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原子吸收分光光度法的原理及应用
日期：2024-04-28 09:18
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摘要：
原子吸收分光光度法的原理及应用
原子吸收分光光度分析又称原子吸收光谱分析，是基于从光源发出的被测元素特征辐射通过元素的原子蒸气时被其基态原子吸收，由辐射的减弱程度测定元素含量的一种现代仪器分析方法。优点是：
检出限低 火焰原子吸收光谱法（FAAS）的检出限可达到mg/L级，石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)的检出限可达到10-10g～10-14g；
选择性好 原子吸收光谱是元素的固有特征；
精密度高 FAAS相对标准偏差一般为0.x%-3%，GFAAS相对标准偏差一般可控制在5%之内；
抗干扰能力强 一般不存在共存元素的光谱干扰，干扰主要来自化学干扰；
分析速度快 使用自动进样器，每小时可测定几十个样品；
应用范围广 可分析周期表中绝大多数的金属与非金属元素，利用联用技术可以进行元素的形态分析，用间接原子吸收光谱法可以分析有机化合物，还可以进行同位素分析；
用样量小 FAAS进样量一般为3mL/min～6mL/min，GFAAS液体的进样量为10μL～50μL，固体进样量为毫克级;
仪器设备相对比较简单，操作简便。
不足之处是：主要用于单元素的定量分析；标准曲线的动态范围通常小于2个数量级。
1 原子吸收光谱分析基本原理
众所周知，任何元素的原子都是由原子核和饶核运动的电子组成，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子可以具有多种能级状态。能量*低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能级*低的激发态则称为**激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量*低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。
原子吸收光谱的波长和频率由产生跃迁的两能级的能量决定：
（2-18）
式中 ——两能级的能量差，eV(1eV=1.602192×10-19J)；
——频率，s-1；
λ——波长，nm；
C——光速，m/s；
——普朗克常数。
原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品蒸汽被待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合比尔定律：
（2-19）
式中 I——透射光强度；
I0——发射光强度；
T——透射比；
L——光通过原子化器的光程；
N0——待测元素基态原子的数目。
由于L是不变值，在试样原子化阶段，火焰温度低于3000K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是与该元素在样品中的浓度c成正比的。因此，上式可以表示为：
（2-20）
式中在一定实验条件下是一个常数，实际上是标准曲线的斜率。只要通过测定标准系列溶液的吸光度，绘制工作曲线，根据同时测得的样品溶液中待测元素的吸光度，在工作曲线上即可查得待测元素的浓度。这就是原子吸收光谱法定量分析的基础。
2 原子吸收光谱分析的定量方法
原子吸收光谱分析是一种动态分析方法，用校正曲线进行定量。常用的定量方法有标准曲线法、标准加入法。标准曲线法是*基本的定量方法。
2.1 标准曲线法
用标准物质配制一组合适的标准溶液，由低浓度到高浓度依次测定各标准溶液的吸光度值Ai，以吸光度值Ai（i=1,2,3,4,5…）为纵坐标，待测元素的浓度ci（i=1,2,3,4,5…）为横坐标，绘制A-c标准曲线。在同样的测试条件下，测定待测试样溶液的吸光度值Ax，由标准曲线求得待测试样溶液中被测元素的浓度cx。
从测光误差的角度考虑，吸光度在0.1～0.5之间测光误差较小，因此，应该这样来选择标准曲线的浓度范围，使之产生的吸光度位于0.1～0.5之间。为了保证测定结果的准确度，标准溶液的组成应尽可能接近样品溶液的组成。
喷雾效率和火焰状态的稍许变动，石墨炉原子化条件的变动，波长的漂移，标准曲线的斜率也会随之有些变动。因此，每次分析测定时都应重新绘制标准曲线。
2.2 标准加入法
在实际分析过程中，样品的机体、组成和浓度千变万化，要找到完全与样品组成相匹配的标准物质是很困难的，特别是对于复杂基体样品就更困难。试样物理化学性质的变化，引起喷雾效率、气溶胶粒子粒径分布、原子化效率、基体效应、背景和干扰情况的改变，导致测定误差的增加。标准加入法可以自动进行基体匹配，补偿样品的物理和化学干扰，提高测定的准确度。
标准加入法的操作如下：分取几份等量的被测试样，在其中分别加入0、c1、c2、c3、c4和c5等不同量的被测元素标准溶液，依次在同样条件下测定它们的吸光度Ai（i=1,2,3,4,5…），制作吸光度值对加入量的校正曲线（见图2-7），校正曲线不通过原点。加入量的大小，要求c1接近于试样中被测定元素含量cx，c2是cx的两倍，c3是cx的3～4倍，c5必须仍在校正曲线的线性范围内。从理论上讲，在不存在或校正了背景吸收的情况下，如果试样中不含有被测定元素，校正曲线应通过原点。现在校正曲线不通过原点，说明试样中含有被测定元素。校正曲线在纵坐标轴上的截距所相应的吸光度正是试样中被测定元素所引起的效应。将校正曲线外延与横坐标轴相交，由原点至交点的距离相当的浓度cx，即为试样中被测定元素的含量。
3 原子吸收光谱仪
3.1 原子吸收光谱仪结构
原子吸收光谱仪由光源、原子化器、光学系统、检测系统和数据工作站组成。光源提供待测元素的特征辐射光谱；原子化器将样品中的待测元素转化为自由原子；光学系统将待测元素的共振线分出；
检测系统将光信号转换成电信号进而读出吸光度；数据工作站通过应用软件对光谱仪各系统进行控制并处理数据结果。图2-8为原收光谱仪的结构。
图2-7 标准加入法
图2-8 原子吸收光谱仪结构示意图 |
光电转换 |
数据处理和仪器控制 |
空心阴极灯 |
雾化器和 雾化室 |
火焰或石墨炉原子化器 |
单色器 |
光电倍 增管 |
3.2 光源
光源的作用是辐射待测元素的特征谱线（实际辐射的是共振线和其它非吸收谱线），供测量使用。对光源的基本要**：
（1）能辐射锐线，即发射线的半宽度比吸收线的半宽度窄得多，这样有利于提高分析的灵敏度和改善校正曲线的线性关系。
（2）能辐射待测元素的共振线，并且具有足够的强度，以保证有足够的信噪比，改善仪器的检出限。
（3）辐射的光强度稳定，以保证测定具有足够的精度。
空心阴极灯、无极放电灯和蒸气放电灯都能符合上述要求，这里着重介绍应用*广泛的空心阴极灯(hollow cathodelamp，HCL)。
空心阴极 |
阳极 |
玻璃管 |
石英窗口 |
图2-9 空心阴极灯 |
空心阴极灯是一种产生原子锐线发射光谱的低压气体放电管，其阴极形状一般为空心圆柱，由被测元素的纯金属或合金制成，空心阴极灯由此得名，并以其空心阴极材料的元素命名，如铜空心阴极灯就是以铜作为空心阴极材料制成的。空心阴极灯的阳极是一个金属环，通常由钛制成兼作吸气剂用，以保持灯内气体的纯净。外壳为玻璃管，窗口由石英或透紫外线玻璃制成，管内抽成真空，充入低压惰性气体，通常是氖气或氩气，其结构如图2-9所示。
当正负电极间施加适当电压（通常是300V～500V）时，便开始辉光放电，这时电子将从空心阴极内壁射向阳极，在电子通路上与惰性气体原子碰撞而使之电离，带正电荷的惰性气体离子在电场作用下，就向阴极内壁猛烈轰击，使阴极表面的金属原子溅射出来。溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生碰撞而被激发，于是阴极内的辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。
空心阴极灯发射的光谱，主要是阴极元素的光谱（其中也杂有内充气体及阴极中杂质的光谱），因此用不同的待测元素作阴极材料，可制成各相应待测元素的空心阴极灯。若阴极物质只含一种元素，可制成单元素灯；阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。为了避免发生光谱干扰，在制灯时，必须用纯度较高的阴极材料和选择适当的内充气体（亦称载气，常用高纯惰性气体氖或氩），以使阴极元素的共振线附近没有内充气体或杂质元素的强谱线。
空心阴极灯的发射强度与灯的工作电流有关。空心阴极灯的*大工作电流与元素种类、灯的结构及光源的调制方式有关。空心阴极灯发射强度的稳定性与电源的稳定性和灯的质量有关，也与使用是否适当有关。增大灯电流时，灯的发射强度增大，仪器光电倍增管的负高压降低，光电倍增管产生的散粒（光子）噪声的影响降低，从而提高了信噪比。但工作电流过大，会导致一些**现象，如：使阴极溅射增强，产生密度较大的电子云，灯本身发生自蚀现象；加快内充气体的“消耗”而缩短寿命；阴极温度过高，使阴极物质熔化；放电不正常，使灯强度不稳定等。使用较小的灯电流时，自吸现象减小，测试灵敏度提高。但使用较低的灯电流，则灯的发射强度减小，检测器需要较高的增益，同时电流太小放电也不正常，发射强度不稳定，信噪比降低。合适的灯电流应经实验确定，由计算机控制的仪器大部分具有专家数据库，提供灯电流的选择参考，在信噪比允许的情况下选用较小的灯电流对提高检出限及测量动态范围是有好处的，同时也能延长灯的使用寿命。
空心阴极灯在使用前应经过一段预热时间，是灯的发射强度达到稳定，预热时间的长短视灯的类型和元素的不同而不同，一般在5min～20min范围内。
3.3 光学系统
光学系统是光谱仪的心脏，一般由外光路系统与单色器组成。
外光路系统使光源发出的共振线能正确地通过被测试样的原子蒸气，并投射到单色器的狭缝上。
商品原子吸收仪的外光路各不相同，可简单地分为单光束和双光束两种类型，图2-10所示为两种类型的光学系统原理图。图2-10中(a)为单光束仪器的光路图。这种光学系统以其结构简单、光能损失少而被广泛采用。元素灯(L)与氘灯(D2)的光通过半透镜或旋转发射镜重合在一起通过原子化器，实现氘灯背景校正功能。单光束系统的缺点是不能消除光源波动而引起的基线漂移。图2-10中(b)为双光束
图2-10 原子吸收光学系统简图
仪器的光路图。用旋转切光器把光源输出分为两路光束，其中一束通过原子化器为样品光束，另一束绕过原子化器作为参比光束，然后用切光器把两路光束合并，交替地进入单色器。检测器根据同步信号分别检出样品信号及参比信号。由于两路光束来自同一光源，光源的波动可以通过参比信号补偿，因此光源无需预热，点灯后即可工作，但光能量损失。
单色器的作用是从激发光源的复合光中分离出被测元素的共振线。早期的单色器采用棱镜，现代光谱仪大多采用平面或凹面光栅单色器，20世纪末，已有采用中阶梯光栅单色器的仪器推向市场，这种仪器分辨能力强、结构小巧，具有很强的发展潜力。原子吸收所用的吸收线是锐线光源发出的共振线，它的谱线比较简单，因此对仪器并不要求很高的色散能力，同时为了便于测定，又要有一定的出射光强度。因此若光源强度一定，就需要选用适当的光栅色散率与狭缝宽度配合，构成适于测定的通带来满足上述要求。通带是由色散元件的色散率于入射与出射狭缝宽度（二者通常是相等的）决定的，其表示式如下：
（2-21）
式中 ——单色器的通带宽度(nm)；
——光栅倒数线色散率(nm/mm)；
——狭缝宽度(μm)。
由式（2-21）可见，若单色器采用了一定色散率的光栅，则单色器的分辨率和集光本**决于狭缝。因此使用单色器就应根据要求的出射光强度和单色器的分辨率来调节适宜的狭缝宽度，以构成适于测定的通带。一般讲，调宽狭缝，出射光强度增加，但同时出射光包含的波长范围也相应加宽，使单色器的分辨率降低，这样，未被分开的靠近共振线的其它非共振线或在火焰中不被吸收的光源发射背景辐射亦经出射狭缝而被检测器接收，从而导致测得的吸收值偏低，使工作曲线弯曲，产生误差。反之，调窄狭缝，可以改善实际分辨率，但出射光强度降低，相应地要求提高光源的工作电流，或增加检测器增益，这样，又伴随着谱线变宽和噪声增加。因此，应根据测定的需要调节合适的狭缝宽度。例如：如果待测元素的共振线没有邻近的干扰（如碱金属，碱土金属）及连续背景很小，那么狭缝宽度宜较大，这样能使集光本领增强，有效地提高信噪比，并可提高待测元素的检测极限。相反，若待测元素具有复杂光谱（如过渡金属，稀土元素等）或有连续背景，那么狭缝宽度宜小，这样可减少非吸收谱线的干扰，得到线性好的工作曲线。
3.4 原子化器
图2-11 火焰原子化器
原子化器的功能在于将试样转化为所需的基态原子。被测元素由试样中转入气相，并解离为基态原子的过程，称为原子化过程。原子化过程直接影响分析灵敏度和结果的重现性。原子化器主要分为火焰原子化器与石墨炉原子化器两种。
（1）火焰原子化器
在原子吸收光谱法中，火焰原子化器经过几十年的研究发展，已经相当成熟，也是目前应用*广的原子化器。其优点是操作简便、分析速度快、分析精度好、测定元素范围广、背景干扰较小等。但它也存在一些缺点，如由于雾化效率低及燃气和助燃气的稀释，致使测定灵敏度降低；采用中温、低温火焰原子化时化学干扰大；在使用中应考虑**问题等。
火焰原子化系统一般包括雾化器、雾化室、燃烧器与气体控制系统。如图2-11所示。其作用是：首先使试样雾化成气溶胶，再通过燃烧产生的热量使进入火焰的试样蒸发、熔融、分解成基态原子。与此同时尽量减少自由原子的激发和电离，减少背景吸收及发射。在原子吸收光谱测定中，对火焰的基本要**：火焰有足够高的温度，能有效地蒸发和分解试样，并使被测元素原子化；火焰稳定性良好，噪音低，以保证有良好的测定精密度；较低的光吸收，提高仪器的能量水平，降低测量噪声，以获得低的检出限；燃烧**。
（2）石墨炉原子化器
石墨炉原子化器是应用*广泛的无焰加热原子化器。其基本原理是将试样注入在石墨管中，用通电的办法加热石墨管，使石墨管内腔产生很高的温度，从而使石墨管内的试样在极短的时间内热解、气化，形成基态原子蒸气。
石墨炉原子化器一般由石墨炉电源、石墨炉炉体及石墨管组成。炉体又包括石墨锥、冷却座、石英窗和电极架，如图2-12所示。石墨管固定在两个电极之间，管的两端开口，安装时其长轴与原子吸收分析光束的通路重合；石墨管的中心有一进样口，试样由此注入；为了防止试样及石墨管氧化，需要在不断通入惰性气体（氩气）的情况下用大电流（300A）通过石墨管；此时石墨管被加热至高温（2000℃～3000℃）而使试样原子化。测定时分干燥、灰化、原子化、净化四步程序升温。干燥的目的是在低温（通常为105℃）下蒸发去除试样的溶剂，以免溶剂存在导致灰化和原子化过程飞溅；灰化的作用
是在较高温度下（通常为350℃～1400℃）下进一步去除有机物或低沸点无机物，以减少基体组分对待测元素的干扰；原子化阶段待测元素被蒸发形成气态原子，原子化温度随待测元素而异（通常为2000℃～3000℃）；净化的作用是将温度升至*大允许值，以去除残余物，消除由此产生的记忆效应。石墨管原子化器的升温程序由微机控制自动进行。
图2-12 石墨炉原子化器
石墨炉原子化方法的*大优点是注入的试样几乎可以完全原子化，特别对于易形成耐熔氧化物的元素，由于没有大量氧的存在，并由石墨管提供了大量碳，所以能够得到较好的原子化效率。当试样含量很低，或只能提供很少量的试样时，使用石墨炉原子化法是很适合的。其缺点是：首先，共存物的干扰要比火焰法大。当共存分子产生的背景吸收较大时，需要调节灰化温度及时间，使背景分子吸收不与原子吸收重叠，并使用背景校正方法来校正之。其次，由于进样量小，相对灵敏度不高，试样组成的不均匀性影响较大，测试精度不如火焰原子化法好。
（3）其它原子化器
对于砷、硒、汞以及其它一些特殊元素，可以利用某些化学反应来使它们原子化。
1）氢化物原子化器
氢化物原子化法是低温原子化法的一种，主要用来测定As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb和Te等元素。这些元素在酸性介质中与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物。例如对于砷，其反应为：
AsCl3 + 4NaBH4 + HCl +8H2O ＝ AsH3 + 4KCl + 4HBO2+13H2
然后将此氢化物送入原子化系统进行测定。因此，其装置分为氢化物发生器和原子化装置两部分。
氢化物原子化法由于还原转化为氢化物时的效率高，生成的氢化物可在较低的温度（一般为700℃～900℃）原子化，且氢化物生成的过程本身是个分离过程，因此此法具有高灵敏度（分析砷、硒时灵敏度可达10g-9g），较少的基体干扰和化学干扰等优点。
2）冷原子化器
将试液中汞离子用SnCl2或盐酸羟胺还原为金属汞，然后用空气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体吸收管中进行原子吸收测量。本方法的灵敏度和准确度都较高（可检出0.01μg的汞），是测定痕量汞的好方法。
3.5 背景校正装置
在原子吸收光谱分析中，为消除样品测定时的背景干扰，背景校正装置几乎是现代原子吸收光谱仪必不可少的部件。特别是石墨炉原子化器的应用，对痕量元素分析与超痕量元素分析的背景干扰尤为严重，因此各种背景校正技术发展了起来。目前原子吸收所采用的背景校正方法主要有氘灯背景校正、塞曼效应背景校正和自吸收背景校正。
（1）氘灯背景校正
氘灯背景校正是火焰法和石墨炉法用得*普遍的一种。它主要解决由于分子吸收而产生的背景。氘灯用作背景校正的光源，适用于紫外线波段（180nm～400nm），由于它是真空放电光源，调制方式既可采用机械方式也可采用时间差脉冲点灯的电调制方式，且原子吸收测量的元素共振辐射大多数处于紫外线波段，所以氘灯校正背景是连续光源校正背景*常用的技术，已成为连续光源校正背景技术的代名词。
分子吸收是宽带（带光谱）吸收，而原子吸收是窄带（线光谱）吸收，因此当被测元素的发射线进入石墨炉原子化器时，石墨管中的基态分子和被测元素的基态原子都将对它进行吸收。这样，通过石墨炉原子化器以后输出的是原子吸收和分子吸收（即背景吸收）的总和。当氘灯信号进入石墨炉原子化器后，宽带的背景吸收要比窄带的原子吸收大许多倍，原子吸收可忽略不计，所以可认为输出的只有背景吸收，*后两种输出结果差减，就得到了扣除背景吸收以后的分析结果。如图2-13所示。
氘灯的优点：氘灯扣背景对灵敏度的影响很小，扣背景能力强，特别是在远紫外区域，如测定As193.7nm，灵敏度高，并可有效地扣除2A以上的背景，而且分析的动态线性范围较宽，可以适用于90%的应用。
氘灯的局限性：1）由于氘灯扣除的是仪器光谱通带内的平均背景吸收值，而不是分析波长处的背景值，因此不能用于校正通带内共存元素的光谱线干扰及结构化背景。例如，于196.0nm波长处测定铁基中的硒时，在196.0nm±1nm的波长范围内有若干条铁的吸收线，大量的铁基体将对连续光源辐射产生吸收而使背景过校。2）氘灯的辐射波长范围在400nm以下，而*佳的工作范围在350nm以下。
基态分子 吸收信号 基态原子 吸收信号 |
待测元素信号 |
背景吸收 |
原子吸收 |
+ |
= 原子吸收 +背景吸收 |
氘灯信号 |
基态分子 吸收信号 基态原子 吸收信号 |
原子吸收 |
≈ 背景吸收 |
图2-13 氘灯背景校正系统的工作原理
（2）塞曼效应背景校正
塞曼效应背景校正是利用空心阴极灯的发射线或样品中被测元素的吸收线在强磁场的作用下发生塞曼裂变来进行背景校正，前者为直接塞曼效应，而后者为反向塞曼效应，实际应用*多。反向塞曼又有直流与交流之分。图2-14为反向交流塞曼效应系统示意图。交流塞曼效应扣背景，电流在磁场内部调制，促使磁场交替地开和关。当磁场关闭时，没有塞曼效应，原子吸收线不分裂，测量的是原子吸收信号加背景吸收信号。当磁场开启时，高能量强磁场使原子吸收线裂变为p 和s+、s-组分，平行于磁场的p组分在中心波长λ0处的原子吸收被偏振器档住，在垂直于磁场的s+和s-组分（λ0±Δλ处）不产生或产生微弱的原子吸收，而背景吸收不管磁场开与关，始终不分裂，在中心波长λ0处仍产生背景吸收。二者相减即得到校正后的原子吸收信号。如图2-15所示。
塞曼效应的优点：在分析波长处扣背景，因此可扣除共存元素的光谱干扰及结构化背景，并适用于波长400nm以上分析线的背景校正。
塞曼效应的缺点：1）降低分析灵敏度，灵敏度较氘灯扣背景低。2）分析的动态线性范围窄。
空心阴极灯 |
石墨炉 原子化器 |
交流磁场 |
静态偏振镜 |
图2-14 反向交流塞曼效应系统示意图
3.6 检测器与数据处理系统
光谱仪器中，检测器用来完成光电信号的转换，即将光信号转换为电信号，为以后的信号处理做准备。光电倍增管是原子吸收光谱仪的主要检测器，是目前灵敏度*高、响应速度*快的一种光电检测器。光电倍增管是一种多极的真空光电管，由光阴极和若干个二次发射极（又称打拿极）组成。其示意图见图2-16。在光照射下，阴极发射出光电子，在高真空中被电场加速，并向**打拿极运动，每一个光电子平均是打拿极表面发射几个电子，这就是**次发射。二次发射的电子又被加速向**打拿极运动，此过程多次重复，*后，电子被阳极收集。从光阴极上产生的每一个光电子，*后可使阳极上收集到106～107个电子。光电倍增管的放大倍数，主要取决于电极
吸收信号 |
发射信号 |
p |
s |
- |
s |
+ |
空心阴极灯 发射谱线 |
背景吸收 |
偏振器 |
π组分被偏振器移去 |
磁场使吸收信号裂变为π和σ组分 |
磁场关闭： 测试信号= 原子吸收+背景吸收 |
磁场开启：测试信号=背景吸收: |
图2-15 反向交流塞曼效应背景校正原理
间的电压和打拿极的数目。由检测器输出的信号，用交流放大器放大，再经过对数转换，测定值*终由指示仪表显示出来。随着计算机技术的发展，现代原子吸收光谱仪大多采用微机控制，软件操作系统也已从DOS发展到了Windows，使得仪器的操作智能化，数据处理功能非常丰富。有些仪器已完全实现自动控制功能，包括波长自动控制、自动寻波长定位；自动设置光谱带宽；燃气流量及助燃比的自动控制；自动调整负高压、灯电流；自动能量平衡；自动点火和自动熄火保护；自动设定*佳火焰高度位置，选择*佳分析条件；自动选择元素灯；自动切换火焰和石墨炉原子化器；可实现对仪器多种部件细微调整等。软件方面也*大限度地实现了自动功能，包括：1）向导功能，提供样品设置向导、打印报表向导等；2）自动测量，连接自动进样器后，设置完自动操作程序，仪器可由软件控制自动进行空白校正、标准样品测试、样品测试，处理并输出结果；3）专家数据库功能，元素的选择可用鼠标在元素周期表上点选，便可获得该元素测量方法、特征谱线、原子化温度、燃气流量等专家数据；4）在线帮助，帮助功能可通过目录、索引、对话框及功能键提供仪器硬件安装、操作、维修及**等操作的详细说明。
图2-16 光电倍增管示意图（1～9为打拿极）
4 原子吸收分析技术
4.1 火焰原子吸收法
火焰原子吸收法具有分析速度快，精密度高，干扰少，操作简单等优点。火焰原子吸收法的火焰种类有很多，目前广泛使用的是乙炔-空气火焰，可分析30多种元素，其次是乙炔-氧化亚氮（俗称笑气）火焰，可使测定元素增加到60多种。
（1）火焰特性及基本过程
对火焰的基本要**温度高、稳定性好与**。样品溶液被吸喷雾化进入火焰后，大体经历雾化→脱水干燥→熔融蒸发→热解和还原→激发、电离和化合几个过程，如图2-17所示：
（2）火焰原子吸收分析*佳条件的选择
1）吸收线选择
为获得较高的灵敏度，稳定性和宽的线性范围及无干扰测定，须选择合适的吸收线。选择谱线的一般原则：
灵敏度 一般选择*灵敏的共振吸收线，测定高含量元素时，可选用次灵敏线。
谱线干扰 当分析线附近有其他非吸收线存在时，将使灵敏度降低、工作曲线弯曲，应当尽量避免干扰。例如，Ni230.0nm附近有Ni231.98nm、Ni232.14nm、Ni231.6nm非吸收线干扰。
线性范围 不同分析线有不同的线性范围，例如Ni305.1nm优于Ni230.0nm。
2）电流的选择
选择合适的空心阴极灯灯电流，可得到较高的灵敏度与稳定性。从灵敏度考虑，灯电流宜用小，因为谱线变宽及自吸效应小，发射线窄，灵敏度增高。但灯电流太小，灯放电不稳定。从稳定性考虑，
原子气 |
分子气 |
固体微粒 |
分子蒸汽 |
升华熔融 |
原子化 |
溶液 |
雾滴 |
雾滴分离 |
废液排放 |
混合脱水 |
小雾滴进入火焰 |
喷雾 |
还原 |
热解 |
图2-17 火焰原子化过程示意图
灯电流大，谱线强度高，负高压低，读数稳定。吸收灵敏度和吸收稳定性这两个指标对灯电流的要**互相矛盾的，在选择灯电流时应兼顾这一矛盾的两个方面。对于微量元素分析，应在保证读数稳定的的前提下，尽量选用小一些的灯电流以获得足够高的灵密度。对于常量与高含量元素的分析，应在保证足够高的灵敏度的前提下，尽量选用大一点的灯电流，以获得足够高的精密度。
从维护灯和使用寿命角度考虑，对于高熔点、低溅射的金属元素（如铁、钴、镍、铬等）元灯，灯电流允许用得大些；对于低熔点，高溅射的金属元素（如锌、铅等）灯，灯电流宜用小些；对于低熔点，低溅射的金属元素（如锡）灯，若需增加光强度，可允许灯电流稍大些。
3）光谱通带的选择
光谱通带的宽窄直接影响测定的灵敏度与标准曲线的线性范围。在保证只有分析线通过出口狭缝的前提下，尽可能选择较宽的通带。对于碱金属、碱土金属，可用较宽的通带，而对于如铁族、稀有元素和连续背景较强的情况下，要用小的通带。对于分析Ni、Fe等元素，其斜率及线性范围随着光谱通带的变窄而改善。如图2-18所示。
校正曲线 |
0.0 |
0.2 |
0.4 |
0.6 |
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0 |
5 |
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15 |
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25 |
30 |
A |
0.1nm |
0.2nm |
0.5nm |
浓度 |
图2-18 通带宽度对镍灵敏度及线性范围的影响
4）燃气-助燃气比的选择
不同的燃气-助燃气比，火焰温度和氧化还原性质也不同。根据火焰温度和气氛，可分为贫燃火焰、化学计量火焰、发亮火焰和富燃火焰四种类型。
燃助比（乙炔/空气）在1：6以上，火焰处于贫燃状态，燃烧充分，温度较高，除了碱金属可以用贫燃火焰外，一些高熔点和惰性金属，如Ag、Au、Pd、Pt、Rb等也可用，但燃烧不稳定，测定的重现性较差。
燃助比为1：4时，火焰稳定，层次清晰分明，称化学计量性火焰，适合于大多数元素的测定。
燃助比小于1：4时，火焰呈发亮状态，层次开始模糊，为发亮性火焰。此时温度较低，燃烧不充分，但具有还原性，测定Cr时就用此火焰。
燃助比小于1：3为富燃火焰，这种火焰有强还原性，即火焰中含有大量的CH、C、CO、CN、NH等成份，适合于Al、Ba、Cr等元素的测定。
铬、铁、钙等元素对燃助比反应敏感，因此在拟定分析条件时，要特别注意燃气和助燃气的流量和压力。
5）燃烧器高度的选择
燃烧器高度可大致分三个部位：
光束通过氧化焰区，这一高度大约是离燃烧器缝口6mm-12mm处。此处火焰稳定、干扰较少，对紫外线吸收较弱，但灵敏度稍低。吸收线在紫外区的元素，适于这种高度。
光束通过氧化焰和还原焰，这一高度大约是离燃烧器缝口4mm-6mm处。此高度火焰稳定性比前一种差、温度稍低、干扰较多，但灵敏度高。适于铍、铅、硒、锡、铬等元素分析。
光束通过还原焰，这一高度大约是离燃烧器缝口4mm以下。此高度火焰稳定性*差、干扰多，对紫外线吸收*强，但吸收灵敏度较高。适于长波段元素的分析。
4.2 石墨炉原子吸收法
（1）石墨炉原子吸收法的特点
与火焰原子化不同，石墨炉原子化采用直接进样和程序升温方式，原子化曲线是一条具有峰值的曲线。它的主要优点：升温速度快，*高温度可达3000℃，适用于高温及稀土元素的分析；**灵敏度高，石墨炉原子化效率高，原子的平均停留时间通常比火焰中相应的时间长约100倍，一般元素的**灵敏度可达10-9g～10-12g；可分析的元素比较多；所用的样品少，对分析某些取样困难、价格昂贵、标本难得的样品非常有利。但石墨炉原子化法存在分析速度慢，分析成本高，背景吸收、光辐射和基体干扰比较大的缺点。
（2）石墨炉原子吸收法分析*佳条件的选择
石墨炉分析有关灯电流、光谱通带及吸收线的选择原则和方法与火焰法相同。所不同的是光路的调整要比燃烧器高度的调节难度大，石墨炉自动进样器的调整及在石墨管中的深度，对分析的灵敏度与精密度影响很大。另外选择合适的干燥、灰化、原子化温度及时间和惰性气体流量，对石墨炉分析至关重要。
1）干燥温度和时间选择
干燥阶段是一个低温加热的过程，其目的是蒸发样品的溶剂或含水组分。一般干燥温度稍高于溶剂的沸点，如水溶液选择在90℃～120℃。干燥温度的选择要避免样液的暴沸与飞溅，适当延长斜坡升温的时间或分二步进行。对于粘度大，含盐高的样品，可加入适量的乙醇或MIBK稀释剂，以改善干燥过程。
2）灰化温度与时间的选择
灰化的目的是要降低基体及背景吸收的干扰，并保证待测元素没有损失。灰化温度与时间的选择应考虑两个方面，一方面使用足够高的灰化温度和足够长的时间以有利于灰化完全和降低背景吸收，另一方面使用尽可能低的灰化温度和尽可能短的灰化时间以保证待测元素不损失。在实际应用中，*佳灰化温度与时间可以通过绘制被测元素灰化温度曲线来选择，图2-19是典型的灰化曲线(A)和原子化曲线(B)。m和M之间是*合适的灰化温度区间，m之前灰化温度过低，基体灰化不完全，M之后灰化温度过高，已有灰化损失。M是*高允许的灰化温度，一般选用低于M点50℃～100℃的温度作为灰化温度。加入合适的基体改进剂，能够更有效地克服复杂基体的背景吸收干扰。
3）原子化温度和时间的选择
原子化温度是由元素及其化合物的性质决定的。原子化温度选择的原则是，在保证获得*大原子吸收信号的条件下尽量使用较低的温度。通常借助绘制原子化温度曲线来选择*佳原子化温度。如图2-19(B)所示，曲线(B)是在固定灰化温度的条件下得到的。曲线中的O点是合适的起始原子化温度，只有温度高于O点的温度才能保证被测元素被充分原子化。一般可选用高于O点50℃～100℃的温度作为原子化温度。过高的原子化温度反而会降低测定灵敏度，并缩短石墨管的使用寿命。
原子化时间选择原则是必须使吸收信号能在原子化阶段回到基线，以此作为原子化时间。从石墨管使用寿命考虑，应选择尽可能短的原子化时间，一般为3s～4s，高温原子化元素为4s～6s。过短的原子化时间会使一些被测元素残留于石墨管内，会延长石墨管的净化时间，否则会引起记忆效应。
4）净化温度和时间的选择
净化温度一般选择高于原子化温度100℃～200℃，时间为2s～3s，一将前一个测定的残余物彻底**干净，保证不影响下一个测定。
5）惰性气体流量的选择
石墨炉采用常用氩气作为保护气体，且内外分别单独供气方式，干燥、灰化和除残阶段通气，在原子化阶段，可选择石墨管内停气或给适当小流量的内气流。
图2-19 灰化与原子化温度曲线
(A)灰化温度曲线，M为*高允许灰化温度；
(B)原子化温度曲线，O为合适的起始原子化温度
（3）石墨炉基体改进技术
所谓基体改进技术，就是往石墨炉中或试液中加入一种化学物质，使基体形成易挥发化合物在原子化前驱除，从而避免待测元素的损失；或降低待测元素的挥发性以防止灰化过程中的损失。基体改进剂已广泛应用于石墨炉原子吸收测定生物和环境样品的痕量金属元素及其化学形态，目前约有无机试剂、有机试剂和活性气体三大种类50余种。
基体改进主要通过以下七个途径来降低基体干扰：
1）使基体形成易挥发的化合物------降低背景吸收。
氯化物的背景吸收，可借助***来消除，原因在于石墨炉内发生如下化学反应：
NH4NO3 + NaCl → NH4Cl +NaNO3
NaCl的熔点近800℃，加入基体改进剂NH4NO3反应后，产生的NH4Cl、NaNO3及过剩的NH4NO3在400℃都挥发了，在原子化阶段减少了NaCl的背景吸收。
生物样品中铅、铜、金和天然水中铅、锰和锌等元素测定中，加入***同样可获得很好的效果；硝酸可降低碱金属氯化物对铅的干扰；磷酸和硫酸这些高沸点酸，可消除氯化铜等金属氯化物对铅和镍等元素的干扰。
2）使基体形成难解离的化合物------避免分析元素形成易挥发难解离的一卤化物，降低灰化损失和气相干扰。
如0.1%NaCl介质中铊的测定，加入LiNO3基体改进剂，使其生成解离能大的LiCl，对铊起了释放作用。
3）分析元素形成较易解离的化合物------避免形成热稳定碳化物，降低凝相干扰。
石墨管碳是主要元素，因此对于易生成稳定碳化物的元素，原子吸收峰低而宽。石墨炉测定水中微量硅时加入CaO，使其在灰化过程中生成CaSi，降低了原子化温度。钙可以用来提高Ba、Be、Si、Sn的灵敏度。
4）使分析元素形成热稳定的化合物------降低分析元素的挥发性，防止灰化损失。
镉是易挥发的元素，硫酸铵对牛肝中的镉测定有稳定作用，使其灰化温度提高到650℃。镍可稳定多种易挥发的元素，特别是测定As、Se，Ni(NO3)2使可把硒的允许灰化温度从300℃提高到1200℃，其原因是生成了稳定的硒化物。
5）形成热稳定的合金------降低分析元素的挥发性，防止灰化损失。
加入某种熔点较高的金属元素，与易挥发的待测金属元素在石墨炉内生成热稳定的合金，提高了灰化温度。贵金属如铂、钯、金对As、Sb、Bi、Pb和Se、Te有很好的改进效果。
6）形成强还原性环境------改善原子化过程。
许多金属氧化物在石墨炉中生成金属原子是基于碳还原反应的机理：
MO(s) + C(s) → M(g) + CO(g)
结果导致原子浓度的迅速增加。抗坏血酸、EDTA、硫脲、柠檬酸和草酸可降低Pb、Zn、Cd、Bi及Cu的原子化温度。
7）改善基体的物理特性------防止分析元素被基体包藏，降低凝相干扰和气相干扰。
例如过氧化钠作为基体改进剂，使海水中铜在石墨管中生成黑色的氧化铜，而不易进入氯化物的结晶中。海水在干燥后留下清晰可见的晶体，加入抗坏血酸和草酸等有机试剂，可起到助熔作用，使液滴的表面张力下降，不再观测到盐类残渣。
（4）石墨管的种类及应用
石墨管的质量将直接影响石墨炉分析的灵敏度与稳定性，目前石墨管有许多种，但主要有普通石墨管、热解涂层石墨管及L’vov平台石墨管。
普通石墨管比较适合于原子化温度低，易形成挥发性氧化物的元素测定，比如Li、Na、K、Rb、Cs、Ag、Au、Be、Mg、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、Te等，普通石墨管的灵敏度较好，特别是Ge、Si、Sn、Al、Ga这些元素，在普通石墨管较强的还原气氛中，不易生成挥发性氧化物，因此灵敏度比热解涂层石墨管高，但要注意稳定碳化物的形成。
对Cu、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Cr、Mo、Mn、Co、Ni、Pt、Rh、Pd、Ir、Pt等元素，热解涂层石墨管灵敏度较普通石墨管高，但也需加入基体改进剂，在热解涂层石墨中创造强还原气氛，以降低基体的干扰。
对B、Zr、Os、U、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu等元素，使用热解涂层石墨管可提高灵敏度10-26倍，而用普通石墨管这些元素易生成稳定的碳化物，记忆效应大。
L’vov平台石墨管是在普通或热解热解涂层石墨管中衬入一块热解石墨小平台。一方面平台可以防止试液在干燥时渗入石墨管，更重要的是，它并非象石墨管壁是靠热传导加热的，而是靠石墨管的热辐射加热，这样扩展了原子化等温区，提高分析灵敏度和稳定性。
5 灵敏度、特征浓度及检出限
5.1 灵敏度及特征浓度
在原子吸收分光光度分析中，灵敏度S定义为吸光度随浓度的变化率，即校正曲线的斜率，其表达式为：
或 （2-22）
即当待测元素的浓度c或质量m改变一个单位时，吸光度A的变化量。在火焰原子化法中常用特征浓度来表征灵敏度，所谓特征浓度是指能产生1%吸收（吸光度0.0044）时，溶液中待测元素的质量浓度（mg·L-1/1%）或质量分数（μg·g-1/1%）。例如1μg·g-1镁溶液，测得其吸光度为0.55，则镁的特征浓度为：
（μg·g-1/1%）
对于石墨炉原子化法，由于测定的灵敏度取决于加到原子化器中试样的质量，此时采用特征质量（以g/1%表示）更为合适。显然，特征浓度或特征质量越小，测定的灵敏度越高。
灵敏度或特征浓度与一系列因素有关，首先取决于待测元素本身的性质，例如难熔元素的灵敏度比普通元素的灵敏度要低得多。其次还和测定仪器得性能如单色器的分辨率、光源的特性、检测器的灵敏度等有关。此外还受到实验因素的影响，例如：光源工作条件不合适，引起自吸收或光强减弱；供气速度不当，导致雾化效率降低；燃烧器调节不合适，共振辐射不是从原子浓度*高的火焰区通过；燃气与助燃气流量比例不恰当，引起原子化效率低等等，多会降低测定灵敏度。反之，若正确选择实验条件，并采取了有效措施，则可进一步提高灵敏度。
5.2 检出限
检出限是指产生一个能够确证在试样中存在某元素的分析信号所需要的该元素的*小含量，亦即待测元素所产生的信号强度等于其噪声强度标准偏差三倍时所相应的质量浓度或质量分数，用DC（mg·L-1或μg·g-1）表示，**检出限则用Dm（μg）表示：
DC 或 Dm (2-23)
式中c或m分别为试样中待测元素的浓度或质量，A为试样多次测定吸光度的平均值，为噪声的标准偏差，是对空白溶液或接近空白的标准溶液进行十次以上连续测定，由所得的吸光度值计算其标准偏差而得。
检出限比灵敏度具有更明确的意义，它考虑到了噪声的影响，并明确地指出了测定的可靠程度。由此可见，降低噪声，提高测定精密度是改善检测限的有效途径。
6 原子吸收光谱仪的日常维护及常见故障排除
原子吸收光谱仪是精密的实验室光学仪器，合理的维护与保养，使仪器保持良好的工作状态，有利于获得可靠的测量数据和延长仪器的使用寿命。
（1） 仪器安装对环境的要求
用于安装仪器的实验室应具备良好的外部环境。实验室应设置在无强电磁场和热辐射的地方，不宜建在会产生剧烈振动的设备和车间附近。实验室内应保持清洁，温度应保持在10～30℃，空气相对湿度应小于80%。仪器应避免日光直射、烟尘、污浊气流及水蒸气的影响，防止腐蚀性气体及强电磁场干扰。
实验台应坚固稳定（*好是水泥台），台面平整。为便于操作与维修，实验台四周应留出足够的空间。仪器上方应安装排风设备，排风量的大小应能调节，风量过大会影响火焰的稳定性，风量过小则有害气体不能完全排出。抽风口位于仪器燃烧器的正上方，临近抽风口的下方应设有一尺寸大于仪器排气口的挡板，以防止通风管道内的尘埃落入原子化器，而有害气体又能沿着挡板与排风管道之间的空挡排出。
实验室应配有交流380V三相四线制电源，电源应良好接地，接地电阻小于0.1Ω。仪器光度计主机的电源应与空压机、石墨炉的电源分相使用。
乙炔燃气钢瓶*好不放在仪器房间，要放在离主机近、**禁烟火、通风良好的房间，但主机房间内必须设有气路开关阀，万一发生事故可迅速切断燃气。乙炔气的出口压力应在0.05～0.08MPa之间，纯度99.9%，乙炔钢瓶必须配有气压调节阀。
石墨炉用的冷却水*好配备冷却水循环设备，用去离子水作冷却水，用水质较硬的自来水容易在石
墨炉腔体内结水垢。
（2） 仪器使用中的常见故障及其排除
由于各厂家仪器结构不同，故障及排除方法也不尽相同，出现无法解决的疑难问题时应尽快与厂家和销售商联系，尤其是涉及**问题时不应自行解决。
l 灯不亮
仪器使用一段时间后出现元素灯点不亮。首先更换一支灯试一下，如能点亮，说明灯已坏，需更换新灯。如更换一支灯后仍不亮，可更换一个灯的插座，如果亮了，说明灯插座有接触**或短线的可能；如更换灯插座仍不亮，需检查空心阴极灯的供电电源，请与厂家联系。
l 灯能量低（光强信号弱）
仪器出现能量低，首先应检查仪器的原子化器是否挡光。如果是，请将原子化器位置调整好。检查使用灯的波长设置是否正确或调整正确，如波长设置错误或调节波长不正确应改正，手动调节波长的仪器显示的波长值与实际的波长偏差较大应校准波长显示值。检查元素灯是否严重老化，严重老化的灯请更换。长时间搁置不用的元素灯也容易漏气老化，请利用空心阴极灯激活器激活，大部分情况可恢复灯的性能。检查吸收室两测的石英窗是否严重污染，可用脱脂棉蘸乙醇乙醚混合液轻轻擦拭。如以上均正常，可能是放大电路或负高压电路故障造成的，请通知厂家维修。
l 火焰测试灵敏度低、信号不稳
原子吸收光谱仪在做火焰测试时出现灵敏度低，应检查火焰原子化器是否被污染。吸喷去离子水火焰应是淡蓝色的，如出现其它颜色则应清洗火焰原子化器，*好使用超声波振荡器清洗。灵敏度低、信号不稳一般是火焰雾化器雾化没调好，请参考厂家提供的雾化器维修手册（应用手册或说明书），必要时检查雾化器的提升量，一般是每分钟3～6mL，太大信号不稳，太小灵敏度低。
l 石墨炉升温程序不工作
在做石墨炉分析时需给石墨炉通冷却水，自动化程度高的仪器都有水压监测装置，如使用的冷却水压力不够或流量不够，石墨炉升温程序将不工作。长时间使用硬度大的自来水，会堵塞石墨炉的冷却水循环管道，即使自来水有足够的压力，也无足够的流量打开水压监测装置，致使仪器工作不正常。检查冷却水回水的流量应大于1L/min，否则轻检查、维修相关部件。石墨炉分析时，为保护石墨管，需给仪器提供氩气，自动化程度高的仪器都设有气压监测装置，如果气体压力不够，石墨炉升温程序也不能正常工作，请确认气压。
l 气路不通
自动化程度较高的仪器使用电磁阀及质量流量计控制燃气及空气的流量，使用一段时间后出现燃气或空气不通的情况，主要原因是使用的燃气或空气不纯，如压缩空气中有水或油、没使用高纯乙炔致使电磁阀堵塞或失灵。如仪器使用的是可拆卸电磁阀，可拆开清洗；如仪器使用的是全密封电磁阀，则要更换新的电磁阀。使用浮子流量计的仪器，流量计中若进了油，会使流量计中的浮子难以浮起而堵塞气路，应拆下流量计，**流量计中的油。
（3） 仪器的日常维护及保养
原子吸收光谱仪是一种高精密度的光学仪器，合理的维护与保养能延长仪器的使用寿命。设计良好的仪器其单色器部分是全密封的，在干燥、洁净的实验室中可以使用多年，一般不需要维护。但在潮湿、有腐蚀性气体污染的实验室中其寿命会大大缩短，甚至会出现光栅发霉等现象。仪器光学部分的外光路不是密封的，一般3～5年应保养一次，主要是**光学镜片上的灰尘，可用吸耳球吹除表面的灰尘。具有二氧化硅保护膜的镜片，可用脱脂棉蘸乙醇乙醚混合液轻轻擦拭，切不可用力反复擦拭。原子化器两端的石英窗应经常擦拭。仪器的原子化器是暴露在外面的需经常清洁。火焰分析时，每天测试完毕要吸200mL以上的去离子水，以清洗火焰原子化器，尤其是含有有机溶剂及高盐溶液样品，每一到两周要拆开雾化器用超声波振荡器清洗，以保证其良好的性能。石墨炉原子化器如每天使用，20～30天要清洁一次石墨锥和石英窗。经常检查石墨管，尤其是内壁及平台，有破损或麻点者不能使用。长时间不用的仪器应1～2个月开机一次，以驱除仪器内部的潮气，让电子元器件保持良好的工作状态，尤其是电解电容，经常通电可防止电解液干枯。长时间不用的元素灯，也应每半年点灯工作半小时，或用元素灯激活器处理。
