馮琳，李菊蘭，趙慷，藍(lán)圖，林建奇

(1. 中國地質(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，重點論述了原子吸收光譜儀在地質(zhì)勘查中實際檢測地質(zhì)樣品時的注意事項及安全維護(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動。原子的內(nèi)部運動，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)蒸氣相中待測元素的基態(tài)原子對共振輻射的吸收強度來測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定試樣中待測元素的含量。因其具有分析速度快、精密度高、抗干擾能力強、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于食品、石油化工、地質(zhì)巖礦等領(lǐng)域[1]，是實驗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)(包括檢測器以及顯示系統(tǒng))以及其他附加裝置如霧化器、自動進(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，檢測的機(jī)理是基于待測元素的基態(tài)原子能級躍遷，那么首先如何對待測元素處理，使得待測元素轉(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)點亮待測元素的空心陰極燈，并發(fā)射出特定波長輻射；

(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)樣器手動進(jìn)樣或者通過自動進(jìn)樣器定量進(jìn)樣至石墨管平臺，在石墨爐高溫下原子化成氣態(tài)基態(tài)原子；

(3)當(dāng)待測元素的特征波長輻射照射到所測氣態(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器的檢測，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— 透射光輻射強度；

Io— 發(fā)射光輻射強度；

T— 透射比；

K—— 摩爾吸收系數(shù)；

C—— 待測試樣濃度；

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，由此對待測元素進(jìn)行定量測定。

2 注意事項和安全維護(hù)

2.1 使用條件

(1)乙炔氣純度達(dá)到99 %以上，乙炔氣瓶內(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，確保可追溯性)，防止泄漏；乙炔瓶需有人監(jiān)管和單獨存放，且存放地點需做好醒目的危險提醒標(biāo)識。

(2)火焰法吸收法，需要對試樣空氣進(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，在運行過程需要定時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%，且氣瓶內(nèi)壓力大于0.5 MPa，否則需及時進(jìn)行更換；同時，在運行監(jiān)測中需要使用冷凝水對石墨爐冷卻，需定時關(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，直接影響檢測結(jié)果。

(4)石墨爐需要瞬間高壓供電，電源應(yīng)獨立連接，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，在運行過程易出現(xiàn)供電不足，測試基線不穩(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)火焰法原子吸收測量時，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。由于測定速度快，需先測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故障。

(3)火焰法測定時，如果乙炔或空氣壓力過低，會造成鋼瓶內(nèi)溶解物進(jìn)入管路，從而堵塞乙炔氣路，并導(dǎo)致無法點火?？諝馐怯煽諌簷C(jī)產(chǎn)生的，需做好及時的排油排水(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)點火時，先少量開乙炔氣，點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。

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量主要測試對象為元素痕量分析，一般在測試之前先用火焰法測試大概的靈敏度，再選擇稀釋倍數(shù)，否則濃度過高會造成石墨管被污染，造成石墨管損壞。

(2)由于是痕量測量，對實驗室環(huán)境要求很高，測試之前需開抽風(fēng)機(jī)，且實驗室密閉確保無塵。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，否則會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)石墨爐法測試時，當(dāng)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD較大時(RSD10%)，考慮的原因有：①氬氣純度及氬氣瓶的瓶內(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)樣時樣品液珠是否剛好處于切線位置滴進(jìn)石墨管平臺；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)分析檢測工作提供理論和實踐支持。

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2017-06-20

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

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