원자흡수스펙트럼법 (AAS) 은 특정 파장광복사에 대한 물질의 선택적 흡수에 기초한 정량분석기술로서 그 핵심물리화학기초는 원자화과정과 특징흡수메커니즘 2대 모듈로 분해할수 있으며 량자는 협동하여 이 방법의 고감도, 고선택성의 기술우세를 구축하였다.
1. 원자화 과정: 샘플에서 자유기체 원자로의 전환
원자화는 AAS의 관건적인 절차로서 그 목표는 측정대기원소를 견본에서 자유기본원자로 해리하여 후속특징의 흡수에 흡광질점을 제공하는것이다.원자화 방식에 따라 주로 두 종류로 나뉜다.
화염원자화법
고온의 화염 (예: 공기-아세틸렌 화염 온도 약 2300 ℃, 아산화질소-아세틸렌 화염 온도 약 2700 ℃) 을 통해 시료를 증발, 건조, 이해시켜 최종적으로 기초원자를 생성한다.
특징: 조작이 간편하고 원가가 낮으며 분석속도가 빠르여 대다수 금속원소의 측정에 적용된다.
한계: 화염의 온도가 제한되어 있어 용해하기 어려운 원소 (예: 텅스텐, 몰리브덴) 와 휘발하기 어려운 산화물을 형성하기 쉬운 원소 (예: 크롬, 알루미늄) 에 대한 민감도가 낮다.
비화염원자화법(흑연로 원자화의 경우)
흑연관을 이용하여 고압의 큰 전류에서 고온 (3000 ℃ 에 달함) 을 발생시켜 시료가 건조, 회색화, 원자화, 정화의 네 단계를 거쳐 기초적인 원자를 생성하게 한다.
특징: 민감도(화염법보다 3~4개 수량급 높음)가 높아 고체, 액체 샘플을 직접 분석할 수 있으며, 납, 카드뮴과 같은 흔적원소 측정에 적용된다.
한계: 정밀도가 화염법보다 약간 낮고 기체의 간섭을 받기 쉽다.
원자화 효율의 영향 요소:
온도: 온도가 부족하면 원자화 부전을 초래할 수 있고, 온도가 너무 높으면 이온 방해를 일으킬 수 있다.
샘플 기체: 복잡한 기체는 화학 교란 (예: 휘발성 어려운 화합물 생성) 또는 물리적 교란 (예: 샘플 점도 변경) 을 통해 원자화 효율에 영향을 줄 수 있습니다.
샘플링 방식: 샘플링 양이 너무 많으면 화염에 냉각 효과를 일으키거나 흑연로의 잔해 제거 난이도를 높일 수 있다.
2. 특징 흡수 메커니즘: 기상 원자가 공진 복사에 대한 선택적 흡수
특징흡수는 AAS의 정량기초로서 그 핵심메커니즘은 다음과 같다.
공진 흡수 현상
입사복사의 주파수가 원자중의 전자가 기본상태에서 제1자극상태로 도약하는데 필요한 에네르기와 같을 때 기본상태의 원자는 에네르기를 흡수하고 자극상태로 도약하여 특징흡수스펙트럼을 형성한다.
특징성: 각 원소의 원자 구조가 독특하고 그 공진 흡수선은 (예를 들어 나트륨의 589.0nm, 마그네슘의 285.2nm) 원소 정성의 근거로 삼을 수 있다.
선택성: 원자는 복사의 흡수에 대해 고도의 선택성을 가지고 있으며, 자신의 에너지 수준차와 일치하는 복사만 흡수하여 배경의 간섭을 피한다.
랑버-빌 법칙의 정량적 관계, 흡광도 (A) 는 샘플에서 측정될 원소의 농도 (C) 와 정비례한다. 즉 A=K⋅C이다. 여기서 K는 상수로 모든 실험 조건의 영향을 포함한다.
응용: 표준 용액 및 미지의 용액의 흡광도를 측정하여 표준 곡선을 그리면 미지의 액체 중 측정할 원소의 농도를 구할 수 있다.
전제 조건: 온도, 원자화 효율, 광선 길이와 같은 실험 조건은 일관성을 유지해야 합니다.
K
의 항정성.
스펙트럼 선 폭 및 흡수 강도
원자흡수선은 엄격한 기하선이 아니라 일정한 주파수범위(반폭 약 10-3∼10-2nm)를 차지하는데 주로 다음과 같은 요소의 영향을 받는다.
도플러 넓어짐: 원자열 운동으로 인해 온도가 높을수록 넓어짐이 현저하다.
충돌이 넓어지다: 원자 간의 충돌은 자극 상태의 원자의 평균 수명을 단축시켜 스펙트럼 선이 넓어지게 한다 (흐루즈마크가 넓어지고 로렌츠가 넓어지는 것으로 나뉜다).
필드 넓음, 자체 흡입 효과: 강한 전장 또는 고농도 샘플에서 스펙트럼 선이 더 넓어질 수 있습니다.
영향: 스펙트럼 선이 넓어지면 흡수 강도가 낮아지지만 공심 음극등과 같은 예리한 광원을 선택하고 원자화 온도, 압력을 제어하는 등 실험 조건을 최적화하여 넓어지는 효과를 최소화하고 측정 민감도를 높일 수 있습니다.
3. 기술실현: 계기시스템과 교란억제
AAS의 물리 화학적 기초는 정밀 기기 시스템을 통해 구현되어야 하며 간섭 억제 기술을 보조해야 합니다.
계기 시스템 구성
광원: 측정할 원소의 특징공진복사 (예를 들면 공심음극등) 를 발사하여 복사강도가 크고 배경이 낮으며 안정성이 높아야 한다.
원자화기: 시료의 원자화 (화염 또는 흑연로) 를 실현한다.
분광 시스템: 래스터 또는 프리즘과 같은 피쳐 스펙트럼과 간섭 스펙트럼을 분리합니다.
감지 시스템: 광 신호를 전기 신호 (예: 광 배율 튜브 또는 CCD 검출기) 로 변환합니다.
간섭 억제 기술
물리적 간섭: 비슷한 구성의 표준 용액을 조제하거나 표준 가입법으로 제거합니다.
화학 간섭: 방출제 (예를 들어 인산염이 칼슘을 방출하는 것), 보호제 (예를 들어 EDTA 보호철) 또는 기체 개선제 (예를 들어 질산염이 알루미늄의 측정을 개선하는 것) 를 첨가한다.
이온화 간섭: 소전리제 (예를 들어 알칼리 금속원소 화합물) 를 첨가하여 측정할 원자의 이온화를 억제한다.
스펙트럼 간섭: 좁은 틈의 폭을 줄이고 비공명선을 선택하거나 세만 효과 배경 교정 기술을 사용하여 억제합니다.