原子吸收光譜分析儀器具有靈敏度高，可達(dá)到10-9 ~ 10-17 克/升；重復(fù)性和選擇性好、操作比較簡便、快速、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)；檢測(cè)時(shí)樣品用量少，在幾—幾十微升之間，測(cè)量范圍廣，幾乎能用來分析所有的金屬元素和類金屬元素元件。原子吸收光譜分析儀器可應(yīng)用于冶金、化工、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生等許多部門；在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品衛(wèi)生和生物機(jī)體內(nèi)微量金屬元素的測(cè)定，應(yīng)用日益廣泛。
人體中含有許多對(duì)維持正常生理過程有重要意義的金屬元素，如鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳、鉬和鈷等。人體的血液、汗液、尿液、頭發(fā)及機(jī)體組織中，由于受環(huán)境和飲食污染會(huì)引進(jìn)體內(nèi)鉛、汞、鎘和砷等有害元素；對(duì)這些金屬元素的分析結(jié)果，可以反映機(jī)體內(nèi)的生理過程及受環(huán)境污染而中毒的情況。原子吸收光譜分析儀器可用于血液、尿液、糞便及生物組織中微量元素的分析，對(duì)內(nèi)臟、毛發(fā)、骨骼等經(jīng)一定處理后，也可進(jìn)行分析測(cè)定，在醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)檢驗(yàn)中，得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1 原子吸收光譜分析法的基本原理
1.1原子的發(fā)射光譜和共振線
在自然界中，一切物質(zhì)的分子均由原子組成，而原子是由一個(gè)原子核和核外電子構(gòu)成。原子核內(nèi)有中子和質(zhì)子，質(zhì)子帶正電，核外電子帶負(fù)電；其電子的數(shù)目和構(gòu)型決定了該元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。電子按一定的軌道繞核旋轉(zhuǎn)；根據(jù)電子軌道離核的距離，有不同的能量級(jí)，可分為不同的殼層。每一殼層所允許的電子數(shù)是一定的。當(dāng)原子處于正常狀態(tài)時(shí)，每個(gè)電子趨向占有低能量的能級(jí)，這時(shí)原子所處的狀態(tài)叫基態(tài)（e0）。在熱能、電能或光能的作用下，原子中的電子吸收一定的能量，處于低能態(tài)的電子被激發(fā)躍遷到較高的能態(tài)，原子此時(shí)的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)（eq），原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸能的過程。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一般在 10-10~ 10-8 秒內(nèi)就要返回到基態(tài)（ e0）或較低的激發(fā)態(tài)（ep）。此時(shí)，原子釋放出多余的能量，輻射出光子束，其輻射能量的大小由下列公式表示：
△e=e q-ep（或e0）= hf =hc /l （1）
式中：h—普朗克常數(shù)為6.6234*10 -27 erg.s；
f和l—是電子從eq能級(jí)返回到ep（或e0）能級(jí)時(shí)所發(fā)射光譜的頻率和波長；
c—光速；eq、ep或e0值的大小與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同元素，其eq、ep和e0不相同，一般元素的原子只能發(fā)射由其eq、ep或e0決定的特定波長或頻率的光， 即：
f = eq-ep（或e0）/h （2）
每種物質(zhì)的原子都具有特定的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排列，因此不同的原子被激發(fā)后，其電子具有不同的躍遷，能輻射出不同波長光，即每種元素都有其特征的光譜線。在一定的條件下，一種原子的電子可能在多種能態(tài)間躍遷，而輻射不同特征波長的光，這些光是一組按次序排列的不同波長的線狀光譜，這些譜線可作鑒別元素的依據(jù)，對(duì)元素作定性分析，而譜線的強(qiáng)度與元素的含量成正比，以此可測(cè)定元素的含量作定量分析。
某種元素被激發(fā)后，核外電子從基態(tài)e0激發(fā)到zui接近基態(tài)的zui低激發(fā)態(tài)e1稱為共振激發(fā)。當(dāng)其又回到e0時(shí)發(fā)出的輻射光線即為共振線（resonance line）。而基態(tài)原子吸收共振線輻射也可以從基態(tài)上升至zui低激發(fā)態(tài)，由于各種元素的共振線不相同，并具有一定的特征性，所以原子吸收僅能在同種元素的一定特征波長中觀察，當(dāng)光源發(fā)射的某一特征波長的光通過待測(cè)樣品的原子蒸氣時(shí)，原子的外層電子將選擇性地吸收其同種元素所發(fā)射的特征譜線，使光源發(fā)出的入射光減弱，可將特征譜線因吸收而減弱的程度用吸光度a表示，a與被測(cè)樣品種的待測(cè)元素含量成正比；即基態(tài)原子的濃度越大，吸收的光量越多，通過測(cè)定吸收的光量，就可以求出樣品中待測(cè)的金屬及類金屬物質(zhì)的含量，對(duì)于大多數(shù)金屬元素而言，共振線使該元素所有譜線中zui靈敏的譜線，這就是原子吸收光譜分析法的原理，也是該法之所以有較好的選擇性，可以測(cè)定微量元素的根本原因。
1.2 朗伯-比爾定律
從理論和實(shí)踐上都已證實(shí)，原子蒸氣對(duì)共振輻射光的吸收度是和其中的樣品基態(tài)原子數(shù)成正比，也就是同樣品的原子濃度成正比。
以光源燈發(fā)射的共振線作為強(qiáng)度為i0的入射光，這束頻率為f的共振輻射光通過厚度為l，其濃度為c的原子蒸氣時(shí)，光被吸收一部分，透射光強(qiáng)度為it；在頻率為f下的吸收系數(shù)為kf 單位1/cm，i0與i t之間符合朗伯-比爾定律；
即：it= i0 e -k f cl l （3）
在實(shí)際測(cè)定時(shí)，原子蒸氣的厚度l是一個(gè)定值，設(shè)k=kfl=常數(shù)；k由吸收介質(zhì)的性質(zhì)和入射光頻率決定。則（3）式可寫為：it = i 0 .e-kc （4）
為了測(cè)定方便，與比色分析一樣，it /i 0定為透光率，對(duì)it/i 0的倒數(shù)取對(duì)數(shù)、得到吸光度值a：
a=lgit /i 0 = kc （5）
由（5）式可見，其吸光度a與濃度c成簡單的線性關(guān)系，在實(shí)際分析測(cè)定中，只需測(cè)定樣品的溶液的吸光度值ax與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值a 1，便可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的已知濃度，由儀器自動(dòng)計(jì)算出樣品中待測(cè)元素的濃度或含量，這就是原子吸收光譜分析法定量測(cè)定元素含量的基礎(chǔ)。
2 原子吸收光譜分析儀器
原子吸收光譜分析儀器的原理，是通過火焰、石墨爐等方法將待測(cè)元素在高溫或是化學(xué)反應(yīng)作用下變成原子蒸氣；由光源燈輻射出待測(cè)元素的特征光，通過待測(cè)元素的原子蒸氣，發(fā)生光譜吸收，透射光的強(qiáng)度與被測(cè)元素濃度成反比，在儀器的光路系統(tǒng)中，透射光信號(hào)經(jīng)光柵分光，將待測(cè)元素的吸收線與其他譜線分開。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電路系統(tǒng)放大、處理，再由cpu及外部的電腦分析、計(jì)算、zui終在屏幕上顯示待測(cè)樣品中微量及超微量的多種金屬和類金屬元素的含量和濃度，由打印機(jī)根據(jù)用戶要求打印多種型成的報(bào)告單。
儀器主要由5部分組成：（1）光源：發(fā)射待測(cè)元素的銳線光譜。（2）原子化器：產(chǎn)生待測(cè)元素的原子蒸氣。（3）光路系統(tǒng)：分光、分出共振線波長。（4）電路系統(tǒng)：包括將光信號(hào)變成電信號(hào)的換能器，放大電路，計(jì)算處理等電路。（5）電腦系統(tǒng)：一般儀器均送用pc兼容機(jī)，完成對(duì)儀器及附件（空壓機(jī)、冷卻循環(huán)水泵等）的控制、數(shù)據(jù)處理和存貯等各種功能。
2.1光源
光源是用來產(chǎn)生待測(cè)元素的原子譜線的，必須能夠發(fā)射出比吸收線寬度更窄，并且光強(qiáng)大、穩(wěn)定的銳線光譜。
常用的光源有空心陰極燈（包括高強(qiáng)度空心陰極燈、窄譜線燈、多元素空心陰極燈等）及無極放電燈。
空心陰極燈的構(gòu)造，是由待測(cè)元素材料制成圓筒形空心陰極，由鎢材料制成棒型陽極，兩電極密封在充有惰性氣體、前端帶有英石窗的玻璃燈管中。在工作時(shí)，儀器的電源電路為燈的陰極和陽極之間加上200~500v的電壓，根據(jù)不同元素檢測(cè)要求，提供不同的燈工作電流。燈通電后，陰極發(fā)出的電子在電場(chǎng)作用下加速，與惰性氣體碰撞，使其電離，電離后的正離子向陰極加速運(yùn)動(dòng)，轟擊陰極表面，使陰極材料的原子濺射出來聚集在陰極附近，電子不斷接受能量，由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，而高能態(tài)是不穩(wěn)定的，瞬間要從高能態(tài)返回到原來的基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出與待測(cè)元素相同的特征光譜，由于許多元素的光譜處于紫外區(qū)，所以燈的透光窗須使用石英玻璃，燈的供電一般采用脈沖電壓，為使燈發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定供電電流采用穩(wěn)流措施，要求電流波動(dòng)度小于0.1%。
單一元素?zé)簦荒馨l(fā)射該種元素的特征光譜，用于測(cè)該種元素，為彌補(bǔ)這種缺憾，研制了多元素?zé)簦瑹絷帢O會(huì)有多種元素，燈點(diǎn)燃后可以輻射多種元素的特征光譜。在測(cè)定時(shí)，勿需換燈可先后測(cè)定樣品中的不同元素。但該燈的缺點(diǎn)是光譜易干擾、輻射強(qiáng)度比單元素?zé)舻?、靈敏度差。
無極放電燈一般用于蒸氣壓較高的元素或化合物的測(cè)定上，這種燈是一個(gè)石英管，管內(nèi)放進(jìn)數(shù)毫克金屬化合物并充有氬氣。工作時(shí)將燈置于高頻電場(chǎng)中，氬氣激發(fā)。隨著管內(nèi)溫度升高，金屬化合物蒸發(fā)出來，并進(jìn)一步離解、激發(fā)，從而輻射出金屬元素的共振線。主要用砷、硒、鎘、錫、貴金屬等元素的測(cè)定。
2.2原子化器
原子化器的作用是提供一定的能量，使待測(cè)樣品中的元素游離出蒸氣基態(tài)原子，并使其進(jìn)入光源的輻射光程，進(jìn)行吸收，由于原子吸收光譜分析是建立在基態(tài)原子蒸氣對(duì)共振線吸收的基礎(chǔ)上來分析元素含量的方法，所以各種類型樣品的原子化是分析中zui關(guān)鍵的問題，測(cè)定元素的結(jié)果是否準(zhǔn)確，很大程度上取決于樣品的原子化狀態(tài)。這就要求原子化器盡可能有高的原子化率，并且穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，干擾少和裝備簡單，現(xiàn)在儀器zui常用的有兩種原子化器，火焰原子化器和石墨爐。
2.2.1火焰原子化器
是zui常用的原子化器，包括兩個(gè)部分：一是把樣品溶液變成高度分散狀態(tài)的霧化器，二是燃燒頭。
工作時(shí)，由儀器外設(shè)的空壓機(jī)提供壓縮空氣作為助燃?xì)?。由管道進(jìn)入霧化器，并在出口處以高速度噴出，會(huì)造成局部負(fù)壓，使得樣品溶液在大氣壓作用沿進(jìn)樣毛細(xì)管上升，隨壓縮空氣一同噴入霧室中。樣品霧滴、助燃?xì)馀c燃?xì)庖黄鹪陟F化器中充分混合后進(jìn)入燃燒器，借燃燒火焰的熱量，使待測(cè)元素原子化，常用的燃?xì)鉃橐胰病?、煤氣、丙烷等，大多儀器外接高純乙炔氣罐，以乙炔做燃?xì)狻?br>燃燒頭儀器均采用長縫式，由耐高溫合金材料制成，不同型號(hào)的儀器其燃燒頭的縫長和縫寬不一樣，一般有10cm、7cm、5cm等幾種，縫寬在0.5 mm左右。
2.2.2 石墨爐
zui常用的是管型高溫石墨爐，由于石墨是導(dǎo)體，當(dāng)在石墨管兩端接上正負(fù)電極，通上十幾伏電壓和400~500 a的大電流時(shí)，石墨管會(huì)在2 ~ 4 s的短時(shí)間內(nèi)，升到2000℃~3000℃的高溫，將加入到石墨爐中的樣品蒸發(fā)→分解→原子化，石墨管的內(nèi)徑通常在4 ~ 6 mm，長度為25 ~ 50 m。
為了防止石墨管和原子化的原子被氧化，儀器中的石墨管均封閉在一個(gè)保護(hù)氣室里，加熱時(shí)，石墨管內(nèi)外均通有惰氣氣體氬氣（ar）。有的石墨管留有專門的氣孔，有的儀器是從管的兩端送氣，從加樣孔排氣，為了降低爐體對(duì)周圍的熱輻射，爐體外還通有冷卻水，新的儀器均有冷卻水泵和水箱，使得冷卻水可以循環(huán)使用，并保持原子化器的外邊在60℃以下。
石墨爐原子化器，原子化效率高，所需樣品量較少，檢測(cè)靈敏精密度高，使用石墨爐原子化時(shí)，樣品要經(jīng)過干燥→灰化→原子化→凈化四個(gè)過程。每個(gè)過程分別對(duì)應(yīng)不同的溫度，由儀器控溫電路控制實(shí)施。（1）干燥：是在等于或稍高于溶劑沸點(diǎn)的溫度下加熱數(shù)十秒種，將溶液烘干，除去溶劑。（2）灰化：在低于原子化的溫度下加熱數(shù)秒鐘，將被測(cè)樣品中有機(jī)物盡可能除去，減少基體組分可能帶來的干擾。（3）原子化：在被測(cè)元素的原子化溫度下加熱數(shù)秒鐘，同時(shí)儀器檢測(cè)系統(tǒng)記錄此時(shí)的吸光度值a。（4）凈化：檢測(cè)完畢，加高溫將石墨管內(nèi)殘?jiān)鼰M，開始下一次檢測(cè)，這四個(gè)過程是階梯式的升溫程序，測(cè)定不同的元素時(shí)，各階段使用的溫度和時(shí)間不盡相同，現(xiàn)在的儀器均由微機(jī)控制，根據(jù)所測(cè)元素或操作者預(yù)先設(shè)定的數(shù)值自動(dòng)完成。
2.3 分光系統(tǒng)
在原子吸收光譜分析中，為了防止原子吸光區(qū)內(nèi)與吸收波長無關(guān)的輻射光進(jìn)入檢測(cè)器，均采用單光束分光系統(tǒng)；多選用對(duì)稱式光柵單色器，以衍射光柵作色散元件，進(jìn)行分光。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)選擇波長和進(jìn)行峰值定位，多數(shù)儀器的波長范圍190-900nm。其分出的單色光被凹面鏡聚焦通過狹縫，照射到檢測(cè)器上。
2.4檢測(cè)系統(tǒng)
包括光電轉(zhuǎn)換，各控制放大電路。單色器分選出基態(tài)原子的共振線光束通過狹縫照射到檢測(cè)器上，由檢測(cè)器將光信號(hào)變成電信號(hào)。以前的儀器采用光電倍增管作光電轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在有些廠家的新型儀器采用低噪聲cmos電荷放大器陣列作光電轉(zhuǎn)換。這種新型固態(tài)檢測(cè)器性能優(yōu)越，光敏表面能在紫外區(qū)和可見光區(qū)提供zui大的量子效率和靈敏度，具有*的信噪比。光信號(hào)通過固態(tài)檢測(cè)器后變成電信號(hào)，經(jīng)過前置放大器、對(duì)數(shù)放大器放大，再經(jīng)過自動(dòng)調(diào)零、積分運(yùn)算、濃度直讀、曲線校正、自動(dòng)增益控制、峰值保持等電路的放大處理，將被測(cè)元素吸光度值a變成濃度信號(hào)，在顯示器顯示出測(cè)定值，并由打印機(jī)根據(jù)需要打印多種型式的報(bào)告單。
2.5 電腦系統(tǒng)
現(xiàn)代儀器均外接一臺(tái)配置較高的電腦及外設(shè)來控制儀器的各種工作流程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作：完成點(diǎn)火、加溫、自動(dòng)選擇波長、狹窄寬度；根據(jù)所要檢測(cè)的元素選擇燈電流、燈位置、氣體流量；自動(dòng)完成讀取數(shù)值、計(jì)算等流程。電腦控制儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)工作條件，進(jìn)行測(cè)定，完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)數(shù)處理、分析結(jié)果，并可自動(dòng)計(jì)算平均值和變異系數(shù)、顯示和打印報(bào)告單。
現(xiàn)代原子吸收光譜分析儀器自動(dòng)化程度比較高，功能齊全，簡單易用的控制軟件，可以使的操作人員在工作分析中享受到現(xiàn)代技術(shù)帶來的樂趣。
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