石墨炉原子吸收原理

[color=#DC143C]近期、版面有版友问及关于石墨炉使用光温控制器的问题，故此写下小记，以满足有兴趣的版友需求。[/color]一、概 述：众所周之，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]分光光度计在分析某些高温元素或低含量元素时，使用石墨炉原子化器比火焰原子化器的灵敏度要高的多，故应用较为普遍。 目前仍有一部分商品仪器对于石墨炉升温还是采用单纯电流控制方式。即通过专用的石墨炉电源按照不同的升温阶段提供相应的恒定电流并流经石墨管后产生焦耳热，从而使石墨管中的样品里的待测元素被原子化后进行吸收测定。 但是上述的供电方式给石墨炉原子化器带来一些不可避免的问题。其中最主要的是：在原子化阶段，石墨管从灰化阶段的低温状态突然上升到原子化的高温状态需要一个平衡的时间过程，这是由石墨管的物理特性所决定的，由此便产生出一个“升温速率”的概念。 当石墨管温度很低时，升温速率V与电流强度I的平方成正比（V/I² ）。升温速率的快慢不仅影响测试的灵敏度而且还影响石墨管的热性能。升温速率越快，石墨管到达热平衡状态就越早，则可保障待测元素绝大部分均被原子化，故灵敏度可得以提高。当升温速率减缓后，石墨管到达原子化的温度时间就被延长，从而致使一部分待测元素在还未被充分原子化之前就损失掉了（一般是被载气吹跑了，所以有的仪器在原子化阶段停止载气供给就是出于此原因），造成了测试灵敏度的下降。图－1就是石墨炉在采用恒流供电及光温控制技术的两种方式下，用同一浓度的铅样品各重复三次的测试结果比较；由此不难看出，使用光温控制技术的结果优于恒流控制。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/09/200809181542_109307_1602290_3.jpg[/img] [B] [size=4] 图－1[/size][/B]由于一般石墨管采用的是恒电流供电方式，所以升温速率势必受到限制。如果采用光温控制技术则可以使升温速率得到很大的提高。[color=#DC143C]结 论：光温控制技术的实质就是提高升温速率的手段。[/color]二、光温控制技术的简单原理：（1）石墨管随着温度的改变其发出的光辐射的强度也随着改变；（2）让石墨管在仪器允许的范围从最低温度开始做连续加热升温直至最高允许温度，其发出的光辐射强度势必是连续递增的，即加热电流与光辐射强度（或温度）形成了一定的逻辑关系曲线。（3）用光导器件（一般是光导纤维和光敏二极管组成）将上述石墨管连续递增变化的光辐射信号实施连续跟踪采集并转化为电信号后传送到电脑中存储，也就是使电脑产生了一个加热电流与温度的比例关系的连续控制信号，并加以记忆，以实施对石墨炉的升温控制；这就组成了：石墨炉电源——石墨炉——光温控制器——石墨炉电源 这样一个闭环控制系统；如图－2所示：[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/09/200809181542_109308_1602290_3.jpg[/img] [B] [size=4][size=3]图－2[/size][/size][/B]（4）在原子化阶段升温的开始瞬间，石墨炉电源不是按照常规的参数设定的恒流电流供电（如果是那样石墨管的升温速率仍是缓慢，即温度曲线上升沿仍然不陡直），而是提供了一个大大超越了预设的升温电流（基本处于饱和状态，参阅图－3右图）； 根据前面所介绍的， “升温速率V与电流强度I的平方成正比 （V/I² ）”这样一个理论为依据，石墨管的升温速率很快就提高了；当石墨管到达了预设的温度后，此时的光辐射被光温控制器立即检测到，并迅速反馈给电脑以达到控制石墨炉电源恢复到预先设计的恒流电流来维持升温的目的；这样一举两得、即提高了升温速率又保障了石墨炉的设置温度。图－3是石墨炉原子化升温时恒流控制与光温控制的比较示意图：[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/09/200809181543_109309_1602290_3.jpg[/img] [size=4][B] 图－3[/B][/size]三、使用光温控制技术的优点：（1）提高了检测的灵敏度（前面已经谈到）；（2）提高了测试的重现性(因为原子化较为彻底)；（3）减少了背景和基体的干扰（背景物质同样被彻底烧出）；（4）延长了石墨管寿命（从图－3可以看出，由于使用了光温控制技术，使石墨炉升温速率得以提高，这样石墨炉有效原子化的时间比电流控制的有效时间要长；于是可以适当地减少原子化的时间，从而到达延长石墨管的寿命效果）；四、使用光温控制技术的注意事项：（1）每次更换新石墨管后均要重新做光温曲线的校正，即第二段中的第（3）项。（2）更换不同类型的石墨管后，尤其要重新做光温校正。（3）平时注意光导器件的清洁，尤其是接收光束的传导窗口免于遭到污染，否则会影响到升温的误差，甚至不能执行光温控制之功能。（4）光温控制器调整分为手动和自动两种。旧式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url]一般是手动设置，其供电电流的翻转点的调整就很重要了，这个翻转点称为“阈值”，它的位置准确以否直接影响光控的效果；例如日立的老式[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url] 180-80、Z-8000等型号，均属于此类。目前市面上出售的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url]仪器基本已经趋于自动化了。五、后 记：此文是参照日立[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url]来写的，故只是侧重了光控原理，而没有过多涉及电路原理，其原因是可能与其他厂家的光路、电路设计方面有出入；但目前上市的商品[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url]（进口仪器居多）基本都设计了光温控制系统，其原理大同小异。值得一提的是：目前许多[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原吸[/color][/url]操作者对其原理不甚清楚，甚至舍弃此项功能而不用，甚为憾事。故、今做小记，以飨网友。