3.2　火焰原子化

将样品中被测元素转变为基态原子的过程叫做原子化。火焰原子化是应用最早且目前仍然广泛应用的原子化方法。原子化过程包括样品溶液的吸喷雾化、脱溶剂、熔融、蒸发、解离或还原等，是影响测定灵敏度的重要因素。

3.2.1　火焰原子化器及火焰类型

原子化器是使样品原子化并将原子蒸气送入光路的部件。火焰原子化器经过几十年的研究已经相当成熟，是目前应用最广泛的原子化器之一。其优点是操作简便，分析速度快，精度高，测定范围广及背景干扰小等。

火焰原子化器的作用是首先使试样雾化成气溶胶，再通过燃烧产生的热量使进入火焰的试样蒸发、熔融并分解成基态原子。

在实际测定中，要求火焰要有足够高的温度，这样有利于试样的蒸发和分解，并使被测元素原子化。另外，还要求火焰的稳定性高、噪声低，以保证有良好的测定精密度；较低的光吸收，提高仪器的能量水平；降低测量噪声，以获得低的检出限；燃烧安全。

当然，火焰原子化器也存在着一些弱点。例如，雾化效率低及燃气和助燃气的稀释，致使测定灵敏度降低；采用中温及低温火焰原子化时化学干扰较大；同时在使用中还应注意安全问题等。

（1）火焰原子化器的结构

火焰原子化器按照气体的混合方式，可分为预混合式和全燃烧型两种形式。预混合式原子化器火焰燃烧稳定、噪声小、吸收光程长，已得到广泛应用。全燃烧型原子化器火焰燃烧不稳定，噪声大，基本不被使用。

预混合型原子化器由雾化器、预混合室、燃烧器三部分组成。如图3-4所示。

原子吸收仪器所采用的雾化器大多数都是气动雾化器，喷雾空气从吸液毛细管的外管流入雾室，由于气体流速很大，在吸液毛细管出口处造成负压，试样溶液因而被提升上来，在气流冲击下以雾状喷出。雾室一头连接雾化器，另一头连接燃烧器，雾室有两个出口，一是试样细雾和预混合气流向燃烧器缝孔的出口，另一个出口是废液泄流管。雾室内靠近吸液毛细管出口有一个撞击球或雾化球，它的作用是通过撞击作用使雾粒更细。调节撞击球的位置，对改善喷雾状况有一定的作用。燃烧器是由耐高温、耐腐蚀的合金制成，其缝孔尺寸有不同的规格，分别适用于不同的火焰类型，使用时不可用错，以免发生事故。

（2）常用的火焰类型及状态

按照火焰的反应特性，可将火焰分为还原性火焰（富燃火焰）、中性火焰（化学计量火焰）和氧化性火焰（贫燃火焰）三类。对于原子吸收光谱测定而言，最合适的是还原性火焰。影响火焰反应的主要因素是燃气的性质及燃气与助燃气的比例。

①空气-乙炔火焰　空气-乙炔火焰燃烧稳定，重复性好，噪声低，燃烧速度比较低，只有158cm/s，使用安全，易于操作。火焰温度最高可达2300℃。除Al、Ti、Zr、Ta等元素外，对多数元素都有足够的测定灵敏度。调节乙炔和空气的流量比，可获得不同氧化还原特性的火焰，以适应不同元素的测定。空气-乙炔火焰的不足之处是对波长在230nm以下的辐射有明显的吸收，特别是富燃火焰，由于存在未燃烧的炭粒，使火焰发射、自吸收和散射增强，噪声增大。这种火焰的另一个缺点是温度还不够高，一些容易形成难熔氧化物的元素，如B、Be、Al、Se、Y、Ti、Zr、V和稀土元素等在该火焰中难以有效地原子化。

②笑气（N2O）-乙炔火焰　笑气（N2O）-乙炔火焰的主要特点是燃烧速度低，火焰温度高。它的燃烧速度只有160cm/s，接近于空气-乙炔的燃烧速度，使用安全；使用N2O代替空气作助燃气，可提高乙炔火焰的温度，最高可达2955℃，接近于氧气-乙炔火焰的温度。由于氧气-乙炔火焰燃烧速度太大，为1140cm/s，火焰不稳定且不十分安全。因此，氧气-乙炔火焰目前很少用于原子吸收光谱的测定。使用N2O-乙炔火焰可以测定70多种元素，大大地拓宽了火焰原子吸收光谱法的测定范围，此种火焰是目前唯一获得广泛应用的高温化学火焰。

③空气-丙烷火焰　它是早期原子吸收分光光度分析中常用的一种化学火焰。它的特点是火焰燃烧速度较低，火焰温度也较低干扰效应较大。该火焰主要用于生成化合物易于挥发和解离的那些元素，如碱金属、镉、铜、铅、银、锌、金、汞等的测定。

④其他火焰　可用于原子吸收分析的火焰还有空气-氢气火焰（温度约为2045℃）、氩气-氢气火焰（温度约为1577℃）。由于这两种火焰的温度低，化学干扰和基体干扰较为严重，在原子吸收光谱分析中应用很少。

各类火焰具有不同的燃烧温度、燃烧速度等特性，如表3-1所列。

除了火焰类型之外，火焰的状态对测定也有影响。火焰状态分为贫燃焰（氧化型）、中性火焰（化学计量火焰）和富燃焰（还原型）三种。不同的测定元素要求不同的火焰状态，例如测定铜、银要求贫燃型火焰，而测定铬要求富燃型火焰。

3.2.2　试样在火焰中的原子化

分析样品中待测元素转化为气态原子的过程称为试样原子化。试样原子化是原子吸收分析中最关键、最本质的问题之一。依照试样原子化的方法不同，原子吸收分析法分为火焰法、电热原子化法（以石墨炉法为主）、氢化物法和冷原子吸收法几大类，其中以火焰法应用最广。试样在火焰中的原子化过程是个极为复杂的过程，伴随产生一系列反应，较为重要的是离解、电离、化合和还原反应。既包括试样溶液的雾化、湿雾变干雾（即溶剂蒸发）、干雾变成气溶胶等物理过程，更包括复杂的化学过程，其中多种化学平衡要在瞬间完成。在原子吸收分析中，选择最佳的原子化条件就是使平衡向着有利于生成气态原子的方向进行。试样原子化过程如图3-5所示。