原子吸收光谱分析仪器原理及组成

1、原子吸收光谱分析仪器原理及组成摘要论述了原子吸收光谱分析的基本原理及仪器的主要构成，仪器主要有5部分组成：(1)光源：发射待测元素的锐线光谱：(2)原子化器：产生待测的原子蒸汽；(3)光禄系统：分光、分出共振线波长；(4)电路系统：包括信号变成电信号的转换器放大电路计算处理等电路；(5)显示系统等，旨在该类仪器用户逐渐增多的情况下，获得交流和提高。原子吸收光谱分析仪器具有灵敏度高(町达到10一10 gL)重复性和选择性好操作简便、快速结果准确、可靠。检测时样品用量少(在几微升至儿十微升之间)，测量范同广(几乎能用来分析所有的金属元素和类金属元素元件)等优点。其可应用于冶金、化工、地质、农业及医

2、药卫生等许多方面；在环境监测、食品卫生和生物机体内微量金属元素的测定以及医学和生物化学检验等应用也口益广泛。人体中含有许多对维持正常生理过程有审要意义的金属元素，如钾、钠、钙、镁、铁、铜、锌、锰、钼和钴等。人体的血液、汗液、尿液、头发及机体组织。由于受环境和饮食污染会引进体内铅、汞、镉和砷等有害元素。埘这些金属元素的分析结果，可以反映机体内的生理过程及受环境污染中毒的情况。原子吸收光谱分析仪器既可用于血液、尿液、粪便及生物组织中微量元素的分析也可对内脏、毛发、骨骼等经一定处理后，进行分析测定1 原子吸收光谱分析方法的基本原理在自然界中一切物质的分子均由原子组成，而原于是由一个原子核和核外电子构

3、成。原子核内有中子和质子，质子带正电核外电予带负电；其电子的数日和构型决定了该元素的物理和化学性质。电了按一定的轨道绕核旋转；根据电子轨道离核的距离，有不同的能量级，可分为不同的壳层。每一壳层所允许的电子数是一定的。当原子处于正常状态时每个电子趋向占有低能量的能级，这时原子所处的状态叫基态(E0)。在热能、电能或光能的作用下，原子中的电子吸收一定的能量处于低能态的电子被激发跃迁到较高的能态。原子此时的状态叫激发态(Eq)。原子从基态向激发态跃迁的过程是吸能的过程。处于激发态的原子是不稳定的，一般在10-10 -10-8s 内就要返回到基态(E0)或较低的激发态(Ep )。此时，原子释放出多余的

4、能量，辐射出光子束，其辐射能量的大小由下列公式表示：AE=Eq-Ep(或E0)=hf=hc (1)式中：h 普朗克常数为66234x10-27erg.s;f和 电子从Eq能级返回到Ep(或E0)能级时所发射光谱的频率和波长；C 光速。Eq 、Ep 或E0。值的大小与原子结构有关，不同元素，其Eq、Ep 和E0。不相同，一般元素的原子只能发射由其Eq Ep 或Eo。决定的特定波长或频率的光，即：f=Eq。一E p(或E0)/h (2)每种物质的原子都具有特定的原子结构和外层电子排列，因此不同的原子被激发后其电子具有不同的跃迁。能辐射出不同波长光，就是说每种元素都有其特征的光谱线。由于谱线的强度与

5、元素的含量成正比，以此可测定元素的含量，作定量分析。当某种元素被激发后，核外电予从基态E激发到最接近基态的最低激发态E1叫共振激发。当其叉回到E。时发出的辐射光线即为其振线。而基态原子吸收共振线辐射也可以从基态上升至最低激发态，由于各种元素的共振线不相同，并具有一定的特征性所以原子吸收仪能在同种元素的一定特征波长中观察到当光源发射的某一特征波长的光通过待测样品的原于蒸气时原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使光源发出的入射光减弱，可以将特征谱线因吸收而减弱的程度用吸光度A表示，A与被测样品中的待测元素含最成正比；即基态原子的浓度越大，吸收的光量越多通过测定吸收的光量，就可

6、以求出样品中待测的金属及类金属物质的含晕。对于大多数金属元素而言，共振线是该元素所有谱线中最灵敏的谱线这就是原子吸收光谱分析法的原理，也是该法之所以有较好的选择性可以测定微量元素的根本原因。2 原子吸收光谱分析仪器原子吸收光谱分析仪器的原理是通过火焰、石墨炉等将待测元素在高温或是化学反应作用下变成原子蒸气，由光源灯辐射出待测元索的特征光，在通过待测元素的原子蒸气时发生光谱吸收透射光的强度与被测元素浓度成反比，在仪器的光路系统中。透射光信号经光栅分光，将待测元素的吸收线与其他谱线分开。经过光电转换器。将光信号转换成电信号，由电路系统放大、处理，再南CPU及外部的电脑分析、计算，最终在屏幕显示待测

7、样品中微量及超微量的多种金属和类金属元素的含量和浓度。由打印机根据用户要求打印报告单，仪器主要由5部分组成：光源、原子化器、光路系统、电路系统、电脑系统2-1 光源光源是用来产生待测元素的原子谱线的必须能够发射出比吸收线宽度更窄，并且光强大、稳定的锐线光谱。常用的光源有空心阴极灯及尤极放电灯。空心阴极灯的构造，是由待测元素材料制成圆筒形空心阴极，由钨材料制成棒型阳极，阴电极密封在允有惰性气体、前端带有英石窗的玻璃灯管中。在工作时，仪器的电源电路为灯的阴极和阳极之问加上：200500V的电压根据不同元素检测要求，提供不同的灯工作电流。灯通电后阴极发出的电子在电场作用下加速，与惰性气体碰撞，使其电

8、离，电离后的正离于向阴极加速运动，轰击阴极表面。使阴极材料的原子溅射出来聚集在刚极附近，电子 断接受能量，由低能级跃迁到高能级，而高能态是小稳定的。瞬间要从高能态返回到原来的基态，同时发射出与待测元素相同的特征光谱，由于许多元素的光潜处于紫外区，所以灯的透光窗须使用石英玻璃，灯的供电一般采用脉冲电压，为使灯发光强度稳定，供电电流采用稳流措施，要求电流波动度小于01。无极放电灯一般用于蒸气压较高的元素或化合物的测定上，这种灯是一个石英管，管内放进数毫克会属化合物并充有氩气。上作时将灯置丁高频电场中，氩气激发伴随着管内温度升高，金属化合物蒸发出来，并进一步离解、激发，从而辐射出金属元素的共振线。主

9、要用砷、硒、镉、锡、贵金属等元素的测定。2-2 原子化器原子化器的作用是提供一定的能 使待测样品中的元素游离出蒸气基态原了，并使其进人光源的辐射光程，进行吸收。由于原子吸收光谱分析是建立在基念原予蒸气对共振线吸收的基础上来分析元素含茸的方法，所以各种类型样品的原子化是分析中最关键的问题，测定元素的结果是否准确，很大程度上取决于样品的原子化状态 这就要求原子化器尽可能有高的原子化率，并且稳定、重现性好。干扰少和装备简单。现在仪器最常见的有两种原子化器火焰原子化器和墨炉。(1)火焰原子化器是最常用的原子化器，包括2个部分：把样品溶液变成高度分散状态的雾化器和燃烧头。工作时。由仪器外设的空压机提供压

10、缩空气作为助燃气。由管道进人雾化器并l住出f处以高速度喷出会造成局部负压，使得样品溶液在大气压作用沿进样毛细管上升，随压缩空气一同喷人雾室中样品雾滴、助燃气与燃气一起在雾化器中充分混合后进人燃烧器，借燃烧火焰的热量，使待测元素原了化常用的燃气为乙炔，仪器外接高纯乙炔气罐，以乙炔做燃气。燃烧头仪器均采用长缝式，由耐高温合金材料制成，不同型号的仪器其燃烧头的缝长和缝宽不一样，一般有10、7、5cm等几种缝宽在05mm左右。(2)石墨炉：最常用的是管型高温石墨炉，由于石墨是导体当在石墨管两端接上正负电极，通上十几伏电压和4o0500A之间的大电流时。石墨管会在24s的短时间内，升到20003 000

11、的高温将加人到石墨炉中的样品蒸发一分解一原子化，百墨管的内径通常在46mm长度 2550mm之间。为防止石墨管和原子化的原了被氧化，仪器中的石墨管均封闭在一个保护气室罩，加热时，石墨管内外均通有惰气气体氩气(Ar)。为了降低炉体对周的热辐射，炉体外还通有冷却水，保持原子化器的外边在60 以下。石墨炉原子化器，原子化效率高，所需样品量较少，检测灵敏精密度高，使用石器炉原于化时样品要经过干燥一灰化一原子化一净化4个过程。每个过程分别对应不同的温度由仪器控温电路控制实施。(1)干燥：是在等于或稍高于溶剂沸点的温度下加热数10s，将溶液烘干，除去溶剂。(2)灰化：在低于原子化的温度下加热数秒钟，将被测

12、样品中有机物尽可能除去，减少基体组分可能带来的干扰。(3)原子化：在被测元素的原了化温度加热数秒钟同时仪器检测系统记录此时的吸光度值A。(4)净化：检测完毕。加高温将石墨管内残渣烧尽，开始下一次检测，这4个过程足阶梯式的升温程序，测定不同的元素时各阶段使用的温度和时间不尽相同，现在的仪器均由微机摔制 根据所测元素或操作者预先设定的数值自动完成。23 分光系统在原子吸收光谱分析中，为防止原了吸光区内与吸收波长无关的辐射光进入检测器。均采用单光束分光系统；多选用对称式光栅单色器，以衍射光栅作色散元什，进行分光。通过电机驱动自动选择波长和进行峰值定位， 多数仪器的波长范同190900nm。其分出的单

13、色光被凹面镜聚焦通过狭缝，照射到检测器上。24 检测系统包括光电转换，各控制放大电路 单色器分选出基态原予的共振线光束通过狭缝照射到检测器上，由检测器将光信号变成电信号。以前的仪器采用光电倍增管作光电转换现在有些厂家的新型仪器采川低噪声CM0S电荷放大器阵列作光电转换。光信号通过同态检测器后变成电信号经过前置放大器、对数放大器放大，再经过自动调零、积分运算、浓度直读、曲线校正、自动增益控制、峰值保持等电路的放大处理。将被测元素吸光度值A变成浓度信号，在显示器显示出测定值，并由打印机根据需要打印多种型式的报告单。25 电脑系统现代仪器均外接电脑及外设来控制仪器的各种工作流程和执行机构动作：完成点

14、火、加温、自动选择波K、狭窄宽度；根据所要检测的元素选择灯电流、灯位置、气体流量；自动完成读取数值、计算等流程。电脑控制仪器自动调节工作条件，进行测定，完成数据采集、计数处理、分析结果并可自动计算平均值和变异系数、显示和打印报告单。现代原子吸收光谱分析仪器自动化程度比较高， 功能齐全，简单易用的控制软件，可以使操作人员 工作分析中享受到现代技术带来的乐趣。原子吸收光谱的发展历史第一阶段原子吸收现象的发现与科学解释早在1802年，伍朗斯顿（）在研究太阳连续光谱时，就发现了太阳连续光谱中出现的暗线。1817年，弗劳霍费（J.Fraunhofer）在研究太阳连续光谱时，再次发现了这些暗线，由于当时尚

15、不了解产生这些暗线的原因，于是就将这些暗线称为弗劳霍费线。1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）与本生（R.Bunson）在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时，会引起钠光的吸收，并且根据钠发射线与暗线在光谱中位置相同这一事实，断定太阳连续光谱中的暗线，正是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。第二阶段原子吸收光谱仪器的产生原子吸收光谱作为一种实用的分析方法是从1955年开始的。这一年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文'原子吸收光谱在化学分析中的应用'奠定了原子吸收光谱法的基础。50年代末和60年

16、代初，Hilger,VarianTechtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器，发展了瓦尔西的设计思想。到了60年代中期，原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期第三阶段电热原子吸收光谱仪器的产生1959年,苏联里沃夫发表了电热原子化技术的第一篇论文。电热原子吸收光谱法的绝对灵敏度可达到10-12-10-14g,使原子吸收光谱法向前发展了一步。近年来,塞曼效应和自吸效应扣除背景技术的发展,使在很高的的背景下亦可顺利地实现原子吸收测定。基体改进技术的应用、平台及探针技术的应用以及在此基础上发展起来的稳定温度平台石墨炉技术(STPF)的应用,可以对许多复杂组成的试样有效地实

17、现原子吸收测定。第四阶段原子吸收分析仪器的发展随着原子吸收技术的发展，推动了原子吸收仪器的不断更新和发展，而其它科学技术进步，为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来，使用连续光源和中阶梯光栅，结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器，设计出了微机控制的原子吸收分光光度计，为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构，提高了仪器的自动化程度，改善了测定准确度，使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术(色谱-原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用)日益受到人们的重视。色谱-原子吸收联用，不仅在解决元素的化学形态分析方面，而且在测定有机

18、化合物的复杂混合物方面，都有着重要的用途，是一个很有前途的发展方向原子吸收光谱仪基本原理：仪器从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。用 途：原子吸收光谱仪可测定多种元素，火焰原子吸收光谱法可测到10-9g/mL数量级，石墨炉原子吸收法可测到10-13g/mL数量级。其氢化物发生器可对8种挥发性元素汞、砷、铅、硒、锡、碲、锑、锗等进行微痕量测定。因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量元素分析。原子吸

19、收光谱仪基本知识、基本知识1.方法原理原子吸收是指呈气态的原子对由同类原子辐射出的特征谱线所具有的吸收现象。当辐射投射到原子蒸气上时，如果辐射波长相应的能量等于原子由基态跃迁到激发态所需要的能量时，则会引起原子对辐射的吸收，产生吸收光谱。基态原子吸收了能量，最外层的电子产生跃迁，从低能态跃迁到激发态。2.原子吸收光谱仪的组成原子吸收光谱仪是由光源、原子化系统、分光系统和检测系统组成。A 光源作为光源要求发射的待测元素的锐线光谱有足够的强度、背景小、稳定性一般采用：空心阴极灯 无极放电灯B 原子化器（atomizer）可分为预混合型火焰原子化器（premixed flame atomizer）,石墨炉原子化器(graphite furnace atomizer),石英炉原子化器(quartz furnace atomizer)，阴极溅射原子化器(cathode sputtering atomizer)。a 火焰原子化器：由喷雾器、预混合室、燃烧器