实验3　高压微波消解，火焰原子吸收法测定头发中微量元素

一、实验目的

1.掌握火焰原子吸收法的基本原理。

2.学习压力自控密闭微波溶样系统、原子吸收分光光度计的使用。

3.掌握用标准曲线法测定微量元素的原理和方法。

二、实验原理

1.密闭增压微波消解原理

微波是一种频率范围在300～300000MHz的电磁波，用来加热的微波频率通常是2450Hz，即微波产生的电场正负信号每秒钟可以变换24.5亿次。含水或酸的极性物质分子在微波电场的作用下，以每秒24.5亿次的速率不断改变其正负方向，使分子产生高速的碰撞和摩擦而产生高热；同时，离子在微波电场的作用下定向流动，形成离子电流，离子在流动过程中与周围的分子和离子发生高速摩擦和碰撞，使微波能转化成热能。微波加热就是通过分子极化和离子导电两个效应对物质直接加热，消除了由电热板、空气、容器壁热传导的热量损失，因而热效率特别高。密闭增压是样品在密闭容器里通过微波的快速加热，使样品在高温高压下消解，具有溶样速度快、试剂用量少、环境污染少等突出优点。

2.火焰原子吸收光谱分析基本原理

待测元素的试样溶液经雾化器雾化后，在燃烧器的高温下原子化，离解成基态原子。锐线光源空心阴极灯发射出待测元素特征波长的光辐射，穿过原子化器中一定厚度的原子蒸汽时被待测元素的基态原子所吸收，减弱后的特征辐射经单色器光栅分离被检测系统检测。根据朗伯-比尔定律，吸光度和待测元素基态原子浓度成正比的关系，即可求得待测元素的含量。

人体微量元素含量同人体健康密切相关，头发生长速度较慢，能反映体内微量元素代谢变化。准确地测量头发中微量元素对判断人体健康状况具有重要意义。用原子吸收光谱法测定微量元素具有灵敏、准确、简便、分析速度快等优点。

三、仪器与试剂

1.仪器

MK-Ⅲ型光纤压力自控密闭微波溶样系统；vario6原子吸收分光光度计；铁、锌、钙、铜、镁空心阴极灯；JUN-AIR空气压缩机；乙炔钢瓶及调压器；移液管和比色管。

2.试剂

HNO3（GR）：浓、1％；H2O2（AR）；2.5％SrCl2+（1+3）HCl；（1+1）HCl；1％KCl；铁、锌、钙、铜、镁标准储备溶液：20μg/mL、10μg/mL；高纯蒸馏水。

3.主要实验条件

（1）微波消解条件。称样量：0.2g；HNO3（GR）4mL；0.5MPa，3min；

（2）原子吸收分析条件见表2-6。

四、实验步骤

1.发样的采集和处理

取头后枕部发际至耳后部位、距发根1～3cm的头发0.2g左右，在中性洗涤液中浸泡10min，用自来水冲洗至无泡沫，再依次用去离子水和二次蒸馏水各浸泡5min，冲洗3次。在80℃的烘箱中烘干备用。

准确称取发样0.1g于内消化罐中，加入4mL HNO3和1mL H2O2（20滴），将内罐放入外罐，旋上盖后放入MK-Ⅲ型光纤压力自控密闭微波炉中，以0.5MPa 3min；1MPa 4min的消化条件进行微波消解，冷却后在通风橱中打开消化罐，滴入0.5mL（10滴）H2O2除去过量HNO3，将消化内罐中的溶液倒入小烧杯中并用少量高纯水冲洗消化内罐，冲洗液并入小烧杯中，移入25mL比色管中定容。

2.按表2-7在5个10mL比色管中准确配制铁、锌、钙的标准溶液（每组配一种）。

3.准确吸取一定量试样于10mL比色管中，加入相应的底液后用高纯水稀释至刻度，（Fe、Cu用原液测，不加底液）定容。

4.测定标准系列溶液吸光度，制作标准曲线。

5.测定试样溶液吸光度，求出待测元素含量。

五、数据记录及处理

1.样品名称：________；来源：________；称样量：________g。

2.制作标准曲线

3.发样中元素含量测定

六、注意事项

1.清洁度

原子吸收光谱分析待测元素含量一般很低，实验室的环境和器皿对测定影响较大。实验室应严格保持清洁；器皿洗干净后要用（1+3）HNO3浸泡过夜，使用前先用自来水冲洗，再依次用蒸馏水、高纯水洗干净备用。

2.高压密闭微波消解系统的安全使用

密闭微波消解样品是将试样和溶剂盛放在密闭容器里进行微波加热，容易产生高压、超压。如果处理方法和操作不当，就可能会发生消解罐爆裂或烧坏，严重的会发生消解罐爆炸的危险。

（1）严禁未经学习或培训的人员操作微波消解系统，实验使用时必须有教师在场检查和指导。

（2）务必严格按照操作规程进行操作。

3.乙炔气体的安全使用

（1）正确操作钢瓶減压阀，总阀门旋开不应超过1.5转，防止丙酮逸出。出气阀顺时针为“开”，出气压力一般为0.1MPa，不能超过0.15MPa。

（2）防止回火：废液瓶应盖紧，不能漏气；减压阀出口端安装回火阻止器。

（3）阀门和所有进出气管路均不能漏气，用毕及时关好。

4.标准溶液测定

标准溶液测定从稀到浓，换上未知样前要用水洗，避免记忆效应。

七、思考题

1.原子吸收光谱分析待测元素含量一般很低，实验室的环境和器皿对测定影响较大。实验器皿在实验前后应如何处理？

2.在原子吸收光谱仪中，空气压缩机的作用是什么？燃气是什么，用什么提供的？燃烧器的高度为什么要调整？

附录1　MK-Ⅲ型光纤压力自控密闭微波溶样系统操作

一、控压原理

光纤非接触位移传感器的控压原理为：

微波加热→压力升高→弹性体压缩→反光板升高→h减小→微波切断。

高压微波消解原理如图2-7所示。

二、安全措施

安全措施包括：

（1）光纤压力自控；（2）溶样罐安全泄压孔；（3）溶样罐安全爆裂膜；（4）消解炉安全防护罩。

三、操作步骤

1.溶样杯（内罐）准备

洗净、烘干溶样杯。用扩口器将密封碗顺时针方向旋转并均匀地加压扩张，以使密封碗盖入溶样杯时呈现较紧密感为宜。

2.称样，加溶剂，将密封碗盖小心地盖进溶样杯中。在外罐中放入垫块，将溶样杯放入。

3.外罐罐盖组装反光板（测压板）、弹性体、压板装配应使弹性体处于临界状态：用手指稍用力向上推压板时，反光板不会顶起来；用手旋动反光板时，反光板能转动。

4.盖外罐罐盖

其标准是“上不见缝，下不能动”：即反光板和罐盖之间无缝隙；用手指推动垫块时，垫块不会松动。

5.调“零位”和“满度”

把消解罐放入托盘中央，调节调零旋钮使压力显示屏显示读数“00”。

将满度检验板放在测压板上面，压力显示屏应显示读数“40”，若不为“40”，则旋动调满度旋钮进行调整。例如：显示“45”，应调至“35”；显示“37”，应调至“43”。

取下满度板，调零。放上满度板，应显示“40”。若有误差按上法重复调整。

注意：在调零和满度及进行微波加热时，必须关照明按钮，同时应防止灯光或日光对炉门的直射。

6.设定加热时间和压力挡位

加热前先将时间选择旋钮置于1min，压力定在“1”挡，如在1min内，显示屏显示正常（显示数升至“05”），且超过“05”时，微波能正常切断，再把时间旋到所需时间。各压力挡位对应的压力如表2-8所示。

7.微波加热

按“启动”→放下安全防护罩→按“托盘”，托盘开始转动→按“微波加热开关”，“微波加热开关”和“微波加热指示”灯均亮，到达设定压力时，则“微波加热指示”灯灭。操作人员应站在距炉子1m以外的左侧观察压力显示情况。若有不正常情况发生，则应立即切断微波，并报告教师进行处理。

8.消解罐冷却和打开

消解结束，待压力显示开始下降后，再打开炉门，取出消解罐，置于通风橱中自然冷却或抽气冷却。待测压板降到原始位置时，才可以打开消解罐。取出内罐，在通风橱内将活塞密封碗盖顺时针旋出或拔出（注意不能逆时针方向旋出）。

9.消解罐清洗

外罐每天用过后，必须拆卸下来，每个部件用清水冲洗至无酸味，晾干或在50℃干燥箱中干燥。内罐洗净后用1:3硝酸浸泡过夜，再依次用自来水、去离子水和高纯水洗涤，晾干或在50℃干燥箱中烘干备用。

四、注意事项

1.严禁未经学习或培训的人员操作微波消解系统，实验使用时必须有教师在场检查和指导。

2.务必严格按照操作规程进行操作。

3.消解罐使用前所有元件必须干燥，无颗粒物质。否则微粒和液滴将吸收微波，引起局部过热而炭化，损坏容器。

4.避免单独使用高沸点酸（如浓H2SO4等），慎用高氯酸。

5.消解时遇到下列情况应关机停止加热，待消解罐冷却后取出进行检查和重新组装：

（1）调“零位”和“满度”时数字显示距“00”和“40”相差太远，有可能忘了在消解罐内放垫块或多放了一块垫块。

（2）第一挡压力1min内压力上升很慢很慢，数字显示未达到“05”。

（3）压力过冲太高。压力已达设定值，微波加热已自动停止。但压力显示还在很快上升，这就是压力过冲。压力回落到设定值时又会继续进行微波加热。但若过冲过高，密封碗从高压位至低压位间隔时间较长，往往会造成裙边收缩，造成溶样杯泄漏，则继续加热时压力升不上去。

在做化妆品、食品和生物样品时往往会出现压力过冲。为避免压力过冲过高，应进行预处理。

附录2　vario 6原子吸收分光光度计操作

1.打开主机电源。

2.开空压机电源，打开乙炔钢并阀门。

3.打开电脑AAS软件。

（1）选Applications/cookbook（应用/菜单）→OK→Cu（或其他元素）→Load→Ini-tialize（初始化）→主界面。

（2）选Spectrometer（分光计，主界面上方第2栏），检查灯工作条件及能量：点Energy/Gain（上方第2栏），检查Energy Levels（空心阴极灯能量水平）是否在65～75之间，若太高或太低，点Gain栏中AGC（调整光电倍增管负高压），检查EHT（光电倍增管负高压）是否在200～350之间。检查完毕→OK（右下方）→主界面。

（3）点火：选Flame（主界面上方第3栏）→点Parameters（参数）→Aux.air：on（打开助燃气控制阀，右第2栏）→点左上方Control→点下方Ignite flame（点火）→OK→主界面。

（4）制校正曲线。

①输入参数。选Calibration（主界面上方第4栏），选Standard Calibration（第2行）→点Statistics（上方第3栏）在Statistics中选Sigma Statistics，并在SD和RSD前面的方框中打上钩→点Curve Parameters（曲线参数，上方黑体最后一栏），在Intercept栏目中，Zero前的方框中打上钩（曲线通过零点）→点Table（上方第5栏）输入标准溶液浓度。

②制作标准曲线。点AZ（右侧，自动调零），按表上顺序测定空白溶液和标准溶液吸光度，制作标准曲线：光标设在第1行Cal-Zero，点Run Sample（下方第1行第4栏）→在打开的菜单中选第1行Noresult saving（结果不保存）（若结果要保存，则选第2行Start a new report file，建立一个新文件。按提示测定空白液吸光度后，将光标移到下一行测标液1#，再点Run Sample→在打开的菜单中选第3行Append results to the existing file，则标液吸光度测定结果保存在同一文件中）→OK，按提示依次测定空白溶液和标准溶液吸光度。

点Fit curve，可观察已制成的标准曲线以及相关系数R等曲线数据，标准曲线制作完成→OK→主界面。

（5）样品测定。点Sample，选Statistics（统计，上方第4栏）→在Statistics栏目中选Sigma Statistics，→在Cycles（平行测定次数）栏中调节样品平行测定次数为4。

点Sample table（上方第1栏），在下方栏目中选Run Samples，即可按屏幕提示测定未知液吸光度，求出未知液浓度（结果不保存，选第1行No result saving；若结果要保存，选第3行Append results to the existing file）。

4.测定完毕，点OK，回到主界面，点右侧Flame栏，即可熄灭火焰。点右上角×，屏幕提示Save Parameter Set 0?（是否保留本次测定参数）选Yes或No。屏幕又出现Move to Parking position?（是否移动原子化器位置？）选No，即关掉AAS软件。关主机电源，关乙炔钢并阀，最后关总电源。