原子吸收光譜儀激發光源原理及常見燈的種類

原子吸收使用的激發光源有銳線光源和連續光源兩種。

一、銳線光源

對銳線光源性能的要求：

①有足夠強度；

②發射譜線寬度??；

③光譜純度高、背景低，共振線兩側背景應＜1％；

④穩定性好，30min漂移＜1％；

⑤壽命應在5000mA.h（As、Se＜3000mA.h），操作和維護方便；

⑥外觀美觀、結構牢固。

銳線光源通常有空心陰極燈（HCL）、無極放電燈（EDL）近年出現調諧二極管激光燈（DL），目前國內很少用。高聚焦短弧氙燈近年已用于AAS儀上。

1.空心陰極燈

空心陰極燈是由玻璃管制成的封閉式低壓氣體的放電管。主要是由一個陽極和一個空心陰極組成。陰極為空心圓柱形，由待測元素的高純金屬或合金制成，貴重金屬以其襯在期極內壁。陽極為鎢棒，上面裝有鈦絲或銀片作為吸氣劑。燈的光窗材料根據所發射的共振線波長而定，在可見波段用硬質玻璃，在紫外波段用石英玻璃，制作時先抽成真空，然后得入少量氖或等情性氣體，其作用是載帶電流、使陰極產生濺射及激發原子發射特征納光譜。

由于受宇宙射線等外界電離源的作用，空心陰極燈中總是存在極少量的帶電粒子。當間加上300～500V電壓后，管內氣體中存在著的極少量陽離子向陰極運動，并轟擊陰極面使陰極表面的電子獲得外加能量而逸出，逸出的電子在電場作用下，向陽極作加速運動運動過程中與充氣原子發生非彈性碰撞，產生能量交換，使惰性氣體原子電離產生二次電子和正離子，在電場作用下，這些質量較重、速度較快的正離子向陰極運動并擊陰極表面不但使陰極表面的電子被擊出，而且還使陰極表面的原子獲得能量從晶格能的束縛中出進入空間，這種現象稱為陰極的“濺射"?！盀R射"出來的陰極元素的原子，在陰極區再與電不惰性氣體原子、離子等相互碰撞，而獲得能量被激發發射陰極物質的線光譜。

空心陰極燈發射的光譜，主要是陰極元素的光譜若陰極物質只含一種元素，則制成的是單元素燈，若陰極物質含多種元素，則可制成多元素燈。多元素燈的發光強度一般都較元素燈弱。

空心陰極燈的發光強度與工作電流有關。使用燈電流過小，放電不穩定；燈電流過大濺射作用增強，原子蒸氣密度增大，譜線變寬，甚至引起自吸，導致測定靈敏度降低，燈壽命縮短。因此在實際工作中應選擇合適的工作電流。

空心陰極燈是性能優良的銳線光源。由于元素可以在空心陰極中多次濺射和被激發，氣態原子平均停留時間較長，激發效率較高，因而發射的譜線強度較大由于采用的工作電流一般只有幾毫安或幾十毫安，燈內溫度較低，因此熱變寬很??；由于燈內充氣壓力很低，發原子與不同氣體原子碰撞而引起的壓力變寬可忽略不計；由于陰極附近的蒸氣相金屬原子密度較小，同種原子碰撞而引起的共振變寬也很??；此外，由于蒸氣相原子密度低、溫度低、自吸變寬幾乎不存在。因此，使用空心陰極燈可以得到強度大、譜線很窄的待測元素的特征共振線。

空心陰極燈有單元素燈、多元素燈、高性能燈（超燈）和多陰極燈等。

（1）單元素燈

結構示意圖見圖1，這是一種通用型空心陰極燈，由一個鎢（W）棒陽極和一種含金屬元素或其合金的空心圓柱杯陰極組陽極成。兩極之間充滿低壓的惰性氣體（氖氣或氬氣）密封在一種特制形狀玻璃圓筒里，應用輝光放電和陰極濺射原理將HCL點亮，充Ne的HCL呈橘紅色，充Ar的HCL呈淺藍色，實際應用最多是單元素燈，目前已經生產了數十種該類型燈。

（2）多元素燈

陰極由2～7種金屬元素合金或混合物構成，如Ca-Mg-Zn、Al-Ca-Cn-Fe-Mg-Si-Zn。其優點:可以在不換燈情況下連續測定多種元素，縮小預熱時間和換燈麻煩。缺點：比單元素發射強度弱，也有些元素之間配搭不當互相干擾，并有可能路低使用壽命，這種燈價格高，早期只有美國 Perkin Elmer公司和日本日立公司生產，國內這種商品的生產不多見。

（3）多陰極燈

由一個陽極放置中間位置，其周圍放置6個（種）金屬元素6個陰極（見圖2）。其原理與單元素HCL相同，其價格昂貴，目前只有澳大利亞GBC公司生產，由于價格和某些原因沒有廣泛應用。

圖2 多陰極燈結構圖

（4）高性能燈或超燈

除了和普通HCL一樣有1個陰極、1個陽極外，還增加一對輔助電極，輔助電極間通以幾百毫安的低壓直流電使其產生電離的氣體原子流，使從空心陰極濺射出來的金屬原子與之碰撞又進一步激發，從而提高共振線的強度。這種燈光強度比普通HCL強幾倍到幾十倍，不產生譜線變寬，適用于As、Sb、Bi、Se、Ag、Cd、Pb或某些稀元素，近年也應用于AFS作為光源。

2.無極放電燈

對于砷、銻等元素的分析，為提高靈敏度，亦常用無極放電燈作光源。無極放電燈是由一個數厘米長、直徑5～12cm的石英玻璃圓管制成。管內裝入數毫克待測元素或揮發性鹽類，如金屬、金屬氯化物或碘化物等，抽成真空并充入壓力為200Pa的惰性氣體氬或氖，密封起來，制成放電管，將此管裝在一個高頻發生器的線圈內，并裝在一個絕緣的外套里，然后放在一個微波發生器的同步空腔諧振器中（見圖4）。一般用2450MHz±25MHz頻率微波（振蕩下）進行操作。這種燈的強度比空心陰極燈大幾個數量級，沒有自吸，譜線更純。目前有 Perkin Elmer公司生產As、Sb、Bi、Cd、Hg、Se、Te和個別稀土元素燈。其他廠商未見有這些產品出售。使用這類燈需要配有特殊輔助電源裝置，其穩定較差，而且燈較昂貴，元素種類不全，應用受艱制。

二、連續光源

在連續光源高分辨原子吸收光譜儀（CS-HR AAS）中，采用特制的高聚焦短弧氙燈作為連續光源。該燈是一個氣體放電光源，燈內充有高壓氙氣，在高頻電壓激發下形成高聚焦弧光放電，輻射出從紫外線到近紅外的強連續光譜。功率為300W，能量比一般氙燈高10～100倍，這種短弧氙燈（圖5）處于熱斑（"hot-spot“）模式下工作，電極距離＜1mm發光點只有200μm，發光點溫度10000K。這樣，采用一個連續光源即可取代所有空心陰極燈，一只氙燈即可滿足全波長（189～900nm）所有元素的原子吸收測定需求，并可以選擇任何一條譜線進行分析。另外，也能測定一些具有銳線分子光譜（Po、Cs...）的非金屬元素。

圖5 高聚焦短弧氙燈照片圖

采用石英棱鏡和高分辨率的大面積中階梯光柵組成雙單色器以及高性能CCD線陣檢測器，使儀器能同時測定特征吸收和背景吸收，得到時間-波長-信號三維信息，所有背景信號同時扣除，不用傳統背景校正方法和附加裝置。能同時順序快速分析10～20個元素，線性范圍和動態范圍寬，檢出限優于銳線光源AAS。連續光源原子吸收可以不用更換元素燈，利用一個高能量氙燈，即可測量元素周期表中67種金屬元素。圖6為耶拿公司生產的 ContrAA3300連續光源原子吸收光譜儀光學結構示意圖。連續光源原子吸收光譜儀改變了原子吸收光譜分析一定要用銳線光源的傳統觀念，以及只能單元素測定的現狀，可以說是原子吸收光譜儀的革命。

圖6 ContrAA3300連續光源原子吸收光譜儀光學結構示意圖

三、背景校正連續光源

（1）氘燈（D2）可分為普通氘燈（10V）、四線氘燈、空心陰極氘燈（DHC）三種其中D2-HCL作為校正背景（190～350nm）的優點在于：使用時在同一軸上，克服了光斑重疊難題。四線氘燈增加一個（對）電極（有4條引線），增強了氘燈發射強度，有利于提高背景校正能力。氘燈外觀及結構如圖7所示。

（2）碘鎢燈（WI）將背景校正范圍提高到350～900nm。例如美國 Perkin Elmer公司的AA5100儀曾配有這種燈。

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