原子吸收分光光度法

12．2．1 概述

原子吸收分光光度法 （Atomic Absorption Spectrophotometry，AAS），又称原子吸收光谱法 （atomic absorption spectroscopy）。原子吸收现象早在19世纪就被发现，但长期以来仅局限于天体物理的研究和应用。1955年澳大利亚物理学家Walsh首先提出将原子吸收光谱应用于分析化学中，并预言其可以形成一种新的分析方法。此后原子吸收光谱分析技术得到迅速发展，至今已成为痕量金属元素分析中最主要的方法之一。

原子吸收分光光度法是基于待测元素的基态原子蒸气对特征光谱的吸收建立起来的分析方法。它与可见紫外分光光度法都属于吸收光谱分析法，但这两种方法中吸光物质的状态不同，吸收光谱也不相同。原子吸收分光光度法是原子蒸气的吸收，是原子吸收光谱，为线状光谱；而可见紫外分光光度法是溶液中的分子或离子的吸收，是分子吸收光谱，为带状光谱。

原子吸收分光光度法具有如下优点：

①灵敏度高，检测限低：火焰原子吸收光谱法检测限可达μg／L级；无火焰原子吸收光谱法检测限可达ng／L级。

②选择性好：由于原子吸收光谱法是根据原子蒸气对待测元素的特征谱线的吸收来进行分析的，所以选择性好，干扰少且易于消除；对大多数试样可不经分离直接测定。

③准确度高：火焰原子吸收法的相对误差小于1％，无火焰原子吸收法约在3％～5％。

④应用范围广：可测定的元素达70多种，包括几乎所有金属元素和一些类金属元素（如As，Se，Sb等）；既能用于痕量元素的测定，也能用于常规低含量元素的测定。

⑤操作简便，分析速度快，易于实现自动化。

原子吸收光谱分析的主要缺点是单元素分析，即每次只能测定一种元素，因而会影响测定速度。多元素原子吸收光谱仪的出现改进了仪器的性能，在分析速度提高方面有着新的突破。

目前，原子吸收光谱法已普遍应用于冶金、化工、地质、农业、医药、卫生及生物等部门，尤其是在环境监测、卫生检验和生物机体中微量金属元素和类金属元素的测定中的应用更广泛。

12．2．2 基本原理

1．原子吸收光谱与共振线

近代原子结构理论表明，一个原子具有多种能级状态，如图12－6所示。在正常情况下，原子处于能量最低的状态 （E0），是最稳定的状态，处于能量最低状态下的原子称为基态原子。在热能、电能或光能的作用下，基态原子最外层电子可跃迁到能量较高的不同能级，处在这些较高能级状态的原子称为激发态原子，激发态很不稳定，约在10－8～10－7s后返回基态，并放出能量。原子能级间的跃迁伴随能量的吸收和发射，并产生相应的原子吸收光谱和发射光谱。当电子从基态跃迁至能量最低的激发态 （即第一IU子激发态Et）时，所吸收的一定波长的辐射线称为共振吸收线。再跃回基态时，发射同样波长的辐射线，称为共振发射线，习惯上都称为共振线 （resonance line）。由于基态与第一电子激发态之间跃迁所需能量最低，因而跃迁最易发生，大多数元素对这条谱线的吸收也最强，因此共振线是元素最灵敏的谱线。不同元素原子的结构和外层电子的排布各不相同，因而各种元素的共振线波长也不相同，各有其特征性，所以共振线又称为元素的特征谱线，特征谱线通常为原子吸收的分析线。

图12－6 原子吸收发射与吸收光谱示意图

2．原子吸收线轮廓与谱线宽度

图12－7 原子吸收线的轮廓

引起谱线变宽的原因主要有两类：一类是原子本身性质决定的，例如谱线的自然变宽；另一类是由外界条件影响引起的，如热变宽和压力变宽等。下面简单介绍几种重要的变宽效应。

（1）自然变宽

在无外界条件影响时谱线仍有一定的宽度，这种宽度为自然宽度，以Δv N表示。自然变宽的大小与产生跃迁的激发态原子的寿命有关。激发态原子寿命越长，Δv N越窄。一般情况下，Δv N约为10－5nm，与其他变宽效应相比，可以忽略不计。

（2）多普勒 （Doppler）变宽

原子在空间作无规则热运动引起的变宽，故又称为热变宽，以Δv D表示，约为10－3nm。待测元素原子的相对原子质量越小，温度越高，变宽越显著。

（3）洛伦茨 （Lorentz）变宽

原子与其他粒子 （分子或原子）之间的碰撞，使原子的基态能级发生变化，从而使谱线轮廓变宽。由于气态粒子间的碰撞是由一定压力所致，故又称为压力变宽，以Δv L表示，其数量级与Δv D相同。

在通常的原子吸收分析条件下，吸收线变宽主要受Doppler变宽和Lorentz变宽所控制。其他可导致谱线变宽的因素还有共振变宽、场致变宽、塞曼效应变宽等。但在原子吸收分析的条件下，这些引起变宽的因素都可以忽略不计。

3．原子吸收值与原子浓度的关系

（1）原子吸收值的测量

原子蒸气所吸收的全部能量在原子吸收分析中称为积分吸收，即图12－8中吸收线下面所包括的整个面积。辐射光通过基态原子蒸气，其中大部分吸收了中心频率的光，其余部分分别吸收了不同频率的光。不同频率处的吸光度累加，用积分吸收系数表示，简称积分吸收，数学表达式为∫KvDv。根据经典的色散理论推导，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的基态原子数存在下列关系：

通常原子吸收测量条件下，原子吸收谱线中心部分的轮廓取决于多普勒变宽，吸收系数为：

积分式为：

将上式代入∫KvDv＝N0f得：

此式表明原子峰值吸收系数K0正比于吸收辐射的基态原子数，因此可用峰值吸收的测量代替积分吸收的测量，求得原子浓度。

（2）原子吸收值与待测元素浓度的关系

①基态原子数与激发态原子数。在原子吸收测定时，试液在高温下挥发并解离成基态原子蒸气。其中一部分基态原子进一步被激发成激发态原子，激发态原子总数与基态原子总数之比取决于温度。在一定温度下，当处于热力学平衡时，两者之比为一定值，且服从玻尔兹曼 （Boltzmann）分布定律：

式中：Nj和N0分别代表单位体积内激发态原子数和基态原子数，Gj，G0为激发态和基态能级的统计权重 （表示能级的简并度，即相同能级的数目），Ej是激发态能量，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

②原子吸收与原子浓度的关系。将一定频率的光 （强度为I0）通过原子蒸气时，如图12－8，一部分光将被吸收，其透过光的强度与原子蒸气厚度的关系遵守朗伯－比尔定律，即：

图12－8 原子吸收示意图

式中，Kv表示原子蒸气的吸收系数，I0和Iv分别表示在Δv频率范围内入射光和透过光的强度，L为原子蒸气的厚度。

在峰值吸收处Kv＝K0，将上式用吸光度A表示：

A＝KN0L

在一定浓度范围内，N0与溶液中待测元素的浓度成正比。当原子化器厚度L一定时，上式可以写成：

A＝K′C

此式说明，在一定实验条件下，通过测量基态原子的吸光度，即可求出样品中待测元素的含量。即为原子吸收光谱法的定量基础。

12．2．3 原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计主要由光源系统、原子化系统、分光系统、检测系统等四部分组成，图12－9为原子吸收分析的示意图。

图12－9 原子吸收分析示意图

1．仪器的主要部件

（1）光源系统

光源的作用是辐射待测元素的特征谱线。原子吸收分光光度计对光源的基本要求是：

①光源发射待测元素的共振线，不受充入的惰性气体或其他杂质元素线的干扰。

②发射的共振线必须是锐线，发射线的半宽度明显小于吸收线的半宽度。

③辐射强度足够大、稳定性好，且背景低，低于特征谱线强度的1％。

符合上述要求的光源有空心阴极灯、蒸气放电灯和无极放电灯。目前应用最广泛的是空心阴极灯 （Hollow Cathode Lamp，HCL），其结构如图12－10所示。它是一种低压气体放电管，管壳由带有石英窗的硬质玻璃制成，抽成真空后充入低压惰性气体 （如氦、氖、氩、氙等气体）。将一个由绕有钽或钛丝的钨棒制成的阳极和一个由待测元素金属做成的空心圆筒状阴极密封于管内，空心阴极灯的放电是一种特殊形式的低压辉光放电。当两极施加300～500V的电压时，便产生辉光放电。阴极放出的电子，在高速飞向阳极的途中与惰性气体分子碰撞，使之电离。在电场的作用下，带正电荷的离子高速飞向阴极，猛烈撞击阴极内壁，将阴极表面的原子从晶格中溅射出来。溅射出来的金属原子与飞行中的电子、惰性气体的分子及离子发生碰撞而被激发，在返回基态时发射出待测元素的特征谱线。空心阴极灯一般为单元素灯，目前已研制出了多元素空心阴极灯，但多元素空心阴极灯发射强度不如单元素灯，并且易产生干扰，使用时应加以注意。

图12－10 空心阴极灯

（2）原子化系统

原子化器 （atomizer）的作用是提供一定的能量，使各样品中的待测元素转变为基态原子蒸气，并使其进入光源的辐射光程。试样中待测元素转变为基态原子的过程，称为原子化过程，此过程示意如下：

实现原子化的装置主要有火焰原子化器、石墨炉原子化器和氢化物发生原子化器三类。

①火焰原子化器 （flame atomizer）。火焰原子化器是利用各种化学火焰的热能，使试样原子化的一种装置。目前，应用最广泛的是预混合型原子化器，结构如图12－11所示。它由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成。

图12－11 火焰原子化器示意图

a．雾化器：其作用是利用气体动力学的原理使试液成为微米级的气溶胶，并导入雾化室。对雾化器的要求是喷雾稳定，产生雾滴细而均匀，雾化效率高。目前普遍采用的是同心型气体雾化器。外管接高压助燃气 （空气、氧化亚氮等），内管吸入液体样品，当高压助燃气自气体导管中高速喷出时，在中心毛细管出口处形成负压，试液经毛细管吸入并被高速气流分散成雾滴。喷出的雾滴经撞击球碰撞被进一步分散成细雾。雾化器通常由不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃材料制成。中心毛细管多由铂－铱 （或铑）合金制成，以增加其抗腐蚀性。

b．雾化室 （又称混合室）：其作用是在气溶胶进入火焰之前，使微细的雾滴与燃气混合，大雾滴从回流废液管排出。通常在雾化室内壁喷涂氯化聚醚之类的塑料，使其具有较好的浸水性，防止挂水珠，可减少记忆效应。

c．燃烧器：由不锈钢或金属钛等耐腐蚀、耐高温材料制成。要求不易 “回火”，喷口不易被试样沉积堵塞，火焰平稳。

燃烧器喷口一般都做成狭缝式。这种形状既可获得原子蒸气的较长吸收光程，提高方法的灵敏度，又可防止回火，保证操作的安全。图12－12是最常用的单缝燃烧器，它的灵敏度高，噪声小，稳定性好。燃烧器的缝宽与缝长随燃气的种类而异，如空气－丙烷的燃烧速度慢，火焰温度低，缝口为0．7mm×100mm；空气－乙炔的燃烧速度快，缝口为0．5mm×100mm；一氧化二氮－乙炔的缝口为0．5mm×50mm。

图12－12 单缝燃烧器

火焰原子化是使试液原子化的一种理想方法。但火焰原子化的过程较复杂，不同类型火焰的温度和性质也不相同 （见表12－2）。同种类型的火焰，由于燃气和助燃气的比例不同，火焰的温度也不同，可分为以下几种：a．化学计量火焰：按照燃气与助燃气的化学反应的计量比构成的火焰，这种火焰具有层次分明、温度高、背景小和还原性强的特点，是目前普遍使用的一种火焰。b．富燃火焰：燃助比小于1∶4的火焰称为富燃火焰。火焰温度低于化学计量火焰，呈黄色光亮，含有未完全燃烧的燃气，具有较强的还原气氛，适宜于氧化物熔点较高的元素，如铝、钛、钼等元素的测定。c．贫燃火焰：燃助比大于1∶6。由于燃烧充分，火焰温度较高，但火焰燃烧不稳定，测量重复性差，仅适用于不易氧化的元素如铜、银、钴的测定。因而在测定时，不仅应该根据不同元素选用适当的火焰类型 （图12－13），同时还应根据实验条件选择燃气和助燃气的最佳流量，确定最佳的火焰状态。

火焰原子化法的优点是重现性好，易操作。其缺点是原子化效率低、试液的利用率低（仅有10％）、原子在光路中滞留时间短，以及燃烧气体的膨胀对基态原子的稀释等因素使得火焰原子吸收的灵敏度相对较低，限制了其应用。

表12－2 几种常用火焰的组成和性质

图12－13 分析元素和最佳火焰

②石墨炉原子化器 （graphite furnace atomizer）。石墨炉原子化器的原理是将石墨管作为一个电阻，通电时温度可达2000℃～3000℃，使待测元素原子化，故又称为电热原子化器。图12－14为商品石墨炉原子化器结构示意图，石墨管长28～50mm，内径约5mm，管上有一小孔，孔径为1～2mm，用以进液样。为防止高温下在大气中被氧化燃烧生成碳化物，石墨管内外都通入惰性保护气体并置于有水冷却的两石墨锥之间，使石墨炉外面的温度保持在60℃以下。石墨炉原子化需经过干燥、灰化、原子化及净化四步程序进行升温。干燥的目的是在低温 （100℃左右）下蒸发掉样品中所含的溶剂；灰化的作用是在较高温度下 （350℃～1200℃）去掉样品中低沸点的无机物及有机物，以减少基体干扰；原子化的目的是将待测元素在原子化温度下 （1000℃～3000℃），加热数秒钟，进行原子化，同时记录吸收峰值；净化则是使温度高于原子化温度100℃～200℃，除去残留物，消除记忆效应。

图12－14 石墨炉原子化器示意图

A．石墨炉 B．石墨管

与火焰原子化法相比，石墨炉原子化法具有更多的优点 （表12－3）。原子化在充有惰性保护气体及强还原性的石墨介质中进行，有利于难熔氧化物的分解，原子化效率高；取样量少，固体样品为0．1～10mg，液体样品为1～100μL；基态原子在测定区有效停留时间长，几乎全部样品都参与光吸收，灵敏度可增加10～200倍，绝对灵敏度可达10－14～10－9g；排除了化学火焰中常产生的被测组分与火焰组分间的相互作用，减少了化学干扰；有些样品可不需前处理，而直接进行测定。但由于石墨炉原子化法取样量少，样品组成的不均匀性影响较大，使测定的重现性较差；有较强的背景吸收和基体效应；分析成本高；设备较复杂，操作也不够简便。

表12－3 火焰原子化法和石墨炉原子化法的比较

③氢化物发生原子化器。元素周期表中硼、碳、氮、氧、氟等主族中的多种元素可与氢形成正常氧化态的共价氢化物，在通常情况下为气体或挥发性液体。测定时先将样品置于氢化物发生原子化器内，样品中待测元素在酸性介质中与强还原剂硼氢化钠 （钾）反应，生成气态氢化物。以测定砷为例：

所产生的氢化物由载气 （氮气）带入石英吸收管中。在300℃～900℃温度范围内，立即完全分解成基态原子，进行原子吸收光谱分析。目前主要用来测定砷、硒、锑、铋、锗、锡、铅、镉、铟及铊等十一种元素。这种原子化法的灵敏度高 （一般可达10－10～10－9 g），选择性好，基体干扰和化学干扰较少。

图12－15 冷原子吸收法测定汞的示意图

（3）分光系统

分光系统的作用是将待测元素的特征谱线与邻近的谱线分开。其装置包括狭缝、色散元件和准直镜等。色散元件一般用光栅，它的刻线数约为600～2800条／mm。

（4）检测系统

检测系统的作用是将单色器透过的光信号转变成电信号并进行放大，由读数装置显示或由记录仪记录，以确定待测元素的含量。它由检测器、放大器和读数装置三部分组成。

检测器多为光电倍增管，它具有放大倍数高、信噪比高及线性关系好等特点。工作波段一般为190～900nm。由检测器输出的电信号，经放大器放大并进行对数转换，然后输入到指示仪表以数字积分显示。在现代化仪器中设有标尺扩展，背景自动校正，微机进行程序控制、数据处理和打印系统。

2．原子吸收分光光度计的类型及构造

近年来原子吸收分光光度法的发展很快，仪器的种类、型号繁多，一般可分为三种类型。

（1）单道单光束原子吸收分光光度计

所谓单道是指仪器只有一个单色器和一个检测器，只能同时测定一种元素 （见图12－16）。这种仪器光路系统结构简单，性能较好；共振线在外光路的损失少，单色器能获得较大亮度，故有较高的灵敏度；价格较低，便于推广，能满足日常分析工作的要求。但单光束的最大缺点是不能消除光源波动所引起的基线漂移，对测定的精密度和准确度都有一定影响。因此在测定过程中需经常校正零点，以补偿基线的不稳。为了获得较为稳定的光输出，空心阴极灯需预热20～30min，使分析速度较慢。

图12－16 单道单光束原子吸收分光光度计示意图

1．D2为氘灯 2．M1为切光器 3．PM为光电倍增管

4．S1为狭缝 5．S2为狭缝 6．G为光栅 7．L1，L2为透镜

（2）单道双光束原子吸收分光光度计

双光束仪器在光学系统设计上对单光束仪器进行了改进，以克服单光束仪器因光源波动而引起的基线漂移。图12－17是其光学原理的示意图。

图12－17 单道双光束原子吸收分光光度计示意图

双光束型仪器利用旋转切光器将光源发射的共振线分成强度相等的两个光束，一束为样品光束S，直接通过原子化器；另一束是参比光束R，不通过原子化器。两光束在切光器2处相会，并交替进入单色器，得到了与切光器同步的一定频率的S脉冲和R脉冲。检测系统将接收到两束脉冲信号进行同步检波放大，并经运算、转换后由读数装置显示出来。由于两光束均由同一光源辐射，检测系统输出的信号是这两束光的信号差，因此光源的任何波动都由参比光束的作用得到补偿，给出一个稳定的输出信号，使仪器具有较高的信噪比，消除了基线漂移，使检出限和精密度都有所改善。

（3）双道或多道原子吸收分光光度计

这类仪器具有两个或两个以上的元素空心阴极灯，两个或两个以上的单色器和检测器，可测定两种或两种以上的元素，如图12－18，但由于仪器结构较复杂，价格昂贵，使推广应用较困难。因而使用最普遍的是单道单光束和单道双光束原子吸收分光光度计。

图12－18 多元素原子吸收分光光度计光路图

12．2．4 定量分析方法

目前原子吸收定量分析方法有标准曲线法、直接比较法和标准加入法。

（1）标准曲线法

根据试样中待测元素的含量，配制合适的标准系列溶液。用空白溶液作参比，由低到高依次测量吸光度，绘制吸光度－浓度标准曲线，或建立标准曲线的直线回归方程。在相同条件下测定样品溶液的吸光度值，再从标准曲线上查出样品溶液中待测元素的浓度，或根据线性回归方程进行计算。

标准曲线的斜率会因仪器工作条件不完全重现而有所改变，为了保证测量的准确度，在测定前或测定完数份样品后，需用标准溶液对标准曲线进行检查和校正。

标准曲线法的优点是简便快速，适合于大批量组成简单的样品的分析。对于基体组成复杂的样品不适用。

（2）直接比较法

直接比较法是最常用的简易方法之一，也称为单标校正法，适用于样品数量少、浓度范围低的情况。为了减少测量误差，要求样品溶液浓度cx与标准溶液浓度cs相近。直接比较法的计算公式如下：

（3）标准加入法

当试样组成复杂、基体干扰较大的情况下，可采用标准加入法来消除基体干扰。标准加入法又称为标准增量法或直线外推法。具体操作为取同体积的试样数份 （至少四份），除其中一份外，其余各份分别加入浓度为1c0，2c0，3c0的标准溶液 （c0为标准溶液浓度），然后用溶剂稀释至相同体积，分别测定它们的吸光度。以吸光度A对加入标准物的质量m作图，可得一直线 （如图12－19所示）。

若A－m曲线不通过原点，说明试样中含有被测元素。将直线延长，其延长线与横坐标轴相交，则原点与交点间的距离所对应的质量 （m0）即为所取样品溶液中被测元素的含量。

图12－19 标准加入法

标准加入法也可用单点加入法，即取两份等体积的试液，其中一份加入与试样含量相近的被测元素标准溶液，稀释至同体积后于相同条件下测定其吸光度A。按下列计算式计算结果：

式中，cx，c1分别为试液中待测元素浓度及加入标准溶液的浓度；Ax，A1分别代表试液吸光度及加入标准溶液后试液的吸光度。

用标准加入法进行测定时，所加入标准溶液的量要适中，应与样品中待测元素含量在同一数量级内，且使测定浓度与相应的吸光度在线性范围内。另外，标准加入法只能消除基体干扰，不能消除化学干扰、电离干扰和背景吸收等，也不适用于测量灵敏度低的元素。