原子吸收光譜全解

概述

原子吸收光譜分析（Atomic Absorption Spectrometry, AAS）又稱原子吸收分光光度分析。原子吸收光譜分析是基于試樣蒸氣相中被測元素的基態原子對由光源發出的該原子的特征性窄頻輻射產生共振吸收，其吸光度在一定范圍內與蒸氣相中被測元素的基態原子濃度成正比，以此測定試樣中該元素含量的一種儀器分析方法。

◇原子吸收分光光度法具有以下特點：

（1）靈敏度高

火焰原子吸收分光光度法測定大多數金屬元素的相對靈敏度為1.0×10-8～1.0×10-10g·mL-1,非火焰原子吸收分光光度法的絕對靈敏度為1.0×10-12～1.0×10-14g。這是由于原子吸收分光光度法測定的是占原子總數99％以上的基態原子，而原子發射光譜測定的是占原子總數不到1％的激發態原子，所以前者的靈敏度和準確度比后者高的多。

（2）精密度好

由于溫度的變化對測定影響較小，該法具有良好的穩定性和重現性，精密度好。一般儀器的相對標準偏差為1％～2％，性能好的儀器可達0.1％～0.5%。

（3）選擇性好，方法簡便

由光源發出特征性入射光很簡單，且基態原子是窄頻吸收，元素之間的干擾較小，可不經分離在同一溶液中直接測定多種元素，操作簡便。

（4）準確度高，分析速度快

測定微、痕量元素的相對誤差可達0.1％～0.5％，分析一個元素只需數十秒至數分鐘。

（5）應用廣泛

可直接測定巖礦、土壤、大氣飄塵、水、植物、食品、生物組織等試樣中70多種微量金屬元素，還能用間接法測度硫、氮、鹵素等非金屬元素及其化合物。該法已廣泛應用于環境保護、化工、生物技術、食品科學、食品質量與安全、地質、國防、衛生檢測和農林科學等各部門。

對原子吸收分析法基本理論的討論，主要是解決兩個方面的問題：①基態原子的產生以及它的濃度與試樣中該元素含量之間的定量關系；②基態原子吸收光譜的特性及基態原子的濃度與吸光度之間的關系。

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原理

（一）產生

基態原子吸收其共振輻射，外層電子由基態躍遷至激發態而產生原子吸收光譜。原子吸收光譜位于光譜的紫外區和可見區。

（二）原子吸收光譜的譜線輪廓

原子吸收光譜線并不是嚴格地幾何意義上的線（幾何線無寬度），而是有相當窄的頻率或波長范圍，即有一定的寬度。一束不同頻率強度為I0的平行光通過厚度為l的原子蒸氣，一部分光被吸收，透過光的強度Iv服從吸收定律

式中kv是基態原子對頻率為v的光的吸收系數。不同元素原子吸收不同頻率的光，透過光強度對吸收光頻率作圖。

半寬度受到很多因素的影響：

（1） 自然寬度

沒有外界影響，譜線仍有一定的寬度稱為自然寬度。它與激發態原子的平均壽命有關，平均壽命愈長，譜線寬度愈窄。不同譜線有不同的自然寬度，在多數情況下約為10—5nm數量級。

（2）Doppler（多普勒）變寬

通常在原子吸收光譜法測定條件下，Doppler變寬是影響原子吸收光譜線寬度的主要因素。Doppler寬度是由于原子熱運動引起的，又稱為熱變寬。從物理學中可知，無規則熱運動的發光的原子運動方向背離檢測器，則檢測器接收到的光的頻率較靜止原子所發的光的頻率低。反之，發光原子向著檢測器運動，檢測器接受光的頻率較靜止原子發的光頻率高，這就是Doppler效應。

（3） 壓力變寬

當原子吸收區氣體壓力變大時，相互碰撞引起的變寬是不可忽略的。原子之間的相互碰撞導致激發態原子平均壽命縮短，引起譜線變寬。根據與其碰撞的原子不同，又可分為Lorentz變寬及Holtsmark變寬兩種。Lorentz（勞倫茨）變寬是指被測元素原子和其它種粒子碰撞引起的變寬，它隨原子區內氣體壓力增大和溫度升高而增大。Holtsmark（赫魯茲馬克）變寬是指和同種原子碰撞而引起的變寬，也稱為共振變寬。只有在被測元素濃度高時才起作用，在原子吸收法中可忽略不計。Lorentz變寬與Doppler變寬有相同的數量級，也可達10-3nm。

（4） 自吸變寬

由自吸現象而引起的譜線變寬稱為自吸變寬。光源空心陰極燈發射的共振線被燈內同種基態原子所吸收產生自吸現象，從而使譜線變寬。燈電流愈大，自吸變寬愈嚴重。此外，由于外界電場或帶電粒子、離子形成的電場及磁場的作用，使譜線變寬稱為場致變寬。這種變寬影響不大。

（三） 原子吸收光譜的測量

（1） 積分吸收

在吸收線輪廓內，吸收系數的積分稱為積分吸收系數，簡稱為積分吸收，它表示吸收的全部能量。從理論上可以得出，積分吸收與原子蒸氣中吸收輻射的原子數成正比。數學表達式為：

式中，e為電子電荷；m為電子質量；c為光速；N0為單位體積內基態原子數；f為振子強度，即能被入射輻射激發的每個原子的平均電子數，它正比于原子對特定波長輻射的吸收幾率。式（4.38）是原子吸收光譜法的重要理論依據。

（2） 峰值吸收

1955年Walsh A提出，在溫度不太高的穩定火焰條件下，峰值吸收系數與火焰中被測元素的原子濃度也成正比。吸收線中心波長處的吸收系數K0為峰值吸收系數，簡稱峰值吸收。前面指出，在通常原子吸收測定條件下，原子吸收線輪廓取決于Doppler寬度，吸收系數為：

（3） 銳線光源

峰值吸收的測定是至關重要的，在分子光譜中光源都是使用連續光譜，連續光譜的光源很難測準峰值吸收，Walsh還提出用銳線光源測量峰值吸收，從而解決了原子吸收的實用測量問題。

銳線光源是發射線半寬度遠小于吸收線半寬度的光源，如空心陰極燈。在使用銳線光源時，光源發射線半寬度很小，并且發射線與吸收線的中心頻率一致。這時發射線的輪廓可看作一個很窄的矩形，即峰值吸收系數Kv在此輪廓內不隨頻率而改變，吸收只限于發射線輪廓內。這樣，一定的K0即可測出一定的原子濃度，見圖4.17。

（4） 實際測量

（四）基態原子數與原子吸收定量基礎

在通常的原子吸收測定條件下，原子蒸氣中基態原子數近似地等于總原子數。在原子蒸氣中（包括被測元素原子），可能會有基態與激發態存在。根據熱力學原理，在一定溫度下達到熱平衡時，基態與激發態的原子數的比例遵循Boltzmann分布定律。

式中，Ni與N0分別為激發態與基態的原子數；gi與g0為激發態與基態能級的統計權重，它表示能級的簡并度；k為Boltzmann常數，其值為1.38×10-23J·K-1；T為熱力學溫度；Ei為激發能。

在原子吸收光譜法中，原子化溫度一般小于3 000K，大多數元素的最強共振線都低于600nm，Ni/N0值絕大部分都在10-3以下，激發態和基態原子數之比小于千分之一，激發態原子可以忽略。因此，可以認為，基態原子數N0近似地等于總原子數N。

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原子吸收分光光度計

原子吸收分光光度計由光源、原子化器、分光器、檢測系統等幾部分組成。基本構造見下圖。

（一）光源

光源的功能是發射被測元素的特征共振輻射。對光源的基本要求是：發射的共振輻射的半寬度要明顯小于吸收線的半寬度；輻射強度大；背景低，低于特征共振輻射強度的1%；穩定性好，30min之內漂移不超過1％；噪聲小于0.1％；使用壽命長于5A·h。

空心陰極燈放電是一種特殊形式的低壓輝光放電，放電集中于陰極空腔內。當兩極之間施加幾百伏電壓時，便產生輝光放電。在電場作用下，電子在飛向陽極的途中，與載氣原子碰撞并使之電離，放出二次電子，使電子與正離子數目增加，以維持放電。正離子從電場獲得動能。如果正離子的動能足以克服金屬陰極表面的晶格能，當其撞擊在陰極表面時，就可以將原子從晶格中濺射出來。除濺射作用之外，陰極受熱也要導致陰極表面元素的熱蒸發。濺射與蒸發出來的原子進入空腔內，再與電子、原子、離子等發生第二類碰撞而受到激發，發射出相應元素的特征共振輻射。

（二）原子化器

原子化器的功能是提供能量，使試樣干燥、蒸發和原子化。在原子吸收光譜分析中，試樣中被測元素的原子化是整個分析過程的關鍵環節。實現原子化的方法，最常用有兩種：一種是火焰原子化法，是原子光譜分析中最早使用的原子化方法，至今仍在廣泛地被應用；另一種是非火焰原子化法，其中應用最廣的是石墨爐電熱原子化法。

1 火焰原子化器

2 非火焰原子化器

非火焰原子化器中，常用的是管式石墨爐原子化器，其結構如圖所示。