原子吸收光谱原理与应用

原子吸收光谱分析法又称为原子吸收分光光度法，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。其具有以下优点。

（1）检出限低。火焰原子吸收光谱法的检出限可达到ng/mL级，石墨炉原子吸收光谱法的检出限可达到10―14～10―13g。

（2）选择性好。原子吸收光谱是元素的固有特征。

（3）精密度高。相对标准偏差一般达到1%，最好的可以达到0.3%或更高。

（4）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和基体干扰。

（5）分析速度快。使用自动进样器，每小时可以测定几十个样品。

（6）应用范围广。可分析元素周期表中绝大多数金属元素与非金属元素，利用联用技术可以进行元素的种类以及进行同位素分析。利用间接原子吸收光谱法可以分析有机化合物。

（7）用样量小。火焰原子吸收光谱法进样量一般为3～6mL/min，微量进样量为10～50μL。石墨炉原子吸收光谱法液体进样量为10～30μL，固体进样量为毫克级。

（8）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较窄，通常小于2个数量级。

用来测定原子吸收光谱的仪器是原子吸收分光光度计，其结构如图4―1所示。

图4―1　原子吸收分光光度计示意图

图4―1为原子吸收分光光度计的结构示意图，并指出了主要部件和各个部分的名称，光电信号转化的原理。

原子吸收光谱的波长和频率由产生跃迁的两能级的能量差ΔE决定，即

式中，ΔE是两能级的能量差，eV（1eV=1.602192×10―19J）；λ是波长，nm；υ是频率，Hz；c是光速，cm/s；h是普朗克常数。原子对辐射频率的吸收是有选择性的，各原子具有自身所特有的能级结构，产生特征的原子吸收光谱。原子吸收光谱线并不是严格几何意义上的线，而是占据着有限的、相当窄的频率范围，即有一定的宽度，如图4―2所示。

图4―2　原子吸收线的轮廓示意图

最大吸收系数一半处的谱线轮廓上两点间所跨越的频率（或波长）差，称为谱线的半宽度，以Δυ1/2表示。谱线轮廓是指各单色光强度随频率（或波长）的变化曲线。它由谱线的自然宽度、多普勒展宽、洛伦茨展宽、霍尔兹马克展宽、自吸展宽、斯塔克展宽和塞曼展宽共同决定。自然宽度是同发生跃迁的能级有限寿命相联系的。

在普通的火焰原子化器或电热原子化器中，吸收线宽度主要由多普勒宽度决定。在原子化器中，原子处于无序热运动中，从各个不同的方向向检测器运动，即使每个原子发出的光是频率相同的单色辐射，检测器接收到的不同运动方向原子所发的光波频率也是不同的。如果发光原子运动方向背离检测器，则检测器接收到的光波频率较静止原子所发的光的频率高，产生频移，此称多普勒效应，由此引起谱线的展宽，称为谱线的多普勒展宽（或称热宽展）。多普勒效应的大小取决于原子运动的速度和方向，朝向检测器或背离检测器以最高速度运动的原子显示出最大的多普勒频移，垂直于检测器方向运动的原子没有频移，其余方向运动的原子产生中等程度的频移。多普勒线性函数是以原子吸收频率υ0为中心的对称的频率分布，即高斯型函数。当频率偏离υ0时，光强下降，多普勒线型函数左右两翼光强下降到极大光强的一半时，频率υ1和υ2之间的跨度即为多普勒宽度。

原子吸收线的强度是指单位时间内单位吸收体积分析原子吸收辐射的总能量。在原子吸收光谱分析中，仅涉及基态原子对入射辐射的吸收。吸收辐射的总能量Ia等于单位时间内基态原子吸收的光子数，亦即产生受激跃迁的基态原子数dN0乘以光子的能量hυ。根据爱因斯坦吸收关系式，有

式中，B0是受激吸收系数；ρυ是入射辐射密度；N0是单位体积内的基态原子数。(www.xing528.com)

在原子吸收光谱中很难避免存在光谱干扰。光谱干扰是指在所选的光谱通带内，除了分析元素所吸收的辐射之外，还有来自光源或原子化器的某些不需要的辐射同时被检测器所检测而引起的干扰。光谱干扰有以下几种类型：光谱线的重叠干扰、多重吸收线的干扰和光谱通带内存在光源发射的非吸收线的干扰。

光谱线重叠干扰：在理想的情况下，光谱通带内的光源只有一条参与吸收的共振发射线，当被测样品中含有吸收线重叠的两种元素时，无论测定哪一种元素，都将产生干扰，导致测定结果不准确，尤其是当干扰元素的含量高时干扰更为严重。例如Co 235.649nm线对Hg 253.625nm线的干扰，就是典型的吸收线重叠而引起的干扰，这种干扰即使钴的含量很低，对汞的测量也有影响。当两元素吸收线的波长差等于或小于0.003nm时，也会产生干扰。又例如Al 308.215nm和V 308.211nm，两条光谱线相差0.004nm也会造成相互干扰。在通常情况下，在光谱通带内光源产生一条以上的发射线且都能参与吸收，则多重发射线不论是吸收线还是非吸收线，都会使测得的吸光度发生变化，给分析测定带来干扰。在光谱带内存在光源发射的非吸收线时，这种干扰会降低灵敏度，使工作曲线弯曲。

物理干扰是指试样在转移、蒸发和原子化过程中由于试样溶液的黏度、表面张力、密度等的差异变化而引起的干扰。在火焰原子吸收光谱法中，这些物理特性的变化引起试液喷雾的速度、气溶胶大小及其传送效率等发生变化，从而引起吸收强度的变化。例如当试样溶液黏度和雾化气压有变化时，会直接影响进样速度，进而影响分析的灵敏度。喷雾速度与吸取溶液的毛细管长度、溶液黏度、喷雾压差等条件有关。当毛细管压力一定时，溶液提升量与黏度成反比，黏度增大则提升量减小，灵敏度降低；但提升量过大，会使气溶胶粒度增大，噪声增加而不利于分析。溶液的黏度随使用酸的类型及其浓度不同而异，无机盐类和游离酸引起的黏度变化可达10%左右。表面张力对提升速度影响不大，但它影响雾化效率，并对气溶胶粒度有显著的影响。有机物质具有明显的作用，主要是影响雾化效率，同时也影响雾滴和气溶胶在火焰中的蒸发和解离平衡。在试液中加入有机溶剂（如四氯化碳、三氯甲烷等），在同样的毛细管压差下可增大提升量。可燃的有机溶剂会提高火焰温度、改变火焰的性质，使元素更好地原子化，引起增感效应。

含有大量的基体元素及其他盐类或酸类也会影响溶液的物理性质，通常称为基体效应。例如，分析大量Mg中的Ca，Mg会干扰Ca的测定。

从上式可知，Mg对Ca有负干扰，明显地减少了Ca基态原子的生成。在高温下元素间相互作用时也有干扰，例如在火焰中Ti对分析Fe有增感效应；在电热原子吸收光谱分析中，分析元素与基体共挥发会引起灵敏度降低：消除物理干扰的常用方法是配制与分析试液组成相似的标准溶液，以使试液与标准溶液具有相同或相近的物理性质。例如加入同样量的试剂、保持同样的稀释倍数等。在悬浮液进样时，基体的匹配情况对测定结果影响较大，更需特别注意。

在火焰原子化法分析时会发生电离干扰，火焰温度越高，电离度越大，使用一氧化氮―乙炔火焰时其电离度就比空气―乙炔火焰要大。这种电离干扰主要发生在电离电位较低的碱金属元素、碱土金属元素以及稀土金属元素上。由于这些元素在火炉中电离而减少了基态原子的数目，导致吸光度下降。随着浓度的增加电离度减小，导致工作曲线弯向纵坐标。电离干扰是由于原子在火焰中电离而引起的气相干扰效应。被测元素在火焰中形成自由原子之后，继续电离，结果导致基态原子数目减少，使吸光度降低。

所谓化学干扰是指在样品溶液中被测元素与试样中存在的共存元素或产生火焰的成分或石墨炉材料及炉内气氛之间的化学反应而引起的干扰效应。这种效应有时是正效应，有时为负效应。它通常导致被测元素化合物的熔融、蒸发和离解成基态原子的情况发生变化，从而引起干扰。例如在盐酸介质中测定Ca时，若有磷酸根存在，则Ca与磷酸根生成Ca3（PO4）2，而后者是一种很稳定的化合物，减少了参与吸收的Ca的原子数，故磷酸根的存在降低了Ca的分析灵敏度。在上述溶液中存在Al3+、Ti4+等阳离子时，也会抑制Mg、Ca形成基态原子而降低灵敏度。在石墨炉内被测元素与热石墨表面反应生成碳化物，从而降低原子化效率和引起记忆效应，也属于化学干扰。化学干扰是一种选择性干扰效应，是火焰原子吸收光谱分析中干扰的主要来源，它不仅取决于被测元素和干扰元素的性质，而且还与火焰类型、火焰温度、火焰状态、测量部位、其他共存组分、喷雾器的性能、燃烧器类型、雾滴大小、石墨表面特性等诸多因素有关。

用原子吸收光谱法进行定性和定量分析主要有两种方法：标准曲线法和标准加入法。标准曲线法是指配制出一系列不同浓度的标准溶液，在相同的测试条件下绘制出标准曲线，这是最常用的分析方法。以空白溶液调整零吸收，测定标准系列溶液和试样溶液的吸光度，绘制A―c标准曲线，用内插法在标准曲线上求得试样中被测定元素的含量。标准曲线法简单、快速，适于大批量组成简单和相似的试样分析。应用标准曲线法应注意以下几点。

（1）标准系列的组成与待测定试样组成尽可能相似，配制标准系列时，应加入与试样相同的基体成分。在测定时应该进行背景校正。

（2）所配制的试样浓度应该在A―c标准曲线的直线范围内，吸光度在0.15～0.6测量的准确度较高。通常根据被测定元素的灵敏度来估计试样的合适浓度范围。

（3）在整个分析过程中，测定条件始终保持不变。若进样效率、火焰状态、石墨炉工作参数等稍有改变，都会使标准曲线的斜率发生变化。在大量试样测定过程中，应该经常用标准溶液校正仪器和检查测定条件。

当试验组成复杂，待测定元素含量很低时，应该采用标准加入法进行定量分析。设cx、cs分别表示试样中待测定元素的浓度和试液中加入的标准溶液的浓变，则cx+cs为加入标准后溶液的浓度；Ax，As分别表示试液和加入标准溶液后的吸光度，由比尔定律，则

在实际工作中很少用上式计算，而是用作图法，又称为直线外推法。取若干份相同体积的试样溶液，依次加入浓度分别为0、c0、2c0、3c0、4c0……的标准溶液，用溶剂定容，摇均匀后在相同测定条件下测其吸光度，以吸光度对加入标准溶液的浓度作图，A―cs标准曲线，延长曲线与浓度轴相交点与原点的距离即为试样中被测试元素的浓度。应用标准加入法注意以下几点。

（1）测量应该在A―cs标准曲线的线性范围内进行。

（2）为了得到准确的分析结果，至少应采用4个工作点制作标准曲线后外推。首次加入的元素标准溶液的浓度（c0）大致应和试样中被测定元素浓度（cx）相接近。

（3）标准加入法只能消除基体干扰和某些化学干扰但不能消除背景吸收干扰，在测定时应该首先进行背景校正。

不同待测样品的制样过程也不一样，有简有繁。制样的方法可以分为基本不破坏基体的制样方法与破坏基体的制样方法两种。前一类制样方式是稀释、浸取、乳化和悬浊液法；后一种制样方法包括样品的消解、被测元素的分离和富集及用溶剂制成便于测试的试样等。