原子吸收光譜法（atomic absorption spectrometry，AAS）是根據(jù)基態(tài)原子對特征波長光的吸收，來測定試樣中待測元素含量的分析方法，簡稱原子吸收分析法。用于原子吸收光譜分析的儀器稱為原子吸收分光光度計（atomic absorption spectrophotometer）或原子吸收光譜儀。


一、儀器工作原理
將待分析物質以適當方法轉變?yōu)槿芤?，并將溶液以霧狀引入原子化器。此時，被測元素在原子化器中原子化為基態(tài)原子蒸氣。當光源發(fā)射出的與被測元素吸收波長相同的特征譜線通過基態(tài)原子蒸氣時，光能因被基態(tài)原子所吸收而減弱，其減弱的程度（吸光度）在一定條件下，與基態(tài)原子的數(shù)目（元素濃度）之間的關系，遵守朗伯-比耳定律。被基態(tài)原子吸收后的譜線，經(jīng)分光系統(tǒng)分光后，由檢測器接收，轉換為電信號，再經(jīng)放大器放大，由顯示系統(tǒng)顯示出吸光度或光譜圖。


二、儀器基本結構
原子吸收分光光度計主要由光源、原子化器、單色器、檢測系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)等部分組成。


1.光源
光源的作用是發(fā)射出能被待測元素吸收的特征波長譜線，供測量用。為了保證峰值吸收的測量，要求光源必須能發(fā)射出比吸收線寬度更窄的銳線光譜，并且強度大而穩(wěn)定，背景低且噪聲小，使用壽命長。空心陰極燈（hollow cathode lamp，HCL）、無極放電燈、蒸氣放電燈和激光光源燈都能滿足上述要求，其中應用最廣泛的是空心陰極燈和無極放電燈。量寶空心陰極燈又稱元素燈，根據(jù)陰極材料的不同，分為單元素燈和多元素燈通常，單元素的空心陰極燈只能用于一種元素的測定，這類燈發(fā)射線干擾少，強度高，但每測一種元素需要更換一種燈。多元素燈可連續(xù)測定幾種元素，減少了換燈的麻煩，但光強度較弱，容易產(chǎn)生干擾。目前，中國生產(chǎn)的空心陰極燈可以滿足國內外各種型號的原子吸收分光光度計的要求，元素品種達60余種。


空心陰極燈使用前應經(jīng)過一段預熱時間，使燈的發(fā)光強度達到穩(wěn)定。預熱時間隨燈元素的不同而不同，一般在20~30min以上。使用時，應選擇合適的工作電流。


無極放電燈又稱微波激發(fā)無極放電燈。無極放電燈的發(fā)射強度比空心陰極燈大100~1000倍。譜線半寬度很窄，適用于對難激發(fā)的As、Se、Sn等元素的測定。目前已制成Al、P、K、Rb、Zn、Cd、Hg、Sn、Pb、As等18種元素的商品無極放電燈。


近幾年來，隨著高光譜分辨能力的中階梯光柵光譜儀技術和具有多通道檢測能力的半導體圖像傳感器技術的日趨成熟，使用連續(xù)光源做原子吸收分光光度計（CS-AAS）的光源已經(jīng)成為可能。2004年德國耶拿公司（Analytik Jena）成功地設計和生產(chǎn)出世界第一臺商品化連續(xù)光源原子吸收光譜儀 ContrAACS-AAS采用交叉色散系統(tǒng)和半導體圖像傳感器的形式，不需要移動光路中的任何部件，可以同時檢測從As193.76nm到Cs852.11nm之間的多條任意分析譜線，具有同時多元素定性、定量分析能力，檢出限和精密度達到或超過線光源AAS的水平，從而使AAS儀器發(fā)展到一個新的水平。


2.原子化器
將試樣中待測元素變成氣態(tài)的基態(tài)原子的過程稱為試樣的“原子化”。完成試樣原子化所用的設備稱為原子化器或原子化系統(tǒng)。試樣中被測元素原子化的方法主要有火焰原子化法和非火焰原子化法兩種?；鹧嬖踊ɡ没鹧鏌崮苁乖嚇愚D化為氣態(tài)原子。非火焰原子化法利用電加熱或化學還原等方式使試樣轉化為氣態(tài)原子。原子化系統(tǒng)在原子吸收分光光度計中是一個關鍵裝置，它的質量對原子吸收光譜分析法的靈敏度和準確度有很大影響，甚至起到?jīng)Q定性的作用，也是分析誤差最大的一個來源。


（1）火焰原子化器（flame atomizer）火焰原子化包括兩個步驟:先將試樣溶液變成細小霧滴（即霧化階段），然后使霧滴接受火焰供給的能量形成基態(tài)原子（即原子化階段）?；鹧嬖踊饔伸F化器、預混室和燃燒器等部分組成。嘛余霧化器（nebulizer）的作用是將試液霧化成微小的霧滴。霧化器的性能會對靈敏度、測量精度和化學干擾等產(chǎn)生影響，因此要求其噴霧穩(wěn)定、霧滴細微均勻和霧化效率高。目前，商品原子化器多數(shù)使用氣動型霧化器。


塑預混室也稱霧化室，其作用是進一步細化霧滴，并使之與燃料氣均勻混合后進入火焰。


燃燒器的作用是使燃氣在助燃氣的作用下形成火焰，使進入火焰的試樣微粒原子化。


原子吸收光譜分析最常用的火焰是空氣-乙炔火焰和氧化亞氮（笑氣）-乙炔火焰。當采用不同的燃燒氣時，應注意調整燃燒器的狹縫寬度和長度以適應不同燃燒氣的燃燒速率，防止回火爆炸。


由于火焰原子化法的操作簡便，重現(xiàn)性好，有效光程大，對大多數(shù)元素有較高靈敏度，因此應用廣泛。但火焰原子化法原子化效率低，靈敏度不夠高，而且一般不能直接分析固體樣品。火焰原子化法這些不足之處，促使無火焰原子化法的發(fā)展。


（2）電熱原子化器電熱原子化器的種類有多種，如電熱高溫管式石墨爐原子化器、石墨杯原子化器、鉭舟原子化器、碳棒原子化器、鎳杯原子化器、高頻感應爐和等離子噴焰等。在商品儀器中常用的電熱原子化器是管式石墨爐原子化器。


石墨爐是用石墨管做成，將樣品用進樣器定量注入石墨管中，并以石墨管作為電阻發(fā)熱體，通電后迅速升溫，使試樣達到原子化目的。它由加熱電源、保護氣控制系統(tǒng)和石墨管狀爐組成。外電源加于石墨管兩端供給原子化器能量，電流通過石墨管產(chǎn)生3000℃的高溫，使置于石墨管中的被測元素變?yōu)榛鶓B(tài)原子蒸氣。保護氣系統(tǒng)是控制保護氣的。外氣路中的Ar氣沿石墨管外壁流動，以保護石墨管不被燒蝕；內氣路中的Ar從管兩端流向管中心由管中心孔流出以有效地除去在干燥和灰化過程中產(chǎn)生的基體成分，同時保護已經(jīng)原子化了的原子不再被氧化。


石墨爐原子化器相對于火焰原子化器具有體積小、檢出限低用樣量少等特點；石墨爐原子化的缺點主要是基體蒸發(fā)時可能造成較大的分子吸收，爐管本身的氧化也產(chǎn)生分子吸收，背景吸收較大，一些固體微粒引起光散射造成假吸收，因此使用石墨爐原子化器必須使用背景校正裝置校正。石墨爐原子化器主要包括爐體、電源、冷卻水、氣路系統(tǒng)等，目前商品儀器的爐體又分為縱向加熱和橫向加熱?？v向加熱石墨爐（國產(chǎn)儀器的石墨爐體多為縱向加熱）由于要在石墨管兩端的電極上進行水冷，造成沿光路方向上存在溫度梯度，使整個石墨管內具有不等溫性導致基體干擾嚴重，影響原子化過程。針對上述問題，商品儀器經(jīng)過多次的改進，又發(fā)展了平臺原子化（在改善縱向石墨爐加熱方面有很大的貢獻）、探針原子化、電容放電強脈沖加熱石墨爐，這些技術都在一定程度上或多或少地彌補了縱向加熱的缺點，但還是沒有解決根本問題。而橫向加熱石墨爐技術恰恰能解決縱向的不等溫性的缺點，它大大增加了管內恒溫區(qū)域，降低原子化溫度和時間，使得原子濃度均勻且穩(wěn)定性好，顯著地降低基體效應和消除記憶效應，同時還可降低對爐體的要求，增加了石墨管的使用壽命。


3.分光系統(tǒng)
原子吸收光譜儀的分光系統(tǒng)又稱單色器，其作用是將待測元素的吸收線與鄰近譜線分開，并阻止其他的譜線進入檢測器，使檢測系統(tǒng)只接受共振吸收線。單色器由入射狹縫、出射狹縫和色散元件（目前商品儀器多采用光柵，其倒線色散率為0.25~6.6nm/mm）等組成。


在實際工作中，通常根據(jù)譜線結構和待測共振線鄰近是否有干擾來決定狹縫寬度，適宜的縫寬通過實驗來確定。


4.檢測系統(tǒng)
檢測系統(tǒng)由光電轉換器和信號處理、顯示記錄器等組成。常用的光電轉換器是光電倍增管，它是利用二次電子發(fā)射放大光電流來將微弱的光信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。由一個表面涂有光敏材料的光電發(fā)射陰極、一個陽極以及若干個倍增級（打拿級）所組成。當光陰極受到光子的碰撞時，發(fā)出光電子。光電子繼續(xù)碰撞倍增級，產(chǎn)生多個次級電子，這些電子再與下一級倍增級相碰撞，電子數(shù)依次倍增，經(jīng)過9~16級倍增級，放大倍數(shù)可達106~109最后測量的陽極電流與入射光強度及光電倍增管的增益（即光電倍增管放大倍數(shù)對數(shù)）成正比。改變光電倍增管的負高壓可以調節(jié)增益，從而改變檢測器的靈敏度。


使用光電倍增管時，必須注意不要用太強的光照射，并盡可能不要使用太高的增益，這樣才能保證光電倍增管良好的工作特性，否則會引起光電倍增管的“疲勞”乃至失效。所謂“疲勞”是指光電倍增管剛開始工作時靈敏度下降，過一段時間趨于穩(wěn)定，但長時間使用靈敏度又下降的光電轉換不成線性的現(xiàn)象。


放大器的作用是將光電倍增管輸出的電壓信號放大后送入顯示器。原子吸收常采用同步解調放大器。它既有放大作用，又能濾掉火焰發(fā)射以及光電倍增管暗電流產(chǎn)生的用直流信號，從而有效地提高信噪比。


較早的原子吸收光譜儀顯示器多采用具有透射比和吸光度兩套讀數(shù)的指示儀表，近年來顯示器一般同時具有數(shù)字打印和顯示、濃度直讀、自動校準和微機處理數(shù)據(jù)功能。


近年一些儀器也采用CCD作為檢測器，CCD（Charge-C-Cou- pled Devices，譯名是電荷耦合器件）是一種新型固體多道光學檢測器件，它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎上研制而成的模擬集成電路芯片。它可以借助必要的光學和電路系統(tǒng)，將光譜信息進行光電轉換、儲存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生波長-強度二維信號，信號經(jīng)放大和計算機處理后在末端顯示器上同步顯示出，目前這類檢測器已經(jīng)在光譜分析的許多領域獲得了應用。


三、常用儀器型號和主要性能
原子吸收分光光度計按光束形成可分為單光束（指從光源中發(fā)出的光僅以單一光束的形式通過原子化器、單色器和檢測系統(tǒng)）和雙光束（指從光源發(fā)出的光被切光器分成兩束強度相等的光，一束為樣品光束通過原子化器被基態(tài)原子部分吸收；另一束只作為參比光束，不通過原子化器，其光強度不被減弱）兩類；按包含“獨立”的分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的數(shù)目又可分為單道（指儀器只有一個光源，一個單色器，一個顯示系統(tǒng)，每次只能測一種元素）、雙道（指儀器有兩個不同光源，兩個單色器兩個檢測顯示系統(tǒng)）和多道。目前普遍使用的是單道單光束或單道雙光束原子吸收分光光度計。


原子吸收分光光度計型號繁多，不同型號儀器性能和應用范圍不同。當前常用原子吸收分光光度計的型號與性能可查閱美析官網(wǎng)產(chǎn)品主頁。