3.6　原子吸收分光光度计仪器装置

3.6.1　仪器组成

原子吸收光谱仪由激发光源、原子化器、单色器、检测与控制系统、数据处理系统几部分组成。如图3-18所示。

（1）光源

光源是原子吸收光谱仪的重要组成部分，它的性能指标直接影响着分析的检出限、精密度及稳定性等。光源包括用于激发被测元素原子光谱的激发光源及背景校正的连续光源。激发光源必须是锐线光源。最常用的锐线光源是空心阴极灯（H·C·L），其次是无极放电灯。

空心阴极灯的构造原理见图3-19。

它有一个阳极和一个由被测元素的纯金属做成的金属圆筒阴极（空心阴极），空心阴极灯的灯管是由硬质玻璃做成的，窗口材料对测定波长在紫外区的元素的空心阴极灯必须用石英玻璃；共振线（或测定线）波长在可见光谱区的可用普通光学玻璃。灯管内充有稀薄的稀有气体（常用的是氖气和氩气），压力在150～300Pa之间。当空心阴极灯插入供电电源时开始电压升高，到达击穿电压后开始放电，电压迅速降到某确定值并稳定下来。空心阴极灯内放电属低压放电管类型，是辉光放电。由于此辉光放电集中在阴极筒内，所以称为“空心阴极放电”，即一种特殊的辉光放电。

空心阴极灯发光实质包括两个步骤，即阴极溅射和原子激发两个过程。被电离的气体正离子在电场力作用下撞击阴极壁，引起溅射；从阴极溅射出来的原子或原子团在阴极口进一步受到电子或离子的撞击，吸收合适的能量而激发，激发态的原子瞬间辐射能量再回到基态和低能态，此过程产生元素的发射光谱线。

由于辉光放电属于冷光类型，放电温度低，因此在灯电流不太大时多普勒变宽不严重；由于管内气压很低，压力变宽也可忽略，所以空心阴极灯辐射的谱线具有很窄的谱线轮廓，空心阴极灯光源是一种比较理想的锐线光源。

无极放电灯是在长30～80mm、直径约10mm的石英管中，放有少量被测元素的化合物，通常是卤化物，并充有几百帕的惰性气体，制成放电管。目前制成的无极放电灯有As、Hg、Cd、Zn、Pb等。虽然它具有许多优点，但因其价格高，并需专用电源、元素品种不全等原因，在应用中受到一定的限制。

（2）原子化器

火焰原子化器结构及特点见3.2.1部分相关内容。石墨炉原子化器结构及特点见3.3.3部分相关内容。

（3）单色器

单色器是光学系统的最重要的部件之一，其核心是色散元件。早期的单色器采用棱镜分光，现代光谱仪大多采用平面或凹面光栅单色器。20世纪末，采用中阶梯光栅单色器的仪器已经推向市场，这种仪器分辨能力强，结构小巧，具有很强的发展潜力。

原子吸收光谱仪常用的光栅单色器有利特洛型、艾伯特型、切尔尼-特纳型及濑谷-波冈型，如图3-20所示。

（4）检测与控制系统

该部分的作用首先是要将光信号转换为电信号，完成此步转换的器件通常是光电倍增管。

光电倍增管是一种多极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，是目前灵敏度最高、响应速度最快的一种光电检测器。

光电倍增管由光阴极、打拿极和阳极组成。它是利用二次电子发射现象放大光电流的。当有光量子射到光阴极时，发射出的电子被第一打拿极吸引，有一个电子碰撞此打拿极，就有几个二次电子发出，继而和第二打拿极相碰。依此顺序，逐级放大，现在商品的光电信增管，打拿极多到十几个，最后聚集在阳极的电子数可达阴极发射出电子数的106倍。测定最后一个打拿极与阳极之间的电流，此电流与入射光的强度成正比。

常用的光电倍增管有端窗式和侧窗式两种结构。目前使用较广泛的是侧窗式。

控制系统的功能是控制和协调光谱仪各部件工作。随着计算机技术的发展，现代仪器大部分采用通用个人微机（PC）或单片微机处理器（MCU）控制，软件已成为衡量仪器水平的重要因素之一，并且发挥着越来越重要的作用。

目前，有些仪器已经完全实现自动控制功能，包括波长自动控制，自动寻峰波长定位；自动设置光谱带宽；燃气流量的大小及最佳助燃比的自动控制；自动调整负高压、灯电流；自动能量平衡；自动点火和自动熄火保护；自动设定最佳火焰高度位置，选择最佳分析条件；自动选择元素灯；自动切换火焰和石墨炉原子化器；可实现对仪器多种部件细微调整等自动控制功能。

（5）数据处理系统

传统仪器只有简单的模拟输出，测量数据还要靠人工记录或记录仪记录，校正曲线及定量计算全部靠手工操作。现代仪器所有的处理全部自动完成。通过软件能够实现测量信号的积分、连续平均值、峰高、峰面积的记录，同时计算出多次测量的平均值及相对标准偏差等。

软件的另一个重要组成部分是校正曲线的制作。在测量未知样品前，首先要测试标准样品，制作校正曲线，然后测试未知样品，按照校正曲线进行定量。

在理想的情况下，校正曲线是一条通过原点的曲线。但在实际测定中，校正曲线并不是都呈线性，特别是在高浓度区间曲线严重弯曲，低浓度并不过零。造成这种情况的原因主要是试剂空白溶液所用的去离子水纯度不够，或者溶液中含有一定的酸及其他试剂，难免含有痕量分析元素；在基体空白溶液中，由于在试样制备和预处理过程中难免引入少许分析元素，加之为消除基体干扰外加的基体改进剂等原因，都可导致校正曲线不过零点。因此，现代仪器大部分都采用计算机进行控制及数据处理，在样品测定过程中可间隔插入空白校正测量或灵敏度校正测量。对工作曲线可采用不同的拟合方法，以最大限度地减小计算误差，拓展动态范围。现代软件提供了多种校正曲线的拟合方法，包括线性曲线拟合、二次曲线拟合、三次曲线拟合及四次曲线拟合，有的软件还可提供对数、双曲线等其他拟合方法，测量时可灵活的选用。

为弥补校正曲线的不足，简化操作，许多软件增加了内插法、标准加入法等测量方法。

有时仪器直接测量所得的数据并非样品的实际浓度，软件可根据用户输入的质量、体积、稀释比率及修正系数计算实际样品的浓度或含量。控制软件可设置重复测量次数，测量完毕能自动计算所需要的结果，给操作者带来了极大的方便，并大大提高了工作效率。

3.6.2　仪器类型

商品的原子吸收分光光度计有以下几种类型。

（1）单光束型

这种光学系统以其结构简单、光能损失少而被广泛采用。弱点是不能消除光源波动带来的基线漂移，空心阴极灯要预热一定时间，待稳定后才能进行测定。随着电子技术的发展，单光束仪器得到不断地完善和改进，再配合自动进样器，在每次进样的过程中可以自动进行基线校正，有效地消除了基线漂移的影响，使单光束仪器的性能大大提高[见图3-21（a）]。

（2）双光束型

用旋转扇形板将来自空心阴极灯的单色辐射分为两路光束，一光束为试样光束，它通过火焰或石墨炉原子化器，另一光束为参比光束，它不通过原子化器，通过半透明镜之后，两路光束经由同一光束通过单色器，进入检测器。检测器根据同步信号分别检出样品信号及参比信号。由于两路光束来自同一光源，光源的波动可以通过参比信号补偿，因此光源无需预热，点灯后即可开始工作。双光束仪器在一定程度上消除了光源波动造成的影响，但由于参考光束不通过原子化器，所以对原子化器的波动背景吸收影响是不能补偿的[见图3-21（b）]。

其他类型的原子吸收分光光度计（如双光束双道型）由于目前很少采用，故不予赘述。

3.6.3　塞曼型仪器及特点

塞曼型仪器，是指带有Zeeman背景扣除装置的仪器。1886年荷兰物理学家塞曼发现光源在强磁场作用下产生光谱线分裂的现象，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应应用于原子吸收作背景校正可有多种方法。可将磁场施加于光源，也可将磁场施加于原子化器；可利用横向效应，也可利用纵向效应；可用恒定磁场，也可用交变磁场。目前商品化仪器应用较广的是施加于原子化器塞曼效应背景校正装置，如图3-22所示。

根据塞曼效应施加于原子化器，磁场调制方式以及观察塞曼效应的方向不同，可有多种塞曼效应背景校正装置，但不是所有的塞曼效应都可用来校正背景的，表3-8列出了塞曼效应应用于原子吸收背景校正的原理与特点。