程度不同的自吸收现象。由分子吸收或光散射产生的背景吸收是宽带吸收，因而不受发射谱线展宽及自吸收的影响，对正常谱线和自蚀谱线的吸收是相同的。而样品中待测的原子在发射线展宽和自吸收时所产生的吸收大大减少。根据这一原理，测量正常谱线产生的吸收信号含有原子吸收加背景吸收，而测量自吸谱线产生的吸收信号只含有小部分原子吸收加背景吸收。两者的差值则为校正了背景的原子吸收信号。

（2）仪器的使用要求

1）气源要求及使用。

压缩空气可由空气压缩机得到，其出口压力调整到0.41MPa（火焰法必用）。

乙炔气可使用乙炔钢瓶。装满乙炔的钢瓶压力在1.5MPa左右，使用时应配乙炔气专用压力调节器（也称减压阀），出口压力不小于0.05MPa，但亦不大于0.07MPa。使用中当钢瓶的压力降为0.5MPa左右时，应停止使用，另换新的乙炔钢瓶。钢瓶提供乙炔气体纯度为分析用纯度（99.6％～99.9％）。

图5-3　乙炔钢瓶及压力调节器

①乙炔钢瓶的使用。应购置乙炔钢瓶专用的气源压力调节器，安装在乙炔钢瓶上。使用压力调节器时，先用钢瓶总阀门开启工具启闭钢瓶总阀。钢瓶应竖直安放，并且放置牢固可靠，不易倾倒。见图5－3。

注意！a.乙炔气源应安放在实验室外通风良好的地方，并用合格的可供通燃气用的管道将气体引入实验室内。输送乙炔的管道系统严禁使用黄铜和银制材料。乙炔气源存放处应设有防火警告标志，并备有灭火器。b.乙炔气源附近严禁明火或过热高温物体存在。c.乙炔气源不应与氧化性气源放在一起。

②氧气钢瓶的使用。氧气气源一般用钢瓶存放。使用钢瓶时，要配压力调节器。调节器出口压力调节范围在0～0.25MPa为最佳。通氧气的管道内应保证清洁，以防堵塞气路元件。

注意！氧气钢瓶不可与乙炔钢瓶放在一起。

2）仪器的废液及排风要求。

①废液的排放。废液管是长为1.5m，外径为8mm的塑料管，管路连接在雾化系统的废液嘴（在雾化室的前下方）上，以排除雾化时产生的废液。将塑料管在中部绕一直径约15cm的圆环并加以固定，在塑料管内加少量的水，使其存留在圆环处，保持液面高度为半个圆环以上，构成水封，以使雾化器内部与外界大气隔绝。将废液管下端伸入一个5～10L容量的塑料桶内，但不要插入废液筒液面，也不要把废液管直接插入实验室废水系统，以免腐蚀管路。

②排风。使用原子吸收分光光度计进行分析测定时，有多种气态物质生成，因此实验室应有排风设备。抽风口应装置在仪器的原子化器上方。

排风量大小，以一张纸贴在抽风口处，能被轻轻吸住为宜。太大，影响火焰稳定性；太小，起不了抽风作用。排风扇的排风量一般要求为10～20m³·min^－1，视排风管道大小、长短、走向而定。

（3）使用操作

1）开机自检。

①开启电源。先启动计算机。检查雾化室前的液封。再打开原子吸收分光光度计主机电源。

②双击快捷方式“Wfxstop”，进入仪器控制程序，进行仪器初始化、自检。

2）测定方法设置。

自检完成后，点击文件菜单中“创建”，进入方法编辑。

①主页面。光源：火焰，元素：Ca或其他测定元素，波长：（仪器自动配置），狭缝：0.2，灯号：1。

②仪器参数。分析人员：（自设），信号类型：原子吸收，测量方式：时间平均，阻尼：2。

③标准曲线。浓度单位：mg·L^－1，方程：linear，重复次数：3，空白：√，STD Conc.：（操作者自设）。

3）测量前的准备。

①点灯。点击工具条中“Start”，选择灯类型：HCL（普通空心阴极灯），灯电流：2.5mA，负高压：（仪器自动调制）。确认后，点击“设置”、“寻峰”，点燃空心阴极灯，通过能量扫描，确定实际工作波长。

②对光。查验燃烧器单缝上方的聚焦光斑，调节燃烧器位置，左旋纽调前后，右旋纽调上下，见图5－2。应使光斑在缝中心位置，高度合适（采集最佳信噪比一般为10～20mm）。

③进入测量程序。点击“Data”、“Calib”、“Signal”，打开数据表、信号图、标准曲线图。点击信号图左下角“设置”，可设信号图的纵坐标（一般为0～0.2）、横坐标（时间范围可设得长些）。

图5-4　调节流量面板

④点火。开空气压缩机开关（流量约为6L·min^－1），开排风，打开乙炔钢瓶总阀，顺时针转动减压阀，调节气压0.05～0.06MPa，见图5－3。再调节流量面板上的燃气调节钮，见图5－4，逆时针旋开燃气阀2～3圈，便有乙炔放出。按一下“点火”键，点燃火焰。调节乙炔流量（约为1.2L·min^－1），使之呈现合适的火焰。

4）测量。

①吸入去离子水，点击工具条“Zero”校零。

②标准曲线测量。依次从稀到浓进样。将进样管伸入试样溶液，点击“Read”，数据即列于数据表中。

注意！a.第一份应测空白（去离子水）；b.进样后不要立即读数，应待信号达峰顶基本走平（即右下角数据稳定）后再读数；c.每次读完后应待表中出现数据，才能换上去离子水清洗系统；d.吸入去离子水至信号回到基线后，方可进下一份试样。

③未知样测量。测完所有标样后，即得到标准曲线图。再进未知样，显示未知样测量结果。

④若点击数据表的“清除”，即为开始新一组试样的测量，重复①～③步骤。

⑤打印。分别选中（点蓝）。打印实验数据表和标准曲线图。

⑥结束工作。退出测量程序。关闭乙炔钢瓶总阀，待火焰灭后，放松减压阀，按“点火”键复位，关闭燃气阀。移开去离子水。按下无油气体压缩机右侧“手动放水”按钮，放水气。关闭压缩机、关闭排风。依次关闭主机、计算机的电源开关。

参考文献

［1］朱世盛编.仪器分析.上海：复旦大学出版社，1983，246

［2］W·斯拉文著.冶金部钢铁研究院化学室译.原子吸收光谱分析.北京：冶金工业出版社，1977，88

［3］北京瑞利仪器公司.WFX110型原子吸收分光光度计使用说明书，1997