原子吸收光譜儀在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用和維護(hù)

馮琳，李菊蘭，趙慷，藍(lán)圖，林建奇

(1. 中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 2.北京海光儀器有限公司，北京 100015)

原子吸收光譜儀在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用和維護(hù)

馮琳1，李菊蘭2，趙慷2，藍(lán)圖1，林建奇2

(1. 中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 2.北京海光儀器有限公司，北京 100015)

本文介紹了原子吸收光譜儀的基本結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)論述了原子吸收光譜儀在地質(zhì)勘查中實(shí)際檢測(cè)地質(zhì)樣品時(shí)的注意事項(xiàng)及安全維護(hù)，為科學(xué)、理性、安全以及正確操作該儀器提供幫助和參考。

地質(zhì)；原子吸收；光譜儀；維護(hù)

0 引言

物質(zhì)的本質(zhì)是由原子構(gòu)成的，且所有原子都在以不同的方式在運(yùn)動(dòng)。原子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，可以以輻射或吸收能量的形式表現(xiàn)出來，而原子光譜就是按照波長(zhǎng)順序排列的原子電磁輻射。原子吸收光譜儀就是基于原子的這種特性產(chǎn)生的。

原子吸收光譜儀是一種分析普通金屬以及重金屬的化學(xué)分析儀器。它是根據(jù)蒸氣相中待測(cè)元素的基態(tài)原子對(duì)共振輻射的吸收強(qiáng)度來測(cè)定樣品中元素含量的一種儀器分析方法，基于朗伯比爾定律原則，由輻射特征譜線光被減弱的程度來測(cè)定試樣中待測(cè)元素的含量。因其具有分析速度快、精密度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于食品、石油化工、地質(zhì)巖礦等領(lǐng)域[1]，是實(shí)驗(yàn)室用得最多的一種光譜分析方法。

近年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足對(duì)稀有金屬元素的需求，礦產(chǎn)領(lǐng)域的開采越來越頻繁，尤其地質(zhì)行業(yè)，原子吸收光譜儀的應(yīng)用更加廣泛，如測(cè)試金、錫、硒、銀、鉬等[2-7]。筆者從原子吸收光譜儀結(jié)構(gòu)及原理，論述其在地質(zhì)中的應(yīng)用注意事項(xiàng)和安全維護(hù)。

1 結(jié)構(gòu)和原理

原子吸收光譜儀主要由四個(gè)部分組成：光源(空心陰極燈)、原子化器(火焰燃燒頭和石墨錐、石墨管)、分光系統(tǒng)(單色器)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包括檢測(cè)器以及顯示系統(tǒng))以及其他附加裝置如霧化器、自動(dòng)進(jìn)樣器等，主要裝置組成部分連接見圖1。

圖1 原子吸收光譜儀結(jié)構(gòu)

根據(jù)原子吸收光譜儀原理，檢測(cè)的機(jī)理是基于待測(cè)元素的基態(tài)原子能級(jí)躍遷，那么首先如何對(duì)待測(cè)元素處理，使得待測(cè)元素轉(zhuǎn)為基態(tài)原子是原子吸收光譜儀的關(guān)鍵，也就是完成原子化過程。目前，常用的原子化方式有空氣—乙炔火焰原子化器和石墨爐原子化器，前者的最高原子化溫度范圍為1800～2200 ℃，后者的最高原子化溫度范圍為2800～3000 ℃。

具體分析流程為：

(1)點(diǎn)亮待測(cè)元素的空心陰極燈，并發(fā)射出特定波長(zhǎng)輻射；

(2)火焰法：樣品溶液通過霧化器進(jìn)行霧化處理，并由載氣送入燃燒頭，在空氣—乙炔火焰的燃燒下，樣品溶液被蒸發(fā)、解離為氣態(tài)基態(tài)原子；石墨爐法：樣品由定量進(jìn)樣器手動(dòng)進(jìn)樣或者通過自動(dòng)進(jìn)樣器定量進(jìn)樣至石墨管平臺(tái)，在石墨爐高溫下原子化成氣態(tài)基態(tài)原子；

(3)當(dāng)待測(cè)元素的特征波長(zhǎng)輻射照射到所測(cè)氣態(tài)基態(tài)原子，有一部分輻射被基態(tài)原子吸收，經(jīng)過分光系統(tǒng)的甄別和光電倍增管檢測(cè)器的檢測(cè)，得出輻射減弱情況，把這一弱化程度定性為原子吸收的吸光度；

(4)在一定的濃度比例下，吸光度與樣品中待測(cè)元素濃度成線性關(guān)系，該線性定量遵循朗伯比爾定律，見公式(1)。

(1)

式中：I— 透射光輻射強(qiáng)度；

Io— 發(fā)射光輻射強(qiáng)度；

T— 透射比；

K—— 摩爾吸收系數(shù)；

C—— 待測(cè)試樣濃度；

L— 光程。

由于在原子吸收儀器中，L固定不變，所以A=kC(k為常數(shù))，即k=K×L。

綜上，利用原子的這種固有特性以及光的獨(dú)特原理，在一定濃度下，輻射光的弱化程度和樣品濃度成正比，由此對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行定量測(cè)定。

2 注意事項(xiàng)和安全維護(hù)

2.1 使用條件

(1)乙炔氣純度達(dá)到99 %以上，乙炔氣瓶?jī)?nèi)壓力需大于0.5 MPa，定期檢查乙炔氣管路氣密性(每天檢查需進(jìn)行記錄并簽字，確?？勺匪菪?，防止泄漏；乙炔瓶需有人監(jiān)管和單獨(dú)存放，且存放地點(diǎn)需做好醒目的危險(xiǎn)提醒標(biāo)識(shí)。

(2)火焰法吸收法，需要對(duì)試樣空氣進(jìn)行霧化以及需要空氣參與燃燒。目前，空氣主要由空壓機(jī)產(chǎn)生，在運(yùn)行過程需要定時(shí)1～2 h進(jìn)行排油排水操作(需將關(guān)閉乙炔氣，熄火)，避免油水堵塞霧化器，影響測(cè)試結(jié)果。

(3)石墨爐法吸收法，需要使用氬氣作為石墨管保護(hù)氣，要求純度大于99%，且氣瓶?jī)?nèi)壓力大于0.5 MPa，否則需及時(shí)進(jìn)行更換；同時(shí)，在運(yùn)行監(jiān)測(cè)中需要使用冷凝水對(duì)石墨爐冷卻，需定時(shí)關(guān)注水冷凝機(jī)的液位，避免冷凝機(jī)液位過低，導(dǎo)致無冷凝水或冷凝效果不佳，直接影響檢測(cè)結(jié)果。

(4)石墨爐需要瞬間高壓供電，電源應(yīng)獨(dú)立連接，保證至少220 V、30 A以上的供電，500 W以上的交流穩(wěn)壓電源或UPS。否則，在運(yùn)行過程易出現(xiàn)供電不足，測(cè)試基線不穩(wěn)現(xiàn)象。

(5)儀器要有良好接地，在溫度較高和氣候潮濕地區(qū)，應(yīng)為儀器房間安裝空調(diào)和去濕機(jī)，使室內(nèi)相對(duì)濕度不大于85%，溫度保持在10～35 ℃之間。

2.2 火焰法原子光譜儀安全維護(hù)情況

(1)火焰法原子吸收測(cè)量時(shí)，優(yōu)化匹配的條件如燃燒頭位置、燃?xì)饧爸細(xì)饬髁颗浔?、霧化器的情況。由于測(cè)定速度快，需先測(cè)定樣品的大概吸光度，再配制曲線，并確定樣品是否稀釋，不能盲目的檢測(cè)樣品。

(2)除了干凈透明的水樣外，基本所有樣品均要進(jìn)行濕化學(xué)法前處理，準(zhǔn)確判斷消解的是否徹底是很重要的，需要觀察消解液是否澄清透明。如果有纖維狀異物，需進(jìn)行過濾處理，否則容易堵塞霧化器，引起一系列的儀器檢測(cè)故障。

(3)火焰法測(cè)定時(shí)，如果乙炔或空氣壓力過低，會(huì)造成鋼瓶?jī)?nèi)溶解物進(jìn)入管路，從而堵塞乙炔氣路，并導(dǎo)致無法點(diǎn)火。空氣是由空壓機(jī)產(chǎn)生的，需做好及時(shí)的排油排水(需將關(guān)閉乙炔氣，熄火)；操作之前需要檢查乙炔氣瓶的壓力顯示，一旦小于0.5 MPa，需要進(jìn)行更換。

(4)霧化器的霧化效率直接影響靈敏度。檢查霧化效率方法如下：霧化器的結(jié)構(gòu)為撞擊球，是固定的且為玻璃材質(zhì)。首先關(guān)乙炔氣且熄火，空氣流量不變，為避免玻璃霧化器撞擊球損壞，需等力矩緩慢旋開霧化器固定螺栓取出霧化器，采用純水代替樣品進(jìn)樣，觀察霧化器排出的水霧應(yīng)均勻、密集，不凝結(jié)水珠。若出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，可通過調(diào)整撞擊球和噴嘴的距離進(jìn)行解決。

(5)點(diǎn)火時(shí)，先少量開乙炔氣，點(diǎn)燃后再緩慢按配置比調(diào)整，避免直接出現(xiàn)閃爆現(xiàn)象。排廢管需要打結(jié)預(yù)存廢水密封，避免空氣倒吸，避免閃爆危險(xiǎn)。

2.3 石墨爐法原子光譜儀安全維護(hù)情況

(1)石墨爐法原子吸收測(cè)量主要測(cè)試對(duì)象為元素痕量分析，一般在測(cè)試之前先用火焰法測(cè)試大概的靈敏度，再選擇稀釋倍數(shù)，否則濃度過高會(huì)造成石墨管被污染，造成石墨管損壞。

(2)由于是痕量測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求很高，測(cè)試之前需開抽風(fēng)機(jī)，且實(shí)驗(yàn)室密閉確保無塵。樣品瓶、樣品杯、容量瓶等接觸樣品的容器需20%硝酸浸泡24 h后，再多次去離子水沖洗，烘干待用，否則會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)石墨爐法測(cè)試時(shí)，當(dāng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD較大時(shí)(RSD10%)，考慮的原因有：①氬氣純度及氬氣瓶的瓶?jī)?nèi)壓力是否合格，純度應(yīng)99%，壓力應(yīng)0.5 MPa；②檢查石墨管平臺(tái)是否移位變形，石墨管進(jìn)樣口是否堵塞；③進(jìn)樣器的針頭是否垂直，以及詳細(xì)檢查進(jìn)樣時(shí)樣品液珠是否剛好處于切線位置滴進(jìn)石墨管平臺(tái)；④石墨管內(nèi)表面以及進(jìn)樣孔是否干凈，采用濾紙進(jìn)行清理；⑤溫度傳感器的濾光片表面是否清潔，傳感器位置是否偏移；⑥檢查冷凝水是否正常制冷，冷凝水機(jī)的水位是否正常，冷卻溫度不一致，直接影響到石墨爐的溫度不一致，導(dǎo)致原子化效率下降，而且出現(xiàn)重現(xiàn)性差的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

原子吸收光譜儀在地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用，作為一種輔助地質(zhì)領(lǐng)域的研究和開發(fā)的金屬元素分析儀器，需要操作人員進(jìn)行科學(xué)、合理的使用和維護(hù)，才能確保測(cè)量準(zhǔn)確、安全分析并保證使用壽命。本文通過結(jié)構(gòu)原理闡述了原子吸收光譜儀的使用和維護(hù)，為地質(zhì)分析檢測(cè)工作提供理論和實(shí)踐支持。

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2017-06-20

馮琳(1968-)，女，中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司工程師，主要從事安全項(xiàng)目管理工作，Tel：010-64789366，E-mail：fenglin@cgeg.com.cn。

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