原子吸收光譜分析儀器原理及組成
原子吸收光譜分析儀器原理及組成
原子吸收光譜分析儀器具有靈敏度高、重復性和選擇性好。操作簡便、快速。結果準確、可靠。檢測時樣品用量少（在幾微升至兒十微升之間），測量范同廣（幾乎能用來分析所有的金屬元素和類金屬元素元件）等優點。其可應用于冶金、化工、地質、農業及醫藥衛生等許多方面；在環境監測、食品衛生和生物機體內微量金屬元素的測定以及醫學和生物化學檢驗等應用也口益廣泛。
人體中含有許多對維持正常生理過程有審要意義的金屬元素，如鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、銅、鋅、錳、鉬和鈷等。人體的血液、汗液、尿液、頭發及機體組織。由于受環境和飲食污染會引進體內鉛、汞、鎘和砷等有害元素。塒這些金屬元素的分析結果，可以反映機體內的生理過程及受環境污染中毒的情況。原子吸收光譜分析儀器既可用于血液、尿液、糞便及生物組織中微量元素的分析．也可對內臟、毛發、骨骼等經一定處理后，進行分析測定
1 原子吸收光譜分析方法的基本原理
在自然界中．一切物質的分子均由原子組成，而原于是由一個原子核和核外電子構成。原子核內有中子和質子，質子帶正電．核外電予帶負電；其電子的數日和構型決定了該元素的物理和化學性質。電了按一定的軌道繞核旋轉；根據電子軌道離核的距離，有不同的能量級，可分為不同的殼層。每一殼層所允許的電子數是一定的。當原子處于正常狀態時．每個電子趨向占有低能量的能級，這時原子所處的狀態叫基態（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．處于低能態的電子被激發躍遷到較高的能態。原子此時的狀態叫激發態（eq）。原子從基態向激發態躍遷的過程是吸能的過程。處于激發態的原子是不穩定的，一般在10-10 ~-10-8s 內就要返回到基態（e0）或較低的激發態（ep ）。此時，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：
ae=eq-ep（或e0）=hf=hc／λ （1）
式中：h— — 普朗克常數為6．6234x10-27erg.s;f和λ —— 電子從eq能級返回到ep（或e0）能級時所發射光譜的頻率和波長；c— — 光速。
eq 、ep 或e0。值的大小與原子結構有關，不同元素，其eq、ep 和e0。不相同，一般元素的原子只能發射由其eq ep 或eo。決定的特定波長或頻率的光，即：
f=eq。一e p（或e0）/h （2）
每種物質的原子都具有特定的原子結構和外層電子排列，因此不同的原子被激發后．其電子具有不同的躍遷。能輻射出不同波長光，就是說．每種元素都有其特征的光譜線。由于譜線的強度與元素的含量成正比，以此可測定元素的含量，
作定量分析。
當某種元素被激發后，核外電予從基態e 激發到zui接近基態的zui低激發態e1叫共振激發。當其叉回到e。時發出的輻射光線即為其振線。而基態原子吸收共振線輻射也可以從基態上升至zui低激發態，由于各種元素的共振線不相同，并具有一定的特征性．所以原子吸收儀能在同種元素的一定特征波長中觀察到．當光源發射的某一特征波長的光通過待測樣品的原于蒸氣時．原子中的外層電子將選擇性地吸收其同種元素所發射的特征譜線，使光源發出的入射光減弱，可以將特征譜線因吸收而減弱的程度用吸光度a表示，a與被測樣品中的待測元素含zui成正比；即基態原子的濃度越大，吸收的光量越多．通過測定吸收的光量，就可以求出樣品中待測的金屬及類金屬物質的含暈。對于大多數金屬元素而言，共振線是該元素所有譜線中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．可以測定微量元素的根本原因。
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、石墨爐等將待測元素在高溫或是化學反應作用下變成原子蒸氣，由光源燈輻射出待測元索的特征光，在通過待測元素的原子蒸氣時發生光譜吸收．透射光的強度與被測元素濃度成反比，在儀器的光路系統中。透射光信號經光柵分光，將待測元素的吸收線與其他譜線分開。經過光電轉換器。將光信號轉換成電信號，由電路系統放大、處理，再南cpu及外部的電腦分析、計算，zui終在屏幕顯示待測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。由打印機根據用戶要求打印報告單，儀器主要由5部分組成：光源、原子化器、光路系統、電路系統、電腦系統。
2，1 光源
光源是用來產生待測元素的原子譜線的．必須能夠發射出比吸收線寬度更窄，并且光強大、穩定的銳線光譜。
常用的光源有空心陰極燈及尤極放電燈。
空心陰極燈的構造，是由待測元素材料制成圓筒形空心陰極，由鎢材料制成棒型陽極，陰電極密封在允有惰性氣體、前端帶有英石窗的玻璃燈管中。在工作時，儀器的電源電路為燈的陰極和陽極之問加上：200～500v的電壓．根據不同元素檢測要求，提供不同的燈工作電流。燈通電后．陰極發出的電子在電場作用下加速，與惰性氣體碰撞，使其電離，電離后的正離于向陰極加速運動，轟擊陰極表面。使陰極材料的原子濺射出來聚集在剛極附近，電子斷接受能量，由低能級躍遷到高能級，而高能態是小穩定的。瞬間要從高能態返回到原來的基態，同時發射出與待測元素相同的特征光譜，由于許多元素的光潛處于紫外區，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，為使燈發光強度穩定，供電電流采用穩流措施，要求電流波動度小于0．1％。
無極放電燈一般用于蒸氣壓較高的元素或化合物的測定上，這種燈是一個石英管，管內放進數毫克會屬化合物并充有氬氣。上作時將燈置丁高頻電場中，氬氣激發伴隨著管內溫度升高，金屬化合物蒸發出來，并進一步離解、激發，從而輻射出金屬元素的共振線。主要用砷、硒、鎘、錫、貴金屬等元素的測定。
2-2 原子化器
原子化器的作用是提供一定的能．使待測樣品中的元素游離出蒸氣基態原了，并使其進人光源的輻射光程，進行吸收。由于原子吸收光譜分析是建立在基念原予蒸氣對共振線吸收的基礎上來分析元素含茸的方法，所以各種類型樣品的原子化是分析中zui關鍵的問題，測定元素的結果是否準確，很大程度上取決于樣品的原子化狀態這就要求原子化器盡可能有高的原子化率，并且穩定、重現性好。干擾少和裝備簡單。
現在儀器zui常見的有兩種原子化器．火焰原子化器和墨爐。
（1）火焰原子化器是zui常用的原子化器，包括2個部分：把樣品溶液變成高度分散狀態的霧化器和燃燒頭。
工作時。由儀器外設的空壓機提供壓縮空氣作為助燃氣。
由管道進人霧化器．并l住出f]處以高速度噴出．會造成局部負壓，使得樣品溶液在大氣壓作用沿進樣毛細管上升，隨壓縮空氣一同噴人霧室中樣品霧滴、助燃氣與燃氣一起在霧化器中充分混合后進人燃燒器，借燃燒火焰的熱量，使待測元素原了化．常用的燃氣為乙炔，儀器外接高純乙炔氣罐，以乙炔做燃氣。
燃燒頭儀器均采用長縫式，由耐高溫合金材料制成，不同型號的儀器其燃燒頭的縫長和縫寬不一樣，一般有10、7、5cm等幾種．縫寬在0．5mm左右。
（2）石墨爐：zui常用的是管型高溫石墨爐，由于石墨是導體．當在石墨管兩端接上正負電極，通上十幾伏電壓和4o0～500a之間的大電流時。石墨管會在2～4s的短時間內，升到2000％～3 000％的高溫．將加人到石墨爐中的樣品蒸發一分解一原子化，百墨管的內徑通常在4～6mm．長度25～50mm之間。
為防止石墨管和原子化的原了被氧化，儀器中的石墨管均封閉在一個保護氣室罩，加熱時，石墨管內外均通有惰氣氣體氬氣（ar）。為了降低爐體對周 的熱輻射，爐體外還通有冷卻水，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，檢測靈敏精密度高，使用石器爐原于化時．樣品要經過干燥一灰化一原子化一凈化4個過程。每個過程分別對應不同的溫度。
由儀器控溫電路控制實施。（1）干燥：是在等于或稍高于溶劑沸點的溫度下加熱數10s，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秒鐘，將被測樣品中有機物盡可能除去，減少基體組分可能帶來的干擾。（3）原子化：在被測元素的原了化溫度加熱數秒鐘． 同時儀器檢測系統記錄此時的吸光度值a。（4）凈化：檢測完畢。加高溫將石墨管內殘渣燒盡，開始下一次檢測，這4個過程足階梯式的升溫程序，測定不同的元素時．各階段使用的溫度和時間不盡相同，現在的儀器均由微機摔制。 根據所測元素或操作者預先設定的數值自動完成。
2．3 分光系統
在原子吸收光譜分析中，為防止原了吸光區內與吸收波長無關的輻射光進入檢測器。均采用單光束分光系統；多選用對稱式光柵單色器，以衍射光柵作色散元什，進行分光。通過電機驅動自動選擇波長和進行峰值定位，多數儀器的波長范圍190—900nm。其分出的單色光被凹面鏡聚焦通過狹縫，照射到檢測器上。
2．4 檢測系統
包括光電轉換，各控制放大電路單色器分選出基態原予的共振線光束通過狹縫照射到檢測器上，由檢測器將光信號變成電信號。以前的儀器采用光電倍增管作光電轉換．現在有些廠家的新型儀器采川低噪聲cm0s電荷放大器陣列作光電轉換。光信號通過同態檢測器后變成電信號．經過前置放大器、對數放大器放大，再經過自動調零、積分運算、濃度直讀、曲線校正、自動增益控制、峰值保持等電路的放大處理。將被測元素吸光度值a變成濃度信號，在顯示器顯示出測定值，并由打印機根據需要打印多種型式的報告單。
2．5 電腦系統
現代儀器均外接電腦及外設來控制儀器的各種工作流程和執行機構動作：完成點火、加溫、自動選擇波k、狹窄寬度；根據所要檢測的元素選擇燈電流、燈位置、氣體流量；自動完成讀取數值、計算等流程。電腦控制儀器自動調節工作條件，進行測定，完成數據采集、計數處理、分析結果．并可自動計算平均值和變異系數、顯示和打印報告單。
現代原子吸收光譜分析儀器自動化程度比較高，功能齊全，簡單易用的控制軟件，可以使操作人員 工作分析中享受到現代技術帶來的樂趣。（山東省立醫院 馮念倫 孫鐵軍劉玲鈴）
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ae=eq-ep（或e0）=hf=hc／λ （1）
式中：h— — 普朗克常數為6．6234x10-27erg.s;f和λ —— 電子從eq能級返回到ep（或e0）能級時所發射光譜的頻率和波長；c— — 光速。
eq 、ep 或e0。值的大小與原子結構有關，不同元素，其eq、ep 和e0。不相同，一般元素的原子只能發射由其eq ep 或eo。決定的特定波長或頻率的光，即：
f=eq。一e p（或e0）/h （2）
每種物質的原子都具有特定的原子結構和外層電子排列，因此不同的原子被激發后．其電子具有不同的躍遷。能輻射出不同波長光，就是說．每種元素都有其特征的光譜線。由于譜線的強度與元素的含量成正比，以此可測定元素的含量，
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無極放電燈一般用于蒸氣壓較高的元素或化合物的測定上，這種燈是一個石英管，管內放進數毫克會屬化合物并充有氬氣。上作時將燈置丁高頻電場中，氬氣激發伴隨著管內溫度升高，金屬化合物蒸發出來，并進一步離解、激發，從而輻射出金屬元素的共振線。主要用砷、硒、鎘、錫、貴金屬等元素的測定。
2-2 原子化器
原子化器的作用是提供一定的能．使待測樣品中的元素游離出蒸氣基態原了，并使其進人光源的輻射光程，進行吸收。由于原子吸收光譜分析是建立在基念原予蒸氣對共振線吸收的基礎上來分析元素含茸的方法，所以各種類型樣品的原子化是分析中zui關鍵的問題，測定元素的結果是否準確，很大程度上取決于樣品的原子化狀態這就要求原子化器盡可能有高的原子化率，并且穩定、重現性好。干擾少和裝備簡單。
現在儀器zui常見的有兩種原子化器．火焰原子化器和墨爐。
（1）火焰原子化器是zui常用的原子化器，包括2個部分：把樣品溶液變成高度分散狀態的霧化器和燃燒頭。
工作時。由儀器外設的空壓機提供壓縮空氣作為助燃氣。
由管道進人霧化器．并l住出f]處以高速度噴出．會造成局部負壓，使得樣品溶液在大氣壓作用沿進樣毛細管上升，隨壓縮空氣一同噴人霧室中樣品霧滴、助燃氣與燃氣一起在霧化器中充分混合后進人燃燒器，借燃燒火焰的熱量，使待測元素原了化．常用的燃氣為乙炔，儀器外接高純乙炔氣罐，以乙炔做燃氣。
燃燒頭儀器均采用長縫式，由耐高溫合金材料制成，不同型號的儀器其燃燒頭的縫長和縫寬不一樣，一般有10、7、5cm等幾種．縫寬在0．5mm左右。
（2）石墨爐：zui常用的是管型高溫石墨爐，由于石墨是導體．當在石墨管兩端接上正負電極，通上十幾伏電壓和4o0～500a之間的大電流時。石墨管會在2～4s的短時間內，升到2000％～3 000％的高溫．將加人到石墨爐中的樣品蒸發一分解一原子化，百墨管的內徑通常在4～6mm．長度25～50mm之間。
為防止石墨管和原子化的原了被氧化，儀器中的石墨管均封閉在一個保護氣室罩，加熱時，石墨管內外均通有惰氣氣體氬氣（ar）。為了降低爐體對周 的熱輻射，爐體外還通有冷卻水，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，檢測靈敏精密度高，使用石器爐原于化時．樣品要經過干燥一灰化一原子化一凈化4個過程。每個過程分別對應不同的溫度。
由儀器控溫電路控制實施。（1）干燥：是在等于或稍高于溶劑沸點的溫度下加熱數10s，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秒鐘，將被測樣品中有機物盡可能除去，減少基體組分可能帶來的干擾。（3）原子化：在被測元素的原了化溫度加熱數秒鐘． 同時儀器檢測系統記錄此時的吸光度值a。（4）凈化：檢測完畢。加高溫將石墨管內殘渣燒盡，開始下一次檢測，這4個過程足階梯式的升溫程序，測定不同的元素時．各階段使用的溫度和時間不盡相同，現在的儀器均由微機摔制。 根據所測元素或操作者預先設定的數值自動完成。
2．3 分光系統
在原子吸收光譜分析中，為防止原了吸光區內與吸收波長無關的輻射光進入檢測器。均采用單光束分光系統；多選用對稱式光柵單色器，以衍射光柵作色散元什，進行分光。通過電機驅動自動選擇波長和進行峰值定位，多數儀器的波長范圍190—900nm。其分出的單色光被凹面鏡聚焦通過狹縫，照射到檢測器上。
2．4 檢測系統
包括光電轉換，各控制放大電路單色器分選出基態原予的共振線光束通過狹縫照射到檢測器上，由檢測器將光信號變成電信號。以前的儀器采用光電倍增管作光電轉換．現在有些廠家的新型儀器采川低噪聲cm0s電荷放大器陣列作光電轉換。光信號通過同態檢測器后變成電信號．經過前置放大器、對數放大器放大，再經過自動調零、積分運算、濃度直讀、曲線校正、自動增益控制、峰值保持等電路的放大處理。將被測元素吸光度值a變成濃度信號，在顯示器顯示出測定值，并由打印機根據需要打印多種型式的報告單。
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現代原子吸收光譜分析儀器自動化程度比較高，功能齊全，簡單易用的控制軟件，可以使操作人員 工作分析中享受到現代技術帶來的樂趣。（山東省立醫院 馮念倫 孫鐵軍劉玲鈴）
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