HSC 化学:原子吸收光谱法
了解原子吸收光谱法如何利用原子化、选择性吸收、校正曲线及稀释计算,测定水溶液样本中的金属浓度。
假设一份河水样本含有铜离子,但溶液看起来完全透明。你仍然需要判断铜浓度是否低到可接受的程度,而这时候并不会有任何颜色变化来帮助你。
那么,仪器要如何测量一种你根本看不见的金属离子呢?
想像把一种非常特定颜色的光照过一团铜原子。如果这些原子能吸收这个特定波长的光,到达侦测器的光就会变少。现在把样本浓度提高。光路中的铜原子变多,因此会有更多光被吸收。
这就是原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy,AAS)的核心概念。
在继续之前,先预测一下:如果让相同波长的光通过等体积的稀铜溶液与浓铜溶液,哪一个应该吸收更多光?
浓度较高的样本应该吸收更多光。这听起来很简单,但在这个概念能成为可靠的浓度测量方法之前,AAS 还需要几个额外步骤。
01AAS 实际上测量的是什么
AAS 常用来测定水溶液样本中金属离子的浓度。
液体样本可能含有例如 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)、\(\mathrm{Fe}^{3+}\)、\(\mathrm{Pb}^{2+}\) 或 \(\mathrm{Ca}^{2+}\) 等离子。然而,仪器并不是直接让光穿过这些溶解的离子,然后直接读出它们的浓度。
相反地,样本会被转化成游离的气态原子。
这个区别非常重要。
一个有用的初步模型,是想像一场挤满人的学校集会。某位特定学生正等著某一个特定的人向他挥手。其他人随意挥手,大多会被忽略。在 AAS 中,原子也有类似的选择性:某一种元素的原子会吸收特定波长的光。
这个比喻的限制在于,原子并没有在「选择」任何事情。它们的吸收行为来自量子化的电子能阶。
02为什么每种元素会吸收特定波长
原子中的电子只能占据某些特定能阶。
如果原子吸收一个能量恰好合适的光子,其中一个电子便可以从较低能阶跃迁到较高能阶。
光子的能量与其频率的关系为
\[ E = hf \]
其中:
- \(E\) 是光子能量,单位为焦耳,\(\text{J}\)
- \(h\) 是普朗克常数
- \(f\) 是辐射的频率,单位为赫兹,\(\text{Hz}\)
由于不同元素具有不同的允许电子能阶,因此它们会吸收不同的特征波长。
这使 AAS 具有选择性。铜原子与钠原子的电子能阶结构并不相同,因此仪器可以选择一个会被铜强烈吸收、但大致不受钠影响的波长。
这个简化模型有一个重要限制。一种元素通常具有多种可能的电子跃迁,因此可以吸收多个波长。实际上,仪器会选择经过仔细挑选的分析波长,使其在干扰最少的情况下提供实用的灵敏度。
03样本如何从烧杯变成游离原子
样本一开始是水溶液,但 AAS 需要气相中的游离原子。
在常见的火焰 AAS 装置中,过程大致如下:
- 液体样本被吸入雾化器。
- 雾化器把液体转化成细小的气溶胶。
- 气溶胶进入火焰。
- 溶剂蒸发。
- 溶解的物质被转化成气态物种。
- 产生待测元素的游离原子。
- 选定波长的光通过这些原子蒸气。
- 侦测器测量剩余多少光。
你应该能在脑中按照这个顺序,把样本一路想像成通过整部仪器。
因此,火焰所做的不只是「加热样本」。它的作用是协助将分析物原子化,使个别原子能与光互相作用。
04为什么 AAS 需要元素专用的光源
假设你想测量铜。
让包含许多不同波长的广泛光谱通过火焰,然后期待铜吸收其中足够多的光来辨识自己,这样合理吗?
效率并不高。
AAS 会改用一种能发射待分析元素特征波长的光源。中空阴极灯常用于这个目的。
在铜的分析中,会选择能提供合适铜特征波长的灯。光线穿过含有已原子化样本的火焰。铜原子会吸收部分所选波长的光,因此侦测到的光强度会降低。
这也是 AAS 能对个别金属具有高度选择性的原因之一。
05从光强度到吸光度
侦测器会比较入射光强度与透射光强度。
吸光度定义为
\[ A = \log_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right) \]
其中:
- \(A\) 是吸光度,没有单位
- \(I_0\) 是入射光强度
- \(I\) 是透射光强度
如果只有很少光被吸收,\(I\) 会接近 \(I_0\),因此 \(A\) 很小。
如果更多光被吸收,\(I\) 会变小,而 \(A\) 会增加。
在适当的浓度范围内,金属浓度越高,吸光度越大。
这就是有用的关系。不过,AAS 通常不会只靠理论直接把吸光度转换成浓度。
它会使用校正。
06为什么需要校正曲线
假设一份未知样本的吸光度为 \(0.31\)。
这代表铜浓度很高吗?还是很低?
在把仪器反应与已知浓度的标准溶液比较之前,这个数字本身几乎没有意义。
会先配制一组含有已知待测金属浓度的标准溶液,然后在相同条件下测量它们的吸光度。
例如:
| 铜浓度,\(\text{mg L}^{-1}\) | 吸光度 |
|---|---|
| 0.00 | 0.002 |
| 1.00 | 0.104 |
| 2.00 | 0.207 |
| 3.00 | 0.306 |
| 4.00 | 0.410 |
接著可以绘制吸光度对浓度的图。
在适当的工作范围内,两者关系通常近似线性:
\[ A = mc + b \]
其中:
- \(A\) 是吸光度
- \(m\) 是校正直线的斜率
- \(c\) 是浓度
- \(b\) 是截距
如果未知样本的吸光度位于已校正的范围内,就可以利用图表或校正方程式求出其浓度。
这和 紫外-可见分光光度法 所使用的逻辑非常相似:先用已知标准建立仪器反应与浓度之间的关系,再把未知样本与它们比较。
范例:由校正方程式求铜浓度
一组铜的 AAS 校正得到方程式
\[ A = 0.0820c + 0.003 \]
其中 \(c\) 是铜浓度,单位为 \(\text{mg L}^{-1}\)。
一份水样的吸光度为 \(0.249\)。求其铜浓度。
步骤 1:从校正方程式开始。
\[ A = 0.0820c + 0.003 \]
步骤 2:代入测得的吸光度。
\[ 0.249 = 0.0820c + 0.003 \]
步骤 3:移项求浓度。
\[ 0.249 - 0.003 = 0.0820c \]
\[ c = \frac{0.246}{0.0820} \]
\[ c = 3.00\ \text{mg L}^{-1} \]
所分析样本中的铜浓度为 \(3.00\ \text{mg L}^{-1}\)。
重点不只是算术。未知样本的吸光度,是透过与使用相同方法测量的已知铜标准溶液比较,才转换成浓度。
07稀释的陷阱
AAS 样本在测量前经常需要稀释。
这可能是因为原始样本的浓度太高,超出校正范围,也可能是因为样本前处理需要进行稀释。
此时,仪器测量的是稀释后的样本,而不是原始样本。
一个非常常见的错误,是正确地从校正曲线算出浓度后,就到此为止。
想想看:一份稀释后的样本测得浓度为 \(2.0\ \text{mg L}^{-1}\)。原始样本在分析前被稀释了十倍。原始浓度是 \(0.20\)、\(2.0\),还是 \(20\ \text{mg L}^{-1}\)?
答案是 \(20\ \text{mg L}^{-1}\)。
稀释会降低浓度。因此,原始样本的浓度一定高于稀释后的样本。
对于稀释,
\[ c_1V_1 = c_2V_2 \]
其中:
- \(c_1\) 是原始浓度
- \(V_1\) 是原始分取体积
- \(c_2\) 是稀释后的浓度
- \(V_2\) 是稀释后的最终体积
范例:AAS 后再进行稀释计算
取 \(10.00\ \text{mL}\) 的废水样本,转移至 \(100.0\ \text{mL}\) 容量瓶中并稀释至刻度。
使用 AAS 分析稀释后溶液中的锌。其吸光度为 \(0.365\)。
校正方程式为
\[ A = 0.120c + 0.005 \]
其中 \(c\) 的单位为 \(\text{mg L}^{-1}\)。
求原始废水中的锌浓度。
步骤 1:计算稀释后溶液中的锌浓度。
\[ 0.365 = 0.120c + 0.005 \]
\[ 0.360 = 0.120c \]
\[ c = 3.00\ \text{mg L}^{-1} \]
因此,稀释后容量瓶中的锌浓度为 \(3.00\ \text{mg L}^{-1}\)。
步骤 2:使用稀释关系式。
\[ c_1V_1 = c_2V_2 \]
\[ c_1(10.00\ \text{mL}) = (3.00\ \text{mg L}^{-1})(100.0\ \text{mL}) \]
\[ c_1 = 30.0\ \text{mg L}^{-1} \]
原始废水含有 \(30.0\ \text{mg L}^{-1}\) 的锌。
注意答案的方向。十倍稀释后的浓度为 \(3.00\ \text{mg L}^{-1}\),因此原始样本必须比它浓十倍。
08为什么不应随意外插
假设你的标准溶液范围是 \(0\) 到 \(5.0\ \text{mg L}^{-1}\),但某未知样本的吸光度,在把校正直线延长后对应到 \(9\ \text{mg L}^{-1}\)。
你可能会想直接接受 \(9\ \text{mg L}^{-1}\) 这个结果。
更稳妥的方法,是先稀释样本,直到其吸光度落入校正范围内,再重新测量,然后校正稀释造成的影响。
为什么?
因为吸光度与浓度之间的线性关系,只在实际量测过的校正范围内得到证实。超出这个范围后,仪器反应可能变成非线性。
外插是假设某个趋势会继续延伸到你实际上并未测试的区域。
一条良好的校正曲线是证据。把尺延伸到最后一个刻度之外,则是一项假设。
09AAS 并不是「一次测出所有金属离子」
其中一个很容易产生的误解,是认为 AAS 测量的是样本中金属的总量。
通常并不是。
AAS 对特定元素具有选择性,因为仪器使用与该元素相关的波长。
如果一份样本含有铜、铁、钙和铅,测量铜并不会自动告诉你另外三种元素的浓度。
需要使用不同的分析条件或分别进行测量。
另一个较细微的重点是,测量结果通常以某一元素的浓度表示,而不是某一特定水溶液物种的浓度,除非该方法先特别把不同物种分离。
例如,在适当的样本前处理后测得总铜含量,可以告诉你存在多少铜,但不一定能告诉你这些铜原本是以游离 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)、配合离子,还是其他溶解形式存在。
AAS 是一种元素分析技术。
10什么因素能让 AAS 结果值得信赖?
仪器可以显示很多位小数。这并不代表结果自动就是可靠的。
分析方法中的多个环节都很重要。
| 问题 | 为什么重要 |
|---|---|
| 合适的标准溶液 | 未知样本应与涵盖适当浓度范围的标准溶液比较 |
| 空白测量 | 空白样本有助于修正溶剂、试剂或仪器背景所造成的吸收或讯号 |
| 正确的波长 | 所选波长应能被目标元素强烈且具选择性地吸收 |
| 一致的前处理 | 标准溶液与样本的处理方式应在实际可行的情况下尽量相似 |
| 稀释准确度 | 移液或容量稀释中的误差会直接影响最终浓度 |
| 干扰 | 其他物质可能改变原子化过程,或对测得的讯号产生贡献 |
| 重复测量 | 重复测量可以显示精密度不足或异常结果 |
空白样本通常含有溶剂与相关试剂,但不含被测量的分析物。它的目的不是制造「零化学反应」,而是估计即使没有目标分析物时仍然会产生的仪器反应。
11灵敏度、准确度与选择性是不同概念
学生常常把这些概念混在一起。
灵敏度描述浓度改变时,测量讯号改变的幅度有多大。在线性校正图上,斜率越陡代表灵敏度越高。
准确度描述测量结果与真值或公认值有多接近。
精密度描述重复测量结果彼此有多接近。
选择性描述分析方法对目标分析物的反应,相较于其他物质有多专一。
即使一部仪器产生的结果精密度极高,如果校正标准配制错误,所有结果仍可能都是错的。
这就像分析化学版本的「反复把飞镖投到靶盘错误的位置」。飞镖集中在一起代表精密度高,但并不保证准确。
这个比喻的限制在于,分析误差可能来自多种化学与仪器因素,而不只是瞄准方向偏移。
12AAS 如何应用于水环境分析
想像你正在检测某工业区下游水体中的铅。
合理的分析流程可能是:
- 采集具有代表性的水样
- 适当保存或处理样本
- 配制已知浓度的铅标准溶液
- 使用 AAS 测量标准溶液
- 建立校正关系
- 测量样本
- 如果样本讯号超出有效范围,则进行稀释并重新测量
- 计算原始样本中的铅浓度
- 考虑不确定度、干扰、空白与重复测量
- 将结果与相关的判定标准比较
最后一步很重要,因为分析结果往往是为了支援某项决策而取得,而不只是为了产生一个数字。
化学测量与环境决策之间更广泛的关系,可参阅 环境化学监测:从结果到决策。
13问题与解答
问题 1
一份含有 \(2.00\ \text{mg L}^{-1}\) 钙的标准溶液,其吸光度为 \(0.142\);而一份 \(4.00\ \text{mg L}^{-1}\) 的标准溶液,其吸光度为 \(0.281\)。
一份未知样本的吸光度为 \(0.211\)。
假设此范围内的校正关系为线性,估算未知样本中的钙浓度。
解答 1
钙浓度约为 \(3.0\ \text{mg L}^{-1}\)。
吸光度 \(0.211\) 几乎位于 \(0.142\) 和 \(0.281\) 的中间,因此浓度也应该几乎位于 \(2.00\) 与 \(4.00\ \text{mg L}^{-1}\) 的中间。
更精确地说,
\[ \frac{0.211-0.142}{0.281-0.142} = \frac{0.069}{0.139} \approx 0.496 \]
因此浓度为
\[ c = 2.00 + 0.496(4.00-2.00) \]
\[ c \approx 2.99\ \text{mg L}^{-1} \]
因此,
\[ c \approx 3.0\ \text{mg L}^{-1} \]
一个很容易犯的捷径错误,是假设吸光度本身就等于浓度。并不是。吸光度只有透过校正关系,才能用来求得浓度。
问题 2
一名学生分析地下水样本中的铁。
取原始样本的 \(5.00\ \text{mL}\) 分取液,稀释至 \(50.00\ \text{mL}\)。稀释后样本的吸光度为 \(0.428\)。
铁的校正方程式为
\[ A = 0.0850c + 0.003 \]
其中 \(c\) 的单位为 \(\text{mg L}^{-1}\)。
计算原始地下水中的铁浓度。
解答 2
原始铁浓度为 \(50.0\ \text{mg L}^{-1}\)。
首先使用校正方程式求出稀释后样本的浓度:
\[ 0.428 = 0.0850c + 0.003 \]
\[ 0.425 = 0.0850c \]
\[ c = 5.00\ \text{mg L}^{-1} \]
这还不是原始浓度。
\(5.00\ \text{mL}\) 的分取液被稀释至 \(50.00\ \text{mL}\),因此
\[ c_1V_1 = c_2V_2 \]
\[ c_1(5.00\ \text{mL}) = (5.00\ \text{mg L}^{-1})(50.00\ \text{mL}) \]
\[ c_1 = 50.0\ \text{mg L}^{-1} \]
最容易犯的错误,是把 \(5.00\ \text{mg L}^{-1}\) 当成最后答案。这个数值属于稀释后的容量瓶。原始样本的浓度是它的十倍。
问题 3
一名分析人员配制了浓度范围从 \(0\) 到 \(6.0\ \text{mg L}^{-1}\) 的铜标准溶液。他们在这个范围内得到一条直线校正线。
一份未知样本产生的吸光度高于 \(6.0\ \text{mg L}^{-1}\) 标准溶液。把直线向外延伸后,得到表观浓度 \(8.4\ \text{mg L}^{-1}\)。
分析人员便报告 \(8.4\ \text{mg L}^{-1}\)。
评估这个程序,并说明一个更好的方法。
解答 3
这个报告值缺乏充分依据,因为它来自超出已建立校正范围的外插。
直线关系只在 \(0\) 到 \(6.0\ \text{mg L}^{-1}\) 之间得到证实。分析人员假设仪器在更高浓度下仍保持线性,但这并没有经过实验证实。
更好的程序是以已知倍数稀释未知样本,使其吸光度落在校正范围内。接著测量稀释后样本,以内插求出其浓度,再乘上适当的稀释倍数。
例如,如果二倍稀释后得到
\[ c_{\text{diluted}} = 4.20\ \text{mg L}^{-1}, \]
那么原始浓度为
\[ c_{\text{original}} = 2(4.20\ \text{mg L}^{-1}) = 8.40\ \text{mg L}^{-1}. \]
在这个例子中,数值答案碰巧与外插所得结果相同,但现在的证据更有力,因为实际测得的吸光度位于已验证的校正范围内。
这个差别就是重点。看似合理的结果,并不等于有充分证据支持的结果。
问题 4
两间实验室分析同一份水样中的铅。
实验室 A 得到以下结果,单位为 \(\text{mg L}^{-1}\):
\[ 0.482,\quad 0.481,\quad 0.483,\quad 0.482 \]
实验室 B 得到:
\[ 0.451,\quad 0.488,\quad 0.470,\quad 0.473 \]
一份有证参考物质显示,样本中的实际铅浓度为 \(0.470\ \text{mg L}^{-1}\)。
一名学生声称:
「实验室 A 显然比较好,因为它的读数彼此接近得多。」
评估这项说法。然后提出一个合理的实验问题,可以造成实验室 A 所呈现的结果模式。
解答 4
实验室 A 的精密度较高,但实验室 B 整体上可能更准确,因此这名学生的说法并不完整。
实验室 A 的数值彼此极为接近。其分散程度很小,表示精密度很高。
然而,这些数值集中在
\[ 0.482\ \text{mg L}^{-1}, \]
而这持续高于参考值
\[ 0.470\ \text{mg L}^{-1}. \]
因此,实验室 A 看起来存在系统误差。
实验室 B 的精密度较低,因为测量值比较分散。不过,它的数值分布在公认浓度附近。其平均值为
\[ \bar{c} = \frac{0.451+0.488+0.470+0.473}{4} = 0.4705\ \text{mg L}^{-1}. \]
这与有证值非常接近。
造成实验室 A 这种结果模式的一个合理原因,是系统性的校正误差。例如,如果所有校正标准溶液的实际浓度都低于分析人员所认为的浓度,那么某一吸光度便可能被解读为过高的分析物浓度。
另一种可能,是存在未校正的背景讯号,使每一份样本测得的吸光度都偏高。
这里的陷阱,是把可重复性等同于正确性。反复得到几乎相同的数字代表精密度高。只有与可靠的参考值比较,才能提供关于准确度的证据。
问题 5
一份水样含有铜,以及一种未知的溶解物质 \(X\)。
分析人员使用铜专用波长,以 AAS 测量铜。校正标准溶液含有溶于稀硝酸中的铜,但不含 \(X\)。
该样本重复测量后得到的铜浓度都是 \(2.80\ \text{mg L}^{-1}\)。
接著,分析人员用稀硝酸把样本稀释两倍,再重新测量。套用稀释倍数后,算得原始铜浓度为 \(2.20\ \text{mg L}^{-1}\)。
四倍稀释后,在校正稀释影响后得到 \(2.05\ \text{mg L}^{-1}\)。
这些测量本身具有很高的可重复性。
解释为什么这些结果会使人质疑原本的 \(2.80\ \text{mg L}^{-1}\) 结果,并指出这种模式暗示物质 \(X\) 扮演了什么角色。
解答 5
校正后的浓度随稀释程度而改变,显示原始样本受到基质干扰,而物质 \(X\) 很可能提高了表观铜讯号,或以其他方式改变了较浓样本中的测量结果。
如果稀释只影响每公升所含的铜量,那么在套用稀释倍数校正后,每次都应该得到大约相同的原始浓度。
例如,如果真正的原始浓度为 \(2.00\ \text{mg L}^{-1}\),二倍稀释后应得到
\[ 1.00\ \text{mg L}^{-1}, \]
把测量值乘以二后,应回到
\[ 2.00\ \text{mg L}^{-1}. \]
四倍稀释后,经校正也同样应回到相同的原始值。
但实际上并不是如此。
相反地,随著样本被稀释,校正后的结果由
\[ 2.80 \rightarrow 2.20 \rightarrow 2.05\ \text{mg L}^{-1} \]
逐渐降低。
重要的相互作用在于,稀释同时降低了铜的浓度与 \(X\) 的浓度。如果 \(X\) 会干扰测量,那么随著样本被稀释,它的影响也应该减弱。
因此,结果逐渐接近约 \(2.0\ \text{mg L}^{-1}\),表示未稀释样本的测量受到样本基质影响而产生向上的偏差。
一个很容易出现的错误论点,是认为 \(2.80\ \text{mg L}^{-1}\) 一定可信,因为它具有很高的可重复性。然而,可重复性只能证明精密度。系统性干扰可以一再产生相同的错误答案。
进一步的测试方法,可以是配制化学基质与样本更接近的标准溶液,或使用适合补偿基质效应的校正方法。
这正是 AAS 不只是「吸光度代表浓度」的地方。更深一层的分析问题是:标准溶液与未知样本的行为是否足够相似,使这种比较真正有效。