原子吸收分光光度计

定义

原子吸收分光光度计是利用待测元素的共振辐射通过其原子蒸气、并测定其吸光度的分析装置，通常由锐线光源、原子化器、单色器、检测器和读数系统等部分组成^[1]。它的测量对象是呈原子状态的金属元素和部分非金属元素，通过测定辐射光强度减弱的程度求出供试品中待测元素的含量^[2]。

在仪器分类中，原子吸收分光光度计属于分析仪器，常见形态有单光束、双光束、双波道、多波道等结构形式^[3]。按原子化方式划分，主要分为火焰原子吸收分光光度计和带石墨炉的原子吸收分光光度计两类^[4]。

原理

原子吸收现象是气态原子对由同类原子辐射出的特征谱线的吸收。当辐射波长对应的能量恰好等于原子由基态跃迁到激发态所需的能量时，基态原子最外层电子吸收能量发生跃迁，从而产生吸收光谱^[5]。为保证吸光度与原子蒸气中基态原子数之间符合朗伯-比尔定律，必须使发射线宽度小于吸收线宽度，因此仪器采用锐线光源，让入射光宽度比吸收线窄约 5 至 10 倍，此时可近似看作单色光，吸光度与浓度呈线性关系^[6]。

定量关系式可写作 $A = -\lg(I/I_0) = -\lg T = KCL$，其中 $I$ 为透射光强度，$I_0$ 为发射光强度，$T$ 为透射比，$L$ 为光通过原子化器的光程，$C$ 为待测样品浓度；由于每台仪器的 $L$ 值固定，故可简化为 $A = KC$^[3]。

仪器工作流程可概括为：光源发射待测元素的特征共振辐射，样品经原子化器干燥、蒸发、原子化形成基态原子蒸气，特征辐射穿过蒸气后被选择性吸收，未被吸收的部分经单色器选出待测元素的共振线，再由检测器把光信号转换为电信号，经放大后进行读数^[5]。

flowchart LR

A[锐线光源

空心阴极灯] --> B[原子化器

火焰或石墨炉]

B --> C[单色器]

C --> D[检测器

光电倍增管]

D --> E[数据处理与读数]

发展历程

原子吸收现象早在 19 世纪就被观察到。1802 年伍朗斯顿在研究太阳连续光谱时发现其中的暗线，1817 年夫琅禾费再次发现这些暗线并称之为夫琅禾费线；1859 年克希荷夫与本生在研究碱金属和碱土金属火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气会引起吸收，并据此判断太阳光谱中的暗线来自太阳外围大气圈中钠原子的吸收^[7]。

原子吸收光谱作为实用分析方法始于 1955 年，这一年澳大利亚物理学家瓦尔西(A. Walsh)发表论文阐述原子吸收光谱在化学分析中的应用，奠定了该分析方法的基础；同期阿尔克马德也发表了相关论文，但其使用火焰作为辐射光源，只能测定在火焰中发射的元素^[7]。

20 世纪 50 年代末和 60 年代初，Hilger、Varian Techtron 及珀金埃尔默等公司先后推出原子吸收光谱商品仪器，发展了瓦尔西的设计思想，60 年代中期该方法进入迅速发展阶段^[7]。1959 年，苏联的里沃夫发表电热原子化技术的第一篇论文，电热原子吸收的绝对灵敏度可达 10⁻¹² 至 10⁻¹⁴ 克^[7]。

此后，塞曼效应和自吸效应扣除背景技术得到发展，使高背景条件下也能顺利实现原子吸收测定；基体改进技术、平台及探针技术，以及在此基础上形成的稳定温度平台石墨炉技术，使复杂组成试样也能有效测定^[7]。1970 年 4 月，珀金埃尔默推出首台商品化石墨炉，与火焰法相比灵敏度提高约 100 倍，并能分析极少量样品^[8]。

仪器进一步发展则依赖连续光源、中阶梯光栅与二极管阵列等多元素分析检测器，微机控制的原子吸收分光光度计简化了仪器结构、提高了自动化程度和测定准确度；色谱-原子吸收、流动注射-原子吸收等联用技术也受到重视^[7]。

应用

原子吸收分光光度计广泛应用于地质、冶金、化工、石油、环境、生物医学、半导体、核材料分析等领域，用于测定各种样品的微量成分；在矿产资源研究中，对金、铂、钯、银、铜、铅、锌、铁、钴、镍、铬、锰等元素的定量分析尤为常用，与氢化物发生器结合还可测定 ppb 级的砷、锗、汞、铅、锑、硒、锡、碲等挥发性元素^[9]。

在环境监测中，针对镉、铅等痕量有害元素可采用石墨炉原子化法，针对铜、锌、镍等浓度较高的元素可采用空气-乙炔火焰原子化法，单样品测定仅需数秒，配合自动进样器每小时可完成数十个样品多元素测定^[10]。国产仪器同样被用于环保、医疗卫生、冶金、地质、食品、石油化工等行业，可对钠、钾、铬、铜、铅、镍等 30 余种金属元素进行定性和定量分析^[11]。

局限

原子吸收分光光度法只能进行无机元素的含量分析，不能直接用于有机化合物的含量分析和结构分析；常规仪器每测定一种元素需更换一次空心阴极灯光源，不能同时进行多元素分析^[2]。由于吸收过程要求直线光路，加之空心阴极灯作为光源的便利性，仪器难以适应多元素同时测定方案，复杂样品若要获得完整元素谱需反复测定^[12]。

高分辨连续光源原子吸收光谱法在理论上可以解决为每种元素配备特定空心阴极灯、一次只测一种元素的问题，但需要分辨率极高、光谱带宽约为原子吸收谱线一半宽度（约几皮米）的单色仪，开发成本高，且可监测的光谱带宽较窄，只能同时测定特征线紧密相邻的元素^[13]。

此外，原子吸收测定并非完全没有干扰，化学干扰与光谱干扰都可能出现，需要采取校正措施；方法也得不到待测元素化学形态方面的信息，定性分析用途有限，几乎只用于元素的定量分析^[14]。石墨炉法虽然灵敏度更高，但其原子化器对基体干扰较为敏感，测定时需谨慎处理^[12]。

参见

• 原子吸收光谱法 —— 本仪器所依据的分析方法，决定其测量原理与定量关系。

• 空心阴极灯 —— 原子吸收分光光度计最常用的锐线光源，决定可测元素种类。

• 石墨炉原子化器 —— 电热原子化装置，用于提高痕量元素测定的灵敏度。

• 朗伯-比尔定律 —— 吸光度与浓度的定量关系基础。

• 电感耦合等离子体发射光谱仪 —— 可同时测定多种元素的同类元素分析仪器。

• 分光光度计 —— 更广义的一类基于吸收光谱的测量仪器。