一、基本原理
1. 原子吸收光谱的产生
众所周知，任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级。因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级（E 0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E 恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差△E 时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的谱线称为共振吸收线，简称共振线。电子从第一激发态返回基态时所发射的谱线称为第一共振发射线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小，电子跃迁几率最大，故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲，它是所有吸收线中最灵敏的，在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。
2. 原子吸收光谱分析原理
2.1谱线变宽及其原因
原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中被待测元素的基态原子吸收后，测定发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合吸收定律：
I ν=I 0e (-k νl ) (1.1) log I ν=-0.434K νl =-A (1.2) I 0
其中：K v 为一定频率的光吸收系数，K v 不是常数，而是与谱线频率或波长有关，I v 为透射光强度，I 0为发射光强度。
据吸收定律的表达式，以 I ν~ν 和 K ν-ν 分别作图得吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。可见谱线是有宽度的。谱线的宽度主要有两方面的因素：一类是由原子性质所决定的，例如自然宽度；另一类是外界影响所引起的，例如热变宽、碰撞变宽等。
2.2基态原子数和总原子数的关系
据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从 Boltzmann 分配定律：
N i 0=g i 0e -E i /kT (1.3)
可见，N i /N0的大小主要与“波长”及“温度”有关。也就是说当温度保持不变时，激发能（h ν）小或波长长，N i /N0则大。但在 AAS 中，波长不超过600nm 即激发能对N i /N0的影响有限。同时随温度增加N i /N0变大，且N i /N0随温度T 增加而呈指数增加。尽管原子的激发电位和温度 T 使 N i /N0值有数量级的变化，但N i /N0值本身都很小。或者说处于激发态的原子数远小于处于基态的原子数。
实际工作中，T 通常小于3000K 、波长小于600nm ，故对大多数元素来说N i /N0均小于1%，可忽略不计。总之，温度对原子吸收分析的影响不大。
二、仪器构成
AAS 仪器由光源、原子化系统（类似样品容器）、分光系统及检测系统组成，如图1所示。
图1. 原子吸收仪器结构示意图
1. 光源
作为光源要求能够发射待测元素的锐线光谱，且有足够的强度、光源产生的背景小、稳定性好。一般采用空心阴极灯作为光源。
2. 原子化器
原子化器可分为预混合型火焰原子化器、石墨炉原子化炉和氰化物反应器三种类型。火焰原子化器由喷雾器、雾化室、燃烧器、火焰（内焰基态原子作为分析区）四部分组成。其特点是操作简便、重现性好 。
a ） 喷雾器
作用是将试样溶液转为雾状。要求性能稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液）。
b ） 雾化室
雾化室内部装有撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀）。作用是将雾状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧器。该类雾化器因雾化效率低（进入火焰的溶液量与排出的废液量的比值小），现已少用。目前多用超声波雾化器等新型装置。
c ） 燃烧器
产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。有单缝和三缝两种形式，其高度和角度可调（让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收）。燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定（光程、回火、堵塞、耗气量）。
d ） 火焰
火焰分焰心（发射强的分子带和自由基，很少用于分析）、内焰（基态原子最多，为分析区）和外焰（火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境）。燃烧速度是指混合气着火点向其它部分的传播速度。当供气速度大于燃烧速度时，火焰稳定。但过大则导致火焰不稳或吹熄火焰，过小则可造成回火。
图2. 天然气-空气火焰
表1. 不同类型火焰及其温度
石墨炉原子化炉由电源、保护系统和石墨管三部分组成。是一类将试样放置在石墨管壁、石墨平台、碳棒盛样小孔或石墨坩埚内用电加热至高温实现原子化的系统。其中管式石墨炉是最常用的原子化器。原子化程序分为干燥、灰化、原子化、高温净化四个阶段。原子化效率高，在可调的高温下试样利用率达100% ，灵敏度高，其检测限达10-6~10-14 ，还有试样用量少的优点。
3. 分光系统（单色器）
由出射、入射狭缝、反射镜和色散原件（棱镜或衍射光栅）组成。
单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。
单色器的性能是指色散率、分辨率和集光本领。
4. 检测器
由检测器（光电倍增管）、放大器、对数转换器和电脑组成。使用光电倍增管可直接得到测定的吸收度信号。
三、分析过程
1. 简要操作步骤
首先打开工作气体阀门，调节好出口气体压力。
打开主机。打开计算机，待仪器自检完毕后，双击AAS 图标，进入应用软件的开始菜单界面。
选择待测元素，安装相应元素空心阴极灯。载入cookbook ，按照厂家设定好的分析方法进行分析。分别调节光学参数，光源能量使仪器调整待测元素空心阴极灯光源能量在最佳状态。
调节自动进样器各项设置，保证进样器最低点要高于炉中液面一个液滴的距离。
测定标样，制作标准曲线。
检测样品。通过调节原子化温度可以改善峰形。
关机。首先熄灭火焰，再退出AAS 系统。关闭AAS 主机电源和计算机电源。关闭工作气体总阀，断开空气压缩机电源。关闭电源总开关。
2. 分析条件的选择
可以通过选择不同的分析分析线、改变Slit 宽度、原子化条件和灯电流以改善测量条件。
2.1分析线
通常选共振线为分析线（最灵敏线或且大多为最后线），但不是绝对的。如Hg185nm 比Hg254nm 灵敏50倍，但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生吸收；共振线Ni232nm 附近231.98和232.12nm 的原子线和231.6nm 的离子
线，不能将其分开，可选取 341.48nm 作分析线。此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向试样中引入杂质，可选取次灵敏线。
2.2 Slit 宽度
调节 Slit 宽度，可改变光谱带宽(∆λ=S⨯D) ，也可改变照射在检测器上的光强。一般狭缝宽度选择在通带为0.4~4.0nm 的范围内，对谱线复杂的元素如Fe 、Co 和 Ni ，需在通带相当于1Å 或更小的狭缝宽度下测定。
2.3灯电流
灯电流过小，光强低且不稳定；灯电流过大，发射线变宽，灵敏度下降，且影响光源寿命。选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的1/2~2/3），最佳灯电流通过实验确定。
2.4原子化条件
原子化条件为（以石墨原子化为例）升温程序的优化。具体温度及时间通过实验确定。
通常操作时，采用105℃为干燥温度以除去溶剂，主要是水；然后将基体进行灰化处理，尤其是有机质的，即通过实验确定何时基态原子浓度达最大值；最后是净化，就是在短时间（3~5s）内去除试样残留物，温度应高于原子化温度。
3. 测定方法
测定方法有标准曲线法、标准加入法、内标法三种方法。
3.1标准曲线法
通过配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，在与试样测定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸光度值，得到吸光度对浓度的校准曲线。
测定试样的吸光度，杂校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。
3.2标准加入法
标准加入法主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应）。
3.3内标法
内标法具有能够消除气体流量、进样量、火焰湿度、样品雾化率、溶液粘度以及表面张力等的影响的优点，适于双波道和多波道的AAS 。
4. 干扰及其消除
一般有物理干扰、化学干扰、电离干扰和光谱干扰四种。
4.1物理干扰
物理干扰一般是自于试样粘度、表面张力的不同使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰。可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。
4.2化学干扰
化学干扰是由于Analytes (Target species)与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的，主要影响原子化效率，使待测元素的吸光度降低。可以通过加入释放剂（例：SO 42-、P043-对Ca 2+的干扰可以通过加入La(III)、Sr(II)释放Ca 2+）、加入保护剂（或配合剂）、加入缓冲剂或基体改进剂（例：加入EDTA 可使Cd 的原子化温度降低）进行消除。此外还可以通过化学分离即溶剂萃取、离子交换、沉淀分离等进行消除。
4.3电离干扰
电离干扰是由于高温导致原子电离，从而使基态原子数减少，吸光度下降所引起的。可以通过加入消电离剂（主要为碱金属元素化合物），产生大量电子，从而抑制待测原子的电离。如大量KCl 的加入可抑制Ca 的电离。
4.4光谱干扰
光谱干扰有四种可能的干扰方式：
1） 谱线重叠干扰
由于光源发射的是锐线，所以谱线重叠干扰较少。一旦发生重叠干扰，则要求仪器可分辨两条波长相差0.1Å的谱线。可以通过另选分析线。
2） 非吸收线干扰
非吸收线干扰来自被测元素自身的其它谱线或光源中杂质的谱线。这种干扰可以通过减小狭缝和灯电流或另选分析线来避免。
3） 火焰的直流干扰
是由于火焰的连续背景发射所产生的干扰，可通过光源调制消除。
4） 非火焰背景干扰
非火焰的电热原子化（石墨炉）中产生的背景干扰，通常要比火焰原子化的干扰严重。
最近，采用石墨炉平台技术（Platform technology）、高新石墨材料、快速测光计和Zeeman 背景校正等方法可将石墨炉背景干扰降低到和火焰背景干扰相同的水平。
5. 塞曼效应背景校正
Zeeman 效应是指原子蒸汽在强磁场作用下，各个电子能级会进一步分裂，即每条谱线进一步分裂的现象。
Zeeman 背景校正是根据磁场将（简并的）谱线分裂成具有不同偏振特性的成份。对单重线而言，分裂成振动方向平行于磁场的 π 线（波长不变）和垂直于磁场的 ±σ 线（波长增加或降低，并呈对称分布），由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收。
通常可以分为光源调制和吸收线调制，分别表示磁场加在光源上和磁场加在原子化器上的调制方法。其中磁场又可以分为恒定磁场和可变磁场两种。
一、基本原理
1. 原子吸收光谱的产生
众所周知，任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级。因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级（E 0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E 恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差△E 时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的谱线称为共振吸收线，简称共振线。电子从第一激发态返回基态时所发射的谱线称为第一共振发射线。由于基态与第一激发态之间的能级差最小，电子跃迁几率最大，故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲，它是所有吸收线中最灵敏的，在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。
2. 原子吸收光谱分析原理
2.1谱线变宽及其原因
原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中被待测元素的基态原子吸收后，测定发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合吸收定律：
I ν=I 0e (-k νl ) (1.1) log I ν=-0.434K νl =-A (1.2) I 0
其中：K v 为一定频率的光吸收系数，K v 不是常数，而是与谱线频率或波长有关，I v 为透射光强度，I 0为发射光强度。
据吸收定律的表达式，以 I ν~ν 和 K ν-ν 分别作图得吸收强度与频率的关系及谱线轮廓。可见谱线是有宽度的。谱线的宽度主要有两方面的因素：一类是由原子性质所决定的，例如自然宽度；另一类是外界影响所引起的，例如热变宽、碰撞变宽等。
2.2基态原子数和总原子数的关系
据热力学原理，当在一定温度下处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从 Boltzmann 分配定律：
N i 0=g i 0e -E i /kT (1.3)
可见，N i /N0的大小主要与“波长”及“温度”有关。也就是说当温度保持不变时，激发能（h ν）小或波长长，N i /N0则大。但在 AAS 中，波长不超过600nm 即激发能对N i /N0的影响有限。同时随温度增加N i /N0变大，且N i /N0随温度T 增加而呈指数增加。尽管原子的激发电位和温度 T 使 N i /N0值有数量级的变化，但N i /N0值本身都很小。或者说处于激发态的原子数远小于处于基态的原子数。
实际工作中，T 通常小于3000K 、波长小于600nm ，故对大多数元素来说N i /N0均小于1%，可忽略不计。总之，温度对原子吸收分析的影响不大。
二、仪器构成
AAS 仪器由光源、原子化系统（类似样品容器）、分光系统及检测系统组成，如图1所示。
图1. 原子吸收仪器结构示意图
1. 光源
作为光源要求能够发射待测元素的锐线光谱，且有足够的强度、光源产生的背景小、稳定性好。一般采用空心阴极灯作为光源。
2. 原子化器
原子化器可分为预混合型火焰原子化器、石墨炉原子化炉和氰化物反应器三种类型。火焰原子化器由喷雾器、雾化室、燃烧器、火焰（内焰基态原子作为分析区）四部分组成。其特点是操作简便、重现性好 。
a ） 喷雾器
作用是将试样溶液转为雾状。要求性能稳定、雾粒细而均匀、雾化效率高、适应性高（可用于不同比重、不同粘度、不同表面张力的溶液）。
b ） 雾化室
雾化室内部装有撞击球和扰流器（去除大雾滴并使气溶胶均匀）。作用是将雾状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧器。该类雾化器因雾化效率低（进入火焰的溶液量与排出的废液量的比值小），现已少用。目前多用超声波雾化器等新型装置。
c ） 燃烧器
产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置。有单缝和三缝两种形式，其高度和角度可调（让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收）。燃烧器质量主要由燃烧狭缝的性质和质量决定（光程、回火、堵塞、耗气量）。
d ） 火焰
火焰分焰心（发射强的分子带和自由基，很少用于分析）、内焰（基态原子最多，为分析区）和外焰（火焰内部生成的氧化物扩散至该区并进入环境）。燃烧速度是指混合气着火点向其它部分的传播速度。当供气速度大于燃烧速度时，火焰稳定。但过大则导致火焰不稳或吹熄火焰，过小则可造成回火。
图2. 天然气-空气火焰
表1. 不同类型火焰及其温度
石墨炉原子化炉由电源、保护系统和石墨管三部分组成。是一类将试样放置在石墨管壁、石墨平台、碳棒盛样小孔或石墨坩埚内用电加热至高温实现原子化的系统。其中管式石墨炉是最常用的原子化器。原子化程序分为干燥、灰化、原子化、高温净化四个阶段。原子化效率高，在可调的高温下试样利用率达100% ，灵敏度高，其检测限达10-6~10-14 ，还有试样用量少的优点。
3. 分光系统（单色器）
由出射、入射狭缝、反射镜和色散原件（棱镜或衍射光栅）组成。
单色器的作用在于将空心阴极灯阴极材料的杂质发出的谱线、惰性气体发出的谱线以及分析线的邻近线等与共振吸收线分开。
单色器的性能是指色散率、分辨率和集光本领。
4. 检测器
由检测器（光电倍增管）、放大器、对数转换器和电脑组成。使用光电倍增管可直接得到测定的吸收度信号。
三、分析过程
1. 简要操作步骤
首先打开工作气体阀门，调节好出口气体压力。
打开主机。打开计算机，待仪器自检完毕后，双击AAS 图标，进入应用软件的开始菜单界面。
选择待测元素，安装相应元素空心阴极灯。载入cookbook ，按照厂家设定好的分析方法进行分析。分别调节光学参数，光源能量使仪器调整待测元素空心阴极灯光源能量在最佳状态。
调节自动进样器各项设置，保证进样器最低点要高于炉中液面一个液滴的距离。
测定标样，制作标准曲线。
检测样品。通过调节原子化温度可以改善峰形。
关机。首先熄灭火焰，再退出AAS 系统。关闭AAS 主机电源和计算机电源。关闭工作气体总阀，断开空气压缩机电源。关闭电源总开关。
2. 分析条件的选择
可以通过选择不同的分析分析线、改变Slit 宽度、原子化条件和灯电流以改善测量条件。
2.1分析线
通常选共振线为分析线（最灵敏线或且大多为最后线），但不是绝对的。如Hg185nm 比Hg254nm 灵敏50倍，但前者处于真空紫外区，大气和火焰均对其产生吸收；共振线Ni232nm 附近231.98和232.12nm 的原子线和231.6nm 的离子
线，不能将其分开，可选取 341.48nm 作分析线。此外当待测原子浓度较高时，为避免过度稀释和向试样中引入杂质，可选取次灵敏线。
2.2 Slit 宽度
调节 Slit 宽度，可改变光谱带宽(∆λ=S⨯D) ，也可改变照射在检测器上的光强。一般狭缝宽度选择在通带为0.4~4.0nm 的范围内，对谱线复杂的元素如Fe 、Co 和 Ni ，需在通带相当于1Å 或更小的狭缝宽度下测定。
2.3灯电流
灯电流过小，光强低且不稳定；灯电流过大，发射线变宽，灵敏度下降，且影响光源寿命。选择原则：在保证光源稳定且有足够光输出时，选用最小灯电流（通常是最大灯电流的1/2~2/3），最佳灯电流通过实验确定。
2.4原子化条件
原子化条件为（以石墨原子化为例）升温程序的优化。具体温度及时间通过实验确定。
通常操作时，采用105℃为干燥温度以除去溶剂，主要是水；然后将基体进行灰化处理，尤其是有机质的，即通过实验确定何时基态原子浓度达最大值；最后是净化，就是在短时间（3~5s）内去除试样残留物，温度应高于原子化温度。
3. 测定方法
测定方法有标准曲线法、标准加入法、内标法三种方法。
3.1标准曲线法
通过配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液，在与试样测定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸光度值，得到吸光度对浓度的校准曲线。
测定试样的吸光度，杂校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。
3.2标准加入法
标准加入法主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差（基体效应）。
3.3内标法
内标法具有能够消除气体流量、进样量、火焰湿度、样品雾化率、溶液粘度以及表面张力等的影响的优点，适于双波道和多波道的AAS 。
4. 干扰及其消除
一般有物理干扰、化学干扰、电离干扰和光谱干扰四种。
4.1物理干扰
物理干扰一般是自于试样粘度、表面张力的不同使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰。可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服。
4.2化学干扰
化学干扰是由于Analytes (Target species)与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的，主要影响原子化效率，使待测元素的吸光度降低。可以通过加入释放剂（例：SO 42-、P043-对Ca 2+的干扰可以通过加入La(III)、Sr(II)释放Ca 2+）、加入保护剂（或配合剂）、加入缓冲剂或基体改进剂（例：加入EDTA 可使Cd 的原子化温度降低）进行消除。此外还可以通过化学分离即溶剂萃取、离子交换、沉淀分离等进行消除。
4.3电离干扰
电离干扰是由于高温导致原子电离，从而使基态原子数减少，吸光度下降所引起的。可以通过加入消电离剂（主要为碱金属元素化合物），产生大量电子，从而抑制待测原子的电离。如大量KCl 的加入可抑制Ca 的电离。
4.4光谱干扰
光谱干扰有四种可能的干扰方式：
1） 谱线重叠干扰
由于光源发射的是锐线，所以谱线重叠干扰较少。一旦发生重叠干扰，则要求仪器可分辨两条波长相差0.1Å的谱线。可以通过另选分析线。
2） 非吸收线干扰
非吸收线干扰来自被测元素自身的其它谱线或光源中杂质的谱线。这种干扰可以通过减小狭缝和灯电流或另选分析线来避免。
3） 火焰的直流干扰
是由于火焰的连续背景发射所产生的干扰，可通过光源调制消除。
4） 非火焰背景干扰
非火焰的电热原子化（石墨炉）中产生的背景干扰，通常要比火焰原子化的干扰严重。
最近，采用石墨炉平台技术（Platform technology）、高新石墨材料、快速测光计和Zeeman 背景校正等方法可将石墨炉背景干扰降低到和火焰背景干扰相同的水平。
5. 塞曼效应背景校正
Zeeman 效应是指原子蒸汽在强磁场作用下，各个电子能级会进一步分裂，即每条谱线进一步分裂的现象。
Zeeman 背景校正是根据磁场将（简并的）谱线分裂成具有不同偏振特性的成份。对单重线而言，分裂成振动方向平行于磁场的 π 线（波长不变）和垂直于磁场的 ±σ 线（波长增加或降低，并呈对称分布），由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收。
通常可以分为光源调制和吸收线调制，分别表示磁场加在光源上和磁场加在原子化器上的调制方法。其中磁场又可以分为恒定磁场和可变磁场两种。