3.4 干扰及消除
原子吸收光谱法由于采用了独特的锐线光源,因此具有较好的准确性,但并不意味着没有干扰。原子吸收光谱法中的干扰效应,按其性质和产生的原因可分为光谱类干扰和非光谱类干扰。非光谱类干扰又可分为物理干扰、化学干扰和电离干扰。
3.4.1 光谱类干扰
光谱类干扰是指待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全及背景吸收所造成的影响,包括谱线重叠、光谱通带内存在非吸收线、原子化器内的直流发射、分子吸收、光散射等。这类干扰主要来自光源、试样中的共存元素和原子化装置。
(1)谱线重叠干扰 共存元素吸收线与被测元素分析线波长很接近时,两谱线重叠或部分重叠,会使分析结果偏高。如Cd的分析线228.80nm,而As的228.81nm谱线将对Cd产生谱线干扰。可通过调小狭缝或另选分析线来抑制或消除这种干扰。
(2)光谱通带内存在的非吸收线干扰 可能是被测元素的其他共振线与非共振线,也可能是光源中杂质的谱线等干扰。这时可减小狭缝宽度与灯电流,或另选谱线。
(3)空心阴极灯的发射干扰 空心阴极灯内材料中的杂质如果发射出非待测元素的谱线,这个谱线又不能被单色器分开,如果试样中恰好含有这种杂质元素的基态原子时,会造成待测元素的假吸收而引入正误差。采用纯度较高的单元素灯可减免这种干扰。
另外,灯内气体的发射线也会干扰。例如,铬灯如果用氩气作内充气体,氩的357.7nm线将干扰铬的357.9nm谱线。
(4)背景干扰(分子吸收与光散射干扰)
①背景吸收。背景吸收(background absorption)是来自原子化器(火焰或非火焰)的一种光谱干扰,包括分子吸收和光散射干扰。背景吸收会造成正误差。
分子吸收是指在原子化过程中,共存物质形成的气体分子、氧化物、氢氧化物或盐类物质及自由基对光源所发射的共振辐射的吸收。如卤化物在200~400nm之间所产生的分子吸收谱带。光散射是指原子化过程所产生的固体微粒对分析线发生的散射作用。光散射使部分分析线不能进入单色器而形成假吸收现象,使吸光度增大。背景吸收一般随波长的减小而增大,同时随基体元素浓度的增加而增大,还与火焰条件有关,通常无火焰原子化器较火焰原子化器产生的干扰严重。在一般过程中通常采用空白溶液校正背景的方法,仅适合由化合物产生背景的理想溶液。目前在原子吸收仪器中,一般采用氘灯背景扣除法和塞曼(Zeeman)效应背景扣除法来消除背景干扰。
②消除方法。氘灯背景扣除法,也称连续光源背景扣除法。目前生产的原子吸收光谱仪都配有连续光源自动扣除背景装置。这种方法是在相同条件下,用一个连续光谱(氘灯)和锐线光源交替通过原子化器和检测器,测定试样的吸光度。当连续光谱通过狭缝后所得到的谱带宽度约为0.2nm,而被测元素吸收线的宽度约为10-3nm。可见由待测原子吸收线引起的吸收值仅相当于总入射光线强度的1%以下,此时,可以认为用连续光谱得到的吸光度近似为背景吸收(A背),即A氘=A背。当空心阴极灯的锐线光源通过原子化蒸气时,既可被待测原子吸收,也可被蒸气中各种分子的背景所吸收,此时的吸收为总吸收,即:
A空心=A测+A背
两次测定的吸光度之差就是被测元素的吸光度A测,即:
A空心-A氘=A测+A背-A背=A测
用氘灯扣除背景有一定局限性。第一,此法中要求氘灯和空心阴极灯的光线通过原子化蒸气的同一区域,因光源不同,实际上很难做到完全一致。第二,氘灯扣除背景只能在190~360nm的波长范围内工作,选用的光谱通带不能小于0.2nm,否则信噪比降低。第三,当A背≥1时,背景很高不能扣除,此时可利用塞曼效应扣除背景。
塞曼效应背景扣除法是根据磁场作用下谱线分裂的现象(塞曼效应),利用磁场将简单的谱线分裂成具有不同偏振特性的成分。原子化器加磁场后,待测原子的吸收线分裂成一个与磁场平行的π成分和两个与磁场垂直的σ+、σ-成分,如图3-10所示,三者之和的总强度等于未分裂时谱线的总强度。
图3-10 Cd Ⅰ228.8nm谱线的塞曼效应
由空心阴极灯发出的光线通过旋转偏振器成为偏振光。随旋转偏振器的转动,当平行磁场的偏振光通过火焰时,产生总吸收;当垂直磁场的偏振光通过火焰时,只产生背景吸收。两次测量之差为被测元素的净吸光度。塞曼校正与连续光谱校正相比,校正波长范围宽(190~900nm),背景校正准确度高,可校正吸光度高达1.5~2.0的背景(氘灯只能校正吸光度小于1的背景),但测定的灵敏度低,仪器复杂,价格高。
3.4.2 物理干扰
物理干扰主要指的是样品在处理、雾化、蒸发和原子化的过程中,由于任何物理因素的变化而引起原子吸收信号下降的效应。其物理因素包括溶液的强度、密度、表面张力、溶剂的种类、气体流速等。这些因素会影响试液的喷入速度、雾化效率、雾滴大小等,因而会引起吸收强度的变化。物理干扰是非选择性干扰,对试样各元素的影响基本是相似的。
消除方法:配制与被测样品组成相同或相近的标准溶液;不知道试样组成或无法匹配试样时,可采用标准加入法。若样品溶液浓度过高,还可采用稀释法。
3.4.3 化学干扰
化学干扰是指待测元素与共存组分之间发生化学作用所引起的干扰效应,它主要影响待测元素的原子化效率,是原子吸收分光光度法中的主要干扰源。液相或气相中被测元素的原子与干扰物质组分之间形成热力学更稳定的化合物,从而影响被测元素化合物的解离及其原子化,使参与吸收的基态原子减少。如Al的存在,对Ca、Mg的原子化起同样的作用,因为会生成热稳定性高的MgO·Al2O3、3CaO·5Al2O3化合物;的存在会形成Ca3(PO4)2而影响Ca的原子化,同样F-、也影响Ca的原子化。
消除方法:化学分离,使用高温火焰,加入释放剂和保护剂,使用基体改进剂等。
(1)选择合适的原子化方法 提高原子化温度,化学干扰会减小。使用高温火焰或提高石墨炉原子化温度,可使难解离的化合物分解。如在高温火焰中磷酸根不干扰钙的测定。
(2)加入释放剂 与干扰物生成更稳定的化合物,使被测元素释放出来。例如,上述所说的干扰Ca的测定,可加入La、Sr的盐类,它们与生成更稳定的磷酸盐,把Ca释放出来。同样,Al对Ca、Mg的干扰,也可以通过加LaCl3而释放Ca、Mg。
(3)加入保护剂 与被测元素生成稳定的更易分解的配合物,以防止被测元素与干扰组分生成难解离的化合物,从而保护了被测元素,消除了部分干扰。保护剂一般是有机配位剂,用得最多的是EDTA和8-羟基喹啉。例如,干扰Ca的测定,在一定条件下加入EDTA,生成稳定的EDTA-Ca,从而保护Ca2+不与生成沉淀而消除的干扰;同时在原子吸收测定中可直接对EDTA-Ca进行测定而不影响测定结果。加入F-可防止铝对铍的干扰等。
(4)缓冲剂 有的干扰当干扰物质达到一定浓度时,干扰趋于稳定。如果在被测溶液和标准溶液中加入同样量的足够的干扰物质,使干扰稳定且相同,可消除干扰。如用乙炔-氧化亚氮火焰测定Ti时,Al抑制了Ti的吸收。但当Al的浓度大于200μg·mL-1时,可消除Al对Ti测定的影响,但灵敏度会有损失。
除了加入上述试剂控制化学干扰外,还可用标准加入法来控制化学干扰。如果这些方法都不能理想地控制化学干扰,可考虑采用沉淀法、离子交换法、溶剂萃取等化学分离方法除去干扰元素。
3.4.4 电离干扰
电离干扰指的是在高温条件下,原子发生电离,使基态原子数减少,生成的离子不产生吸收,因此使吸光度下降。电离干扰与原子化温度和被测元素的电离电位及浓度有关。元素的电离随温度的升高而增加,随元素的电离电位及浓度的升高而减小。电离电位小于6eV的碱金属、碱土金属容易产生电离干扰。
消除方法:加入一定量的比待测元素更易电离的其他元素(即消电离剂),以达到抑制电离的目的。在相同条件下,消电离剂首先被电离,产生大量电子,抑制了被测元素的电离。例如,测定钙和钡时有电离干扰,加入适量的KCl溶液可消除。钙和钡的电离电位分别是6.1eV和5.21eV,钾的电离电位是4.3eV。由于K电离产生大量的电子,抑制了待测元素Ca或Ba的电离。