原子吸收光谱法是使用原子吸收光谱仪(AAS 或 AA 光谱仪) 进行研究的。AA 光谱仪的工作原理如下：

1. 使用热源（火焰）创建自由解离基态原子的稳定状态
2. 特定波长的光穿过火焰。波长对应于将电子从（通常）基态激发到特定元素的第一激发态所需的能量。
3. 测量原子移动到激发态时吸收的光量（原子吸收）。
4. 根据校准图，使用测量的吸光度来计算溶液中元素的浓度。

让我们看一下 AA 光谱仪内部的组件。

简单的火焰原子吸收光谱仪包括：

1. 进样系统
2. 燃烧器（火焰）及其相关气体供应：空气-乙炔或一氧化二氮-乙炔
3. 光源：空心阴极灯（HCL）
4. 单色仪（图中方框内的光学元件）
5. 光学检测器（光电倍增管或 PMT）
6. 计算机仪器控制、数据收集和分析。

AA光谱仪进样系统

液体样品通过毛细管输送到雾化器中。气动雾化器利用文丘里效应，即流体以更高的速度流过较窄的管道，以加速溶液流。然后，流体撞击玻璃珠，形成细小的液滴喷雾，称为气溶胶。较大的液滴排入废液，而细小的气溶胶则向上进入喷雾室。混合桨叶有助于进一步去除大液滴，以保持细液滴均匀流入喷雾室和燃烧器。混合桨叶还有助于最大限度地减少燃烧器堵塞，并确保氧化剂/乙炔气体与样品液滴充分混合。

由于设计要求排水管部分充满液体，因此包括一个浮子以确保始终保持液位。雾化室塞是一种安全装置。当样品引入系统中出现任何异常气体积聚时，它将安全释放。

溶液通过雾化器喷到玻璃珠上。大液滴被排到排水口。

火焰原子吸收光谱仪燃烧器

原子吸收光谱仪 (AAS) 燃烧器提供稳定的基态原子。在火焰 AAS 中，燃烧器将雾化室和雾化器产生的气溶胶/气体混合物转化为自由的基态原子。有两种常见的气体混合物可燃烧以产生火焰。它们是空气-乙炔和一氧化二氮-乙炔。空气-乙炔产生的火焰温度约为 2300 °C，适用于大多数元素。在 2700 °C 左右，一氧化二氮-乙炔火焰可产生更具还原性的环境，适用于易于形成氧化物的元素。 

雾化分析物溶液在火焰 AAS 燃烧器中经历四个主要阶段。它们是：

1. 脱溶或干燥。溶剂蒸发，留下干燥的样品纳米颗粒。
2. 汽化。颗粒被转化为气相
3. 原子化。这是产生基态自由解离原子群的关键阶段。基态原子是 AAS 分析的目标。
4. 电离。部分（但不是全部）自由原子将转化为离子。这取决于火焰条件（气体混合物）和溶液中分析物的电离电位。

燃烧器经过特殊设计，带有一个细缝，长度为 5-10 厘米，具体取决于所用燃烧器的类型。狭缝定义了光谱仪中存在自由基态原子群的火焰长度。根据比尔-朗伯定律，火焰的长度决定了穿过原子的光路，从而决定了灵敏度。燃烧器高度也可以升高或降低。这允许光源穿过火焰区域，从而为所选分析物提供最佳灵敏度。

空心阴极灯光源发出的光沿着燃烧器传递，并穿过燃烧器狭缝产生的火焰。这为观察吸收创造了一条较长的路径。

值得注意的是，虽然火焰燃烧器是最受欢迎的雾化源，但还有其他具有特定优势的替代方案。最常见的雾化源是：

1. 石墨炉。使用电热加热，石墨管可提供一个小的封闭区域用于雾化。高温能力和样品的封闭性可实现完全雾化。石墨炉原子吸收光谱法 (GF-AAS) 能够检测到一些低至 ppb 级的元素。

石墨管 (A) 长约 20 毫米。管子中心有一个孔，可以将样品放入其中。管子的开口端允许光线穿过雾化样品。(B) 石墨管的剖面图显示了放置样品的平台设计。

2. 氢化物发生器。氢化物形成元素 As、Se、Sb、Bi 和 Pb 发生反应，形成气态氢化物。将酸化样品溶液加入专门设计的反应池中的硼氢化钠溶液中。将产生的挥发性氢化物气体送入光学池（熔融石英玻璃管），在那里可以进行电热或火焰加热。在高温下，挥发性氢化物分解成中性金属原子，可以吸收空心阴极灯发出的光。

AA 光谱仪氢化物发生器和氢化物吸收池安装在支架上，以适合燃烧器。

光源-空心阴极灯（HCL）

空心阴极灯(  HCL) 是 AA 光谱仪最常用的光源。光源是关键组件。测量的是灯发出的光穿过雾化样品时的吸光度。

空心阴极灯内充满低压惰性“填充”气体，通常是氩气或氖气。涂有目标元素的金属阴极位于阳极对面。在两个电极之间施加高电压，使填充气体电离，使离子加速向阴极移动。这些离子轰击阴极，其能量足以使阴极材料中的金属原子被喷射或“溅射”，形成原子羽流。在原子羽流内，金属原子之间进一步发生碰撞，使它们升至激发态。当原子返回其首选基态时，会以光的形式发射辐射，其波长为该特定元素的特征波长。  

最常用的是含有单一元素的灯。可以生产多元素灯，但通常比单一元素灯的灵敏度低。多元素灯中的元素组合受到限制，以避免任何光谱干扰和化学不相容性。

用于原子吸收光谱分析的单元素空心阴极灯示意图                 

单色仪

空心阴极灯发射许多窄发射线。单色器用于分离单个共振发射线。当光穿过原子化源（例如火焰）内的样品后，就会发生这种情况。

单色仪是一种光学设备，其唯一目的是收集包含多种波长的光并隔离（选择）较窄的波长带。简单的单色仪由以下部件组成：

1. 入口狭缝：光束穿过火焰后立即进入单色仪。入口狭缝有效地将光源辐射限制为窄光束。
2. 内部镜子：这些镜子引导光线穿过单色仪。
3. 色散元件：色散元件是单色仪的核心，它接收光线并将辐射分散成其组成波长（您可能熟悉将白光分离成彩虹的棱镜）。色散元件通常是光栅。光栅上蚀刻有精确刻划的线条。光线照射到光栅上的角度决定了通过另一个内部镜子聚焦到出口狭缝上的光的波长。
4. 出口狭缝：这是单色仪的出口。选定用于分析测量的波长聚焦在出口狭缝上，然后通过光学检测器进行测量。所有其他波长将留在单色仪内。

AA 光谱仪的单色仪是该系统的核心。它的作用是从穿过含有目标分析物的火焰的光束中选择目标波长。

探测器

原子吸收光谱仪中最常用的检测器是光电倍增管 (PMT)。没有其他设备能在原子吸收分析所需的波长范围内提供相同的灵敏度。PMT 将入射光转换为电信号，从而测量光的强度。来自单色仪出口狭缝的光进入 PMT 并击中光电二极管，产生电信号。一系列倍增电极将信号放大，然后在阳极上收集（测量）该信号，并用于提供吸收的定量测量。

光电倍增管接收来自单色器的光并将其转换为电信号。一系列的倍增电极可以将信号放大1亿倍。

电脑化仪器控制

仪器收集的信息被传送到控制计算机。专用仪器控制软件使用在样品分析之前进行的校准来计算样品中每种元素的浓度。结果的统计分析、将仪器设置保存为分析方法以及生成分析报告均由仪器软件完成。

现代原子吸收光谱仪包含传感器网络，并使用复杂的算法来监控和控制其运行状况。当系统出现问题时，它们会通知用户，确保操作安全。

背景校正   

在现实情况下，灯发出的光会被未解离的分子吸收。溶液中的微小颗粒也会散射光。这种光损失称为“背景”。高背景读数可能会错误地指示原子吸收。这可能导致分析结果计算不正确。为了解决这个问题，有几种背景校正技术可以纳入 AA 光谱仪仪器设计中。

单光束 AA 光谱仪分析比较两种光强度。第一种是光穿过不含任何目标元素的火焰时的强度。将其与将含有该元素的样品吸入火焰时的光强度进行比较。通过比较可以测量含元素溶液的总吸光度。

双光束 AA 光谱仪使用氘 (D ₂ ) 背景校正技术。D ₂背景校正经常用于火焰 AA 光谱仪仪器。它使用 D ₂灯测量非原子吸收，有效波长范围为 190 至 425 nm。要进行氘背景校正，需要快速交替切换来自 D ₂和 HCL 共振光源的连续信号。这可以使用斩波镜（切出部分的镜轮）来实现。从 HCL 信号中减去来自 D ₂灯的信号。这样就会得到背景校正后的信号。应当注意，D ₂灯发射的光谱成分与共振频率相同。然而，分析物元素对这种光的吸光度可以忽略不计，因为目标波长的光对灯的总辐射贡献很小。

空心阴极灯信号=原子吸收+背景

氘灯信号 = 仅限背景

电子处理信号 = 仅原子吸收

另一种背景校正技术是使用塞曼技术。塞曼技术通常与石墨炉原子吸收光谱仪 (GF-AAS) 一起使用。塞曼技术不需要使用额外的灯，而是使用磁场来交替偏振光。简而言之，通过在 HCL 光束周围激活磁场，可以进行背景测量。当磁场关闭时，可以进行分析测量。