原子吸收分光光度計的結構與工作原理

一、儀器結構：核心組件與功能

1. 光源系統(tǒng) —— 提供特征譜線

• 空心陰極燈（HCL）：

• 結構：由待測元素金屬制成的空心陰極和鎢棒陽極組成，密封于充有惰性氣體（氖 / 氬）的玻璃管中。

• 原理：通電后陰極發(fā)射待測元素的特征譜線（如測 Cu 時發(fā)射 324.7 nm 譜線），譜線寬度窄（0.001～0.005 nm），強度穩(wěn)定，是 AAS 的關鍵光源。

• 無極放電燈（EDL）：用于易揮發(fā)元素（如 As、Se），發(fā)光強度更高，適用于痕量分析。

2. 原子化系統(tǒng) —— 將樣品轉化為基態(tài)原子蒸氣

• 火焰原子化器：

• 結構：由霧化器、霧化室和燃燒器組成。

• 過程：

• 特點：操作簡便，但原子化效率低（約 10%），適用于常量及半微量元素分析。

1. 霧化器將樣品溶液霧化成細小霧滴；

2. 霧滴在霧化室與燃氣（乙炔 / 丙烷）、助燃氣（空氣 ）混合，進入燃燒器；

3. 火焰高溫（1800～3000 K）使樣品蒸發(fā)、解離為基態(tài)原子。

• 石墨爐原子化器（無火焰原子化）：

• 干燥（100～120℃）：蒸發(fā)溶劑；

• 灰化（300～1800℃）：除去有機基質；

• 原子化（2000～3000℃）：樣品解離為基態(tài)原子；

• 凈化（高溫）：除去殘留雜質。

• 結構：石墨管（長 28 mm，內徑 8 mm）、惰性氣體保護系統(tǒng)（Ar）、電源加熱系統(tǒng)。

• 過程：

• 特點：原子化效率高（幾乎 100%），檢出限低（10??～10?13 g），適用于痕量分析，但分析時間長（每次 3～5 分鐘）。

1. 進樣（5～100 μL）后，按 “干燥→灰化→原子化→凈化" 程序升溫：

3. 分光系統(tǒng) —— 分離特征譜線

• 結構：由色散元件（光柵）、反射鏡、狹縫組成。

• 原理：光源發(fā)射的復合光經光柵色散后，分離出待測元素的特征譜線，通過狹縫選擇特定波長（如 Cu 的 324.7 nm）進入檢測器。

• 關鍵參數：光譜帶寬（通常 0.2～2 nm），帶寬越小，分辨率越高，抗干擾能力越強。

4. 檢測系統(tǒng) —— 測量吸光度

• 光電倍增管（PMT）：

• 原理：接收透過原子蒸氣的光信號，轉化為電信號并放大。

• 特點：靈敏度高，響應速度快，適用于紫外 - 可見光范圍（190～900 nm）。

• 固態(tài)檢測器（如 CCD）：新型儀器使用，可同時檢測多波長，適用于多元素分析。

5. 數據處理系統(tǒng) —— 信號處理與定量

• 功能：將檢測系統(tǒng)的電信號轉換為吸光度值，繪制標準曲線，計算樣品濃度，輸出分析報告。

• 軟件支持：自動基線校正、背景扣除（如氘燈扣背景、塞曼效應扣背景），提高復雜樣品分析精度。

二、工作原理：基于原子吸收光譜的定量分析

1. 原子化與光吸收

• 樣品經原子化器轉化為基態(tài)原子蒸氣，當光源發(fā)射的特征譜線（如 Fe 的 248.3 nm）通過原子蒸氣時，基態(tài)原子吸收特定波長的光，導致光強減弱。

• 吸收程度與原子蒸氣中待測元素的濃度成正比，即：$A=\log \left(\frac{I_0}{I}\right)=K?c?L$
  其中，$A$為吸光度，$I_0$為入射光強，$I$為透射光強，$K$為吸收系數，$c$為元素濃度，$L$為光程（原子蒸氣寬度）。

2. 背景扣除機制

• 氘燈扣背景：氘燈發(fā)射連續(xù)光譜，樣品對其吸收為背景吸收，空心陰極燈發(fā)射線光譜，吸收為原子吸收 + 背景吸收，兩者差值即為原子吸收。

• 塞曼效應扣背景：在強磁場下，原子吸收線分裂為 π 和 σ± 組分，背景吸收無分裂，通過偏振光分離實現背景扣除，適用于高背景樣品（如土壤、礦石）。

3. 定量分析方法

• 標準曲線法：配制系列濃度標準溶液，測量吸光度繪制曲線，樣品吸光度代入計算濃度。

• 標準加入法：適用于基體復雜樣品，向樣品中加入已知量標準溶液，通過外推法消除基體干擾。

三、結構與原理的關聯性

• 光源提供特征譜線，原子化器確保樣品轉化為基態(tài)原子，分光系統(tǒng)分離特定波長，檢測系統(tǒng)測量吸光度，數據處理系統(tǒng)完成定量 —— 四大核心系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣，實現 “樣品原子化→光吸收→信號檢測→濃度計算" 的完整分析流程。

四、典型應用場景

• 環(huán)境監(jiān)測：測定水中 Cd、Pb、Hg 等重金屬；土壤中 Cu、Zn 含量。

• 食品分析：檢測奶粉中 Fe、Ca、Zn 等微量元素，葡萄酒中 Cu 殘留。

• 冶金工業(yè)：礦石、合金中主成分及雜質元素的定量分析。

總結

原子吸收分光光度計通過 “光源發(fā)射特征譜線→原子化器產生基態(tài)原子→分光系統(tǒng)分離波長→檢測器測量吸光度" 的流程，結合朗伯 - 比爾定律實現元素定量。其結構設計圍繞 “提高原子化效率、增強譜線選擇性、降低背景干擾" 三大目標，尤其在痕量金屬元素分析中展現出高靈敏度與準確性

原子吸收分光光度計如何維護？