原子吸收光谱仪工作原理

一、原子吸收光谱的特征

(1) 原子吸收光谱的波长 只有当气态原子所吸收的光源提供的电磁辐射能与该物质的原子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E=hv的关系时，才能产生原子吸收。因此，原子吸收光谱的波长是特定的。由于每一种原子都有自身所特有的原子结构与能级，每种元素的原子都有自身的原子特征吸收波长。而且，原子吸收是原子发射的逆过程，因此，大多情况下，原子吸收光谱的波长与原子发射光谱的波长是相同的。但相对来说，原子吸收光谱比原子发射光谱谱线要少得多，此外，由于两者的轮廓也不完全相同，一些情况下，两者的中心波长并不一致，某些元素的最强原子吸收线也不一定是最强的发射谱线。绝大多数原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。

(2) 原子吸收光谱的轮廓 原子吸收光谱的谱线并非几何意义上的线，而是有一定宽度。通常用其中心频率(中心波长)来代表其波长，而用最大吸收一半处的谱线轮廓上两点之间的频率(波长)差即谱线半宽来表示其宽度。

原子吸收光谱谱线自身的宽度称为自然宽度，一般为10^-5 nm量级，此外由于受原子热运动、原子碰撞、电磁场等影响使谱线变宽。

由于原子热运动引起的谱线变宽称为多普勒变宽。在原子吸收分析中，对于火焰和石墨炉原子吸收池，气态原子处于无序热运动中，相对于检测器而言，各发光原子有着不同的运动方向，即使每个原子发出的光是频率相同的单色光，但由于多普勒效应使检测器所接受的光则是频率略有不同的光，于是引起谱线的变宽。多普勒变宽一般为10^-3～10^-5 nm量级，是原子吸收光谱谱线变宽的主要部分。

原子之间相互碰撞导致激发态原子平均寿命缩短，引起谱线变宽，称为碰撞变宽。碰撞变宽分为两种，即赫鲁兹马克变宽和洛伦茨变宽。被测元素激发态原子与基态原子相互碰撞引起的变宽，称为赫鲁兹马克变宽，又称共振变宽或压力变宽。当原子吸收区的原子浓度足够高时，碰撞变宽是不可忽略的。被测元素原子与其它元素的原子相百碰撞引起的变宽，称为洛伦茨变宽。在通常的原子吸收测定条件下，被测元素的原子浓度都很低，共振变宽效应可以不予考虑。洛伦茨变宽是主要的碰撞变宽，且随原子区内原子蒸气压力增大和温度升高而增大，碰撞变宽一般10^-3～10^-4nm量级。

影响谱线变宽的是上述各种因素的综合变宽结果。在通常的原子吸收分析实验条件下，吸收线的轮廓主要受多普勒和洛伦茨变宽的影响。在2000～3000K的温度范围内，原子吸收线的宽度约为10^-3～10^-2nm。

二、定量原理

(1) 定量依据 当空心阴极灯辐射出待测元素的特征波长光通过火焰时，因被火焰或石墨炉中待测元素的基态原子吸收而减弱，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合朗伯-比耳定律。

A = —lgI／Io = —lgT= KNL

式中 I——透射光强度；

Io——发射光

T——透射比；

K——常数；

L——光通过原子化器的光程；

N——待测元素基态原子的浓度。

在一定实验条件下，由于L是不变值特征波长光强的变化与原子化系统中待测元素基态原子的浓度有定量关系，从而与试样中待测元素的浓度(c)有定量关系，即：

A = kc

式中是k——常数；

A——待测元素的吸光度。

这是原子吸收分析的定量依据。

(2) 积分吸收与峰值吸收 由于原子吸收谱线变宽，原子吸收谱线有一定宽度，严格说来，在上述待测元素的吸光度是原子吸收光谱轮廓下的积分吸收，而并非某个波长点上的吸收。

但若采用连续光源，目前单色器分辨率还难以对宽度约为10^-3 nm的原子吸收光谱轮廓下的积分吸收进行测量，通常以测量峰值吸收代替测量积分吸收，但这种测量的前提条件是：光源发射线的半宽度应小于吸收线的半宽度，且通过原子蒸气的发射线的中心频率恰好与吸收线的中心频率相重合，谱线轮廓主要是多普勒变宽效应决定。因此，目前原子吸收需要采用空心阴极灯等特制光源来产生锐线发射。

三、仪器工作原理

原子吸收光谱分析仪器检测样品的工作原理为：样品溶液经过雾化进入高温火焰或直接滴入石墨管中，样品中待测元素在高温或是化学反应作用下变成原子蒸气，由空心阴极灯等光源灯辐射出待测元素的特征光通过待测元素的原子蒸气，发生原子光谱吸收，被测元素吸光度与其浓度成正比，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它谱线分开。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，再由CPU及外部的电脑分析、计算，最终在屏幕上显示待测样品中元素的含量和浓度，由打印机根据用户要求打印报告单。