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1、原子吸取光譜儀原理一、 背景現代科技涉及自然科學、醫學、生物科技、環境及工業技術等發展，對物質成分分析的需求較之過去有明顯的改變。對於低濃度金屬的分析，除了所使用的分析儀器与否具有足夠的偵測靈敏度外，若無法有效的控制樣品基質所產生的干擾效應，將导致嚴重的分析誤差。本文將針對原子吸取光譜儀基本原理及PerkinElmer AAnalyst 800型單機多功能的設計(含火焰式及石墨爐式)，是具高精準性及以便性的分析儀器。二、 原理MonochromatorDetectorReference BeamSample BeamHollowCathode LampBurnerRotatingChopper
2、圖一 原子吸取光譜儀的基本構造原子吸取的過程是當基態原子吸取某些特定波長的能量由基態到激發態。根據Beer定律，吸取值與濃度成正比關係，從標準溶液作出校正曲線後，再讀出未知溶液的濃度。而原子吸取光譜儀即是运用原子化器將樣品(A)原子化器後，吸取某一特定波長光，此光來自(B)燈管，再經過(C)光學系統分光經由單光器過濾僅有要測的波長光進入(D)偵測器，原子收光譜儀的基本構造如圖一所示。A. 原子化器:原子化器有三種設計，有火焰式、石墨爐式及汞蒸氣氫化裝置。(1) 火焰式燃燒系統之剖示圖，如圖二所示，在預混系統內，樣品溶液被吸經霧化器霧化成小水滴進入混合腔與燃料及氧化用氣體混合後，帶入燃燒頭，而樣
3、品原子化即產生。在燃燒系統內有些重要因素須在霧化器部份考慮，為了提供最有效之霧化，以各種不同之樣品溶液，霧化器須為可調式的，而不鏽鋼為最常用的一種材質，但其缺點是樣品若具有高濃度之酸或其他腐蝕性氣體則會被腐蝕，若須為抗腐蝕之材質可用惰性塑料材質或Pt/Ir之合金為宜。燃燒頭用鈦金屬組成可提供極高之熱阻抗及防腐蝕性。不之火焰或樣品條件須使用不同之燃燒頭，10公分長是用來做空氣乙炔之燃燒，而5公分長的用手作較高溫的笑氣乙炔燃燒。預混式混合腔霧化器燃燒頭Flow SpoilerImpack Bead圖二 火焰式燃燒系統(2) 石墨爐原子化器其基本構造如圖三所示，基本構造包具有金屬室、石墨爐及石墨管三
4、部份。金屬室的功能在於提供高電流加熱裝置，石墨爐的功能為固定石墨管，而石墨管則為樣品的原子化裝置。石墨材質具有高電阻的特性，當瞬間通入大量電流時，藉由電熱的原理使得石墨管溫度迅速提昇，達到使樣品中待測元素原子化的高溫。為避免原子化器在加熱升溫的過程中，石墨材質與空氣中氧氣起氧化作用，一般均在原子化器內部通入氬氣以作為保護。在進行樣品分析時，运用自動注樣器將樣品溶液注入石墨管的平台上，依石墨爐所設定之溫度程式加溫，樣品即可隨溫度變化依序進行，乾燥、灰化、原子化及清除的反應。圖三 石墨爐原子化器基本構造(3) 汞蒸氣氫化原子化器，其基本構造如圖四所示。可藉強還原劑(NaBH4 or Sncl2)在
5、密閉系統中反應還原或自由汞原子，汞原子即可藉由(氮氣或氬氣)帶至石英管吸取槽中，石英管須稍微加熱以避免冷凝。氫化物系統與汞蒸氣不同的是此產物並非自由原子，而是具揮發性的氫化物，因此必須加熱石英管吸取槽，使其分解為自由原子。控制閥圖四 汞蒸氣氫化原子化器基本構造(4) 原子化器之適用性a. 火焰式原子化器是迅速且精密的分析措施，大多數元素在濃度mg/L(ppm)範圍下可以使用，是最常使用的一種儀器，它具有靈敏、操作簡單、較不易受干擾及價格便宜等優點。b. 石墨爐式原子化器，靈敏度很高，適合於極低濃度樣品的分析，僅須少量樣品體積(100mL)即可分析，且可藉由溫度程式的控制，避免干擾問題。c. 汞
6、蒸氣、氫化原子化器；仍是最具靈敏性及可信賴的分析技術。在室溫下，低溫汞蒸氣技術是最能形成揮發性的自由原子。氫化技術測量的元素(As、Bi、Sb、Se、Sn、Te)可以很容易測到mg/L如下的濃度。B. 光源(1) 中空極陰管，陰極是一個空圓柱型之金屬，而陽極與陰極被密封在一個玻璃做的圓柱體內，充填氖或氬氣，而窗片則封填於圓柱體底，使輻射光穿透出去。(2) 無電極放電燈管之設計，是將少量要分析元素或這類元素之鹽類將它們密封在石英球泡內，球泡放在一個陶瓷圓柱體內，以無線電頻產生器之天線纏繞在外，當足夠之能量提供給無線電產生器時，會有相似之能量揮發與激發球泡內之元素而放射出特定光譜。C. 光學系統光
7、學系統如圖五所示，雙光束儀器較穩定，不需事先熱機，可省時間，對基線增长穩定性。光學系統中單光器的設計，光來自燈源由入口狹縫進入，由光柵分光作用，被分光後之波長再由出狹縫出去，由光柵角度之調整可選擇燈源所放射之光，使其由出口狹縫到達偵測器，其他的光則被出口狹縫所阻擋，因此一般單光器的設計在光柵的設計，刻劃密度愈大解析度佳，光柵面積大，得到較強光能。圖五 AA800光學系統D. 偵測器固態半導體偵測器，其量子效率高與傳統PMT光電倍增管比較，如圖六所示。且壽命長。Q:E (%)Wavelength (nm)圖六 固態半導體偵測器與傳統PMT管量子效率比較三、 PerkinElmer AAnalys
8、t 800 設計AAnalyst 800型是一台可全自動步進馬達切換火焰式及石墨爐式的原子吸取光譜儀，全新的設計，是PerkinElmer為穩合公元而設計生產的全自動化，新科技的精密儀器。A. 原子化器，涉及火焰式及石墨爐式(1) 火焰式原子化器，其燃燒頭位置可經由軟體控制調整至最佳化位置，可節省時間及有效清除干擾問題，如圖七。圖七 經由軟體控制調整燃燒頭至最佳化位置(2) 石墨爐式原子化器，採用側向加熱石墨管，溫度分佈均勻，避免記憶效應，最佳化原子化溫度較傳統式石墨爐低，因此可延長石墨管壽命，如圖八。且具有石墨爐專用的水循環冷卻系統保持石墨爐信號的穩定性，較傳統式自來水冷卻裝置節省水，並可裝
9、置於無塵室中以便電子產業的需求。且石墨爐之背景較正系統採用Longitudinal AC Zeemen系統，不用加極化鏡可提高分析感度。圖八 側向加熱石墨管，溫度分佈均勻B. 燈源設計，如圖九。可放八支燈管燈座，內含能量供給系統，除了中空陰極燈管亦可放置無電極放電燈管。圖九 燈源設計C. 光學系統，如圖十。圖五 AA800光學系統(1) 高效率雙光速光學設計，Littrow型單光器，體積小，光能效率高，為目前所有原子吸取光譜儀之最。(2) Real Time同時間測量樣品光束與參考光束，參考光束使用高效率光學纖維，不僅可避免基線偏移，亦可减少信號雜訊。D. 固態半導體偵測器，如圖十一。量子效率高，壽命長且雜訊低等優點。圖十一 固態半導體偵測器整體而言，PerkinElmer AAnalyst 800型涵蓋火焰式及石墨爐式原子吸取光譜儀另可加裝氫化裝置，為全方位的微量金屬元素，分析儀器可分析不同濃度的需求，且运用最新的設計技術，迎合各個產業的應用，目前已廣泛地應用於環、食品、特用化學品、電子產業、材料分析及臨床醫學等研究領域。
PE800原子吸收光谱仪原理
