火焰原子化是利用化學火焰產生的熱能蒸發溶劑解離分析物分子與產生被測元素的原子蒸氣。火焰原子化器是開發最早、應用最廣泛的原子化器。沃爾什和他的合作者在原子吸收光譜分析中使用的第一個原子化器就是空氣一煤氣化學火焰原子化器。火焰原子化法中,常用預混合型原子化器(使試樣燃氣助燃氣在進入火焰之前預先混合均勻)。這種原子化器由霧化器、預混合室和燃燒器組成。
1.霧化器
霧化器是預混合型原子化器的關鍵部分,作用是將試液霧化,使之形成直徑為微米級的氣溶膠。要求噴霧穩定,產生霧珠要盡量微細和均勻(即霧化效率要高)單位時間內導入火焰的試樣量要多(提升量要大),目前的商品儀器多采用氣動同心霧化器。
氣動同心霧化器由一根吸樣毛細管和一只噴嘴組成,毛細管和噴嘴是同心的。噴嘴與吸樣毛細管之間形成環形噴口,當達到音速的助燃氣流由環形噴口高速噴出時,在吸樣毛細管口形成負壓,使試液由毛細管吸入從管口高速噴出形成霧珠,高速運動的霧珠碰到裝在噴霧頭末端的玻璃撞擊球上,霧珠進一步細化而有利于原子化。原子吸收儀器都裝有按標準配置的可調吸入量或固定吸入量的耐腐蝕噴霧器。
使用空氣一乙炔火焰時,最適宜的吸入速度(提升量)為4～6mL/min。而在使用氧化亞氮一乙炔火焰時,通常以2～4mL/min為最佳吸入速度。玻璃撞擊球的位置在出廠時已調整好,可最大限度地消除干擾,不得隨意更改。
2.預混合室
預混合室一般作成圓筒狀,內壁具有一定錐度,下面開有一個排液口。預混合室的作用是使霧珠進一步細微化并得到一個平穩的火焰環境。由于霧化器產生的霧珠有大有小,在預混合室中,較大的霧珠由于地球重力作用重新在室內凝結成大溶珠沿內壁流入排液口排出;小霧珠則在高速運動中蒸發除去大部分溶劑,形成進入火焰的微粒,在預混合室內與燃氣均勻混合,減少了它們進入火焰時引起的火焰擾動。
如果有粗大顆粒進入燃燒器,不能迅速揮發,從而導致光線散射現象就會出現明顯干擾,使火焰溫度下降。預混合室具有一種將顆粒分類的作用,即排除大顆粒而均勻地將細微顆粒送入燃燒器。只有大小均勻的顆粒進入燃燒器,才能獲得最佳靈敏度。
3.燃燒器
最常用的是單縫燃燒器,其作用是產生火焰,使進入火焰的氣溶膠蒸發和原子化。因此,原子吸收分析的火焰應有足夠高的溫度,能有效地蒸發和分解試樣,并使被測元素原子化。此外,火焰應該穩定、背景發射和噪聲低、燃燒安全。
被霧化的試液微粒與燃氣、助燃氣均勻混合后,在燃燒器上燃燒,由于火焰溫度的作用,使霧珠干燥、熔融、蒸發、解離和原子化,產生大量的基態自由原子和少量激發態原子、離子和分子。為了防止燃燒器在高溫下變形,燃燒器一般使用對樣品污染最小的純鈦材料制成,其強度大、化學性能穩定而呈惰性。燃燒器上面有一條細窄的燃燒縫,縫寬與縫長根據使用的火焰性質來決定。火焰燃燒速度快的,使用較窄的燃燒縫;反之,對于燃燒速度慢的火焰,可以使用較寬的燃燒縫。如使用空氣一乙炔火焰,縫長一般為100mm。燃燒器的燃燒口之所以制成縫狀,一方面是為了獲得較長的吸收光程,以保證原子吸收分析達到盡可能高的靈敏度;另一方面是為了避免火焰回火爆炸,保證操作安全。