什么是原子吸收光谱 (AAS)

原子吸收光谱或 AAS 是一种测量不同材料中金属元素浓度的技术。

作为一种分析技术，它使用来自光源的电磁波长。

不同的元素会以不同的方式吸收这些波长。它给出了正在测试的任何材料或液体中特定元素的浓度的图片。

在这里，我们将了解 AAS 作为一种分析技术所涉及的内容、它可以测量的内容、它为何有用以及执行它所涉及的仪器。

什么是原子吸收光谱？

光谱学是研究辐射能量和材料如何相互作用的研究。物质吸收能量，这将在其状态中产生某种变化。

原子部分是指材料中的原子，它将吸收来自光源的辐射能量。

这些原子在吸收能量方面各有特点，因为每种元素都有独特的电子结构。

因此，使用 AAS，您可以根据在定义波长处吸收的光量来测量材料中的特定元素，该波长对应于您正在测试的元素的已知特性。

AAS 测量的元素的典型校准曲线

注意： AAS 也称为原子吸收光谱法。光谱学和光谱测量法之间的区别在于，光谱学是研究能量和材料如何相互作用，而光谱测量法是指如何将其作为一种测量技术应用。出于实际目的，您使用哪个术语并没有真正的区别。

原子吸收光谱是什么时候首次使用的？

作为一种现象，原子吸收光谱法于 1802 年首次被发现，当时英国科学家威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）观察并描述了太阳光谱中的暗线。

1817 年，德国物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫 (Josef von Fraunhofer) 仔细绘制了这些光谱吸收线，现在以他的名字命名。

1860 年，科学家古斯塔夫·基尔霍夫 (Gustav Kirchhoff) 和罗伯特·本生 (Robert Bunsen) 的工作发展了光谱化学分析理论。

基尔霍夫和本生开发了分光镜，将光分成波长。

直到 1930 年代，这种技术才得到更广泛的应用。

然而，原子吸收光谱作为一种现代化学分析技术可以追溯到 1955 年，当时出生于兰开夏郡的科学家Alan Walsh在澳大利亚墨尔本发表了关于 AAS 潜力的重要论文。

Walsh 的突破来自于他意识到他需要测量光的吸收而不是发射。

这导致了 AAS 新技术的发展。第一个商用仪器出现在 1960 年代。

从那时起，随着 AAS 的发展，随着包括自动化和计算机在内的新技术的不断应用，它已成为一种极其可靠的分析技术。

它快速、灵敏、具体且用户友好。

为什么要使用原子吸收光谱法？

AAS 提供了高度的准确性。

通常结果的准确度在 0.5% 到 5% 的范围内，但这可能会进一步提高，具体取决于为测试和分析设定的标准。

它是一种高度灵敏的分析方法。

在给定的材料中，它可以测量十亿分之一克。

在医学和制药等应用中，AAS 帮助彻底改变了实践，检测微量毒素等物质。

在某些领域，这种方法已经能够检测出人们以前不知道存在于某些材料中的元素，例如土壤中的钴和钼。

这种技术非常适合到达其他人迹罕至的地方，例如矿山，以测试岩石是否值得开采。

现代 AAS 系统是一种相对便宜的准确检测特定元素的方法。

什么时候应该使用原子吸收光谱法？

原子吸收光谱在工业、临床和研究环境中具有不同的实验室和测试应用，是各种过程中的关键组成部分。

这些过程包括：

• 质量控制

• 毒理学

• 环境测试

作为一种方法，AAS 可以分析各种材料中某些金属的含量。

• 在环境检测中，可以测量河流、饮用水和海水中各种元素的浓度。

• 在食品和饮料行业，它可以测量葡萄酒、啤酒和果汁饮料中各种元素的浓度，并测试食品中的污染类型。

• 对于制药公司，AAS 可以确定用于药物制造和其他杂质的微量催化剂材料。

• 在工业中，有不同的原材料需要检验和分析，以检查它们是否含有足够量的某些主要元素，并且没有太多的杂质，其中一些可能是有毒的。

• 在采矿中，AAS 可以在挖掘作业之前测试有价值材料的浓度。

• AAS 用于农业，分析植物和土壤的矿物质含量。

• 金属和其他物质会对石油和天然气产生不良影响，这就是石化行业使用 AAS 的原因。

• 该技术还支持核工业中的关键测试，其中废物和水的输出中可能存在潜在的危险元素。

为什么原子吸收光谱很重要？

金属自然存在于我们周围的世界中，地球上大约四分之三的化学元素是金属。

有时材料中的金属含量是可取的，但金属也可能是污染物。因此，测量金属含量是许多不同过程的关键部分。

尽管原子吸收光谱多年来一直是分析金属元素材料的成熟方法，但它仍然是一种基准技术。

这是因为它比其他方法具有更高的灵敏度，并且限制更少。

对于一些液体样品，它可以提供直接分析。

它还可以在非常小的样本量下准确地工作，使其成为一种快速、高效和经济的测试方法。

各个行业和部门都依赖这种形式的测试，以确保他们的产品或他们正在加工的材料充分不受污染，或含有适当程度的某些金属元素以支持其内在价值。

在临床分析中，AAS 可以检测全血、血浆、尿液、唾液、大脑和肌肉组织、肝脏和头发中的金属。

原子吸收光谱可以提供宝贵支持的一个例子是测量鱼类中的汞含量。汞对人类有毒，但它作为金属元素存在于环境中。这对食物链构成了潜在的危害。

汞可能是各种过程中产生的污染物，例如发电厂、金属加工和水泥生产。这种汞空气污染随后会进入河流、湖泊和海洋。

一种称为生物放大的过程会在金枪鱼、旗鱼和鲨鱼等掠食性鱼类中增加甲基汞水平。它也可以存在于某些贝类中。甲基汞对人体有毒。

利用原子吸收光谱的先进功能，可以快速准确地测试鱼样品。

AAS 是全球公认的分析方法，也是科学研究的重要工具。

原子吸收光谱如何工作？

元素存在于电磁波谱中，它们的原子会吸收与其特定特性相关的光波长。

在原子吸收光谱分析过程中，这些原子会吸收特定波长的电磁辐射。这会产生一个可测量的信号。

通过查看这些信号，可以确定被测材料中特定金属的百万分之几或 ppm 水平。

是什么产生了这些信号？

在一个原子内，有不同能级的电子。在光谱过程中，能量的吸收将电子移动到更高能级。

电子吸收的辐射能与此过程中发生的跃迁直接相关。原子在激发态吸收光。原子吸收测量共振波长的光量，它穿过原子云并被它们吸收。

一旦激发的电子再次开始弛豫，它们就会以光子的形式发射能量。

每个元素都有自己独特的电子结构。因此，吸收的辐射代表了每个元素的独特属性。

原子吸收光谱测量什么？

通过测量光谱过程中吸收的光量和发射的能量来确定材料中特定元素的含量。

这些光波长在吸收前后的变化将在读数中显示为能量吸收峰。

这是原子吸收光谱，用于测量材料和液体中的金属浓度。

原子吸收光谱可以测量哪些元素？

原子将通过其自身特定的波长模式吸收能量，因为它具有独特的电子配置。

原子吸收光谱可以基于这些独特的配置测量材料中的已知元素。

这些元素都是金属的。在元素周期表中，它们是具有某些共同性质的元素：

• 金属往往是热和电的良导体

• 大多数金属的密度很高，但可以分解成片状

• 如果暴露在海水或空气中，大多数金属都会腐蚀

• 它们可以有光泽且有延展性，这意味着您可以将它们制成金属丝

• 它们在室温下呈固态，但汞除外

• 大多数金属在反应时会失去电子

与非金属（如氧和氯）相比，金属元素更多。

以下是原子吸收光谱可以测量的金属元素列表，其元素周期表符号显示在括号中：

• 铝 (Al)

• 锑 (Sb)

• 钡 (Ba)

• 砷（As）

• 铍 (Be)

• 镉 (Cd)

• 钙 (Ca)

• 铬 (Cr)

• 钴 (Co)

• 铜 (Cu)

• 镓 (Gu)

• 铪 (Hf)

• 铟 (In)

• 铁 (Fe)

• 铅 (Pb)

• 锂 (Li)

• 镁 (Mg)

• 锰 (Mn)

• 汞 (Hg)

• 钼 (Mo)

• 镍 (Ni)

• 铌 (Nb)

• 锇 (Os)

• 钾 (K)

• 钌 (Ru)

• 银（银）

• 钠 (Na)

• 锶 (Sr)

• 铊 (Tl)

• 锡 (Sn)

• 钨 (W)

• 钒 (V)

• 锌 (Zn)

• 锆 (Zr)

为什么原子吸收光谱仅限于金属？

尽管众所周知 AAS 可以作为一些半金属（例如硼和硅）的测量技术，但金属效果最好。

一个主要原因是金属元素中的原子更容易阅读。

为了使 AAS 有效，材料中的原子必须是隔离的，并且没有可能的分子污染线。

金属通常具有狭窄、单一的发射和吸收线，形成明亮清晰。

这允许进行原子吸收光谱所需的选择性检测。

原子吸收光谱是否具有破坏性？

原子吸收光谱中涉及的过程意味着它最终对样品具有破坏性。

必须首先将样品转化为原子气体，然后使用 AAS 对其进行分析。

• 对于液体样品，这涉及蒸发

• 蒸发固体样品

• 然后任何化合物都必须分解成自由原子，这个过程就是原子化

然而，AAS 只需要很小的样本量就可以工作。

这可以低至 10 毫克，通常在移除时几乎不会造成损坏。

您如何进行原子吸收光谱法？

要进行原子吸收光谱法，您需要三个主要组件：

• 一个光源

• 您正在采样的单元格

• 一种测量样品将吸收的光的方法。

一旦转化为蒸汽，样品就会被雾化。然后一束电磁束穿过它。样品会吸收一些这种辐射。

AAS 测量与被测元素的原子数成正比的光吸收量。

有两种雾化样品的方法：

• 火焰抽吸涉及将溶液吸入火焰中，其中大部分溶液被蒸发。

• 电热雾化，将样品放置在中空管中，一旦加热，就会完全蒸发。

汽化后，样品准备好进行测量。

样品的制备需要称重，然后将其稀释成溶液。

在大多数情况下，汽化将样品转化为自由原子，无论其原始化学成分如何。

AAS 过程还需要校准曲线，这将有助于根据之前在已知浓度下的测量结果确定您正在测试的元素的浓度。

测量仪器，称为光谱仪，针对特定元素进行校准。这种校准可以重新调整，具体取决于样品的浓度。

一旦样品被送入仪器，它将显示在仪器的校准曲线上。

AAS 中使用的普通光源是空心阴极灯。这种类型的灯包含一个由被分析元素制成的空心阴极和一个阳极电极。

两者都密封在一个充满惰性气体的空心管中。

气态离子轰击阴极，喷射出金属离子。阴极将这些发射的大部分离子集中成束，该束穿过石英窗。

通常，原子吸收光谱仪会针对不同的元素配备几种不同的灯。

对于某些元素，有必要采取预防措施，以防止其他原子或分子在 AAS 过程中吸收背景中的一些光源而污染读数。

一种方法是使用两个光源，一个阴极灯和一个氘灯，它们产生宽带辐射，但不产生特定的光谱线。

通过在两个灯之间交替测量，操作员可以从总读数中减去背景吸收量，只留下分析所需的数字。

该光谱仪还包含一个单色仪。这是一种选择和传输特定波长或光谱线的光学设备。

它从阴极灯中选择适合元素的特定光，并将其引导到检测器上。

这会产生与光强度成比例的电信号。

作为一种控制形式，双光束光谱仪将分束光束。一束光仅供参考，吸光度设置为零，另一束穿过原子池。

通过不断监测光源和参考光束，您可以确保光谱不会失去灵敏度，因为光源的强度可能并不总是保持不变。

什么设备用于执行原子吸收光谱？

执行原子吸收光谱法需要各种基本设备：

• 雾化器

• 光源

• 光谱仪

• 探测器

实际上，光谱仪是一个包含所有这些元素的系统。

它通常包括：

• 炉子和火焰

• 雾化室

• 镜子

• 阴极灯和灯转盘

• 氘 (D 2 ) 灯

• 光束选择器

• 光子探测器

还有各种附件来补充核心 AAS 设备，例如用于样品制备的自动稀释器系统和连续流动蒸汽发生系统。

因为要分析的原子必须处于气相状态，所以加热对于该过程至关重要。

AAS 中使用的炉子由石墨制成。它是石墨管的形式。这会产生热能来破坏样品的化学键，从而产生用于分析的自由原子。

此过程分为三个步骤：

• 干燥，从样品中去除溶剂

• 灰化，去除任何有机和无机材料

• 原子化，产生自由原子。

AAS 光谱仪的光路由一个光源组成，该光源以适合分析元素的波长发射。该光将被样品以与分析物浓度等比例吸收。剩余的光被检测器接收。吸收的光强度越多，样品中分析物的浓度就越高火焰，通常是槽式燃烧器，用于分析流体。它使它们蒸发以产生气体。

雾化室将样品吸入火焰，然后以液滴形式施加。

镜子引导来自阴极灯和D 2灯的光束，光束选择器将光束分成分量波长。

光子探测器以光子计数光。光子是基本粒子，是电磁场中最小的光粒子。

除了执行 AAS 的设备外，该系统还需要合适的支持软件。

该软件可实现精确的仪器控制，以及采集、操作和解释过程生成的数据。

原子吸收光谱有什么好处？

火焰和石墨炉 AAS 与 ICP-OES 和 ICP-MS 的比较灵敏度范围和检测限比较作为一种分析技术，AAS 有几个明显的好处：

• 它是准确的，通常会产生 0.5% 到 5% 范围内的结果

• 作为一种检测方法，它非常灵敏，测量单位为百万分之几 (ppm)

• 它可以分析特定元素，因为它们的原子具有独特的吸光特性

• AAS 可以确定超过 65 种元素的浓度。

• 这是一个相对简单的过程，借鉴了有据可查的协议

• AAS 允许高通量样品

• 与其他分析技术相比，它价格低廉。

• AAS 支持广泛的行业和部门，包括环境、化学、石化、食品和饮料以及制药。