原子吸收測定中最常用的火焰是空氣一乙炔火焰,此外,應用較多的是乙炔一氧化亞氮高溫火焰和氫一空氣火焰以及空氣一丙烷火焰。
1.空氣一乙炔火焰
(1)火焰的類別。
空氣一乙炔火焰是原子吸收光譜分析最常用的火焰,燃燒穩定、重現性好、噪聲低、燃燒速度不是很大、溫度足夠高(約2300℃),對大多數元素有足夠的靈敏度。乙炔在燃燒過程中產生的半分解物C*、CO*、CH*等活性基團,構成強還原氣氛,特別是富燃火焰,具有較好的原子化能力。用這種火焰可測定約35種元素。在化學計量火焰中,大多數元素都呈現最佳靈敏度。
①貧燃火焰。當燃氣與助燃氣之比小于化學反應所需量時,就產生貧燃火焰。其空氣與乙炔之比為4:1至6:1.火焰清晰,呈淡藍色。由于大量冷的助燃氣帶走火焰中的熱量,所以溫度較低。由于燃燒充分,火焰中半分解產物少,還原性氣氛低,不利于較難離解元素的原子化,不能用于易生成單氧化物元素的分析。但溫度低對易離解元素的測定有利。
②富燃火焰。燃氣與助燃氣之比大于化學反應量時,就產生富燃火焰。空氣與乙炔之比為4:(1.2～1.5)或更大,由于燃燒不充分,半分解物濃度大,具有較強的還原氣氛。溫度略低于化學計量火焰,中間薄層區域比較大,對易形成單氧化物難離解元素的測定有利,但火焰發射和火焰吸收及背景較強,干擾較多,不如化學計量火焰穩定。
③化學計量焰。又稱中性火焰,這種火焰的燃氣及助燃氣基本上是按照它們之間的化學反應式提供的。對空氣乙炔火焰,空氣與乙炔之比為4:1。火焰是藍色透明的,焰頭堅挺,藍色錐芯稍大,較明亮,具有溫度高、干擾少、背景發射低的特點。火焰中半分解產物比貧燃火焰高,但還原氣氛不突出,對于在火焰中不特別易形成單氧化物的元素,除堿金屬外,采用化學計量焰進行分析為好。
(2)火焰的結構。
正常的空氣一乙炔火焰自下而上依次是預熱區、第一反應區、中間薄層區和第二反應區。
①預熱區又稱干燥區。其特點是燃燒不完全、溫度不高,試液在此區被干燥,呈固態微粒。
②第一反應區(焰心區)又稱蒸發區。它是一條清晰的藍色光帶。其特點是燃燒不充分,半分解產物多,溫度未達到最高點。干燥的固態微粒在此區被熔化蒸發或升華。這一區域很少作為吸收區,但對易原子化,干擾少的堿金屬可進行測定。
③中間薄層區(內焰區)又稱原子化區。其特點是燃燒完全、溫度高,被蒸發的化合物在此區被原子化。這一區域是火焰原子吸收光譜法的主要應用區。
④第二反應區(外焰區)。燃燒完全,溫度逐漸下降,被離解的基態原子開始重新形成化合物。因此這一區域不能用于實際原子吸收光譜分析。
進行原子吸收光譜分析時,燃燒器高度的選擇,也就是火焰區域的選擇。
2.乙炔一氧化亞氮火焰
乙炔一氧化亞氮火焰的特點是火焰溫度高(約2955℃),而燃燒速度并不快,是目前應用較廣泛的一種高溫火焰,用它可測定70多種元素。
由于在一氧化二氮(笑氣)中,含氧量比空氣高,所以這種火焰有更高的溫度。由于其溫度高,且還原能力強,利用此火焰能分析多種耐熔元素。在富燃火焰中,除了產生半分解物C,CO,CH外,還有還原性更強的成分CN及NH等,這些成分能更有效地搶奪金屬氧化物中的氧,從而達到原子化的目的。這就是為什么空氣乙炔火焰不能測定硅、鋁、鈦等特別難離解的元素,在一氧化二氮一乙炔火焰中就能測定的原因。一氧化二氮一乙炔火焰背景發射強、噪聲大,定精密度比空氣一乙炔火焰差。一氧化二氮一乙炔火焰,為了防止回火必須使用縫長50mm的燃燒器。笑氣是一種麻醉劑,使用時要注意安全。
一氧化二氮一乙炔火焰,其焰頭可分三個區初級燃燒區呈白藍色、次級內錐區呈紅粉色(常稱紅羽毛)擴散區呈藍色。火焰性質可劃分為如下四類:
(1)氧化焰(瘦削):焰頭強勁清澄,其紅羽毛區高1cm。(該火焰無紅羽毛區時不適用)。
(2)化學計量焰:焰頭清澄,紅羽毛區達1～2cm高,在內外焰連接處略呈黃色。
(3)還原焰(粗壯):焰頭黃色,略顯紅羽毛區。
(4)強還原焰:焰頭明亮。
注意:使用此種火焰時儀器上需安裝火焰護板,或戴護目鏡,以減弱發射的紫外線。在寒冷、潮濕季節,須注意氧化亞氮流經調節器時會形成冰晶,甚至凍結,從而導致結果不準。調節器應有加溫設備。
3.空氣一氫火焰
空氣一氫火焰是氧化性火焰,燃燒速度較空氣乙炔火焰高,但溫度較低(約2050℃),優點是背景發射較弱,透射性能好。
4.空氣一煤氣(丙烷)火焰
此焰燃燒速度慢、安全、溫度較低(1840℃～1925℃),火焰穩定透明。火焰背景低,適用于易離解和干擾較少的元素,但化學干擾多。