实验四、原子吸收光谱法测定水样中钙的含量
一、实验目的
1、学习、理解火焰原子吸收光谱仪的结构、核心器件功能和仪器原理。
2、学习火焰原子吸收光谱仪的使用方法。
2、掌握多种水样中钙含量的测定方法。
二、实验原理
原子处于基态，当有辐射通过基态原子蒸汽时，如果入射辐射的能量恰好等于原子外层电子第一电子激发态所需要的能量时，原子就会从辐射场中吸收能量，发生共振吸收，电子从基态跃迁到激发态，同时使入射辐射减弱，产生原子吸收光谱。
紫外—可见分光光度法测量的是溶液中分子的吸收，一般为宽带吸收，吸收宽带从几纳米到几十纳米，使用的是连续光源；而原子吸收分光光度法测量的是气态基态原子的吸收，由于原子能级是量子化的，发出的光谱是不连续的，表现出来的是很多条分立的谱线，这种吸收为窄带吸收，吸收宽带仅为10-3 nm数量级，为了实现这样一种窄带吸收，要求使用锐线光源。
原子吸收分光光度计主要由四大部分组成，分别是光源、原子化器、单色器、检测器。
1、光源——空心阴极灯：由玻璃管制成的封闭着低压气体的放电管，主要是由一个阳极和一个空心阴极组成。阴极为空心圆柱形，有待测元素的高纯金属制成，内部充有少量惰性气体。当空心阴极灯两极施加电压后，阴极发射电子，在电场作用下高速飞向阳极，途中与惰性气体碰撞，使其电离。获得动能的离子高速碰撞阴极表面，使待测元素的原子获得能量被激发，他从激发态返回基态时发射出特征的锐线谱线。所以我们测定什么元素的含量就使用和它对应的光源。这个仪器就装了八个灯，也就是可以测定八种元素，但是测定的时候需要依次测定。
2、原子化器：作用是提供能量，使试样的待测元素转变成气态基态原子，实现原子吸收。常用的原子化器有火焰原子化器和非火焰原子化器，也就是电热高温石墨炉原子化器。火焰原子化器是由喷雾器、预混合室和燃烧器三部分组成。喷雾器的作用就是将试品溶液雾化，使其成为微米级的湿气溶胶。当高压助燃气体（这里我们用的是乙炔和空气）由外管高速喷出时，在内管管口形成压差，试液由毛细管吸入，然后被分散成雾滴。之后燃气、助燃器、与雾滴在预混合式里混合均匀。减少他们进入火焰后对火焰的扰动。同时也使未被细化的较大雾滴在雾化室内凝结为液珠，从泄漏管内排走。
3、分光系统：就是我们说的单色器，作用就是将被测元素的共振吸收线分离出来，除去一些杂散光。
4、检测器：我们常用的就是光电倍增管。
在一定浓度范围内，被测元素的浓度（c）、入射光强（I0）和透射光强（I）符合Lambert-Beer定律：I=I0×(10-abc)（式中a为被测组分对某一波长光的吸收系数，b为光经过的火焰的长度）。根据上述关系，配制已知浓度的标准溶液系列，在一定的仪器条件下，依次测定其吸光度，以加入的标准溶液的浓度为横坐标，相应的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。试样经适当处理后，在与测量标准曲线吸光度相同的实验条件下测量其吸光度，在标准曲线上即可查出试样溶液中被测元素的含量，再换算成原始试样中被测元素的含量。
实验条件的选择直接影响到测定的灵敏度、准确度、精密度和干扰的消除。在最佳实验条件下，才能获得满意的分析结果。通常要选择的实验条件有吸收线波长、灯电流、燃气的流量比、燃烧器高度和单色器通带宽度等。
1、吸收线波长：选择吸收线波长通常要从灵敏度、稳定性、线性范围以及干扰等几个方面来考虑。对于谱线比较简单的元素，应选择共振线作分析线，使测定有较高的灵敏度。对于谱线复杂的元素，考虑到可能存在的干扰，也可选用次灵敏线。
2、灯电流：灯电流的选择要从灵敏度和稳定性两方面来考虑。灯电流过大，易产生自吸作用，多普勒效应增强，谱线变宽，测定灵敏度降低，工作曲线弯曲，灯的寿命减小。灯电流低，谱线变宽小，灵敏度高，但灯电流过低，发光强度减弱，阴极发光不稳定，因而谱线信噪比低。一般的原则是在保证稳定和适当光强输出的情况下，尽可能选用较低的灯电流。
3、燃气和助燃气的流量比（燃助比）：燃助比不同，火焰的温度和性质不同，因而元素的原子化程度不同。通常固定空气流量，改变燃气流量来改变燃助比。在不同燃助比时测定吸光度，吸光度最大的燃助比为最佳燃助比。
4、燃烧器高度：火焰的部位不同，其温度和还原气氛不同，因而被测元素基态原子的浓度随火焰高度的不同而不同。在实验中通过改变燃烧器高度并测定吸光度，以吸光度最大时的燃烧器高度为最佳燃烧器高度。
水质分析是食品、环境分析的重要内容。钙离子作为水中常见的金属元素，是水质分析的主要指标之一。本实验选择不同的水样为分析对象，利用原子吸收光谱法进行钙含量的测定。
三、实验仪器与试剂
仪器：ZA-300型原子吸收分光光度计，空气压缩机，乙炔钢瓶，钙空心阴极灯，5 mL移液管；
试剂：100.0 μg/mL钙离子储备液，自来水，农夫山泉，百岁山水，超纯水。
四、实验步骤
1、前往仪器标本学习室，根据仪器实物和自学多媒体软件，了解仪器的核心部件，包括光源、火焰原子化器、进样器、单色器、检测器、点火器等，学习它们的功能原理，了解仪器整机光路，观摩空心阴极灯及换灯原理。
2、配制标准溶液系列
（1）钙标准溶液系列：准确吸取2.00 mL、3.00 mL、4.00 mL、5.00 mL、6.00 mL钙标准溶液（100.0 μg/mL），分别置于5只100 mL容量瓶中，用超纯水稀释至刻度，摇匀备用。该标准系列钙质量浓度依次为2.0 μg/mL、3.0 μg/mL、4.0 μg/mL、5.0 μg/mL、6.0 μg/mL。
(2) 水样准备：准确移取10.00 mL自来水或百岁山水样分别置于2只50 mL容量瓶中，用超纯水稀释至刻度，摇匀备用。农夫山泉水样不用稀释，直接测定。
3、仪器初始化
（1）开机，预热10 min以上，并打开软件。
（2）设置软件参数，选择Ca灯，422.7 nm及其他实验参数。确定，是，保存。（注意等红色条变色表示可以进行下一个指令。）
（3）设定条件，确定。
（4）主机控制，灯的谱线，空白处右击，点击第一个寻迹，确定。
（5）通空气（顺时针），通乙炔气（主阀逆时针，减压阀顺时针拧紧，数值约在0.08~0.1，拧动阀门时注意不要过快。）
（6）Check，漏气确认，此过程大约几分钟（等红条变蓝）。
（7）漏气确认，确定。
（8）打开循环水，待数值稳定（室温）。
（9）点火，长按三秒，点火前检查乙炔钢瓶的压力值。
（10）软件，Ready，等待红条变蓝。
（11）点击页面中 “校零”，至界面中基线稳定后，将超纯水换成已配制好的钙离子实验溶液，待基线稳定后，点击“开始”，记录吸光度平均值“Abs”和标准偏差，测完后将钙离子实验溶液换成超纯水。重复操作，测定不同溶度的标准溶液和矿泉水样。
（12）全部测完后，将毛细管放置在超纯水中，几分钟后，点击页面中的End。关乙炔气（顺时针关总阀，逆时针拧松减压阀），立即关冷却水，关空气泵（逆时针），关闭软件，关闭仪器与电脑。待仪器温度冷却至室温，盖上防尘布。倒掉废液，检查水封。
4、最佳实验条件的选择
（1）对燃烧器高度的选择：
每次测量前将毛细管放入超纯水中清洗，再手动挪到另一杯超纯水中校零，最后再放入样品溶液中，测量。
点击“仪器”，选择“燃烧器参数设置”，设置“燃气流量”为1700，“高度”分别为8.0，4.0和2.0，“灯电流”为3.0，记录数据。
同样的操作对燃气流量和灯电流分别进行优化选择。
5、未知样吸光度的测定
5.1 标准曲线的绘制
（1）点击页面中 “校零”，至界面中基线稳定后，将超纯水换成已配制好的钙离子标准溶液，待基线稳定后，点击“开始”，记录吸光度平均值“Abs”和标准偏差，测完后将钙离子实验溶液换成超纯水。重复操作，测定不同浓度的标准溶液和矿泉水样。
5.2 水样的测定
选择自来水、超市购买的不同品牌的矿泉水为分析对象，进行吸光度的测定。
全部测完后，将毛细管放置在超纯水中，几分钟后，点击页面中的End。关乙炔气（顺时针关总阀，逆时针拧松减压阀），立即关冷却水，关空气泵（逆时针），关闭软件，关闭仪器与电脑。待仪器温度冷却至室温，盖上防尘布。倒掉废液，检查水封。
五、实验数据记录及处理
1、绘制不同燃气流量时吸光度-燃气流量曲线，曲线上最大吸光度所对应的燃气流量为最佳燃气流量。
2、绘制不同燃烧器高度时吸光度-燃烧器高度曲线，曲线上最大吸光度所对应的燃烧器高度为最佳燃烧器高度。
3、绘制不同灯电流时吸光度-灯电流大小的曲线，曲线上最大吸光度所对应的灯电流为最佳灯电流。
4. 根据钙标准液系列吸光度值，以吸光度为纵坐标，质量浓度为横坐标，利用计算机绘制标准曲线，作出回归方程，计算出相关系数。
5. 根据不同水样的吸光度值，依据标准曲线计算出不同水样中钙的含量。测定并计算不同品牌矿泉水中的钙含量（注意，不同水样结果表示成不同的样子，根据样品需要的单位进行换算，评估水质）。
六、实验注意事项
1、测样前注意清洗进样流路。
2、每次测样应在吸光度稳定后读取数值。
3、对钙含量较高，超出线性曲线范围的样品，稀释后测定。
七、实验讨论与思考
1. 原子吸收光谱分析为何要用待测元素的空心阴极灯做光源？
2. 标准溶液系列配制对实验结果有无影响？为什么？
3. 燃助比为什么会影响测定结果？