原子吸收光譜儀工作原理

一、原子吸收光譜的特征

(1) 原子吸收光譜的波長 只有當氣態原子所吸收的光源提供的電磁輻射能與該物質的原子的兩個能級間躍遷所需的能量滿足△E=hv的關系時，才能產生原子吸收。因此，原子吸收光譜的波長是特定的。由于每一種原子都有自身所特有的原子結構與能級，每種元素的原子都有自身的原子特征吸收波長。而且，原子吸收是原子發射的逆過程，因此，大多情況下，原子吸收光譜的波長與原子發射光譜的波長是相同的。但相對來說，原子吸收光譜比原子發射光譜譜線要少得多，此外，由于兩者的輪廓也不完全相同，一些情況下，兩者的中心波長并不一致，某些元素的最強原子吸收線也不一定是最強的發射譜線。絕大多數原子吸收光譜位于光譜的紫外區和可見區。

(2) 原子吸收光譜的輪廓 原子吸收光譜的譜線并非幾何意義上的線，而是有一定寬度。通常用其中心頻率(中心波長)來代表其波長，而用最大吸收一半處的譜線輪廓上兩點之間的頻率(波長)差即譜線半寬來表示其寬度。

原子吸收光譜譜線自身的寬度稱為自然寬度，一般為10^-5 nm量級，此外由于受原子熱運動、原子碰撞、電磁場等影響使譜線變寬。

由于原子熱運動引起的譜線變寬稱為多普勒變寬。在原子吸收分析中，對于火焰和石墨爐原子吸收池，氣態原子處于無序熱運動中，相對于檢測器而言，各發光原子有著不同的運動方向，即使每個原子發出的光是頻率相同的單色光，但由于多普勒效應使檢測器所接受的光則是頻率略有不同的光，于是引起譜線的變寬。多普勒變寬一般為10^-3～10^-5 nm量級，是原子吸收光譜譜線變寬的主要部分。

原子之間相互碰撞導致激發態原子平均壽命縮短，引起譜線變寬，稱為碰撞變寬。碰撞變寬分為兩種，即赫魯茲馬克變寬和洛倫茨變寬。被測元素激發態原子與基態原子相互碰撞引起的變寬，稱為赫魯茲馬克變寬，又稱共振變寬或壓力變寬。當原子吸收區的原子濃度足夠高時，碰撞變寬是不可忽略的。被測元素原子與其它元素的原子相百碰撞引起的變寬，稱為洛倫茨變寬。在通常的原子吸收測定條件下，被測元素的原子濃度都很低，共振變寬效應可以不予考慮。洛倫茨變寬是主要的碰撞變寬，且隨原子區內原子蒸氣壓力增大和溫度升高而增大，碰撞變寬一般10^-3～10^-4nm量級。

影響譜線變寬的是上述各種因素的綜合變寬結果。在通常的原子吸收分析實驗條件下，吸收線的輪廓主要受多普勒和洛倫茨變寬的影響。在2000～3000K的溫度范圍內，原子吸收線的寬度約為10^-3～10^-2nm。

二、定量原理

(1) 定量依據 當空心陰極燈輻射出待測元素的特征波長光通過火焰時，因被火焰或石墨爐中待測元素的基態原子吸收而減弱，由發射光譜被減弱的程度，進而求得樣品中待測元素的含量，它符合朗伯-比耳定律。

A = —lgI／Io = —lgT= KNL

式中 I——透射光強度；

Io——發射光

T——透射比；

K——常數；

L——光通過原子化器的光程；

N——待測元素基態原子的濃度。

在一定實驗條件下，由于L是不變值特征波長光強的變化與原子化系統中待測元素基態原子的濃度有定量關系，從而與試樣中待測元素的濃度(c)有定量關系，即：

A = kc

式中是k——常數；

A——待測元素的吸光度。

這是原子吸收分析的定量依據。

(2) 積分吸收與峰值吸收 由于原子吸收譜線變寬，原子吸收譜線有一定寬度，嚴格說來，在上述待測元素的吸光度是原子吸收光譜輪廓下的積分吸收，而并非某個波長點上的吸收。

但若采用連續光源，目前單色器分辨率還難以對寬度約為10^-3 nm的原子吸收光譜輪廓下的積分吸收進行測量，通常以測量峰值吸收代替測量積分吸收，但這種測量的前提條件是：光源發射線的半寬度應小于吸收線的半寬度，且通過原子蒸氣的發射線的中心頻率恰好與吸收線的中心頻率相重合，譜線輪廓主要是多普勒變寬效應決定。因此，目前原子吸收需要采用空心陰極燈等特制光源來產生銳線發射。

三、儀器工作原理

原子吸收光譜分析儀器檢測樣品的工作原理為：樣品溶液經過霧化進入高溫火焰或直接滴入石墨管中，樣品中待測元素在高溫或是化學反應作用下變成原子蒸氣，由空心陰極燈等光源燈輻射出待測元素的特征光通過待測元素的原子蒸氣，發生原子光譜吸收，被測元素吸光度與其濃度成正比，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它譜線分開。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，再由CPU及外部的電腦分析、計算，最終在屏幕上顯示待測樣品中元素的含量和濃度，由打印機根據用戶要求打印報告單。