略过灯——直接看它们发光
吸收法需要一盏外来的灯,因为原子安静地待在那儿,等着吞光。但如果我们把原子加热到足够烫,就由我们自己把它的电子踢上能级楼梯;当这些电子翻滚落下时,原子不需要任何灯,就闪出自己的光。测量这种自发的辉光,就是原子发射光谱法,简称 AES。
放出来的颜色,又一次是这种元素自己的发射线——正是它本会吸收的那些波长。发射法相比吸收法有一个可爱的优势:既然原子自己供光,一个高温光源就能让样品里的*每一种*元素同时发光。配上合适的检测器,你可以一次读出许多元素,而不必每种元素换一盏灯。
最简单的情形:火焰光度计
最友好的发射仪器,就是厨房里那团黄火焰背后的东西。火焰光度法把样品喷进火焰,单纯测量它在某种元素的颜色上发得有多亮。它便宜,又极适合少数容易被激发的金属——钠、钾、锂、钙——它们即使在并不强烈的火焰里也会爽快地发光。
几十年来,医院化验室就是这样测血液里的钠和钾,至今仍用它来测这些简单又含量丰富的元素。但火焰最高也就到两千度上下——足以激发几种容易的元素,却远远不够烫,让大多数金属发出有用的光。要够到周期表的其余部分,发射法需要某种烫得多、多得多的东西。
等离子体炬:实验台上的一颗小恒星
突破口是电感耦合等离子体,简称 ICP。氩气在炬管里旋转,同时一个强大的射频线圈把能量灌进去,撕掉电子、点燃一团发光、能导电的气体——等离子体。它能达到大约一万度,比太阳表面还烫。在这般凶猛之下,几乎每一种元素都能干净地原子化、明亮地发光。
把这把炬接到一台能把发出的光摊开、一次读取许多谱线的仪器上,你就得到了ICP-OES(光学发射光谱法,有时也叫 ICP-AES)。注一次样,它就能把二三十种元素一起报出,每种各占自己的谱线——比起一次测一种元素,这是巨大的飞跃。
一个更安静的表亲:原子荧光
这个家族里还有第三位值得认识的成员:原子荧光光谱法。在这里,我们向原子照光把它激发(像吸收),然后测量它片刻之后重新放出的光(像发射)。诀窍在于:我们偏到一侧去看,避开射入的光束,衬着一片黑暗的背景——于是哪怕极微弱的辉光也能锐利地凸显出来。
因为你是在一片漆黑中寻找一点光,而不是在一束亮光里寻找一点变暗,原子荧光对少数几种元素可以异常灵敏——汞和砷是经典例子。它是专家的工具,而非通用主力,但对那寥寥几种元素的超痕量测定来说,很难有对手。
在发射工具中作选择
一张快速对照,看每种各自适合什么时候:
- 火焰光度法:便宜、简单,但只适用于钠、钾这类容易激发的金属。
- ICP-OES:高温等离子体,一次测量周期表大部分元素——日常的多元素主力。
- 原子荧光:一种专门工具,对汞、砷等少数元素能达到最低的检测水平。