1.3 原子吸收光谱法的基础知识和概念
1.3.1 光的知识

从色彩上看： 紫外光是波长在200～400 nm范围的光。可见光是人眼能感觉到的光，波长大约在400～750nm之间，是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成的。各种色光的波长有一定的范围(称为波段)。物质的颜色是因物质对不同波长的光具有选择性吸收作用而产生的。下表列出了物质的颜色和吸收光之间的关系。表中两种相对应颜色的光称为互补色光，将它们按一定比例混合，可得到白光。

表 1 物质的颜色和吸收光之间的关系

从物理角度看，光分为：

自然光：光是一种电磁波，电磁波是一种横波，横波就是振动方向和传播方向相互垂直的波。光波就是由相互垂直的电场强度E和磁场强度H来表征的。如图所示。

图  2 光波的矢量E、H和传播方向V

电矢量E亦称光矢量，它引起生理作用和感光作用。在光源中大量原子或分子发光是无规则的。这就是说，个别原子发光是完全独立的。它们辐射光波的频率和相位不同；或者即使频宰相同，相位亦不相同。原子发光时间很短，约为10-8秒。矢量E在振动平面内以各个可能方向、相同的振辐而振动，在各个方向观察效果都一样。这种光称为“自然光”

图  3 自然光

偏振光：如果电矢量E在振动平面内只沿一个方向振动，这种光称“偏振光”。振动方向E与传播方向V组成的平面叫“振动面”；与振动面垂直包含传播方向V的平面叫“偏振面”。如图所示。

图  4 偏振光

相干光：光是一种波动。波是具有可叠加性的。具有相同频率、振动方向相同、相位相等或相位差保持不变的两列光波，称相干波。相干光在某处相遇，就会产生干涉现象——干涉花纹。干涉花纹是相干光在相遇处E矢量的叠加结果。十分明显，同一光源两个不同部位产生的光不是相干光。只有利用同一光源，同一部位发出的光，并通过某些装置后，才能获得相干光。

散射光：光波通过非均匀介质传播时总是伴随着散射现象，这就是说在光波传播方向的旁侧，亦能观察到光——散射光。介质均匀性越差，光散射越严重，波长愈短，散射光愈强。散射光具有偏振性。

1.3.2 朗伯—比尔定律

朗伯（Lambert）吸收定律：1760年Lambert在Bouger工作的基础上发现，当一束平行单色光（ ）通过任何均相、非散射的固体、液体或气体介质层后强度会降低，—部分被吸收（ ），一部分透过介质（ ），一部分被器皿的表面反射（ ）。

图  5 光通过溶液的情况

如图6—3所示，设入射光强度为 ，吸收光强度为 ，透过光强度为 ，反射光强度为 ，则

在吸光光度分析法中。通常将试液和空白溶液分别置于同样质料及厚度的吸收池中，然后让强度为 的单色光分别通过这两个吸收池，再测量其透过光的强度。此时反射光强度基本上是不变的，且其影响可以相互抵消，故上式可简化为：

透过光强度 与入射光强度 之比称为透射比或透光度， 用T表示：

此比值仅与介质层厚度有关，与辐射强度无关。

：透射光强；             ：入射光强；

：吸收系数，反映了介质层的衰减能力；

b：介质层的厚度

如果介质不是单一的物质，而是一种吸收物质的非吸收介质溶液，那么吸收系数与其浓度c成正比：

溶液的透射比愈大，表示它对光的吸收愈小；相反，透射比愈小，表示它对光的吸收愈大。

实践证明，溶液对光的吸收程度，与溶液浓度、液层厚度及入射光波长等因素有关。如果保持入射光波长不变，则溶液对光的吸收程度只与溶液浓度和液层厚度有关。

1852年比尔(Beer A)对Lambert定律作了详细的验证，二者结合称为朗伯—比尔定律，也称为光的吸收定律。

式中：A为吸光度，K为比例常数。

上式是朗伯—比尔定律的数学表达式。它表明：当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度A与吸光物质的浓度C及吸收层厚度成正比。因此可以方便地用标准系列做出工作曲线后，从待测物的吸光度大小，求得其含量。这是进行定量分析的理论基础。式中比例常数K与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。

1.3.3 光谱的分类

光谱的种类: 物质中的原子、分子处于运动状态。这种物质的内部运动，在外部可以辐射或吸收能的形式（即电磁辐射）表现出来，而光谱就是按照波长顺序排列的电磁辐射。由于原子和分子的运动是多种多样的， 因此光谱的表现也是多种多样的。从不同的角度可把光谱分为不同的种类。

按照波长及测定方法，光谱可分为：Y射线（0.0005～0.14nm）， X射线(0.01～10nm )，光学光谱(10nm～300µm)和微波波谱(0.3mm～1m)。而光学光谱又可分为真空紫外光谱(10～200nm)、近紫外光谱(200～380nm)、可见光谱（380～780nm）、近红外光谱(780～3000nm)和远红外光谱(3～300µm)。通常所说的光谱仅指光学光谱而言。

按照电磁辐射的本质，光谱又可分为分子光谱和原子光谱。分子光谱是由于分子中电子能级变化而产生的。

原子光谱可分为发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱和X-射线以及X-射线荧光光谱。前三种涉及原子外层电子跃迁，后两种涉及内层电子的跃迁。目前一般认为原子光谱仅包括前三种。

原子发射光谱分析是基于光谱的发射现象；

原子吸收光谱分析是基于对发射光谱的吸收现象；

原子荧光光谱分析是基于被光致激发的原子的再发射现象。

原子光谱（AS：atomic spectroscopy）分析的分类

1.3.4 三种原子光谱分析法的基本光路图对比

原子吸收光谱法是基于从光源发射的被测元素的特征辐射通过样品蒸气时，气态待测原子中的基态原子对特征谱线的吸收，造成该特征辐射的透射光强度减弱而建立的一种分析方法。

无论是原子吸收光谱分析法AAS、原子发射光谱分析法AES还是原子荧光光谱分析法AFS，作为其分光光度计仪器的功能，都应包括：

A.        利用火焰(或无焰)手段，使被测溶液原子化——形成自由原子或分子。

B.        选择并检测出被测元素的光学信号。

C.        将光信号转换成电信号，并进行放大、读出。

以上三点是AAS、AES、AFS的共同之处。事实上，AAS或AFS去掉激发光源，就能进行AES测定。

1.3.5 灵敏度、检出极限、精密度、准确度

在所有光谱化学分析中，都涉及到被测元素浓度c和测量值x。所谓“分析函数”(Analytical function)，就是表征测量值x与元素浓度c之间的函数关系，即

x＝g（c）

采用坐标铀绘制分析函数的图形曲线，称作分析曲线”(Analytical curve)。对火焰原子化方式而言，通常，宜配制8份吸光度在0.05～1.0范围内的标准溶液来绘制分标标准曲线。当然，对具有干扰效应的系统，元素i的测定值xi，不仅取决于元素i的浓度ci，也取决于其它共存元素的浓度。因此分析曲线可表示为，

xi＝gi（c1，c2，c3···cn）

评定一个分析方法，可以用其灵敏度、检出极限、精密度和准确度来衡量。

1.3.5.1 灵敏度

在光谱化学分析中，灵敏度S被定义为：

可见，灵够度S的物理意义是浓度c的变化(dc)，引起测量值x的改变程度(dx)。显然，灵敏度S，就是分析工作曲线的斜率，斜率大，则灵敏度高。即元素浓度c的微小变化(dc)，将引起测量值较大的改变(dx)。实验研究表明， 随元素浓度c的大小是变化的。也就是说，当工作曲线呈非线性时，灵敏度S是元素浓度c的函数。只有在元素浓度较低的范围内，灵敏度S通常才是一常数。然而，在干扰体系中，灵敏度S还可能是样品中其它共存元素的函数，即 受共存元素影响——干扰。

在原子吸收分析中，采用低浓度时分析工作曲线斜率来评定元素的灵敏度。但在具体做法上，则采用“特征浓度”(Characteristic concentration)，S*：即所谓1％吸收灵敏度来表示（S*亦称“倒易灵敏度”Reciprocal Sensitivity。显然，

可见， ）。

其定义为能产生1％吸收(即吸光度为0.0044A)信号时所对应的待测元素浓度。用(?g／ml／1％)表示。假定c是待测溶液浓度(?g／ml)，A是待测溶液的吸光度，那么：c：S*＝A：0.0044。从而得1％吸收灵敏度(特征浓度)的计算公式：

显然，S*越小，S就越大则分析灵敏度高。

对于无焰法，如高温石墨炉，往往采用绝对灵敏度S*绝的概念。它的定义为能产生1％吸收(0.0044A)信号时所对应的待测元素量，用pg／0.0044A或g／0.0044A表示，计算公式为：

式中：

c是待测溶液浓度，单位为?g／m1 (微克／毫升)

是待测溶液体积，单位用?1 (微升)；

A是待测溶液的吸光度。

计算时要注意单位换算，用pg／0.0044A或g／0.0044A表示。由此可见，所谓灵敏度高，表示S的数值大，分析工作曲线斜率也大，而相应的“特征浓度” S*的数值则是小的。

1.3.5.2 检出极限CL

检出极限通常用一个极小浓度CL表示。其含义是指在给定的分析条件下，能被合理检测出的最小测定值下XL，表示为：

式中， 是空白治液测定的平均值；

是空白溶液测定的标准偏差。空白溶液是指组成与样品相同的不含被测元素的溶液；

K是置信因子。

显然， 是一个被检测到的确定值(信号)，其取决于空白测定值的大小及其重现性。检出极限浓度CL则可由此最小值 导出。这里，差值：

表示被合理检测出的“净测量值”。显然，它对应的浓度值即为CL。我们亦假定一个浓度为c的试验溶液之吸光度为A。那么，与“净测量值” 相比较则得：

所以，检出限为：

式中， 是试验溶液(浓度为c)多次测定的平均吸光度。规定c的浓度要很小，一般为 的2至5倍，对有限次(通常是10次，20次)测定而言，标准偏差 ，可用 代替。

式中，

而

为空白测定的算术平均值。那么，算术平均偏差，

根据误差理论：

利用这一关系，可以大大简化计算标准偏差?手续：即先计算出算术平均偏差?，进而利用上式求出?。

K因子的取值，根据所希望达到的置信水平而选择。根据误差理论计算：

K＝1时，置信水平68％。即有68％分析结果的标准偏差不大于?。

K＝2时，置信水平95％，即有95％分析结果的标准偏差不大于2?。

K＝3时，置信水平99．6％，即有99．6％分析结果的标准偏差不大于3?。

早期，在AAS中。人们选择K＝2。但是，对极低浓度测量而言，误差分布曲线可能是非高斯型的。另一方面，空白标准偏差实际是通过有限次数测量来计算的。因此，就实际意义而言，K＝3相应的实际置信水平泡只有～90％，K＝2就更小了。因此，1975年IUPAC通过的规定，强调并建议置信因子取K＝3。那么，检测极限浓度计算公式为：

单位用 表示。由此可见，检出极限浓度CL可定义为3倍噪声电平所对应的元素浓度。噪声电平由空白水溶液的标准偏差求出。

必须区分“测定下限”和“检出极限”。测定下限是指在满足分析误差要求情况下，该分析方法可测得的最低浓度。可见，测定下限是与给定的分析误差有关，并取决于分析测量信号下限的大小。显然，只有检出极限好，测定下限才能低。

1.3.5.3 精密度

精密度(亦称再现性)反映一组测量结果的波动性，即同一试样多次测定结果的再现性。精密度高也就是再现性好。在分析化学中，有时还使用重复性(Repeatability)和再现性(Reproducibility)来表征精密度。重复性系指在同一条件下同一操作者多次测定结果数值的接近程度。而再现性则指不同实验室，不同操作者各自独立测定结果数值的接近程度。标准偏差能较好地反映测量过程的精密度。因此，在AAS中，精密度习惯用相对标准偏差来表示，即，

式中： 为标准偏差。由试验溶液多次测定位求出。 为试验溶液多次测定的平均吸光度。

显然，精密度取决于偶然误差的大小。表示精密度应指明测定次数和相应的含量范围。最好是列出各次测定的数值。

1.3.5.4 准确度

“准确度”意味着测定结果与“真值”之间的符合程度。它取决于偶然误差和系统误差。准确度用“绝对误差 ”或“相对误差 ”表示。

或

式中：x是测量值，T是“真值”。我们知道，“真值”是不可知的。但可以在没有系统误差时，通过多次测定的算术平均值 来接近“真值”T，即：

（有限次）

在实际分析中，人们往往取国家标准样品或“管理样”作“真值”来考察所制定方法的准确度。

l         必须正确区分“准确度”和“精密度”两个不同概念。

我们以A、B、C三人分别“射箭”的结果来说明。如下图所示：

可见：

    A：表明“精密度”和“准确度”都差；

    B：表明。“精密度”高，但“准确度”差；

    C：表明“精密度”和“准确度”都好。