3.7　原子吸收分光光度法的分析技术及应用

3.7.1　样品制备

样品制备是分析工作中的重要环节，它直接影响着样品的测定结果。

值得注意的是，在测定土壤中Zn、Cd等含量时，最好采用半消解法（HNO3-HClO4）处理土壤样品，其测定结果不仅准确，而且不随时间的变化而变化。如果采用全消解法（HNO3+HF+HClO4）处理样品，最好将HF赶尽并用塑料容器定容；如果用玻璃容器定容的话，应尽快测定，否则残存在消化液中的HF能将玻璃中的部分Zn溶解下来，致使测定值随着存放时间的延长而越来越高。

3.7.2　测定条件的选择

（1）火焰原子吸收分析最佳条件的选择

①分析线　在火焰原子吸收分析中，为获得较高的灵敏度、稳定性和较宽的线性范围并使干扰达到最低程度，必须选择最适宜的分析线。选择方法是参考波长表，扫描空心阴极灯的发射光谱。确定有哪几条可供选用的谱线，然后喷入适当浓度的标准溶液或金属盐溶液，观察这些谱线的吸收情况，从而选出吸光度适度且不受干扰的谱线为分析线。在选择分析线时还应从以下几方面考虑。

首先是灵敏度。原子吸收分析通常用于微量元素的分析。一般选择最灵敏分析线。而测定高含量元素时，可选用次灵敏线。其次是稳定性。选用不同的分析线，其测定的稳定性也不相同。在满足灵敏度要求的前提下还要考虑测定的稳定性。

干扰程度也是不可忽视的。在选择分析线时，应当避免其他谱线的干扰。当分析线附近的其他非分析线进入光谱带宽内时，将降低灵敏度并使工作曲线弯曲。例如Ni 232.0nm分析线附近有几条非分析线和吸收很弱的谱线（如Ni 231.98nm、Ni 232.14nm、Ni 231.6nm），即便使用很窄的光谱通带，也难以将它们完全分开。因此人们宁愿选用吸收系数稍低的Ni 341.48nm作分析线。

分析线的选择，还会受到背景吸收的限制。例如测定Pb时，用217.0nm灵敏分析线时背景吸收较大，一般选用次灵敏线283.3nm作分析线。

在实际分析中，力求获得直线性好，线性范围宽的工作曲线，以适用于较宽的浓度或含量区间。表3-9列出了各元素常用的分析线数据，可供参考。

注：本表摘自Perkin-Elmer3110型AAS说明书《Analytical Methods for Atomic Absorption Spectroscopy》，特征浓度检测表明，在此浓度下，产生的吸光度约在0.2；左边条件表示火焰条件、干扰抑制、所用灯的类型；本数据全是用扰流器，若用撞击球或高灵敏度雾化器，灵敏度可提高2～3倍。

②光谱通带宽　光谱通带宽直接影响着测定灵敏度和标准曲线的线性范围。单色器的光谱通带宽度Δλ由狭缝宽度S和分光器的倒数线色散率决定，即

Δλ=D·S

光谱通带宽的选择，是通过改变仪器狭缝来实现的。在保证只有分析线通过出射狭缝到达检测器的前提下，尽可能选用较宽的光谱通带宽，以获得较好的信噪比和稳定的读数。对于谱线简单的元素（如碱金属或碱土金属），宜用较宽的光谱通带宽；对于多谱线且谱线靠得比较近的元素（如铁族、稀有元素）和火焰连续背景比较强的情况下，需用较窄的光谱通带宽（如≤0.2nm），只有这样才能提高分析灵敏度，同时标准曲线的线性也会得到明显的改善。例如，在Ni232.0nm波长处以不同的光谱通带宽（0.9nm、0.15nm、0.05nm）下绘制的标准曲线（见图3-23），其斜率及线性随着光谱通带宽的变窄而改善。

③灯电流　空心阴极灯的发射特性依赖于灯电流。选择合适的灯电流可获得较高的灵敏度和稳定性。从吸收灵敏度考虑，灯电流宜用小些，因为灯电流小，灯发射的谱线的多普勒变宽和自吸收效应减小，元素灯发射线半宽变窄，使吸收灵敏度增高。但是灯电流太小，元素灯放电不稳定，测定精密度较差。从读数稳定度考虑，灯电流宜用大些，可提高测定的精密度。由于吸收灵敏度和吸收稳定性这两个指标对灯电流的要求是互相矛盾的，因此在选择灯电流时应互相兼顾。通常对于微量元素的分析，在保证读数稳定的前提下尽量选用小一些的灯电流，以获得足够高的灵敏度。对于高含量元素的分析，在保证有足够灵敏度的前提下，尽量选用大一点的灯电流，以获得足够高的精密度。

对于高熔点、低溅射的金属元素（如铁、钴、镍、铬等）灯，灯电流可允许用得大些；对于低熔点、低溅射的金属元素（如锡）灯，若需增加光强度，灯电流也可稍大些；而对于低熔点、高溅射的金属元素（如铷、铯、锌、铅等）灯，灯电流宜小些。这样可延长元素灯的使用寿命。

在空心阴极灯的标签上通常都标有允许使用的最大工作电流。一般选用额定电流的20%～60%较为合适。在实际工作中，通常是通过测定吸收值随灯工作电流的变化来选择适宜的灯电流。

④燃气与助燃气　火焰的温度和气氛直接影响着原子化效率，通过选择助燃比，可获得较高的原子化效率。火焰通常可分为以下4种类型。

1）贫燃火焰：火焰燃烧充分，火焰温度高，但燃烧不稳定，测定重现性差，高温区和原子化区很窄，不具有还原性，燃助比（乙炔∶空气）在1∶6以上；适用于高熔点的惰性元素（如银、金、镓、铟等）的测定。

2）化学计量火焰：火焰层次清晰、噪声小、背景低、火焰稳定，稍有还原性，燃助比1∶4左右；适宜热解离，具有较高的灵敏度和精密度，多数元素宜用此火焰。

3）微富燃火焰：靠近燃烧头处，有5～10mm黄色亮光的火焰，层次较模糊，火焰温度较化学计量火焰低，但还原性较强，燃助比小于1∶4；用此种火焰测定钙、锶、铁等，干扰较少且可获得较好的灵敏度。

4）富燃火焰：黄色发亮的火焰（大于10mm）火焰温度低，层次模糊，还原性强，电子密度较高，其燃助比小于1∶3；可测定铬、钼、锡等元素。

由此可知，燃助比直接影响着原子化效率及分析的灵敏度和精密度。不同的火焰类型适用于不同的被测元素，可通过实验选择最佳燃助比。选择方法是在固定助燃气流量和燃烧器高度的条件下，改变燃气流量，测定吸光度，绘制吸光度随燃助比的变化曲线，从而可获得最大而稳定的吸光度读数的燃助比。但需注意的是，当助燃气流量和燃烧器高度改变时，最佳的燃助比也将会发生改变，因此，应在多个助燃气和燃烧器高度水平下测定和绘制吸光度随燃助比的变化曲线，以获得最佳的燃助比。

⑤燃烧器高度　为了获得较高的灵敏度并避免干扰，应选择最佳观测高度，即让光束从火焰中原子密度最大的区域通过。最佳的燃烧器的高度可以通过实验选定，通常在固定燃助比的条件下改变燃烧器的高度，测定吸光度随燃烧器高度的变化的曲线，以此确定最佳燃烧器高度。

（2）石墨炉原子吸收分析最佳条件的选择

石墨炉原子吸收分析有关灯电流、光谱通带以及分析线的选择原则和方法与火焰法相同。不同点是：石墨管孔径小、光损失大；石墨管热辐射强，通常使用窄光谱带宽和低光阑，为满足脉冲信号测量的要求，采用快速响应电路。因此，石墨炉原子化器与光源间的对光调整要比火焰法更为重要，且难度也大些。石墨炉的定位程序是：移开石墨炉，使光路不挡光，将元素灯对光调整好，使透过率为100%。取下石墨炉，封闭两端的石英窗，再把石墨炉放回光路中，上下左右前后调节石墨炉位置，使元素灯的光正好通过石墨炉，透过率为100%，此时，光路已经调好，再装上石英窗。

石墨炉原子吸收分析步骤有干燥、灰化、原子化程序等，具体步骤见3.3.4部分。

3.7.3　分析方法

原子吸收光谱分析是一种动态分析方法，用校正曲线进行定量，常用的定量方法有标准曲线法、标准加入法和浓度直读法。如果为多通道仪器，可用内标法定量。

（1）标准曲线法

这是原子吸收分析中最基本、最常用的一种方法。其原理是：根据朗伯-比尔定律A=K·C，配制一系列标准溶液，在相同的条件下，由低浓度到高浓度依次吸喷测定其吸光度，绘制吸光度-浓度曲线。在同样条件下测定试液的吸光度，从标准曲线上查出待测元素的浓度。如图3-24所示。

（虚线表示置信范围）

校正曲线的质量直接影响着校正效果和样品测定结果的准确度。制作一条高质量的校正曲线尤为重要。具体步骤如下。

①合理设计校正曲线　从数理统计的观点出发，遵循最小二乘法原理的原则，根据一组实验点绘制校正曲线。即要让实验点随机地分布在校正曲线的周围，并有尽可能多的实验点落在校正曲线上，以使得由这些实验点绘制的校正曲线的标准偏差最小。

②分析信号的准确测定　从化学的观点考虑，准确地测定分析信号是获得良好校正曲线的基础，为此要求标准系列与样品的基体的精确匹配，标样浓度的准确标定与吸光度值的准确测量。

③正确地绘制校正曲线　在实际工作中，测定误差是不可避免的。实验点沿校正曲线分布有一定的离散性，引起测定结果的不确定性，使得测定结果不是一个确定值，而是一个以从校正曲线上求得的值为中心的范围值。因此，在制作校正曲线时，必须给出其置信区间。有了置信区间就可以在一定置信水平与其他方法的测定结果进行比对，并通过测定结果与标样标准值的比对溯源到更高一级的标准量值。

当今，分析仪器普遍配有计算机，最好采用线性回归法来建立校正曲线。

（2）标准加入法

在实际的分析过程中，样品的基体、组成和浓度千变万化，要找到完全与样品组成相匹配的标准物质非常困难。试样物理化学性质的变化，引起喷雾效率、气溶胶粒子粒径分布、原子化效率、基体效应、背景和干扰情况的改变，导致测定误差的增加。标准加入法可以自动进行基体匹配，补偿样品基体的物理和化学干扰，提高测定的准确度。

标准加入法所依据的原理是吸光度的加和性。从这一原理考虑，要求：a.不能存在相对系统误差，即试样的基体效应不得随被测元素含量对干扰组分含量比值改变而改变；b.必须扣除背景和“空白”值；c.校正曲线是线性的。

（3）浓度直读法

浓度直读法的基础是标准曲线法。当所测得的吸光度与标准溶液的浓度成线性时，若仪器具有连续标尺扩展功能，便可进行浓度直读，尤其是带有曲线校正装置的仪器，更可以扩大浓度直读范围。吸喷标准溶液通过调节标尺扩展把吸收值调到相应的浓度值，再测样品溶液，所得值即为样品溶液的浓度。由于此法免去了绘制标准曲线的手续，则加快了分析过程。带微处理机的仪器都具有这一功能。

应用此法需注意以下几点：a.必须保证整个测量范围内有良好的直线性；b.必须用标准溶液反复进行校正后再行测定；c.当标尺扩展倍数过大时，应注意测量条件的稳定一致。

（4）内标法

它的最大优点是可以减少实验条件变动所引起的随机误差，提高测定的精密度。为此，要求内标元素与被测元素具有相同或相似的物理、化学性质，内标元素和被测组分的响应信号易于分辨且不影响被测组分的响应信号，内标物质中不得含有被测元素。因为要同时测定被测元素与内标元素的吸光值，必须使用多通道仪器，而现在广泛使用的是单通道仪器，因此，内标法很少使用。

3.7.4　应用

原子吸收分光光度法以其强有力的优势，已被广泛地应用于宇航、地质、石油化工、冶金、医学卫生以及环境科学各个领域之中。美国《水与废水标准分析方法》第十五、十六版也显著地加大了原子吸收方法的比重。

元素周期表中大多数的元素都可用原子吸收分光光度法直接或间接地进行测定。

（1）直接原子吸收分光光度法

碱金属是用原子吸收分光光度法测定的灵敏度很高的一类元素。碱金属盐沸点低，通过火焰区能立即蒸发。它们的电离电位低，易于电离。它们的主要共振线位于可见区或近红外区，激发电位很低，因此比较适合低温火焰测定。用空气-乙炔火焰原子吸收法测定碱金属时，通常可加入另一更易电离的碱金属来抑制电离干扰。

原子吸收法测定碱土金属具有特效性，如镁是用该法测定的最灵敏的元素之一。所有的碱土金属在火焰中易生成氧化物和极小量的MOH型化合物，原子化效率强烈地依赖于火焰组成和火焰高度，因此，必须控制好燃助比，恰当地调节燃烧器的高度。在空气-乙炔火焰中，碱土金属有一定程度的电离，加入碱金属可抑制电离干扰。

用石墨炉原子化法测定碱土金属，具有很高的灵敏度。

有色金属Cu、Ag、Zn、Cd、Hg、Sn、Pb、Bi等的化合物甚至在低温都能迅速地离解，而且不形成难挥发性化合物，除了锡可能形成难离解的稳定氧化物之外，原子吸收分光光度法能有效地测定这些元素。这些元素的吸收线分布在短波区，火焰吸收的影响比较显著，在测定时应仔细地控制火焰的组成。

黑色金属Fe、Co、Ni、Cr、Mo、W等的特点是谱线复杂，因此，应用高强度空心阴极灯光源和窄的光谱通带进行测定是有利的。Fe、Co、Ni、Mn一般用贫燃空气-乙炔火焰进行测定，测定Cr、Mo一般用富燃乙炔-空气火焰，用氧化亚氮-乙炔高温火焰更好，因为铬、钼在火焰中形成难挥发性氧化物，使用高温火焰有利于氧化物的离解。钼受到的干扰大小依赖于火焰高度，因此，仔细地调节燃烧器的高度是非常重要的，用空气-氢火焰测定铬，灵敏度也相当高。

用石墨炉原子化法测定锰具有很高的灵敏度。

稀有和分散金属在试样中含量低，可用化学方法富集之后进行测定，也可用石墨炉原子吸收法测定之。

难熔金属Be、Al、Se、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Tb、U和稀土元素等，由于易形成难熔氧化物，使用强还原性高温火焰进行测定比较合适，或者用石墨炉原子吸收法测定之。但这些元素的测定灵敏度还不令人十分满意。

（2）间接原子吸收分光光度法

间接原子吸收分光光度法，是指被测组分本身并不直接测定，或者不能直接被测定，利用它与可方便测定的元素发生化学反应，然后测定反应产物中或未能反应的过量的可方便测定的元素，由此计算被测组分的含量。

例如氯化物和硝酸银反应生成沉淀，原子吸收法测定银，间接定量氮。又如磷酸盐，钛酸盐、钒酸盐、铌酸盐与钼酸盐生成杂多酸，在一定条件下选择性地进行萃取，然后用原子吸收法测定萃取物中的钼，由此求得与钼酸盐反应生成杂多酸的磷、钛、钒、铌的含量。

间接原子吸收法，按其利用的化学原理，可分为五类：利用干扰效应的间接原子吸收法；利用沉淀反应的间接原子吸收法；利用杂多酸的“化学放大效应”的间接原子吸收法；利用铬合反应的间接原子吸收法；利用氧化还原反应的间接原子吸收法。

间接原子吸收法大大地扩大了原子吸收法的应用范围，同时它也是提高某些元素测定灵敏度的途径之一。

（3）同位素分析

空心阴极灯发射的谱线宽度只有0.01～0.04Å（1Å=10-10m），只要某元素的谱线的同位素位移大于光源发射线和吸收线的宽度，就可以用原子吸收法测定该元素的同位素组成。用原子吸收法测定同位素的优点是，不像用发射光谱分析那样需要用高分辨率的光谱仪器，而只要测定共振线的吸收就可以了。

由于大多数元素的共振线的同位素位移很小，因此可用原子吸收法测定同位素组成的元素，还只限于氢、氮、锂、汞和铀等少数元素。

（4）其他应用

原子吸收分光光度法，除了用于成分分析外，还可以用来测定气相中中性原子的浓度、共振线的振子强度、气相中原子扩散系数等。目前，集成电路、单片微处理器、个人微机及图像传感器等新技术的大量运用，推动了分析仪器的技术进步。随着科学技术突飞猛进的发展，原子吸收分光光度法会越来越受到广大科学工作者的青睐。