仪器分析-电子教材:第六章原子吸收分光光度法

第六章  原子吸收分光光度法

第一节  概  述

 原子吸收分光光度法(atomicabsorption spectrophotometry，AAS)，又称原子吸收光谱法(atomicabsorption spectroscopy)。原子吸收现象早在19世纪就被发现，但长期以来，仅局限于天体物理的研究和应用。1955年澳大利亚物理学家Walsh首先提出将原子吸收光谱应用于分析化学中，并预言可以形成一种新的分析方法,原子吸收光谱分析技术才得到迅速发展，至今已成为痕量金属元素分析最主要的方法之一。

原子吸收分光光度法是基于待测元素的基态原子蒸气对特征光谱的吸收建立起来的分析方法。它与可见紫外分光光度法都属于吸收光谱分析法，但这两种方法中吸光物质的状态不同，吸收光谱也不相同，原子吸收分光光度法是原子蒸气的吸收，是原子吸收光谱，为线状光谱；而可见紫外分光光度法是溶液中分子或离子的吸收，是分子吸收光谱，为带状光谱。

原子吸收分光光度法具有如下优点：

 (1)灵敏度高，检测限低。火焰原子吸收光谱法检测限可达μg/L级；无火焰原子吸收光谱法检测限可达ng/L级。

(2)选择性好。由于原子吸收光谱法是根据原子蒸气对待测元素的特征谱线的吸收来进行分析的，所以选择性好，干扰少且易于消除。对大多数试样可不经分离直接测定。

(3)准确度高。火焰原子吸收法的相对误差小于1％，无火焰原子吸收法约在3％~5％。

(4)应用范围广。可测定的元素达70多种，包括几乎所有金属元素和一些类金属元素(如As、Se、Sb等)；既能用于痕量元素的测定，也能用于常规低含量元素的测定。

(5)操作简便、分析速度快、易于实现自动化。

  原子吸收光谱分析存在的主要缺点是单元素分析，即每次只能测定一种元素，因而影响了测定速度。多元素原子吸收光谱仪的出现改进了仪器的性能，在分析速度提高方面孕育着新的突破。

目前，原子吸收光谱法已普遍应用于冶金、化工、地质、农业、医药、卫生及生物等各部门，尤其是在环境监测、卫生检验和生物机体中微量金属元素和类金属元素的测定中应用更广泛。

第二节  基本原理

一．原子吸收光谱与共振线

近代原子结构理论表明，一个原子具有多种能级状态，如图6-1所示。在正常情况下，原子处于能量最低的状态(Eo)，是最稳定的状态，处于能量最低状态下的原子称为基态原子。在热能、电能或光能的作用下，

图 6-1 原子吸收发射与吸收光谱图

基态原子最外层电子可跃迁到能量较高的不同能级，处在这些较高能级状态的原子称为激发态原子，激发态很不稳定，约在10^-8～10^-7s后返回基态，并放出能量。原子能级间的跃迁伴随能量的吸收和发射，产生相应的原子吸收光谱和发射光谱。当电子从基态跃迁至能量最低的激发态(即第一电子激发态E₁)时，所吸收的一定波长的辐射线称为共振吸收线。再跃回基态时，则发射同样波长的辐射线，称为共振发射线。习惯上都称为共振线（resonance line)。由于基态与第一电子激发态之间跃迁所需能量最低，因而跃迁最易发生，大多数元素对这条谱线的吸收也最强，因此共振线是元素最灵敏的谱线。不同元素原子的结构和外层电子排布各不相同，因而各种元素的共振线波长也不相同，各有其特征性，所以共振线又称为元素的特征谱线，特征谱线通常为原子吸收的分析线。

 二．原子吸收线轮廓与谱线宽度

原子吸收谱线并不是一条严格的几何线，而具有一定的宽度和形状。以K_V对ν作图得到的曲线称为谱线的轮廓，如图6-2，在中心频率ν_o处有极大值K_0，即峰值吸收系数。在ν_o两侧有一定的宽度，时，曲线两点间距称为吸收线半宽度，以△ν表示。K_ν与光强度I₀及原子蒸气的厚度L无关，决定于吸收介质的性质和入射光的频率。△ν的值约为0.001nm～0.05nm。同样，发射线也具有一定的宽度，不过其半宽度更窄，约为0.0005 nm～0.002nm。如图6-2所示。

图6-2 原子吸收线的轮廓

引起谱线变宽的原因主要有两类：一类是原子本身性质决定的，例如谱线的自然变宽；另一类是由外界条件影响引起的，如热变宽和压力变宽等等。下面简单介绍几种重要的变宽效应。

1．自然变宽  在无外界条件影响时谱线仍有一定的宽度，这种宽度为自然宽度，以△ν_N表示。自然变宽的大小与产生跃迁的激发态原子的寿命有关。激发态原子寿命越长，△ν_N 越窄。一般情况下，△ν_N 约为10^-5nm，与其它变宽效应相比可以忽略不计。

 2．多普勒(Doppler)变宽  原子在空间作无规则热运动引起的变宽，故又称为热变宽，以△ν_D表示，约为10^-3nm数量级。待测元素原子的相对原子质量越小，温度越高，变宽越显著。

3．洛伦茨(Lorentz)变宽  原子与其它粒子（分子或原子)之间的碰撞，使原子的基态能级发生变化，从而使谱线轮廓变宽。由于气态粒子间的碰撞是由于一定压力所致，故又称为压力变宽，以△ν_L表示，其数量级与△ν_D相同。

在通常的原子吸收分析条件下，吸收线变宽主要受Doppler变宽和Lorentz 变宽所控制。其它可导致谱线变宽的因素尚有共振变宽、场致变宽、塞曼效应变宽等。但在原子吸收分析的条件下，这些引起变宽的因素可以忽略不计。

三．原子吸收值与原子浓度的关系

 （一)原子吸收值的测量

原子蒸气所吸收的全部能量在原子吸收分析中称为积分吸收，即图6-2中吸收线下面所包括的整个面积。辐射光通过基态原子蒸气，其中大部分吸收了中心频率ν_o的光，其余部分分别吸收了不同频率的光。不同频率处的吸光度累加，用积分吸收系数表示，简称积分吸收，数学表达式为∫K_νd_ν。根据经典的色散理论推导，积分吸收与原子蒸气中吸收辐射的基态原子数存在下列关系：

   （6-1)

式中e、m代表电子的电荷及质量；c为光速；N_o为单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数；f为振子强度，代表每个原子中能吸收或发射特定频率光的平均电子数，用以表征吸收线的强度，在一定条件下，对一定元素，与 f可视为一定值。式6-1表明：谱线的积分吸收与单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数成线性关系，这是原子吸收分析方法的重要理论基础。若能测得积分吸收值，即可计算出待测元素的原子浓度，使它成为一种不需要与标准比较的绝对测量方法。但是，要准确测量只有约2×10^-3nm吸收线轮廓的吸收值，就要准确地对吸收线轮廓进行扫描，要求单色器的分辨率高达50万，这是一般光谱仪所达不到的。1955年Walsh提出了采用锐线光源，通过测量峰值吸收的方法代替积分吸收，成功地解决了原子吸收测量上的这一难题。所谓锐线光源是发射线的半宽度比吸收线半宽度窄得多的光源，当其发射线中心频率与吸收线中心频率相一致时，可准确测得峰值吸收。Walsh根据谱线变宽的原理，设计了一种尽可能减小辐射光变宽因素影响，并与吸收谱线中心频率尽可能一致的辐射光源，即空心阴极灯。如图6-3所示。

图6-3 峰值吸收示意图

通常原子吸收测量条件下，原子吸收谱线中心部分的轮廓取决于多普勒变宽，吸收系数为

 （6-2)

积分式

  （6-3)

将式6-3代入6-1得

（6-4)

式6-4表明原子峰值吸收系数K₀正比于吸收辐射的基态原子数，因此，可用峰

值吸收的测量代替积分吸收的测量，求得原子浓度。

（二)原子吸收值与待测元素浓度的关系

1.基态原子数与激发态原子数 上面讨论了峰值原子吸收系数与蒸气中基态原子数成线性关系，那么蒸气中基态原子数和待测原子总数之间有什么关系?是否可用基态原子数来代表吸收辐射的原子总数?

在原子吸收测定时，试液在高温下挥发并解离成基态原子蒸气。其中一部分基态原子进一步被激发成激发态原子，激发态原子总数与基态原子总数之比决定于温度，在一定温度下，当处于热力学平衡时，两者之比为一定值，且服从玻尔兹曼(Boltzman)分布定律：

    （6-5)

式中N_j和N_o分别代表单位体积内激发态原子数和基态原子数，G_j、G_o为激发态和基态能级的统计权重(表示能级的简并度，即相同能级的数目)，E_j是激发态能量，K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

  在原子光谱测定中，每种元素一定波长谱线的G_j／G_o和E_j都已知，表6-l列出了几种元素在不同温度下共振线的N_j／N_o值。

表6-1 温度对几种元素共振线的N_j/N_o比值影响

由表6-1可见，N_j／N_o值随温度而变化，温度越高，比值越大。在同一温度下，不同元素电子跃迁的能级E_j值越小，共振线波长越长，N_j／N_o值也越大。但是常用的原子温度一般低于3000K，大多数元素的共振线波长小于600nm，因此对大多数元素来说N_j／N_o值都小于l％，即蒸气中N_j远远小于N_o，N_j可以忽略不计。因此，基态原子总数可代表吸收辐射的原子总数。

2.原子吸收与原子浓度的关系  将一定频率的光（强度为I₀)通过原子蒸气时，如图6-4，一部分光将被吸收，其透过光的强度与原子蒸气厚度的关系遵守朗伯-比耳定律，即

    （6-6)

式中K_V表示原子蒸气的吸收系数，I₀和I_ν分别表示在△ν频率范围内入射光和透过光的强度；L为原子蒸气的厚度。

图6-4 原子吸收示意图

在峰值吸收处K_V=K₀，将上式用吸光度A表示

  (6-7)

将式6-4代入式6-7，简化后得简式

  （6-8)

在一定浓度范围内，N_o与溶液中待测元素的浓度成正比。当原子化器厚度(L)一定时，式6-8可以写成

    (6-9)

式6-9说明，在一定实验条件下，通过测量基态原子的吸光度，即可求出样品中待测元素的含量。即为原子吸收光谱法的定量基础。

第三节  原子吸收分光光度计    

 原子吸收光谱仪主要由光源系统、原子化系统、分光系统、检测系统等四部分组成，图6-5为原子吸收分析的示意图。

图6-5 原子吸收分光光度计示意图

一、仪器的主要部件

(一)光源

光源的作用是辐射待测元素的特征谱线。原子吸收分光光度计对光源的基本要求是：

1．光源发射待测元素的共振线，不受充入的惰性气体或其它杂质元素线的干扰。

2．发射的共振线必须是锐线，发射线的半宽度明显小于吸收线的半宽度。

3．辐射强度足够大、稳定性好，且背景低，低于特征谱线强度的1％。

符合上述要求的光源有空心阴极灯，蒸气放电灯和无极放电灯（将在第16章介绍)。目前应用最广泛的是空心阴极灯(hollowcathode lamp，HCL)，其结构如图6-6所示。它是一种低压气体放电管,管壳由带有石英窗的硬质玻璃制成，抽成真空后充入

图6-6 空心阴极灯

低压惰性气体(如氦、氖、氩、氙等气体)。将一个由绕有钽或钛丝的钨棒制成的阳极和一个由待测元素金属做成的空心圆筒状阴极密封于管内。空心阴极灯的放电是一种特殊形式的低压辉光放电。当两极施加300～500V电压时，便产生辉光放电。阴极放出的电子，在高速飞向阳极的途中与惰性气体分子碰撞使之电离。在电场的作用下，带正电荷的离子高速飞向阴极，猛烈撞击阴极内壁，将阴极表面的原子从晶格中溅射出来。溅射出来的金属原子与飞行中的电子、惰性气体的分子及离子发生碰撞而被激发，在返回基态时发射出待测元素的特征谱线。一般空心阴极灯为单元素灯。目前已研制了多元素空心阴极灯，但多元素空心阴极灯发射强度不如单元素灯，并且易产生干扰，使用时应加以注意。

(二)原子化器

原子化器(atomizer)的作用是提供一定的能量，使各样品中的待测元素转变为基态原子蒸气，并使其进入光源的辐射光程。试样中待测元素转变为基态原子的过程，称为原子化过程，此过程示意如下：

实现原子化的装置主要有：火焰原子化器、石墨炉原子化器和氢化发生原子化器三类。

1．火焰原子化器  火焰原子化器(flameatomizer)是利用各种化学火焰的热能，使试样原子化的一种装置。目前，应用最广泛的是预混合型原子化器，结构如图6-7所示。它由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成。

图 6-7 火焰原子化器示意图

(1)雾化器  作用是利用气体动力学的原理使试液成为微米级的气溶胶并导入雾化室。对雾化器的要求是喷雾稳定，产生雾滴细而均匀，雾化效率高。目前普遍采用的是同心型气体雾化器。外管接高压助燃气(空气、氧化亚氮等)，内管吸入液体样品，当高压助燃气自气体导管中高速喷出时，在中心毛细管出口处形成负压，试液经毛细管吸入并被高速气流分散成雾滴。喷出的雾滴经撞击球碰撞被进一步分散成细雾。雾化器通常由不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃材料制成。中心毛细管多由铂一铱(或铑)合金制成，以增加抗腐蚀性。

．   (2)雾化室(又称混合室)  其作用是使气溶胶进入火焰之前，使微细的雾滴与燃气混合，使大雾滴从回流废液管排出。通常在雾化室内壁喷涂以氯化聚醚之类塑料，使具有较好的浸水性，防止挂水珠，可减少记忆效应。

(3)燃烧器  由不锈钢或金属钛等耐腐蚀、耐高温材料制成。要求不易“回火”，喷口不易被试样沉积堵塞，火焰平稳。

  燃烧器喷口一般都做成狭缝式。这种形状既可获得原子蒸气的较长吸收光程，提高方法的灵敏度，又可防止回火，保证操作的安全。图6-8是最常用的单缝燃烧器。它的灵敏度高，噪声小，稳定性好。燃烧器的缝宽与缝长随燃气的种类而异，如空气-丙烷的燃烧速度慢，火焰温度低，缝口为0.7mm×100mm;空气-乙炔的燃烧速度快，缝口为0.5mm×100mm；一氧化二氮-乙炔的缝口为0.5mm×50mm。

图 6-8 单缝燃烧器

火焰原子化是使试液原子化的一种理想方法。但火焰原子化的过程较复杂，不同类型火焰的温度和性质也不尽相同（见表6-2)。同种类型的火焰，由于燃气和助燃气比例不同，火焰的温度也不同，可分为以下几种：①化学计量火焰 按照燃气与助燃气化学反应的计量比构成的火焰，这种火焰具有层次分明、温度高、背景小和还原性强的特点，是目前普遍使用的一种火焰；②富燃火焰 燃助比小于1：4称为富燃火焰。火焰温度低于化学计量火焰，呈黄色光亮，含有未完全燃烧的燃气，具有较强的还原气氛，适宜于氧化物熔点较高的元素如铝、钛、钼等元素测定。③贫燃火焰 燃助比大于1：6。由于燃烧充分，火焰温度较高，但火焰燃烧不稳定，测量重复性差，仅适用于不易氧化的元素如铜、银、钴的测定。因而，在测定时，不仅根据不同元素选用适当的火焰类型(参考表6-3)，同时还应根据实验条件选择燃气和助燃气的最佳流量，确定最佳的火焰状态。

表6-2 几种常用火焰的组成和性质

火焰原子化法重现性好，易操作。其缺点是原子化效率低、试液的利用率低(仅有10％)、原子在光路中滞留时间短以及燃烧气体的膨胀对基态原子的稀释等因素使得火焰原子吸收的灵敏度相对较低，限制了其应用。

表6-3 分析元素和最佳火焰

2．石墨炉原子化器  石墨炉原子化器(graphitefurnace atomizer)的原理是将石墨管作为一个电阻，在通电时，温度可达2000～3000℃，使待测元素原子化，故又称为电热原子化器。图6-9为商品石墨炉原子化器结构示意图，石墨管长28～50mm，内径约5mm，管上有一小孔，孔径1～2mm，用以进液样。为防止高温下在大气中被氧化燃烧生成碳化物，石墨管内外都通入惰性保护气体并置于有水冷却的两石墨锥之间，使石墨炉外面的温度保持在60℃以下。石墨炉原子化需经过干燥、灰化、原子化及净化四步程序升温。干燥的目的是在低温(100℃左右)下蒸发掉样品中所含溶剂；灰化的作用是在较高温度下(350～1200℃)去掉样品中低沸点的无机物及有机物，减少基体干扰；原子化的目的是将待测元素在原子化温度下(1000～3000℃)，加热数秒钟，进行原子化，同时记录吸收峰值；净化则是使温度高于原子化温度100～200℃除去残留物，消除记忆效应。

图6-9 石墨炉原子化器示意图

A． 石墨炉  B. 石墨管

与火焰原子化法相比，石墨炉原子化法具有更多的优点(见表6-4)：原子化在充有惰性保护气体及强还原性石墨介质中进行，有利于难熔氧化物的分解，原子化效率高；取样量少，固体样品为0.1～10mg，液体样品为1～100μl；基态原子在测定区有效停留时间长，几乎全部样品参与光吸收，灵敏度可增加10～200倍，绝对灵敏度可达10^-9～10^-14g；排除了化学火焰中常产生的被测组分与火焰组分间的相互作用，减少了化学干扰；有些样品可不需前处理直接进行测定。但由于它取样量少，样品组成的不均匀性影响较大，使测定的重现性较差；有较强的背景吸收和基体效应；分析成本高；设备较复杂，操作亦不够简便。

表6-4  火焰原子化法和石墨炉原子化法的比较

3. 氢化物发生器  元素周期表中硼、碳、氮、氧、氟等主族中的多种元素可与氢形成正常氧化态的共价氢化物，在通常情况下为气体或挥发性液体。测定时先将样品置于氢化物发生器内，样品中待测元素在酸性介质中与强还原剂硼氢化钠(钾)反应，生成气态氢化物。以测定砷为例：

AsCl₃ +4 KBH₄ + HCl + 8 H₂0 = AsH₃ ↑ + 4 KCl+ 4 HB0₂ + 13 H₂↑

所产生的氢化物由载气(氮气)，带入石英吸收管中。在300～900℃温度范围内，立即完全分解成基态原子，进行原子吸收光谱分析。目前主要用来测定砷、硒、锑、铋、锗、锡、铅、镉、铟及铊等十一种元素。这种原子化法的灵敏度高(一般可达10^-10～10^-9g)；选择性好；基体干扰和化学干扰较少。

除以上的原子化技术外，测定汞元素时常用冷原子吸收法。根据汞很容易从其化合物还原为金属汞的性质，在还原器里加入样品和氯化亚锡还原剂，发生以下氧化还原反应，产生汞蒸气：Hg²⁺+ Sn²⁺= Hg +Sn⁴⁺。通入氮气，将汞蒸气带出并经干燥管进人石英吸收池，在室温下测定吸光度。该方法适合于痕量汞的测定，灵敏度、准确度都较高,可检出0.01g汞。冷原子吸收法测定汞的方法见图6-10。

图6-10 冷原子吸收法测定汞的示意图

(三)分光系统

分光系统的作用是将待测元素的特征谱线与邻近的谱线分开。其装置包括狭缝、色散元件和准直镜等。色散元件一般用光栅,它的刻线数约为600～2800条／mm。

(四)检测系统

检测系统的作用是将单色器透过的光信号转变成电信号并进行放大，由读数装置显示或由记录仪记录，以确定待测元素的含量。它由检测器、放大器和读数装置三部分组成。

检测器多为光电倍增管，它具有放大倍数高、信噪比高及线性关系好等特奌。工作波段一般为190～900nm。由检测器输出的电信号，经放大器放大，对数转换，然后输入到指示仪表，以数字积分显示。在现代化仪器中设有标尺扩展，背景自动校正，微机进行程序控制、数据处理和打印系统。

 二、原子吸收分光光度计

近年来原子吸收分光光度法发展很快，仪器的种类、型号繁多，一般可分为下列三种类型

(一)单道单光束原子吸收分光光度计

所谓单道是指仪器只有一个单色器和一个检测器，只能同时测定一种元素（见图6-11)。这种仪器光路系统结构简单，性能较好；共振线在外光路损失少，单色器能获得较大亮度，故有较高灵敏度；价格较低，便于推广，能满足日常分析工作的要求。但单光束最大的缺点是：不能消除光源波动所引起的基线漂移，对测定的精密度和准确度都有一定的影响。因此在测定过程中需经常校正零点，以补偿基线的不稳。为了获得较为稳定的光输出，空心阴极灯需预热20～30min，使分析速度较慢。

图 6-11单道单光束原子吸收光谱仪示意图

D₂：氘灯； M₁：切光器； PM：光电倍增管； S₁：狭缝；

S₂：狭缝； G：光栅； L₁， L₂：透镜

(二)单道双光束原子吸收分光光度计

双光束仪器在光学系统设计上对单光朿仪器进行了改进，以克服单光束仪器因光源波动而引起的基线漂移。图6-12是其光学原理的示意图。

图6-12单道双光束原子吸收光谱仪示意图

双光束型仪器利用旋转切光器将光源发射的共振线分成强度相等的两个光束，一束为样品光束S，直接通过原子化器；另一束是参比光束R，不通过原子化器。两光束在切光器2处相会，并交替进人单色器，得到了与切光器同步的一定频率的S脉冲和R脉冲。检测系统将接收到两束脉冲信号进行同步检波放大，并经运算、转换，最后由读数装置显示出来。由于两光束均由同一光源辐射，检测系统输出的信号是这两束光的信号差，因此，光源的任何波动都由参比光束的作用而得到补偿，给出一个稳定的输出信号，使仪器具有较高的信噪比，消除了基线漂移，检出限和精密度都有所改善。

(三)双道或多道原子吸收分光光度计

这类仪器具有两个或两个以上元素空心阴极灯，两个或两个以上单色器和检测器,可测定两种或两种以上的元素，如图6-13。但仪器结构较复杂，价格昂贵，推广应用较困难。因而使用最普遍的是单道单光束和单道双光束原子吸收分光光度计。

图 6-13 多道原子吸收光谱仪光路图

第四节 定量分析方法

目前原子吸收定量分析方法有标准曲线法、直接比较法和标准加入法。

   一、标准曲线法

根据试样中待测元素的含量，配制合适的标准系列溶液，用空白溶液作参比，由低到高依次测量吸光度，绘制吸光度-浓度标准曲线，或建立标准曲线的直线回归方程。在相同条件下测定样品溶液的吸光度值，再从标准曲线上查出样品溶液中待测元素的浓度，或根据线性回归方程进行计算。

标准曲线的斜率会因仪器工作条件不完全重现而有所改变，为了保证测量的准确度，在测定前或测定完数份样品后需用标准溶液对标淮曲线进行检查和校正。

标准曲线法的优点：简便快速，适合于大批量组成简单样品的分析。对于基体组成复杂的样品不适用。

 二、直接比较法

直接比较法是最常用的简易方法之一，也称为单标校正法。，适用于样品数量少，浓度范围低的情况。为了减少测量误差，要求样品溶液浓度Cx与标准溶液浓度Cs相近。直接比较法的计算公式如下：

  (6-10)

   三、标准加入法

当试样组成复杂，基体干扰较大的情况下，可采用标准加入法来消除基体干扰。标准加入法又称为标准增量法或直线外推法。具体操作如下:取同体积的试样数份(至少四份)，除其中一份外，其余各份分别加入浓度为1C₀、2C₀、3C₀标准溶液（C₀为标准溶液浓度)，然后用溶剂稀释至相同体积。分别测定它们的吸光度。以吸光度A对加入标准物的质量m作图。可得一直线(如图6-14)。

图 6-14 标准加入法

若A-m曲线不通过原点，说明试样中含有被测元素。将直线延长，其延长线与横坐标轴相交。原点与交点间距离所相应的质量(m₀)即为所取样品溶液中被测元素的含量。

标准加入法也可用单点加入法，即取两份等体积试液，其中一份加入与试样含量相近的被测元素标准溶液，稀释至同体积后于相同条件下测定其吸光度A值。按下列计算式计算结果：

   （6-11)

式中Cx、C₁分别为试液中待测元素浓度及加入标准溶液的浓度；Ax、A₁分别代表试液吸光度及加标后试液的吸光度。

用标准加入法进行测定时，所加入标准溶液的量要适中，应与样品中待测元素含量在同一数量级内，且使测定浓度与相应的吸光度在线性范围内。另外，标准加入法只能消除基体干扰，不能消除化学干扰、电离干扰和背景吸收等，也不适用于测量灵敏度低的元素。

第五节  原子吸收分光光度法的干扰及其消除方法

    原子吸收分光光度法具有选择性好、干扰少的特点，但某些情况下干扰问题仍不容忽视。因此，应当了解可能产生干扰的原因及消除或抑制方法。原子吸收法中干扰效应大致可分为：光谱干扰、电离干扰、化学干扰、物理干扰及背景吸收干扰。

一、光谱干扰

光谱干扰是指所选的单色器的光谱通带内，除了待到元素的分析线之外，还存在与其相邻的其它谱线而引起的干扰，常见的有以下三种：

(一) 吸收线重叠

一些元素谱线与其它元素谱线重叠，相互干扰。例如用汞253.652nm谱线测定汞时，若试样中存在钴，会由于钴253.639n吸收线干扰，使吸收增强，结果偏高。理论和实验表明，波长差小于0.03nm时会产生严重干扰，目前只发现有八对元素谱线相互干扰，见表6-5。可另选灵敏度较高而干扰少的分析线抑制干扰或采用“化学分离方法”除去干扰元素。

表6-5  谱线重叠实例 （nm)

(二)非吸收线未能被单色器分离

这是与光源发射有关的光谱干扰，空心阴极灯除发射很强的待测元素共振线外，往往还发射与其邻近的非吸收线，当单色器不能将其分开时，它们一起被检测器检测，结果吸光度降低，工作曲线向浓度轴弯曲，使测定结果偏低，例如Cr空心阴极灯，在发射的357.9nm谱线附近还发射357.7nm谱线。这种情况主要出现在某些具有复杂光谱的元素如铁、钴、镍等，它们本身就发射出单色器不能完全分开的几条谱线，另外空心阴极灯中充入的惰性气体也会产生相近的谱线。可用减小狭缝的方法来抑制光谱干扰。

 (三)再发射干扰

待测元素在原子化过程中，激发态原子返回基态时，发射出共振线进入检测器，使吸光度降低。在制造仪器时，生产厂家采用光源与检测器同步脉冲供电的方法，消除了干扰。

二、电离干扰

电离干扰是指待测元素在高温原子化过程中，由于电离作用而使参与原子吸收的基态原子数目减少而产生的干扰。电离干扰的大小与待测元素的电离电位大小有关，碱金属、碱土金属的电离电位低，电离干扰效应最为明显。为了抑制和消除电离干扰，可以加入过量的消电离剂(如钾、钠、铯等元素)。由于消电离剂在高温原子化过程中电离作用很强，产生大量的自由电子，使待测元素的电离受到抑制，从而降低或消除了电离干扰。例如测钾时常加入高浓度(10g／L)的钠盐或铯盐作消电离剂。常用消电离剂有氯化铯、氯化钾、氯化钠等。

三、化学干扰

化学干扰是指待测元素在溶液或气态中与干扰元素发生化学反应，生成了更稳定的化合物，从而降低了待测元素的原子化效率，使测定结果偏低，造成负误差，它是原子吸收分析中主要的干扰来源。例如硅、铝、硼和钛等元素在空气-乙炔火焰中容易产生难挥发、难解离的氧化物；钙、镁易与硫酸盐、磷酸盐、氧化铝等生成难挥发的化合物，如MgO·A1₂O₃、3CaO·5A1₂O₃、Ca₃(PO₄)₂及CaSO₄等。化学干扰是一种选择性的干扰。

消除化学干扰的方法视情况而异。常用的有效方法是，加入释放剂和保护剂。释放剂可与干扰组分形成更稳定或更难挥发的化合物，从而使被测元素从与干扰组分形成的化合物中释放出来。例如磷酸盐干扰钙的测定，当加镧或锶盐之后，镧或锶与磷酸根结合而将钙释放出来。保护剂的作用与被测元素形成稳定化合物，阻止了被测元素与干扰元素之间的结合，而保护剂与待测元素形成的化合物在原子化条件下又易分解和原子化，例如EDTA可与Ca、Mg形成络合物，从而抑制了磷酸根对Ca、Mg的干扰。

提高火焰温度可以抑制某些化学干扰，例如在高温氧化亚氮-乙炔火焰中，磷比钙量高200倍，也不干扰钙的测定，而在空气-乙炔火焰中，干扰则很严重。另外常用化学分离方法使干扰元素与被测元素分离，其中溶剂萃取分离法在原子吸收光谱分析中应用最广，因为本方法不仅能消除干扰，而且又能提高测定的选择性和富集被测元素，提高灵敏度，但分离过程比较复杂。

四、物理干扰

物理干扰是指试样在原子化过程中，由于试样物理性质(如粘度、表面张力、蒸气压、相对密度及温度等)的变化而使原子吸收的强度发生变化。例如，样品的粘度与密度、进样毛细管的直径和长度、浸入试样的深度等均影响样液的提升速率；试液表面张力的变化，影响雾珠和气溶胶粒子大小与分布以及雾化效率；大量基体物质在火焰中蒸发和解离时www.lindalemus.com，消耗大量的热能，而且在蒸发过程中，有可能包裹待测元素、延缓待测元素的蒸发，影响原子化的效率；另外高盐含量可能造成燃烧器缝隙堵塞，改变其工作特性，也可视为物理因素干扰。

石墨炉原子吸收虽然不存在火焰原子化由物理因素造成的干扰，但进样量的大小与试液在石墨炉内位置的重现性是非常重要的。进样量过大，会使部分待测原子蒸气逸出石墨炉外。试液在石墨炉内位置不重现，影响原子化效率。

物理干扰是非选择性干扰，对溶液中各元素的影响基本相似。消除物理干扰最常用的方法是配制与待测溶液组成相似的标准溶液，尽可能保持试液与标准溶液物理性质一致，测定条件恒定等。另外采用标准加入法也是消除物理干扰的有效方法。

五、背景吸收

背景吸收是与原子化有关的光谱干扰，主要包括分子吸收、光散射及折射等。

分子吸收是原子化过程中生成的碱金属和碱土金属的卤化物、氧化物、氢氧化物等的吸收和火焰气体的吸收，是一种宽频带的吸收。例如NaCl、KCl等双原子分子在波长小于300nm的紫外区有吸收带；钙在空气-乙炔火焰中生成Ca(OH)₂，在548.0～560nm有一吸收带；无机酸H₂SO₄和H₃PO₄在波长250nm以下时有很强的分子吸收。火焰气体的吸收主要由于火焰中N₂、CO₂、CN、CH等分子或基团对光源辐射的吸收，如CH的带光谱中，在387.2～410.0nm波段内干扰Pb405.7nm吸收。

光散射及光折射是指原子化过程中形成的不挥发固体微粒，对光产生散射或折射，使光偏离光路，不被检测器所检测，造成高于真实值的假吸收，使测定结果偏高。

消除背景吸收干扰可采用以下几种方法：①火焰气体的分子吸收用零点扣除的办法解决；②碱金属盐分子吸收，可通过高温离解，以减少吸收；样品处理时一般用HNO₃、HCl，而不用H₂SO₄、H₃PO₄。③利用空白溶液进行校正，配制与待测溶液基体相同的空白溶液，它将产生与待测溶液相同的背景吸收。从样品溶液的吸光度减去空白溶液的吸光度，就得到待测溶液的真实吸光度。④使用背景校正技术。

目前，用于商品仪器的背景校正技术主要有氘灯扣背景技术、塞曼效应扣背景技术和自吸扣背景技术。这些背景校正技术均采用两个光束的测量差来完成，一束为样品光束，测量样品蒸气中待测原子吸收及背景吸收；另一束为参比光束，测量背景吸收。两束光所得的吸光度的差，即是经背景校正后待测元素的原子吸收信号。

1．氘灯扣除背景技术  氘灯扣除背景为连续光源扣除背景法，利用两个光源，分别进行两次测量，如图6-15所示。一个光源是待测元素的空心阴极灯，它发射的锐线光谱通过火焰时，既产生原子吸收，又有背景吸收，此时测量值为总吸收值。另一个光源为氘灯，它发射的连续光谱(波长190～350nm)通过火焰时，产生宽带吸收，其中含有极小的原子吸收，由于测量中的原子吸收值比背景吸收值小得多(<1％)，可以忽略不计，故测量值可视为背景吸收。两次测量值之差，为扣除背景吸收后的原子吸收值。

图6-15 氘灯背景校正示意图

  氘灯校正背景吸收技术是一种简单、快速扣除背景方法，应用较广，但有很大的局限性，氘灯和空心阴极灯是两种放电性质不同的光源，为了使两个光源的光束精确地通过原子化器中同一体积元，两个光源的定位十分困难，若灯的调整不当，就不能准确地校正背景吸收；氘灯测量的是光谱通带内平均背景吸收，与待测元素分析线的真实背景吸收有差异；另外氘灯只适用于短波辐射(200～400nm)，灯的使用寿命短。

2．塞曼效应(zeemaneffect)扣除背景技术  如图6-16所示，塞曼效应是将一强磁场作用于光源或原子化器，使其共振发射线或吸收线发生光谱分裂且被偏振化的现象。以交流塞曼为例，在交变磁场的作用下，谱线分裂为三个成分：π、σ⁺ 与σ^-，其中π成分偏振方向平行于磁场，σ⁺ 与σ^-成分偏振方向垂直于磁场，转动旋转偏振器，使成分交替通过原子蒸气，π成分被原子与背景吸收，而σ⁺ 与σ^-被背景吸收，两吸收之差便等于待测元素的原子净吸收。将磁场加在空心阴极灯时称为正向塞曼，加在原子化器时称为反向塞曼。目前，大部分商品仪器是将塞曼效应加于原子化器。

图 6-16塞曼效应背景校正示意图

塞曼效应扣除背景使用一个光源，不需调整光束和平衡光源；在所有波长处都可以用正常的光强度；故在200～1000nm波段区扣除背景效果较为理想，但缺点是仪器装置较复杂，价格昂贵。

3.自吸效应背景校正技术  空心阴极灯在强电流时，溅射出大量的金属原子，在出口处吸收阴极激发态原子所发射的特征谱线，从而使空心阴极灯发射的谱线发生自吸，共振线发射强度变弱。严重的自吸可以得到明显的自蚀线轮廓。根据这一原理，首先使空心阴极灯在弱脉冲电流下工作，测定待测原子与背景的吸收，再以短暂的强脉冲高电流通过空心阴极灯，使其产生自吸收并发射线轮廓变宽，此时测的为背景吸收，二者吸光度之差，即为分析元素的吸光度。

自吸效应背景校正技术校正能力高，可达3个吸光度值，能校正光谱干扰和结构背景。不足之处是高电流条件下所形成的共振谱线的自吸效应不可能达到100%，因此背景吸收值中包含了少量的待测元素的共振吸收，使测定灵敏度明显降低。

第六节  实验技术和应用示例

一、测量条件的选择

原子吸收分光光度法的灵敏度和准确度，在很大程度上取决于测量条件的正确选择。

(一)分析线

  通常选择共振线作为分析线，因为共振线是最灵敏的吸收线。但是当被测元素的共振线受到其它谱线干扰或被测元素含量过高时，就不宜选择共振线为分析线；另外Hg、As、Se等元素的共振线位于远紫外区，火焰组分对光源辐射有明显的吸收，这时也不宜选择它们的共振线作为分析线。因此，最佳的分析线应根据具体情况由实验来确定。最强的吸收线适宜于痕量元素的测定。

(二)狭缝宽度

狭缝宽度影响光谱通带宽度和检测器接受能量。狭缝宽度的选择主要取决于仪器的色散能力、谱线宽度和干扰情况。较宽的狭缝有利于提高信噪比和降低检出限。但狭缝过宽，入射辐射的频率范围变宽，单色器分辨率降低，使得邻近分析线的其它辐射背景增强，从而使工作曲线弯曲。对于多谱线元素(如稀土元素等)或有连续背景时，宜选择较窄的狭缝，以减少干扰。最佳的狭缝宽度应通过实验确定。具体选择方法是将试液喷入火焰中，调节狭缝宽度，测定在不同狭缝宽度时的吸光度，达到某一宽度时，吸光度趋于稳定，进一步增宽狭缝，当其它谱线或非吸收线出现在光通带内时，吸光度会减小。不引起吸光度减小的最大狭缝宽度，即为最佳的狭缝宽度。

(三)空心阴极灯工作电流

空心阴极灯的辐射强度依赖于工作电流。灯电流过小，发射强度低，且放电不稳定；灯电流过大，发射谱线变宽，甚至引起自吸收，使灵敏度下降和工作曲线弯曲，灯寿命缩短。一般商品空心阴极灯均标有最大工作电流和使用电流范围，通常以空心阴极灯上标明的最大工作电流的1／2～2／3作为工作电流。为了延长灯的寿命，通常在保证有足够强度且稳定的光输出条件下，尽量选用较低的工作电流，最适宜的工作电流尚需要实验确定。

(四)原子化条件的选择

样品的原子化是整个原子吸收光谱法的关键所在。火焰原子化条件的选择包括：火焰类型和状态、燃烧器高度和雾化器的调节。在火焰原子化法中，火焰的选择与调节是提高火焰法原子化效率的关键。不同的火焰类型其基本特性，如温度、氧化还原性、燃烧速度和对辐射的透射性等不同，因而，应根据所测定元素的电离电位高低、原子化难易和氧化还原性质来选择火焰类型。例如乙炔火焰在200nm以下的短波区内有明显吸收，对于分析线小于200nm的元素如Se、As等不宜使用乙炔火焰，应采用氢火焰。对于易电离的碱金属和碱土金属易采用温度稍低的火焰，如丙烷-空气或氢气-空气火焰以防止电离干扰。对易形成难离解氧化物的元素如B、Be、Al、Zr、稀土等，则应采用高温度火焰，最好使用富燃火焰。火焰的氧化还原性明显影响原子化效率和基态原子在火焰中空间分布，因此，调节燃气和助燃气的流量及燃烧器的高度，从而获得最高的测定灵敏度。

在石墨炉原子化中，合理选择干燥、灰化及原子化温度和时间十分重要。目的是为了破坏和蒸发除去试样基体，在保证被测元素没有明显损失的前提下，应将试样加热到尽可能高的温度；原子化阶段，应选择达到最大吸收信号的最低温度作为原子化温度。各阶段加热时间依不同试样而不同，需通过实验来确定。

二、灵敏度和检测限

(一)灵敏度

原子吸收分光光度法的灵敏度(sensitivity)，过去用能产生1%光吸收或0.0044吸光度的待测元素的浓度(mg/L)或质量(ng)来表示。根据1975年国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)的规定，上述定义改称为特征浓度和特征量。而灵敏度则定义为校正曲线A=f(c)或A=f(m)的斜率S。或,它表示被测元素浓度或含量改变一个单位时吸光度的变化量。以浓度单位表示灵敏度为相对灵敏度，以质量单位表示的灵敏度为绝对灵敏度，在火焰原子吸收法中是溶液进样，采用相对灵敏度方便，而在石墨炉原子吸收法中，吸光度取决于进入石墨管被测元素的绝对量，以采用绝对灵敏度方便。

影响灵敏度的因素较多，它不仅取决于待测元素的性质，还与实验操作条件的选择、仪器的性能(包括单色器的分辨率，光源的特性，检测器的灵敏度和仪器的噪声等)密切相关。在定义特征浓度(或特征量)和灵敏度时，没有考虑测定时仪器的噪声，而一个有用信号实际能否被检出来，直接同噪声的大小有密切关系，因此特征浓度(或特征量)和灵敏度不能用来衡量一个元素能否被检出的最小量。因此用检出限来表征一个元素能被检出的最小量。

(二)检测限

检测限(1imit ofdetection)是指能以适当的置信度检出被测元素的最小浓度(相对检出极限)或最小量(绝对检出极限)。其值定义为能产生三倍噪声时的进样浓度或进样量。由下式计算：

 (6-12)

(6-13)

式中C_L为最小检出浓度；m_L为最小检出量。 S_b是对基体与样品相似的空白溶液在与样品相同条件下测量多次(一般20次)所得吸光度测定值的标准偏差；S是校准曲线A =f(c)或A = f(m)的斜率；K是根据所需置信度选定的置信因子，一般取K=3；当测量误差为正态分布时，理论置信水平为99.6％，而在低浓度区域内，有限次数测量误差并非正态分布，所以实际的置信水平仅有90％。

检出限考虑了测量时噪声，明确地指出了检出限值的可信程度。因此检出限比灵敏度有更明确的意义。这一数值不仅表示各元素的测定特性，也表示仪器噪声大小。由此可见，降低噪声，提高测定的精密度是改善检出限的有效途径。

三、应用实例

原子吸收分光光度法具有测定灵敏度高、检测限低、干扰少、操作简单快速等优点，已广泛应用于地质、冶金、化工、环保、卫生检验、食品分析、临床检验及药物分析等领域中。原子吸收光谱法被列为金属元素测定的首选方法和国家标准方法。下面介绍一些应用实例。

(一)发锌的火焰原子化法测定

取枕部距发根1cm的发样1g，用洗涤剂水溶液浸泡半小时后，先用自来水洗净后，用蒸馏水冲洗干净，再用去离子水冲洗，抽滤后烘干，存于洁净的密闭容器中备用。精确称取处理好的发样20mg放入石英消化管中，加入HCl0₄：HNO₃=1：5的混酸1ml，湿法消化至白色残渣，然后用0.5%HNO₃定容至10ml。在213.9nm下，直接喷入空气乙炔火焰中进行测定。相同条件下测定标准系列，绘制工作曲线，从工作曲线上查出样品含量。

   (二)水中铅、锌和镉的测定

1．样品的处理  水样的处理分三种情况：①没有悬浮物地下水和清洁的地面水，可不经处理，直接进行测定。②较浑浊的地面水及污染较轻的废水，用浓硝酸消化后测定。③污染严重的废水用硝酸与高氯酸的混合酸消化消化后测定。

2．测定方法  根据样品中重金属元素含量的不同，分两种情况进行测定：①高含量的样品，可将已处理好的试液直接用火焰原子化法测定。②低含量(痕量)样品，先用吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(ammoniumpyrrolidine dithiocarbamate，APDC)或碘化钾(KI)螯合或配合试样中的金属离子，然后在柠檬酸介质中(pH2.5～5.0)用甲基异丁基酮(methylisobutylketone，MIBK)萃取，再用火焰原子吸收光谱法测定，相同条件下测定标准系列，绘制工作曲线，从工作曲线上查出样品含量。N0₂^-对测定有严重干扰，可加尿素消除干扰。测定条件及灵敏度可参考表6-6。

表 6-6 铅、锌、镉的测量条件及灵敏度

(三)石墨炉原子化法测定血清中铅、镉

取血样0．2ml注入1．5ml带塞聚乙烯锥形管中，加入0．8mol／LHN0₃0．6ml，静置片刻，离心分离，吸出上清液，用0.5％HN0₃稀释10倍，进样20 ul，按表6-7工作条件测定上清液中铅和镉的吸光度，相同条件下测定标准系列，绘制工作曲线，从工作曲线上查出样品含量。  

表 6-7 测量铅、镉的仪器工作条件

(四)氢化物发生原子化法测定血清中硒

  1．样品处理  将0.2 ml血清置于带回流盖的石英消化管中，加入HClO₄+HNO₃(1+5) 混合液0.5 ml，置于电炉上，用调压变压器控制温度，徐徐升温消化5～6 h，至溶液澄清，冷却后用3 mol/L HCl稀释至4 ml，沸水浴加热20 min。冷却至室温后备用。 

2．测定方法  将0.6%NaOH（g/v)+ NaBH₄溶液，7 mol／L HCI及上述处理好的样品分别加入氢化物发生器，产生氢化物，由氮气带人石英吸收池，点燃空气-乙炔火焰，在196.00 nm下，氘灯校正背景，测定样品吸光度。相同条件下测定标准系列，绘制工作曲线，从工作曲线上查出样品含量。