实验报告
火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌
一、目的要求
1．了解火焰原子吸收光谱法的原理，掌握仪器的正确操作方法。 2．学习生化样品的处理方法，了解湿法消解、干法灰化的优劣。
3．通过头发中锌含量的测定，掌握标准曲线法在实际样品分析中的应用。
二、实验原理
原子吸收光谱法是测定多种试样中金属元素的常用方法。本次实验选用火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌。
测定头发中的锌含量，首先要处理样品，使其中的金属元素以可溶的状态存在。本实验中的发样用湿法处理，即试样在混酸中消解制成溶液。发样酸解消化后得到的试液一定要注意控制酸度。高浓度的无机酸（>1 mol/L）会导致试液的物理性质发生变化，影响测定的灵敏度。本实验选用HNO3/H2O2混酸体系消化样品时，为了控制酸度最后溶液蒸至剩余1~2 mL（HNO3易挥发，很容易蒸去一部分；H2O2在高温下会部分分解），假设剩余的2 mL溶液都是浓硝酸（分析纯的浓硝酸浓度约为16 mol/L），稀释至50 mL后酸度最高为0.64 mol/L，符合酸度控制的要求。为了确保实验条件相同扣除背景干扰，后面配制锌的标准溶液时也要控制酸度，可以在定容前加2滴浓硝酸。
根据原子吸收光谱法的原理，在使用锐线光源条件下，基态原子蒸气对共振线的吸收符合朗伯-比尔定律：
A=lg
I0I
=KLN0
在试样原子化时，火焰原子温度低于3000 K时，对大多数元素来说，原子蒸气中基态原子的数目实际上接近原子总数。在固定的实验条件下，待测元素的原子总数与该元素在试样中的浓度成正比。因此，上式可以表示为
A=Kc
'
这就是原子吸收定量分析的依据。具体测定时，要根据被测金属元素浓度的线性范围配置试样溶液。对于本实验，线性范围是：0 ~ 3 μg/mL。根据头发中锌含量的文献值大约为150 μg/g ~ 600 μg/g，所以若是取0.1 g发样，将其稀释至50 mL容量瓶中得到的试样的锌浓度大约为
1 μg/mL左右，刚好处于线性范围的中间，保证了测定的准确性。
在原子吸收分析中，测定条件的选择对测定的灵敏度，准确度和干扰情况均有很大影响。通常选择共振线作分析线，使测定有较高的灵敏度，但为了消除干扰，可选择灵敏度较低的谱线。其它的测定条件包括工作电流、助燃比、燃烧器高度的选择，狭缝宽度的选择。查阅文献已经给出了锌的原子吸收分析的最佳工作条件。
表1. 锌的原子吸收分析中仪器的最佳工作条件参考
注：仪器中的空气流量一般为固定值。
三、仪器和试剂
仪器：GBC932plus火焰原子吸收分光光度计；乙炔钢瓶；空气压缩机；锌空心阴极灯；电热板；100 mL容量瓶1个；50 mL容量瓶8个；消解杯1个；25 mL烧杯8个；10 mL胖肚移液管1支；10 mL刻度移液管1支；5 mL刻度移液管1支；洗液瓶1个；胶头滴管1根；洗耳球1个。
试剂：锌储备液（称取光谱纯锌1.0000 g，溶于20 mL 6 mol/mL盐酸，移入1000 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，含Zn2+ 1.000 mg/mL）；浓HNO（.R）；30% H2O2；3G去离子水。
四、实验步骤
1. 配制Zn2+ 标准溶液
锌标准溶液：用10 mL吸管取1.000 mg/mL锌储备液至100 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，此溶液含Zn2+ 100.0 μg/mL。再取1个50 mL容量瓶，在一个容量瓶中加入100 μg/mL Zn2+ 标准溶液5.00 mL，用去离子水稀释至刻度，摇匀。此溶液含Zn2+ 10.0 μg/mL。
2. 配制Zn 混合标准溶液
在6个50 mL容量瓶中加入上述10.0 μg/mL Zn2+标准溶液0 mL，2 mL，4 mL，6 mL，8mL，10 mL，加入浓HNO3 2滴，用去离子水稀释至刻度，摇匀。系列锌标准溶液浓度为
2+
0.000 μg/mL，0.400 μg/mL，0.800 μg/mL，1.200 μg/mL，1.600 μg/mL，2.000 μg/mL。
3. 试样溶液的制备
用不锈钢剪刀从后颈部减取头发试样，将其剪成1 cm发段，用洗发香波洗涤，再用自来水清洗多次，将其移入布氏漏斗中，用1 L去离子水淋洗，于110 ℃下烘干。准确称取发样0.1000 g，置于消解杯中。先加入4 mL浓HNO3，稍冷后缓慢滴加2 mL 30% H2O2。待溶液反应稳定后置于电热板上加热消解，加热温度控制在中档，消解至溶液澄净透明。若消解后呈深棕色，应再加少许H2O2，继续加热使之变浅，最后细心蒸至溶液剩余1~2 mL。加少量去离子水稀释，转移至50 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，待测定。
4. 测定标准溶液，绘制标准曲线
按照实验原理中的表1设定仪器参数和实验条件（也可以自己测定最佳实验条件）。优化好实验条件后，分别测定不同浓度的锌标准溶液的吸光度。
5. 试样溶液的分析
在和锌标准溶液的相同测定条件下，测定发样的试样溶液的吸光度，计算头发中的锌含量。
五、注意事项
1. 溶样过程中加H2O2时，要将试样稍冷，且慢慢滴加，以免H2O2受热剧烈分解，将试样溅出。
2. 试样的吸光度应该在标准曲线的中部，否则应该改变配制溶液的体积。 3. 乙炔钢瓶阀门旋开不超过1.5转。
4. 实验时要打开通风设备，是金属蒸气即时排出室外。
5. 点火时，先开空气，后开乙炔气。熄火时，先关乙炔气，后关空气。室内若有乙炔气味，应立即关闭气源，通风，排除问题后再进行实验。
六、结果处理
1. 绘制Zn2+标准溶液的A~C标准曲线。
实验过程中我们测量了不同浓度的Zn标准溶液的吸光度，列表如下，根据表2可以绘制Zn标准溶液的A~C标准曲线。
表2. 不同浓度的Zn2+标准溶液的吸光度值
2+
2+
根据上表利用Excel的数据处理功能绘制不同浓度的Zn2+标准溶液的A~C标准曲线，见图1，并计算其线性拟合方程和线性相关系数。
图1. 不同浓度的Zn2+标准溶液的A~C标准曲线
线性模拟方程及线性相关系数的计算结果如下，
A=0.1491C+0.0144R=0.9974
2
其中，C是Zn2+浓度，单位为μg/mL；A为吸光度。
2. 确定头发中的锌含量。
实验测定未知溶液的吸光度为0.168，将其带入上述的线性模拟方程，可得未知溶液的Zn2+的浓度C，如下：
C=
A-0.01440.1491
μg⋅mL
-1
-1
=
0.168-0.0144
0.1491
μg⋅mL
-1
=1.030μg⋅mL
实验所用的头发质量为0.0992g，可以计算头发中的锌含量为，
锌含量ω=
C⋅Vm
=1.030μg⋅mL
-1
⨯50mL÷0.0992g
=519.2μg/g
七、实验总结
头发中锌含量的实验值为519.2 μg/g，文献值一般是300 μg/g左右，相比之下我们所测的值普遍比较大，由于我们同时做了很多份的样品，得到的结果都在500 μg/g左右，所以可以排除是偶然误差或操作失误造成的。分析其原因可能是因为：
（1）饮食结构的改变。随着经济发展，人的饮食结构变得丰富多样，这影响了头发中的锌含量。比如现在的人普遍每天都食用牛奶，而牛奶中就含有丰富的锌元素。
（2）如文献综述的介绍，人发中的锌含量和年龄有一定联系，一般年轻人的头发中锌含量要高于老年人。观察我们的发样都比较乌黑有韧劲，可以推测实验提供的发样来自于年轻人，所以测得的锌含量比较高。
当然为了确保实验的精确度，我们可以通过对同一份样品做平行实验和锌的回收实验来确保实验结果的精确性。
除了上面和文献值的比照讨论，对于本实验，我们可以对锌含量的测量相对误差做一定的理论分析，因为有：
锌含量ω=
C⋅Vm
所以对两边同时取对数，有：
lnω=lnC+lnV-lnm
两边取微分可得，
dω
ω
=
dCC
+
dVV
+
dmm
所以实验中各参量的相对误差的关系可以描述为，
∆ω
ω
=
∆CC
+
∆VV
+
∆mm
又因为浓度C和吸光度A有如下关系，
A=0.1491C+0.0144
其相对误差的关系可以描述为，
∆CC
=(1+
0.096C
)∆AA
整理后可以得到如下的结果，
∆ω
ω
=
∆VV
+
∆mm
+(1+
0.096C
)
∆AA
由上式可知，锌含量测定的相对误差随试液的Zn2+的浓度C变化而变化，当未知液的Zn2+浓度较小时会导致(1+
2+
0.096C
)
∆AA
变大，而使相对误差变大。为了确保实验的精确性，最好
在未知液的Zn浓度处在线性范围的前提下尽可能的大，这样可以增加结果的精确性。本实验的未知液的Zn浓度为1.030 μg/mL，将其带入上式可得，
∆ω
2+
ω
=
∆VV
+
∆mm
+1.09
∆AA
容量瓶的定容误差在1‰左右；分析天平的称量误差在0.5‰左右；吸光度的测量误差和多种因素有关，包括测量误差、背景校正等，暂时考虑仪器误差在2‰左右。最后锌含量测定的相对误差理论值为，
∆ω
ω
=
∆VV
+
∆mm
+1.09
∆AA
≈0.004
因此，对于本次实验发样的锌含量测定，完整的实验结果可以表示成，
锌含量ω=（519±2）μg⋅g
-1
实际上吸光度测量的相对误差还应该考虑背景校正。如标准溶液的酸度和未知液的酸度并不严格相等，会造成吸光度A有一定的差别。我们可以通过实验验证酸度是否对吸光度有很大影响，如在标准溶液中分别加1、2、3、4滴的浓硝酸进行平行实验，测其吸光度的改变并计算分析这种酸度对吸光度的影响是否可以忽略。如果影响很大，则可考虑在上述溶液中加缓冲液来稳定pH值。
本次实验只是简单的测定了发样中的锌含量，我们还可以拓展出其它与此相关的研究。比如，我们可以研究不同年龄段人的头发中锌含量变化，或者头发中锌含量和饮食结构的联系等。我们也可以对测定方法进行改进和探索，如通过上述分析知道在未知液浓度处在线性范围的前提下增大浓度C可以减小结果的相对误差，所以在稀释发样溶液时应尽可能用小体积的容量瓶。我们可以研究溶液酸度或其它没考虑到的因素对实验结果的影响，并修正改进使实验方法更加准确可靠。
实验报告
火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌
一、目的要求
1．了解火焰原子吸收光谱法的原理，掌握仪器的正确操作方法。 2．学习生化样品的处理方法，了解湿法消解、干法灰化的优劣。
3．通过头发中锌含量的测定，掌握标准曲线法在实际样品分析中的应用。
二、实验原理
原子吸收光谱法是测定多种试样中金属元素的常用方法。本次实验选用火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌。
测定头发中的锌含量，首先要处理样品，使其中的金属元素以可溶的状态存在。本实验中的发样用湿法处理，即试样在混酸中消解制成溶液。发样酸解消化后得到的试液一定要注意控制酸度。高浓度的无机酸（>1 mol/L）会导致试液的物理性质发生变化，影响测定的灵敏度。本实验选用HNO3/H2O2混酸体系消化样品时，为了控制酸度最后溶液蒸至剩余1~2 mL（HNO3易挥发，很容易蒸去一部分；H2O2在高温下会部分分解），假设剩余的2 mL溶液都是浓硝酸（分析纯的浓硝酸浓度约为16 mol/L），稀释至50 mL后酸度最高为0.64 mol/L，符合酸度控制的要求。为了确保实验条件相同扣除背景干扰，后面配制锌的标准溶液时也要控制酸度，可以在定容前加2滴浓硝酸。
根据原子吸收光谱法的原理，在使用锐线光源条件下，基态原子蒸气对共振线的吸收符合朗伯-比尔定律：
A=lg
I0I
=KLN0
在试样原子化时，火焰原子温度低于3000 K时，对大多数元素来说，原子蒸气中基态原子的数目实际上接近原子总数。在固定的实验条件下，待测元素的原子总数与该元素在试样中的浓度成正比。因此，上式可以表示为
A=Kc
'
这就是原子吸收定量分析的依据。具体测定时，要根据被测金属元素浓度的线性范围配置试样溶液。对于本实验，线性范围是：0 ~ 3 μg/mL。根据头发中锌含量的文献值大约为150 μg/g ~ 600 μg/g，所以若是取0.1 g发样，将其稀释至50 mL容量瓶中得到的试样的锌浓度大约为
1 μg/mL左右，刚好处于线性范围的中间，保证了测定的准确性。
在原子吸收分析中，测定条件的选择对测定的灵敏度，准确度和干扰情况均有很大影响。通常选择共振线作分析线，使测定有较高的灵敏度，但为了消除干扰，可选择灵敏度较低的谱线。其它的测定条件包括工作电流、助燃比、燃烧器高度的选择，狭缝宽度的选择。查阅文献已经给出了锌的原子吸收分析的最佳工作条件。
表1. 锌的原子吸收分析中仪器的最佳工作条件参考
注：仪器中的空气流量一般为固定值。
三、仪器和试剂
仪器：GBC932plus火焰原子吸收分光光度计；乙炔钢瓶；空气压缩机；锌空心阴极灯；电热板；100 mL容量瓶1个；50 mL容量瓶8个；消解杯1个；25 mL烧杯8个；10 mL胖肚移液管1支；10 mL刻度移液管1支；5 mL刻度移液管1支；洗液瓶1个；胶头滴管1根；洗耳球1个。
试剂：锌储备液（称取光谱纯锌1.0000 g，溶于20 mL 6 mol/mL盐酸，移入1000 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，含Zn2+ 1.000 mg/mL）；浓HNO（.R）；30% H2O2；3G去离子水。
四、实验步骤
1. 配制Zn2+ 标准溶液
锌标准溶液：用10 mL吸管取1.000 mg/mL锌储备液至100 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，此溶液含Zn2+ 100.0 μg/mL。再取1个50 mL容量瓶，在一个容量瓶中加入100 μg/mL Zn2+ 标准溶液5.00 mL，用去离子水稀释至刻度，摇匀。此溶液含Zn2+ 10.0 μg/mL。
2. 配制Zn 混合标准溶液
在6个50 mL容量瓶中加入上述10.0 μg/mL Zn2+标准溶液0 mL，2 mL，4 mL，6 mL，8mL，10 mL，加入浓HNO3 2滴，用去离子水稀释至刻度，摇匀。系列锌标准溶液浓度为
2+
0.000 μg/mL，0.400 μg/mL，0.800 μg/mL，1.200 μg/mL，1.600 μg/mL，2.000 μg/mL。
3. 试样溶液的制备
用不锈钢剪刀从后颈部减取头发试样，将其剪成1 cm发段，用洗发香波洗涤，再用自来水清洗多次，将其移入布氏漏斗中，用1 L去离子水淋洗，于110 ℃下烘干。准确称取发样0.1000 g，置于消解杯中。先加入4 mL浓HNO3，稍冷后缓慢滴加2 mL 30% H2O2。待溶液反应稳定后置于电热板上加热消解，加热温度控制在中档，消解至溶液澄净透明。若消解后呈深棕色，应再加少许H2O2，继续加热使之变浅，最后细心蒸至溶液剩余1~2 mL。加少量去离子水稀释，转移至50 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，待测定。
4. 测定标准溶液，绘制标准曲线
按照实验原理中的表1设定仪器参数和实验条件（也可以自己测定最佳实验条件）。优化好实验条件后，分别测定不同浓度的锌标准溶液的吸光度。
5. 试样溶液的分析
在和锌标准溶液的相同测定条件下，测定发样的试样溶液的吸光度，计算头发中的锌含量。
五、注意事项
1. 溶样过程中加H2O2时，要将试样稍冷，且慢慢滴加，以免H2O2受热剧烈分解，将试样溅出。
2. 试样的吸光度应该在标准曲线的中部，否则应该改变配制溶液的体积。 3. 乙炔钢瓶阀门旋开不超过1.5转。
4. 实验时要打开通风设备，是金属蒸气即时排出室外。
5. 点火时，先开空气，后开乙炔气。熄火时，先关乙炔气，后关空气。室内若有乙炔气味，应立即关闭气源，通风，排除问题后再进行实验。
六、结果处理
1. 绘制Zn2+标准溶液的A~C标准曲线。
实验过程中我们测量了不同浓度的Zn标准溶液的吸光度，列表如下，根据表2可以绘制Zn标准溶液的A~C标准曲线。
表2. 不同浓度的Zn2+标准溶液的吸光度值
2+
2+
根据上表利用Excel的数据处理功能绘制不同浓度的Zn2+标准溶液的A~C标准曲线，见图1，并计算其线性拟合方程和线性相关系数。
图1. 不同浓度的Zn2+标准溶液的A~C标准曲线
线性模拟方程及线性相关系数的计算结果如下，
A=0.1491C+0.0144R=0.9974
2
其中，C是Zn2+浓度，单位为μg/mL；A为吸光度。
2. 确定头发中的锌含量。
实验测定未知溶液的吸光度为0.168，将其带入上述的线性模拟方程，可得未知溶液的Zn2+的浓度C，如下：
C=
A-0.01440.1491
μg⋅mL
-1
-1
=
0.168-0.0144
0.1491
μg⋅mL
-1
=1.030μg⋅mL
实验所用的头发质量为0.0992g，可以计算头发中的锌含量为，
锌含量ω=
C⋅Vm
=1.030μg⋅mL
-1
⨯50mL÷0.0992g
=519.2μg/g
七、实验总结
头发中锌含量的实验值为519.2 μg/g，文献值一般是300 μg/g左右，相比之下我们所测的值普遍比较大，由于我们同时做了很多份的样品，得到的结果都在500 μg/g左右，所以可以排除是偶然误差或操作失误造成的。分析其原因可能是因为：
（1）饮食结构的改变。随着经济发展，人的饮食结构变得丰富多样，这影响了头发中的锌含量。比如现在的人普遍每天都食用牛奶，而牛奶中就含有丰富的锌元素。
（2）如文献综述的介绍，人发中的锌含量和年龄有一定联系，一般年轻人的头发中锌含量要高于老年人。观察我们的发样都比较乌黑有韧劲，可以推测实验提供的发样来自于年轻人，所以测得的锌含量比较高。
当然为了确保实验的精确度，我们可以通过对同一份样品做平行实验和锌的回收实验来确保实验结果的精确性。
除了上面和文献值的比照讨论，对于本实验，我们可以对锌含量的测量相对误差做一定的理论分析，因为有：
锌含量ω=
C⋅Vm
所以对两边同时取对数，有：
lnω=lnC+lnV-lnm
两边取微分可得，
dω
ω
=
dCC
+
dVV
+
dmm
所以实验中各参量的相对误差的关系可以描述为，
∆ω
ω
=
∆CC
+
∆VV
+
∆mm
又因为浓度C和吸光度A有如下关系，
A=0.1491C+0.0144
其相对误差的关系可以描述为，
∆CC
=(1+
0.096C
)∆AA
整理后可以得到如下的结果，
∆ω
ω
=
∆VV
+
∆mm
+(1+
0.096C
)
∆AA
由上式可知，锌含量测定的相对误差随试液的Zn2+的浓度C变化而变化，当未知液的Zn2+浓度较小时会导致(1+
2+
0.096C
)
∆AA
变大，而使相对误差变大。为了确保实验的精确性，最好
在未知液的Zn浓度处在线性范围的前提下尽可能的大，这样可以增加结果的精确性。本实验的未知液的Zn浓度为1.030 μg/mL，将其带入上式可得，
∆ω
2+
ω
=
∆VV
+
∆mm
+1.09
∆AA
容量瓶的定容误差在1‰左右；分析天平的称量误差在0.5‰左右；吸光度的测量误差和多种因素有关，包括测量误差、背景校正等，暂时考虑仪器误差在2‰左右。最后锌含量测定的相对误差理论值为，
∆ω
ω
=
∆VV
+
∆mm
+1.09
∆AA
≈0.004
因此，对于本次实验发样的锌含量测定，完整的实验结果可以表示成，
锌含量ω=（519±2）μg⋅g
-1
实际上吸光度测量的相对误差还应该考虑背景校正。如标准溶液的酸度和未知液的酸度并不严格相等，会造成吸光度A有一定的差别。我们可以通过实验验证酸度是否对吸光度有很大影响，如在标准溶液中分别加1、2、3、4滴的浓硝酸进行平行实验，测其吸光度的改变并计算分析这种酸度对吸光度的影响是否可以忽略。如果影响很大，则可考虑在上述溶液中加缓冲液来稳定pH值。
本次实验只是简单的测定了发样中的锌含量，我们还可以拓展出其它与此相关的研究。比如，我们可以研究不同年龄段人的头发中锌含量变化，或者头发中锌含量和饮食结构的联系等。我们也可以对测定方法进行改进和探索，如通过上述分析知道在未知液浓度处在线性范围的前提下增大浓度C可以减小结果的相对误差，所以在稀释发样溶液时应尽可能用小体积的容量瓶。我们可以研究溶液酸度或其它没考虑到的因素对实验结果的影响，并修正改进使实验方法更加准确可靠。