原子吸收光谱分析及其应用
甘朝明，宋佩君，巫志明
华中科技大学物理系0201班
摘要: 原子吸收光谱法自1955年作为一种分析方法问世以来,先后经历了初始的序幕期、爆发性的成长期、相对的稳定期和智能化飞跃期这4个不同的发展时期,由此原子吸收光谱法得以迅速的发展与普及并在在众多领域有着广泛的用途,如今已成为一种倍受人们青睐的定量分析方法.本文在完成Cu原子光谱分析实验的基础上介绍了原子吸收光谱分析的原理、分析方法以及应用等.
关键字:原子吸收光谱、AAS、共振吸收线
引 言
原子吸收分光光度法又称为原子吸收光谱法(AAS, automic absorptionspectrcmetry)。它是基于物质所产生的原子蒸气对待测元素的特征谱线的吸收作用而进行定量分析的方法。
早在1802年，Wollaston就观察到太阳光谱中原子吸收光谱现象。真正使原子吸收技术应用到分析化学中，是从1953年Walsh发表了他的那篇光辉的论文后，以至后来的一些研究者克服了许多技术上的困难，这种努力一直至今仍在进行中。Walsh于1953年最早提出的装置是使用一个简单的单色仪及一个高灵敏度的光电检测器，Walsh将近代仪器和高温火焰结合起来，提供了一个新的简单的测量吸收能的方法，并使得原子吸收方法（AAS）在分析的准确度、灵敏度和精密度方面均优于原子发射光谱。
原子吸收光谱分析的基本原理
1、原子吸收光谱的产生与共振线
众所周知，任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差△E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。相应的谱线有,
共振发射线：电子从基态跃迁到能量最低的激发态时要吸收一定频率的光，它再跃迁回基态时，则发射出同样频率的光(谱线)，这种谱线称为共振发射线。
共振吸收线：电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小，电子跃迁几率最大，故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲，它是所有吸收线中最灵敏的，在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。
共振线：共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。
各种元素的原子结构和外层电子排布不同，不同元素的原子从基态激发至第一激发态(或由第一激发态跃迁返回基态)时，吸收(或发射)的能量不同，因而各种元素的共振线不同而各有其特征性，所以这种共振线是元素的特征谱线。
2、原子吸收光谱的产生
当有辐射通过自由原子蒸气时，若辐射的频率等于原子中的电子从基态跃迁到激发态所需要的能量频率时，原子将从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子从基态跃迁到激发态，同时使辐射减弱产生原子吸收光谱。在一定条件下，被吸收的程度与基态原子基态的数目成正比。通过分光检测器测量该辐射线被吸收的程度，就可以测得试样中被测元素的含量。
3、标准曲线
由朗伯-比尔（Lan-Beer）定律：
其中K为原子蒸汽的吸收系数，N为自由原子总数，l为原子蒸汽的厚度，从而得到吸光度为：
可见吸光度A与自由原子总数（近似为基态原子数）成正比。而当实验条件一定时，N正比于待测元素的浓度C，也就是说吸光度A与待测元素的浓度C成正比关系。从而为实验中标准曲线的绘制提供了理论依据.
配制一组合适的标准溶液依次测定其吸光度。用测定的吸光度A为纵坐标，被测元素的浓度C为横坐标，从而可以绘制A－C工作曲线，然后在相同实验条件下，把被测试样溶液喷入火焰，测定其吸光度，再在A－C工作曲线上找到对应的浓度，从而可以求出试样中被测元素的含量。
原子吸收光谱法的应用
z在理论研究方面的应用:
原子吸收可作为物理或物理化学的一种实验手段，对物质的一些基本性能进行测定和研究，另外也可研究金属元素在不同化合物中的不同形态。
z在元素分析方面的应用:
原子吸收光谱法凭借其本身的特点，现已广泛的应用于工业、农业、生化制药、地质、冶金、食品检验和环保等领域。该法已成为金属元素分析的最有力手段之一。而且在许多领域已作为标准分析方法，如化学工业中的水泥分析、玻璃分析、石油分析、电镀液分析、食盐电解液中杂质分析、煤灰分析及聚合物中无机元素分析；农业中的植物分析、肥料分析、饲料分析；生化和药物学中的体液成分分析、内脏及试样分析、药物分析；冶金中的钢铁分析、合金分析；地球化学中的水质分析、大气污染物分析、土壤分析、岩石矿物分析；食品中微量元素分析。
z在有机物分析方面的应用:
使用原子吸收光谱仪利用间接法可以测定多种有机物.
原子吸收光谱法的优缺点
原子吸收光谱法，选择性强，因其原子吸收的谱线仅发生在主线系，且谱线很窄，所以光谱干扰小、选择性强、测定快速简便、灵敏度高，在常规分析中大多元素能达到10-6 级，若采
用萃取法、离子交换法或其它富集方法还可进行10-9级的测定。分析范围广，目前可测定元素多达73种，既可测定低含量或主量元素，又可测定微量、痕量、甚至超痕量元素；既可测定金属类金属元素，又可间接测定某些非金属元素
和有机物；既可测定液态样品，又可测定气态或某些固态样品。抗干扰能力强，原子吸收光谱法谱线的强度受温度影响较小，且无需测定相对背景的信号强度，不必激发，故化学干扰也少很多。精密度高，常规低含量测定时，精密度为1% ~ 3%，若采用自动进样技术或高精度测量方法，其相对偏差小于1%。
同时原子吸收光谱法也有其局限性，它不能对多元素同时分析，对难溶元素的测定灵敏度也不十分令人满意，对共振谱线处于真空紫外区的元素，如P, S 等还无法测定。另外，标准工作曲线的线性范围窄，给实际工作带来不便，对于某些复杂样品的分析，还需要进一步消除干扰。
实验及实验数据分析
原子吸收光谱仪是由光源、原子化系统、光学系统、检测系统和显示装置五大部分组成的，其中原子化系统在整个装置中具有至关重要的作用，原子化效率的高低直接影响到测量的准确度和灵敏度.本实验采用火焰法实现原子化.以下是实验仪器框图
:
实验数据： Sample name STD(mg/L) AA Ave BG Ave S.D RSD(%)
Blank 0.0 -0.0027 0.0000 0.0000 0.63 S1 1.0 0.0189 0.0000 0.0009 4.74 S2 3.0 0.0633 0.0000 0.0023 3.62 S3 5.0 0.1210 0.0000 0.0054 0.54 unknow1 ( 3.2 )* 0.0127 0.0000 0.0032 2.54 unkown2 ( 0.5 )* -0.0087 0.0000 0.0005 5.94 * 括号中的数值为待测样品的实验测量值
由实验数据可画出本实验的标准曲线，如下图。
0log()0.434v
I A KNl C I ==∝ 由实验数据及下图可知，A 与C 之间确实呈现线性关系，由最小二乘法拟和可知，
0.000994 A C ≈ i.e., /0.0009941005.75 C A A ≈=
由此可得到两个待测溶液浓度的实验测量值分别约为：3.2mg/L 和 0.5mg/L.
