火焰吸收(原子吸收分光光度计火焰特性详解)

原子吸收分光光度计

1.火焰温度

温度是火焰的主要特性之一，对火焰中化合物的形成和解离以及待测元素的原子化起着重要作用。在火焰中，一方面，可燃混合物根据其燃烧反应产生大量热能；另一方面，由于火焰中化合物的离解，为了将火焰中的平衡混合物升高到火焰温度需要消耗热量，以及火焰气体燃烧时产生的体积膨胀，也消耗了一部分能量。这两方面的热能平衡决定了火焰温度。当火焰处于热平衡时，温度可以用来表示火焰的真实能量。基于以上原因，在常压下，化学火焰的最高温度只有3000℃左右。

当吸喷试液进入火焰时，火焰会消耗大量热量使试液溶剂蒸发分解，并将分解产物升高到火焰温度，从而导致火焰温度降低。如果溶剂是水，对于低温火焰，由于分解水的量少，这种冷却效果不明显，但是对于高温火焰，由于分解水的量多，这种冷却效果非常显著。如果使用连苯三酚等有机溶剂作为溶剂，由于它们也能在火焰中燃烧，释放出大量热能，有助于提高火焰温度，但对于高温火焰，它们不能明显提高火焰温度，冷却效果仍占主导地位。

原子吸收光谱法中使用的火焰一般直接在大气中燃烧。从外部扩散到火焰中的气体的分解也会影响火焰温度。

所有反应都是强吸热反应，消耗燃烧反应产生的热量，降低解离时的火焰温度。对于原子吸收光谱分析，只有基态原子对原子吸收分析有效。这就要求火焰必须有足够的温度，保证样品充分蒸发，待测元素化合物解离成自由原子。从这个意义上说，火焰温度越高越好。但当火焰温度升高时，火焰发射强度增大，多普勒效应增大，吸收线变宽，气体膨胀因子增大，使相内自由原子浓度降低，导致测定灵敏度降低。

此外，对于那些电离势较低的元素，如Na、K、Rb、Cs等，火焰温度高导致它们在火焰中被严重电离，基态原子浓度降低。因此，在实际工作中，应根据样品性质和被测元素的物理特性来选择温度。

2.火焰的燃烧特性

着火极限、着火温度和燃烧速度是火焰的燃烧特性，通常统称为火焰三要素。对于瓦斯和辅助气体组成的特征气体混合物，只有当混合气体中瓦斯所占的百分比在一定范围内时，燃烧才能开始并蔓延到气体混合物中形成火焰。这种气体含量的上限和下限称为点火极限。在着火极限内，燃烧可以自发扩展到整个混合气的低温，称为着火温度。可燃气体混合物在某一点，一旦其温度达到着火温度，就会开始燃烧。由于热传导，这一点的混合物的燃烧反应会扩散到邻近的气体层。如果初始反应产生的热量既能补偿热传导和热辐射造成的损失，又能使相邻气体层的温度升高到其着火温度，则燃烧反应将继续进行，并以恒定的速度向整个可燃气体混合物蔓延。形成火焰。这个传播速度就是火焰的燃烧速度。火焰的三要素取决于可燃气体混合物的性质和成分、初始压力和温度、燃烧容器的结构和容器壁的性质等诸多因素。

在实际使用中，火焰的燃烧速度是三要素中最重要的因素，直接影响到火焰的安全使用和稳定燃烧。火焰的燃烧速度与气体成分、初始温度、湿度和气流速度有关。为了使火焰稳定安全地燃烧，燃烧速度应等于或小于火焰前沿气流速度的垂直分量。气流速度取决于供气压力、燃烧器的结构和形状。对于普通的槽式燃烧器，在足够的供气压力下，气流速度取决于燃烧器的开口面积。如果槽又宽又长，气流速度就小，否则就大。

3.火焰传播性能

不同类型的火焰对不同波长的吸收能力不同，火焰本身的发射特性也不同。碳氢火焰在短波区域吸收较大，而氢气火焰吸收较小。因此，对于那些共振线位于短波区的元素，如as、se、Pb、Zn、Cd等。，空气体-氢气火焰最好用来减少火焰吸收的影响。空气体-乙炔火焰在整个可见光区有不同的发射信号，这些发射信号大多来自火焰中受激分子的辐射光谱带。一氧化二氮-空气体有N个分子带。这些发射信号增加了火焰的噪声并降低了测量的准确性。

4.几种常见的化学火焰

用于原子吸收光谱分析的气体混合物有:空气体-氢气、氩-氢气、空气体-丙烷、空气体-乙炔、一氧化二氮-乙炔等。氢气的火焰温度不太高(2000℃左右)，但这种氢气火焰具有相当低的发射背景和吸收背景，适合于元素(如砷、硒等)的分析。)的共振线在紫外区。空气体-丙烷的火焰温度较低(约1900℃)，干扰作用大。只适用于那些容易挥发和离解的元素，如碱金属、镉、铜、铅等。后两种火焰在实践中应用最为广泛，是目前原子吸收分析常用的火焰。

(1)，空气体-乙炔火焰

空气体-乙炔火焰原子吸收光谱法可分析约35种元素。这种火焰的温度大约是2300℃。/[k0/]气体-乙炔火焰燃烧稳定，重现性好，噪音低，燃烧速度低，158cm/sec，但火焰温度高，最高可达2500℃。除了那些M-O离解能大于5ev的元素，如AL(5.89)，Ti(6.9)，Zr(7.8)，Ta(8.4)等，它对大多数元素都足够灵敏。调节/[k0/]气体和乙炔的流量比可以改变该火焰的助燃比，使其具有不同的氧化还原特性。空气体-乙炔火焰使用更安全，操作更简单。这种火焰的缺点是火焰能明显吸收波长小于230nm的辐射，特别是明亮的富焰。由于未燃烧的碳颗粒，火焰发射和自吸收增强，噪音增加。这种火焰的另一个缺点是温度不够高。对于容易形成难熔氧化物的元素B、Be、Y、Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、W，

(2)一氧化二氮-乙炔火焰也俗称一氧化二氮-乙炔火焰。这种火焰的温度可达2900℃，氧-乙炔火焰(约3000℃)可用于测定形成难熔氧化物的元素。这种火焰的燃烧速度为160cm/sec，接近空气体-乙炔火焰。利用这种火焰大大扩展了火焰原子吸收光谱法的应用范围，可以测定约70种元素。

③氩氮乙炔火焰具有很强的还原性，因此可以减少甚至消除某些元素测定中的化学干扰。比如空气体-乙炔火焰测Ca时，磷酸盐存在时有干扰，测Mg时，Ac有干扰。而用一氧化二氮-乙炔火焰测量时，上述干扰全部消失，干扰离子超过100次也不会影响测量。氧化亚氮-乙炔火焰的原子化效率对燃料气和辅助气流量的变化极为敏感，因此在实际工作中，应严格控制燃料辅助比。

5.火焰成分

火焰的成分决定了火焰的氧化还原特性，直接影响待测元素化合物的分解和难熔化合物的形成，进而影响原子化效率和自由原子火焰区的有效寿命。影响火焰组成的因素很多，如火焰的类型、相似火焰的燃烧比、火焰的燃烧环境等。对于同一类型的火焰，根据燃烧燃料比的变化可分为富燃火焰、化学计量火焰和贫燃火焰。所谓化学计量火焰，就是助燃比完全符合燃气和助燃气体的燃烧反应系数比。这种火焰温度很高，但火焰本身没有氧化还原特性。富燃火焰是指燃料气高于化学计量火焰的火焰。这种火焰的温度虽然略低于化学计量火焰，但由于燃料气的增加，增加了火焰中碳原子的浓度，使火焰具有一定的还原性，有利于基态原子的生成。贫燃火焰是指其燃料气体少于化学计量火焰燃料比中的燃料气体的火焰。这种火焰温度低，氧化明显。这种火焰主要用于测定容易电离的元素，如碱金属。

在原子吸收光谱分析中，富火焰被广泛使用。研究表明，在空气体-乙炔火焰中，当乙炔含量增加时，火焰中O、OH等气体的分压降低，碳原子浓度增加，整个火焰的还原性增加。当碳氧光原子比C/O=1时，火焰的组成和性质突然发生变化，H2O、CO2、O2等气体分子完全从火焰中消失，O、OH等自由基浓度下降5？数量级，碳原子数增加4个数量级，火焰明亮。如果乙炔的量进一步增加，固体碳颗粒的浓度增加，火焰更亮，但还原性不变，火焰温度降低。

向火焰中喷入有机溶剂可以改变火焰的成分和特性。对于氢气火焰，有机溶剂的引入只影响火焰温度，因为氢气火焰的燃烧产物是水，水火不相容。但是，如果在碳氢化合物火焰中引入有机溶剂，不仅可以作为附加热源提高火焰温度，还可以改变火焰成分和反应特性。根据有机溶剂中碳氧比的不同，溶剂可分为三类，碳氧比大于1的还原性溶剂，如C6H6、CH3OH等。，可以提高高火焰的C/O比，而那些C/O比等于1的都是它的引入不会改变火焰中的C/O比。C/O比小于1的氧化溶剂，如HCOOH和H2O，会降低火焰的C/O比。