原子吸收法在土壤重金属测定中的应用
土壤中重金属的测定（一）
——原子吸收分光光度法
内容提纲
1. 原子吸收分光光度法原理
2. 原子吸收光谱仪
2.1 火焰原子吸收光谱仪
(1)喷雾器
通常采用气动同轴型喷雾器，以具有一定压力的压缩空气作为助燃气进人喷雾器，从试样毛细管周围高速喷出，并在前端形成负压。试液沿毛细管吸人再喷出，被快速通入的助燃气分散成气溶胶体，形成约10 μm的雾滴。雾滴愈细其愈易干燥、熔化，气化生成自由原子蒸气就愈多，测定灵敏度也就愈高。
毛细管喷口的前端几毫米处放置一个撞击球，使试液雾滴进一步分散成更细小的雾滴，以提高雾化效率。
(2) 雾化室
燃气(C2H2)在雾化室内与试液的细小雾滴混合，雾化室内部安装的扰气叶轮，既可使气、液混合均匀，也可使大的液滴凝聚后从带有水封的废液排出口排出 (水封可防止C2H2,Air逸出)。
雾化室的记忆效应要小、废液排出要快。
(3) 燃烧器
燃烧器的作用是使样品原子化。
被雾化的试液进人燃烧器，在燃烧的火焰中蒸发、干燥形成气固态气溶胶雾粒，再经熔化、受热离解成基态自由原子蒸气，原子化效率约为10%。
为保证大量基态自由原子的存在，燃烧器火焰的温度要适当，若火焰温度过高会引起基态原子的激发或电离，使测试灵敏度降低。
Air-C2H2 火焰是应用最广泛的一种火焰，最高温度为2300°C，能测定35种以上的元素。当调节燃气和助燃气的体积比例时，可获得三种不同类型的火焰:
贫燃性火焰(蓝色) Air : C2H2=(5~6) : 1,由于助燃气多，燃烧完全，火焰呈强氧化性，温度高，发射背景低，适用于不易氧化的元素的测定，如 Ag、Au、Cu、Pb、Cd、Co、Ni、Bi、Pd和碱土金属的测定。
化学计量性火焰(中性) Air : C2H2=4 : 1,火焰呈氧化性、发射背景低、噪声低，适用于30多种金属元素的测定。如钴、 镍、 铁等，贫燃火焰测定的元素也可使用该种火焰
富燃性火焰(黄色) Air : C2H2=(2~3) : 1,火焰呈还原性，发射背景强、噪声高，温度低，适用于难离解且易氧化元素的测定。如Cr、Mo、Sn和稀土元素的测定。
Air-C2H2 火焰火焰不适于测定高温难熔元素和吸收波长小于220nm锐线光的元素(如As、Se、Zn、Pb)。
2.1 火焰原子吸收光谱仪
优点：火焰原子化法具有操作简便、重现性好的优点，已成为原子化的主要方法
缺点：但它的雾化效率低，到达火焰参与原子化的试液，仅占10%，而大部分试液却由废液管排掉了，对试样量少或贵重试样分析就受到限制。
另外基态原子在火焰上原子化区停留的时间很短，只有10-3 s左右，从而限制了灵敏度的提高。
此外火焰原子化法不能对固体试样直接进行测定。
2.2 石墨炉原子吸收光谱仪
1. 利用低压(10~25 V)、大电流(300 A)来加热石墨管，可升温至3000℃，使管中的少量液样或固样蒸发和原子化
2. 石墨管长30~60mm,外径6mm、内径4mm,管上有孔，中间小孔用于注人试液。
3. 石墨炉要不断的通人惰性气体(Ar或N2),以保护原子化的基态原子不再被氧化，并用以清洗和保护石墨管。为使石墨管在每次分析之间能迅速降至室温，从上面冷却水入口通如20℃的水以冷却石墨炉原子化器。
2.2 石墨炉原子吸收光谱仪
l 管式石墨炉使试样原子化的程序和作用：
l 干燥(120~150℃，30~60 s)：蒸发溶剂，防止溶液爆沸、低温长时间干燥
l 灰化(或分解，400~1300 ℃, 10~30 s)：组分分离，共存物质挥发，测定元素不损失 测定元素形态一致
l 原子化(1200~2500 ℃，3~5 s)：待测元素原子化，确保待测元素原子化充分
l 高温净化(除残2600~3000℃， 5 s) ：净化石墨管，清除石墨管内残存物质，高温净化时间要短，以防止损坏石墨炉。
3. 测定原理
Ⅰ. 火焰原子吸收分光光度法（HJ 491-2019）
原理：
土壤和沉积物经酸消解后，试样中铜、锌、铅、镍和铬在空气-乙炔火焰中原子化，
其基态原子分别对铜、锌、铅、镍和铬的特征谱线产生选择性吸收，其吸收强度在一定范围内与铜、锌、铅、镍和铬的浓度成正比。
Ⅱ. 石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17141-1997）
原理：
采用盐酸/硝酸/氢氟酸/高氯酸全消解的方法，彻底破坏土壤的矿物晶格，使试样中的待测元素全部进入试液。然后，将试液注入石墨炉中。经过预先设定的干燥、灰化、原子化等升温程序使共存基体成分蒸发除去，同时在原子化阶段的高温下铅、镉化合物离解为基态原子蒸气，并对空心阴极灯发射的特征谱线产生选择性吸收。在选择的最佳测定条件下，通过背景扣除，测定试液中铅、镉的吸光度。
4. 样品前处理
Ⅰ. 电热板消解法
l 称取 0.2 g～0.3 g（精确至 0.1 mg）样品（ 0.15mm，100 目）于 50 ml 聚四氟乙烯坩埚中，用水润湿后加入 l0 ml 盐酸（浓），于通风橱内电热板上 90℃～100℃加热，使样品初步分解，待消解液蒸发至剩余约 3 ml 时，加入 9 ml 硝酸（浓），加盖加热至无明显颗粒。（析出金属元素）
l 加入 5 ml～8 ml 氢氟酸（浓），开盖，于 120℃加热飞硅 30 min。（破坏土壤晶格）
l 稍冷，加入 1 ml 高氯酸（浓），于150℃～170℃加热至冒白烟，加热时应经常摇动坩埚。（破坏土壤有机质）
l 若坩埚壁上有黑色碳化物，加入 1 ml 高氯酸加盖继续加热至黑色碳化物消失，再开盖，加热赶酸至内容物呈不流动的液珠状（趁热观察）。【豌豆粒大小、黄色透明液珠】
l 加入 3 ml 硝酸溶液（1+99），温热溶解可溶性残渣，全量转移至 25 ml 容量瓶中，用硝酸溶液（1+99）定容至标线，摇匀，保存于聚乙烯瓶中，静置，取上清液待测。
l 于 30 d 内完成分析。
Ⅱ. 石墨电热消解法
l 称取 0.2 g～0.3 g（精确至 0.1 mg）样品于 50 ml 聚四氟乙烯消解管中，用水润湿后加入 5 ml 盐酸，于通风橱内石墨电热消解仪上 100℃加热 45 min。
l 加入 9 ml 硝酸加热 30 min，加入 5 ml 氢氟酸加热 30 min，稍冷，加入 1 ml 高氯酸，加盖 120℃加热 3 h；开盖，150℃加热至冒白烟，加热时需摇动消解管。
l 若消解管内壁有黑色碳化物，加入 0.5 ml 高氯酸（5.4）加盖继续加热至黑色碳化物消失，开盖，160℃加热赶酸至内容物呈不流动的液珠状（趁热观察）。
l 加入 3 ml 硝酸溶液（5.12），温热溶解可溶性残渣，全量转移至 25 ml 容量瓶中，用硝酸溶液定容至标线，摇匀，保存于聚乙烯瓶中，静置，取上清液待测。于 30 d 内完成分析。
Ⅲ. 微波消解法（HJ 832-2017 土壤和沉积物 金属元素总量的消解 微波消解法）
l 准确称取 0.2 g～0.3 g（精确至 0.1 mg）样品于消解罐中，用少量水润湿后加入3 ml 盐酸、6 ml 硝酸、2 ml 氢氟酸，样品和消解液充分混匀。若有剧烈化学反应，待反应结束后再加盖拧紧。将消解罐装入消解。罐支架后放入微波消解装置的炉腔中，确认温度传感器和压力传感器工作正常。
l 待罐内温度降至室温后在防酸通风橱中取出消解罐，缓缓泄压放气，打开消解罐盖。
l 将消解罐中的溶液转移至聚四氟乙烯坩埚中，用少许实验用水洗涤消解罐和盖子后一并倒入坩埚。将坩埚置于温控加热设备上在微沸的状态下进行赶酸。
l 待液体成粘稠状时，取下稍冷，用滴管取少量硝酸冲洗坩埚内壁，利用余温溶解附着在坩埚壁上的残渣，之后转入 25 ml 容量瓶中，再用滴管吸取少量硝酸重复上述步骤，洗涤液一并转入容量瓶中，然后用硝酸定容至标线，混匀，静置 60 min 取上清液待测。
l 注意：
l 微波消解后若有黑色残渣，表明碳化物未被完全消解。在温控加热设备上向坩埚中补加 2 ml硝酸、1 ml 氢氟酸和 1 ml 高氯酸，在微沸状态下加盖反应 30 min 后，揭盖继续加热至高氯酸白烟冒尽，液体成粘稠状。上述过程反复进行直至黑色碳化物消失。
l 由于土壤、沉积物样品种类多，所含有机质差异较大，微波消解的硝酸、盐酸和氢氟酸用量可根据实际情况酌情增加。
5. 试样的测定
l 设置仪器参数，调节仪器至最佳工作状态
l 标准曲线的建立: 取 100 ml 容量瓶，按表 2 用硝酸溶液（1%）分别稀释各元素标准使用液，配制成标准系列。按照仪器测量条件，用标准曲线零浓度点调节仪器零点，由低浓度到高浓度依次测定标准系列的吸光度，以各元素标准系列质量浓度为横坐标，相应的吸光度为纵坐标，建立标准曲线。至少配制 6 个浓度点（含零浓度点）
l 试样测定：按照与标准曲线的建立相同的仪器条件进行试样的测定。
l 空白试验：按照与试样测定相同的仪器条件进行空白试样的测定。
6. 结果计算
7. 样品前处理（石墨炉法）
l 准确称取0.1~0.3g (精确至0. 002g)试样于60 ml聚四氟乙烯坩锅中，用水润湿后加入5ml盐酸，于通风橱内的电热板上低温加热，使样品初步分解。
l 当蒸发至约2~3ml时，取下稍冷，然后加入5ml硝酸， 2ml 氢氟酸， 2ml 高氯酸，加盖后于电热板上中温加热1小时左右，然后开盖，继续加热除硅，为了达到良好的飞硅效果，应经常摇动坩埚。
l 当加热至冒浓厚高氯酸白烟时，加盖，使黑色有机碳化物充分分解。
l 待坩埚上的黑色有机物消失后，开盖驱赶白烟并燕至内容物呈粘稠状。视消解情况，可再加入2ml硝酸, 2ml 氢氟酸, 1ml高氯酸, 重复上述消解过程。当白烟再次基本冒尽且内容物呈粘调状时，取下稍冷，用水冲洗坩埚盖和内壁，并加入1ml硝酸溶液(1+5) 温热溶解残渣。
l 然后将溶液转移至25 ml容量瓶中，加入3ml 磷酸氢二铵溶液冷却后定容，摇匀备测。
8. 注意事项
湿法消解注意事项：
l 样品称取后要用水进行湿润
l 注意加酸顺序和加酸时间
l 消解时注意观察，各种酸的用量视消解情况酌情补加
l 注意控制消解温度
l 赶酸要充分
l 消解必须完全，但要防止出现样品干烧现象
l 消解时间长，酸雾对实验人员伤害较大，做好防护
微波消解注意事项：
l 若样品加酸后有剧烈化学反应，务必待反应结束后再将溶样杯装入消解罐中密封。
l 确保消解罐压力块松紧适当，过松密封不严影响消解效果，过紧可能造成罐内压力增大发生爆裂。
l 严禁使用高氯酸进行消解，容易发生爆炸危险。
l 消解温度压力设定不要超过仪器上限，以免发生爆炸危险。
l 若因压力过大造成爆裂或泄压，该样品作废应重新消解。
l 消解所用酸量可根据实际情况酌情增加，但总体积不得超过30ml，否则易造成压力增高发生爆炸危险
l 消解后一定要冷却至接近室温才能打开罐盖，否则易发生危险。
l 消解后若有黑色残渣，说明碳化物未完全消解，可在电热板上加适量酸继续加热消解，直至黑色碳化物消解完全为止。
9. 质量控制
l 每批样品至少做 2 个实验室空白，空白中锌的测定结果应低于测定下限，其余元素的测定结果应低于方法检出限。
l 每次分析应建立标准曲线，其相关系数应≥0.999。
l 每 20 个样品或每批次（少于 20 个样品/批）分析结束后，需进行标准系列零浓度点和中间浓度点核查。零浓度点测定结果应低于方法检出限，中间浓度测定值与标准值的相对误差应在±10%以内
l 每 20 个样品或每批次（少于 20 个样品/批）应分析一个平行样，平行样测定结果相对偏差应≤20%
l 每 20 个样品或每批次（少于 20 个样品/批）应同时测定 1 个有证标准样品，其测定结果与保证值的相对误差应在±15%以内；或每 20 个样品或每批次（少于 20 个样品/批）应分析一个基体加标样品，加标回收率应在 80%～120%之间。
10. 干扰与消除
l 化学干扰：改变火焰温度、加入释放剂、加入保护络合剂、加入缓冲剂/加入助熔剂、利用高温火焰消除干扰、选择适当的测定条件、化学分离、标准加入法等
l 物理干扰：标准加入法、内标法、样品稀释法
l 电离干扰：选择合适的火焰种类和火焰温度、加入消电离剂
l 光谱干扰：选择被测元素的其他分析线、预先分离干扰元素、减少狭缝宽度、选合适惰性气体，高纯度阴极材料
l 背景干扰：氘灯法、塞曼法、邻近非吸收线扣除法
10.1 化学干扰与消除
l 化学干扰是原子吸收光谱分析中的主要干扰，它与被测元素本身的性质和在火焰中引起的化学反应有关。
l 产生化学干扰的主要原因：是由于被测元素不能全部从它的化合物中解离出来，从而使参与锐线吸收的基态原子数目减小，而影响测定结果的准确性。
l 由于产生化学干扰的因素多种多样，消除干扰的方法要视具体情况而不同:
① 改变火焰温度：对由于生成难熔、难解离化合物的干扰，可以通过改变火焰的种类、提高火焰的温度来消除。
如：在Air-C2H2火焰中PO43-对钙的测定有干扰、铝对镁的测定有干扰，当改用
② 加入释放剂：向试样中加入一种试剂，使于扰元素与之生成更稳定、更难解离的化合物，而将待测元素从其与干扰元素生成的化合物中释放出来。
例如：测Mg2+时铝盐会与镁生成MgAl2O4, 难熔晶体，使镁难于原子化而干扰测定。若向试液中加人释放剂SrCl，其可与铝结合生成稳定的SrAl2O4, 而将镁释放出来。
又如：磷酸根会与钙生成难解离化合物而干扰钙的测定，若加人释放剂LaCl3，则由于生成了更难解离的La(PO4)3,而将钙释放出来。
③ 加入保护络合剂：保护络合剂可与待测元素生成稳定的络合物，而使待测元素不再与干扰元素生成难解离的化合物而消除干扰。
例如：PO43-干扰钙的测定，当加入络合剂EDTA后，钙与EDTA生成稳定的鳌合物，而消除PO43-的干扰
④ 加人缓冲剂：加入缓冲剂即向试样中加入过量的干扰成分，使干扰趋于稳定状态，此含干扰成分的试剂称为缓冲剂。
例如：用N2O-C2H2火焰测钛时，铝有干扰，难以获准确结果，当向试样中加入铝盐使铝的浓度达到200 ug/mL时，铝对钛的干扰就不再随溶液中铝含量的变化而改变，从而可准确测定钛。但这种方法不很理想，它会大大降低测定的灵敏度。
10.2 化学干扰与消除
l 石墨炉原子吸收光度法，常用基体改进剂的要求：
l 基体改进剂必须是“超纯的”；
l 改进剂应是在石墨炉允许温度下，易于分解挥发除尽；
l 改进剂不能引入对分析元素新的干扰或背景吸收干扰；
l 改进剂不得对石墨材料有腐蚀作用，包括高温侵蚀；
l 改进剂的应用效果评价应是多方面的，不能片面追求某一方面的效果。
石墨炉原子吸收光度法，常用基体改进剂：
l 金属盐类化合物：属于热稳定型的改进剂，它既可以与基体形成热稳定化合物，使之更好地与易挥发分析元素分离，减少干扰，也可以与分析元素形成热稳定化合物或合金，减少灰化损失，可提高灰化温度与易挥发基体更好地分开。
l Pd+Mg(NO3)2溶液，机理：在干燥阶段Pd、Mg以氧化物的形式穿透到涂层下的石墨中。灰化阶段待测元素与Pd、Mg形成非常牢固的共价键使被测元素能够承受更高的灰化温度，原子化阶段被气化形成吸收峰。
l 铵盐和无机酸：用于使基体转化为易挥发铵盐或酸类，使与分析元素分开，于灰化阶段除尽，以消除和减少基体干扰。
l NH4H2PO4 溶液，是一种消除Cl-干扰效果很好的基体改进剂，测定Pb、Cd，机理：在灰化阶段NH4H2PO4受热分解产生H2与Cl-形成HCl挥发，同时形成还原性的氛围从而减少Pb、Cd与Cl形成氯化物损失。
l 有机酸类：有机酸的改进作用在于其络合作用和热解产物的还原性，使分析元素形成易解离和挥发性的物质，减少和消除基体的束缚。
l 抗坏血酸，热分解后产生碳和含碳的中间化合物，当温度介于970-1070K时活性中心显著，从而使石墨表面活化，增加去除化学吸附氯的作用，同时生成甲烷、氢气、一氧化碳、新生碳等还原性物质，形成降低挥发性元素的原子化起始温度，引起吸收信号的位移，降低背景干扰，提高灵敏度。
l 硫脲，可以与待测元素Sb、Bi、Cd、Cu、Ag生成络合物，在灰化阶段转变成硫化物，从而增加了待测元素的稳定性，降低了灰化损失，增加灵敏度。