1、原子吸收分光光度计的发展与应用 毕业设计（论文） 题目： 原子吸收分光光度计的发展与应用毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题目: 原子吸收分光光度计的发展与应用 院 别： 专 业： 应用化学 班 级： 设 计 人： 指 导 教 师： 毕业设计（论文）任务书 一、题目: 原子吸收分光光度计的发展与应用 二、基础数据: 三、内容要求 1.说明部分 2.计算部分 四发给日期： 2014年 5 月 16 日 五 要求完成日期： 2014 年 7 月 31 日 指导教师： 系 主 任： 2014年5月 15日原子吸收分光光度计的发展与应用（）摘 要 原子吸收分光光度计是测量化探样品微量元素的重要仪器,
2、解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构，提高了仪器的自动化程度，改善了测定准确度，使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。特别是材料科学、生命科学、空间技术的大发展，对不透明物质中金属元素的分析越来越多，许多食品、药品、自然环境中的微量重金属元素能引起致癌，对人类生活、生存、发展的威胁越来越大；而这些微量重金属元素的分析，目前也是主要依靠AAS。今后原子吸收分光光度计应用的发展将会越来越快，所以原子吸收分光光度计（AAS）仪器的应用越来越广泛。 关键词：原子吸收分光光度计；发展；领域；应用Development and Application of an A
3、tomic Absorption SpectrophotometerAbstractAtomic absorption spectrophotometer measuring instrument is an important trace elements samples, to solve the simultaneous determination of multi elements and opened up new prospects. Simplify the instrument structure of microcomputer control for atomic abso
4、rption spectrometry system, improve the degree of automation equipment, improve the accuracy of measurement, great changes have taken place in the face of the atomic absorption spectrometry. Especially the development of material science, life science, space technology, metal elements of opaque mate
5、rial in the analysis of trace heavy metal elements more and more, many food, medicine, natural environment can cause cancer, and a threat to human life, survival, development is greater; and the trace analysis of heavy metals, is currently the main relying on AAS. Future development of atomic absorp
6、tion spectrophotometer and will be applied more quickly, so the atomic absorption spectrophotometer (AAS) is applied more and more widely in the instrument.Keywords: spectrophotometer; development; application field of atomic absorption .1 前言原子吸收光谱法诞生于1955年:澳大利亚人瓦尔士(Walsh),荷兰人艾柯蒙德米拉兹分别独立发表了原子吸收光谱分析的
7、论文。瓦尔士(Walsh)被全世界公认为原子吸收光谱分析的奠基人。他提出将原子吸收光谱法作为常规的分析方法并建立了原子吸收光谱分析法.李.沃屋是石墨炉原子吸收光谱分析法(GFAAS)的提出者和奠基人,又是石墨炉原理样机的发明者。马斯美恩是商品石墨炉原子化器样机的发明者。 随着原子吸收技术的发展，推动了原子吸收仪器的不断更新和发展，而其它科学技术进步，为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来，使用连续光源和中阶梯光栅，结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器，设计出了微机控制的原子吸收分光光度计，为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构
8、，提高了仪器的自动化程度，改善了测定准确度，使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。特别是材料科学、生命科学、空间技术的大发展，对不透明物质中金属元素的分析越来越多，所以原子吸收分光光度计（AAS）仪器的应用越来越广泛；许多食品、药品、自然环境中的微量重金属元素能引起致癌，对人类生活、生存、发展的威胁越来越大；而这些微量重金属元素的分析，目前也是主要依靠AAS。因此，AAS仪器及应用的发展非常迅猛，值得广大科技工作者重视原子吸收分析仪器的发展。我国目前的AAS仪器发展很快，已有重大突破。但是，我们还应看到我国在高档AAS方面与国外差距很大；特别在主要的、关键的功能、性能技术指标上，差距更加明显
9、；如:可靠性、软件、附件、工艺等等。我们必须看到这些差距。只有看到了差距，才有赶超国际先进水平的动力，才有赶超国际上AAS的先进水平的可能。在中、低档AAS方面，我国与国外的差距已经很小，特别是在火焰方面，差距更小;我国自己生产的火焰AAS，基本上都能满足使用要求。我国的中档AAS，有些技术指标还能优于国外同类产品；如：北京普析通用公司的TAS986/990、上海精科公司的4501、北京瑞利公司的200/210等AAS就是。特别是TAS986/990，采用横向加热石墨炉技术，全世界只有5家公司能生产横向加热石墨炉AAS，而我国能生产此类仪器。2 发展部分2.1原子吸收分光光度计发展史20世纪5
10、0年代末,英国Hilger&Watts公司和美国PE公司分别在Uvispek和P-E13型分光光度计基础上研发了火焰原子吸收分光光度计. Hilger&Watts的Uvispek被称为第一台问世的火焰原子吸收光谱商品仪器。1970年美国PE公司推出了第一台石墨炉原子吸收光谱商品仪器(HGA-70型)。1969年Prugger和Torge申请了塞曼背景校正方法的专利。1976年日本Hitachi公司的第一台恒定磁场塞曼原子吸收光谱仪器投放市场。1983年有自吸背景校正方法的论文.同年有仪器参展。 1990年第一个纵向磁场,横向加热石墨炉塞曼原子吸收光谱仪,PE的ZL4100。1997年北京瑞利分
11、析仪器公司推出了带富氧空气-乙炔高温火焰原子化器的原子吸收光谱仪器。21世纪前夕,美国Thermo公司与PE公司先后将高分辨的分光系统-中阶梯光栅单色器引入原子吸收光谱仪。1802年,渥拉斯通(Wollastone)发现了太阳暗线。1860年柯希霍夫(Kirchhoff)和本生(Bunsen)解释了太阳暗线产生的原因:由于太阳周围较冷气体中存在的某些元素原子,吸收了太阳的连续光谱而行成的。原子吸收光谱法诞生于1955年:澳大利亚人瓦尔士(Walsh),荷兰人艾柯蒙德米拉兹分别独立发表了原子吸收光谱分析的论文。瓦尔士(Walsh)被全世界公认为原子吸收光谱分析的奠基人。他提出将原子吸收光谱法作为
12、常规的分析方法并建立了原子吸收光谱分析法.李.沃屋是石墨炉原子吸收光谱分析法(GFAAS)的提出者和奠基人,又是石墨炉原理样机的发明者。马斯美恩是商品石墨炉原子化器样机的发明者。1968年Massmann炉问世。1970年美国PE推出第一台石墨炉原子吸收分光光度计商品仪器ZL4100。原子吸收发展四阶段:1.1954-1959年实验室仪器装置的研发阶段2.1960-1970年商品仪器初级阶段3.1971-1990年商品仪器完善阶段4.1991-现在商品仪器及技术发展进入了高水平的平台阶段. 1965年，吴廷照等组装成功了实验型原子吸收光谱仪。 1970年，北京科学仪器厂生产了我国第一台单光束火
13、焰原子吸收分光光度计。2.2原子吸收光谱仪器的产生 原子吸收光谱作为一种实用的分析方法是从1955年开始的。这一年澳大利亚的瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文“原子吸收光谱在化学分析中的应用”奠定了原子吸收光谱法的基础。50年代末和60年代初，Hilger,VarianTechtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器，发展了瓦尔西的设计思想。到了60年代中期，原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期。2.3 AAS仪器的最新进展1、石墨炉横向加热技术是全世界科学家重要的攻关成果。世界上第一台成熟的横向加热石墨炉AAS商品仪器，是美国的PE公司于1990年推出的。它
14、是全世界科学家重要的攻关成果。目前日趋成熟。世界上已有5家公司（PE、Jena、Aurora、普析通用、GBC）能生产横向加热石墨炉AAS。横向加热石墨炉具有纵向加热石墨炉无可比拟的八大优点；(1) 对复杂基体的真实样品的痕量和超痕量分析特别适合（抗干扰性好！）；(2) 横向加热石墨管，使得沿光束方向的石墨管温度严格均匀一致；(3) 可显著地降低基体效应和消除记忆效应；(4) 可消除常见的峰拖尾；(5) 可避免纵向加热石墨管引起的灵敏度损失 (6) 可降低对炉体的要求，延长其寿命(因为温度低)；(7) 温度梯度小（横向中心和两端温度差150；纵向差500）横向加热石墨炉的八大优点中，最关键的是
15、石墨管内温度均匀。因此，横向加热石墨炉石墨管中的原子化效率均匀、原子浓度均匀；而纵向加热石墨炉石墨管中心的温度与两端差得很多，可达5000C。因此，纵向加热石墨炉石墨管中的原子化效率不均匀、原子浓度不均匀。所以，横向加热石墨炉具有上述八大优点。特别是稳定性（RSD）好。综上所述，横向加热石墨炉是最先进的技术、是纵向加热石墨炉发展的必然趋势。2、自动化程度令人赏心悦目。世界上第一台成熟的AAS商品仪器，是美国的PE公司1961年推出的1。从六十年代初期开始，国外生产的的AAS，就采用计算机技术。到了六十年代末期或七十年代初期，国外的AAS普遍采用计算机。目前，国外生产的AAS的自动化程度都很高，
16、已经发展到了令人赏心悦目的程度2。目前，欧美等发达国家生产的AAS中，很多仪器面板上只有一个电源开关，其余的全部操作、数据处理等都通过计算机来完成。我国目前生产的AAS中，除TAS986/990面板上只有一个电源开关，其余操作、数据处理等都全部用计算机来完成外，还较少见自动化程度非常高的仪器。在自动化程度方面我们与国外AAS还存在差距。3、进样技术发展速度惊人。AAS属于相对测量的仪器，因此，对重复性要求很高高。特别是石墨炉AAS，更是如此。这就对进样技术提出了高要求；目前国外很多仪器都是采用自动进样器，如PE、Varian等公司。但是，我国带自动进样器的石墨炉仪器不多；除北京瑞利公司、北京普
17、析通用公司、北京东西电子公司等少数几家的AAS有石墨炉自动进样器外，其余大部分都没有。这是特别需要加快步伐迎头赶上的。特别是固体进样器的问世，更引人注目。对于难熔的高温元素分析是革命性的突破3。4、扣背景技术发展令人眼花缭乱。近几年，在AAS扣背景技术方面，已出现可变磁场塞曼扣背景的仪器；如：德国Jena公司的AASZeenit60型、700型AAS，就是采用三磁场塞曼扣背景的仪器；因为不同的元素，需要不同的磁场强度才能产生塞曼裂变，所以，三磁场塞曼扣背景的AAS，是具有创新特色的仪器。横向、纵向石墨管温度分布比较曲线度才能产生塞曼裂变，所以，三磁场塞曼扣背景的AAS，是具有创新特色的仪器。它
18、的优点有：可调节分析灵敏度；可扩展固体分析的分析范围；不需换到次灵敏线测试；不需停气测试；不需稀释样品等等4。目前，美国Varian公司的AA280、AA240SF；PE公司的AA800等是全世界成熟商品AAS仪器中最高级的仪器；采用横向加热石墨炉、交流塞曼扣背景；不管是从性能技术指标，还是从功能技术指标来讲，都属于世界之最5。5、新型的AAS仪器不断涌现、连续光源的AAS仪器问世。常规的AAS大多采用能够发射元素分析谱线的空心阴极灯做光源，因此称为线光源AAS6。但是，线光源AAS不能对多个元素同时进行分析检测，并且，因为无法提供分析谱线的轮廓信息以及其侧翼的光谱背景信息，同时背景都较大，因
19、此，线光源AAS必须配置专门的背景校正器。这些缺陷都限制了原子吸收光谱的应用范围。近几年来，随着高光谱分辨能力的中阶梯光栅光谱仪技术和具有多通道检测能力的半导体图像传感器技术的日趋成熟，使用连续光源做原子吸收分光光度计（CSAAS）的光源已经成为可能；并且它有可能成为未来AAS仪器的发展方向。德国Jena公司最近刚推出的CSAAS（ContrAA），是对AAS的重大突破、是AAS的最新进展之一；常规的传统线光源原子吸收分光光度计（LSAAS），一个灯只能作一个元素。而CSAAS，采用交叉色散系统和CMOS图像传感器的形式，不需要移动光路中的任何部件，可以同时检测从As193.76nm到Cs85
20、2.11nm之间的多条任意分析谱线，具有同时多元素定性、定量分析能力；检出限和精密度达到或超过线光源AAS的水平，从而使AAS仪器发展到一个新的水平7。ContrAA采用高聚焦短弧氙灯作为连续光源，该高聚焦短弧氙灯是一个气体放电光源，灯内充有高压氙气，在高频高压电压的激发下形成弧光放电，辐射出从紫外到近红外的强连续光谱。能量比一般氙灯大许多，电极距离1mm，发光点只有200m,发光点温度10000KT。这样的设计，使仪器提供的光谱信息非常丰富，改善了分析结果准确性和测量精度。其在启动后即能很快达到接近最大光输出，这是该原子吸收光谱仪不需要通过灯预热来防止产生漂移的主要原因。多元素顺序测定时，可
21、测量元素周期表中60余个金属元素，并可以测量放射性元素，为研究原子光谱的机理提供了分析手段。过去，连续光源一直难以在原子吸收光谱仪上得到应用，主要原因在于连续光源须在每一个分析波长处与空心阴极灯有同样的光辐射强度和稳定性，这一技术对于仪器的分光系统和检测系统有着极高的要求。原子吸收谱线的宽度约为0.00Xnm，耶拿公司的ContrAA采用了石英棱镜高分辨率的大面积中阶梯光栅组成双单色器解决了0.003nm带宽的问题，使连续光源在近似单色光的条件下测量原子吸收。连续光源AAS的主要突破点是：(1) 采用300W高聚焦短弧氙灯作连续光源，波长覆盖了原子吸收全部波长范围。分析结果准确、测量精度高。(
22、2) 突破了中阶梯光栅的应用技术，解决了仪器的窄光谱带宽问题。(3) 成功的解决了高灵敏度CCD检测器的应用技术难关，与中阶梯光栅结合，使分辨率达到0.002nm。(4) 具有优异的背景校正功能：分析时，同时把所有背景的信息都记录，可以事后将各种背景都扣除干净。传统原子吸收仪器上的氘灯背景装置，各种Zeeman效应的背景装置、S.H法背景装置都不需要了。高灵敏度CCD线阵检测器的使用增加了量子效率，光学分辨率达到2pm，在扩大线性动态范围的同时，降低噪声，提高灵敏度，使检出限优于普通原子吸收光谱仪。对快速多元素分析, 分析速度已达到或超过ICP；从可获得的分析信息量的角度而言，ContrAA基
23、本上可以与ICP媲美了连续光源、中阶梯光栅、CCD检测器的结合，同时检测分析信号和背景信号，使样品光束和参考光束的测量同时获得，没有时间差异，具有实时双光束的功能，且能显示光谱通带内的光谱干扰信息，这些特点是ContrAA成为能精确地校正背景和观察研究谱线干扰的理想仪器的关键。目前，尽管CSAAS对光源、中阶梯光栅、CCD接收器等多方面都要求很高，整机制造的技术难度也很大，在产业化和性价比等方面，还有许多问题需要进一步深入研究。但是，它肯定无疑是AAS仪器发展史上的一个里程碑，是一个革命性的突破，将为AAS的应用开辟一个广阔的新空间。(1) 近几年来，美国瓦里安推出AA-240FS快速序列式A
24、AS，是好仪器；比传统的AAS省40的样品消耗、50的时间消耗。2分钟可测定10种元素。同时，瓦里安推出最新的AA280；它有两套革命性系统：八灯快速序列式分析模式和塞曼模式；分析速度提高50。采用气体最小化技术，使气体消耗量减少40%；石墨管寿命延长两倍；Cu可达5000次；石自动进样器可处理135份样品。(2) 20042006年，北京普析通用推出TAS990、MB5、MG2等AAS。MB5一滴血，3秒钟同时测出Cu、Zn、Ca、Mg、Fe5个元素；MG2一滴血，一分半钟同时测出Cd、Pb两个元素；是妇幼保健、医学检验必备的先进仪器。现在都已经上市。(3) Varian近几年的Spectr
25、AA-duo也是较好之一；火焰、石墨炉作在一起，各具有独立的光学和检测系统，由一台工作站全自动控制，可实现火焰、石墨炉的分析同时进行可节省时间50%。(4) 近几年，岛津推出6300、PE推出AA400。(5) 近几年双光束AAS也有人重视：早期的AAS仪器都是单光束。随着科学技术的发展，AAS仪器也在不断发展，目前，已出现了双光束AAS；如：德国Jena公司的AASZeenit60型AAS就是。我国也有企业研发双光束AAS，如上海精密科学仪器公司的AA300等。(6) 我国目前的AAS仪器发展很快，已有重大突破。但是，我们还应看到我国在高档AAS方面与国外差距很大；特别在主要的、关键的功能、
26、性能技术指标上，差距更加明显；如:可靠性、软件、附件、工艺等等。我们必须看到这些差距。只有看到了差距，才有赶超国际先进水平的动力，才有赶超国际上AAS的先进水平的可能。在中、低档AAS方面，我国与国外的差距已经很小，特别是在火焰方面，差距更小;我国自己生产的火焰AAS，基本上都能满足使用要求。我国的中档AAS，有些技术指标还能优于国外同类产品；如：北京普析通用公司的TAS986/990、上海精科公司的4501、北京瑞利公司的200/210等AAS就是。特别是TAS986/990，采用横向加热石墨炉技术，全世界只有5家公司能生产横向加热石墨炉AAS，而我国能生产此类仪器。3 应用部分3.1 AA
27、S应用的发展简况3.1.1 AAS的具体应用发展AAS的具体应用发展简介如下：1.已由无机化学向有机化学过渡。2.生命科学研究中的“坐上宾”。3.医疗、卫生领域非常重视AAS。4.药检工作中的应用:国际上许多药物的分析测试、质量检验都用AAS；如：我国2005年版的药典（一部为中药、二部为西药、三部为生物制品）规定：各类药品中，共有27个品种12个元素要求用AAS分析检测；其中：药典一部规定，有6个品种5个元素（Pb、Cd、Hg、As、Cu）要用AAS进行质量控制和分析检测；药典二部规定，西药中有17个品种继续用AAS进行质量控制和分析检测；药典三部规定，生物制品中有四个品种3个元素（K、Na
28、、Al）要用AAS进行质量控制和分析检测。 未写进药典的、但用AAS检测的样品很多；如：腹腔透析液中的钾K、Na、Ca、Mg，复合维生素中的Cu、Co、Fe、Mn，盘尼西林中的钯Ba，灵芝中的Cu和Mn，阿胶中的Hg，六味地黄丸和牛黄解毒丸中的Hg、As、Mo、Hg、Cu等等，都仍然要求用AAS分析检测8。5.农业环保中的应用：粮食、种子、蔬菜、土壤、中草药、农药中的As、Hg、Se、Sb的检测，早已普遍使用AAS。6.商检、食品中的应用：我国和世界上许多国家，都对化妆品、金属、肉类、鱼类、酒类、口服液、奶类、奶制品等中的As、Hg、Se、Pb、Ge等微量元素普遍采用AAS进行检测。7.冶金工
29、业中的应用：金属中的有害元素（As、Bi、Pb、Sb、Sn等）检测。8.水质中的有害微量元素分析检测。9.环境监测中对有害微量元素分析检测。10.地质找矿普查、详查和异常评价中的应用。3.1.2应用的最新进展国际上从事AAS应用的科技工作者普遍、经常碰到的技术难题，近几年来全世界科学家进行了攻关9。攻关的最新进展如下：1.进样技术攻关进样技术既是仪器方面的重要内容，又是应用方面的重要内容。AAS的各种新型进样器的涌现，是一个很值得广大科技工作者重视的问题。因为，样品消解，是AAS分析工作的最重要内容之一。特别是对难熔的样品，更是一大分析难题。但是，目前许多科学家和科技工作者，正在花大力气对此展
30、开攻关。近几年，针对不能消解的样品分析难题，科学家经过攻关，已研发出固体进样器，对很难消解或不能消解的固体样品，采取不需要消解就直接固体进样的办法（只适用于石墨炉AAS）。这是一个革命性的突破。它的主要优点是：A.简便：不需要化学前处理，节省时间、节省化学品的花费；B.灵敏度高：能达到pg级和fg级的检测水平；C.直接分析真实样品：无污染；D.适用性强：特别适合生物样品的痕量分析；E.真正的微量分析方法：10mg-50mg作一个样品；F.自动化程度高：除可手动外，已出现全自动的固体进样器；2.高温、难熔元素（如鉬、钒）分析难题的攻关（石墨炉横向加热、固体进样）。 3.线性范围窄的分析难题攻关（
31、三磁场）。4.背景扣除的误差很难消除的难题攻关（D2、可变磁场）。5.如何快速建立分析方法的难题攻关（最佳条件固化、推荐菜单）。6.如何进行高浓度基体连续分析的难题攻关（FIA、为微量样）。7.如何提高分析速度的难题攻关（FIA、快速升温、全自动、固体进样）。8.复杂体系或复杂基体的样品分析难题攻关（石墨炉横向加热）。9.样品处理沾污难消除的难题攻关（石墨炉横向加热、固体进样、智能稀释）。3.1.3 AAS应用的最新进展AAS应用的最新进展中特别值得注意的还有以下几个方面：1.多种新技术、新方法不断涌现：目前，国外AAS的应用技术发展很快；特别是在电热原子吸收光谱法（ETAAS）、高分辨率连续光源原子吸收光谱法源（HRCSAAS）、持久性化学改进剂（一次注入，可以连续使用1000多次）、化学蒸气发生技术等新技术方面发展特别快，很值得重视。2.AAS在生物金属科学中的应用大发展近年来，继基因组学与蛋白组学之后，金属组学和代谢组学的出现，正在成为光谱学家关注的重点；2001年，Williames提出“金属组”（Metallome）的概。2004年Haraguchi提出“金属组学”（Metallomics）就是“生物金属科学”（Biometalscienc
