原子光谱分析的研究进展及应用现状

原子光谱分析的研究进展及应用现状

赵雅静 丁俊峰

包钢钢联股份有限公司巴润分公司 内蒙古包头市 014080

摘要： 原子光谱分析是分析化学的重要分支学科,通常是指根据气态自由原子所产生的发射、吸收及荧光信号进行元素分析的一类仪器分析方法,被广泛应用于物质无机元素分析,是地质、冶金、环境、医药、商检等领域实验室中最重要的常规检测手段.近20年来,随着X射线荧光光谱法和原子质谱法(AMS)的普及,有学者建议应将这两种方法纳人广义的原子光谱分析中,因此原子光谱分析的内容有了新的拓展.随着原子光谱联用技术的不断成熟,原子光谱分析技术已发展成为分析化学的重要技术手段,在各个研究领域及生产部门都得到广泛的应用。

关键词：原子光谱分析；特点；应用；展望

原子光谱分析是分析化学的重要分支学科，通常是指 根据气态自由原子所产生的发射、吸收及荧光信号进行元 素分析的一类仪器分析方法，被广泛应用于物质无机元素 分析，是地质、冶金、环境、医药、商检等领域实验室中最重 要的常规检测手段。近 20 年来，随着 X 射线荧光光谱法 ( XＲF) 和原子质谱法( AMS) 的普及，有学者建议应将这两 种方法纳入广义的原子光谱分析中，因此原子光谱分析的 内容有了新的拓展。随着原子光谱联用技术的不断成熟， 原子光谱分析技术已发展成为分析化学的重要技术手段， 在各个研究领域及生产部门都得到广泛的应用。

一、原子谱线的展宽

        1、自然宽度。按玻尔的原子模型，原子的核外电子处在不稳定、不连续的分立能级中，当一个电子从激发态向基态或低能级跃迁时会发出一个光子，其辐射的光子频率与电子跃迁的两能级差关系满足玻尔跃迁规则。光谱线的自然宽度与原子的能级成正比。原子处的能级越大，谱线自然越宽；原子能级越小，谱线越小。

        2、多普勒展宽。多普勒展宽又称高斯展宽。原子沿任意一个方向随机的运动是影响多普勒展宽的根本原因。在光源中，将任何一个发光原子认为是一个随意运动的微光源。因原子运动是随意的，所以通过检测器测得的频率较没有任何运动的原子产生的频率有一些细微的差别。因谱线的频率出现了细微的出入，所以谱线会加宽和变形。一般来说，沿着两个相反方向运动的原子数量基本相同，所以谱线在两翼的加宽基本一致，称为对称变宽类型。然而在谱线中心处的频率一般不会发生变化，但谱线中心处的频率强度会有所下降。变宽程度与元素的质量成反比，相对原子质量较大的元素，变宽效果较轻；相对原子质量排在周期表前面的元素，变宽效果较大。一般多普勒展宽约为数量级。

        3、赫鲁兹马克展宽。处于高能级的原子和处于基态的同种原子间的碰撞或受电磁作用导致谱线的加宽称为赫鲁兹马克展宽。因处在基态的相互碰撞的同种元素原子在这种情况下共振线会变宽，所以称共振变宽。谱线中心处频率的立方与变宽大小成正比，频率越大，谱线宽度值越大；变宽大小与粒子蒸气的密度成正比，当元素的密度较大时，这种变宽效果会表现得非常显著，其半高宽随着分析物的原子密度的增加而增加，高浓度成分的定量分析便是基于此原理。

二、原子光谱分析的理论和特点

        根据操作的过程可将原子发射光谱分析大致分成三个步骤，即激发、分光、检测。第一步是使用激发光源使样品蒸发汽化，解离或分离为原子状态，然后继续电离原子使之电离为离子状态，样品电离成离子状态后可在光源激发下发光。第二步是利用光谱仪记录样品发射出的光谱。最后一步是利用光学器件检测光谱，按记录的光谱波长对样品进行定性分析，或按发射光谱的强度进行定性分析。

        光谱分析在实际生产应用中的巨大作用，与其自身的特点有着密切关系。

        1、分析速度快。在铸铁时使用原子发射光谱分析，能在极短时间内同时得到几十种元素的分析结果。

        2、操作简单。通常，样品可不经过化学方法处理，直接对其使用光谱分析，再与计算机技术相结合，最后只要简单地使用计算机，就能自动分析、数据处理和打印处理结果。在气体检测中，无需采集样品，并且能在极短时间内得到结果，从而判断大气质量情况。

        3、不必得到纯净的样品。只要利用已得知的谱线图就能进行光谱分析，从而减少对样品的处理时间，这是光谱分析突出的优点。

        4、可同时检测多种元素。光谱分析不像其他分析，需将样品进行分离才能分析，因此可省去分离操作这个复杂的程序，并能同时检测多种元素。

        5、有极好的选择性。对于那些化学组成及化学性质相似的元素和物质，如硅、碳等同族元素，它们的谱线是相互独立且互不影响的，因此光谱分析是分析这些元素十分有效的方法。

        6、极高的灵敏度。最新的数据表明，光谱分析的相对灵敏度最高可达到十亿分之一，绝对灵敏度最高也可达10～9g。

        7、对样品损坏小。因光谱分析对样品几乎无损害，因此在古物检测或刑事侦查等方面有着举足轻重的作用。

三、原子光谱分析的应用

        近年来，原子光谱分析在冶金、地质、燃料、环境、食品安全、生命科学等领域得到了广泛的应用。其中，传统的地质分析和冶金工业分析对原子光谱分析的应用比重最大。此外，随着人们对生态环境和生活质量的关注度逐年提高，原子光谱分析法在环境分析和食品安全方面的应用也日益增多。需注意的是，原子光谱分析技术在生物学和医学等领域的研究已受到关注。有学者利用碱性萃取-等电点沉降法对虾不同部位的蛋白质进行了提取，随后与HG-AFS联用，检测样品中砷蛋白(PBA)的含量。实验过程中，通过加入Tris-HCl缓冲溶液实现蛋白质与样品基质的分离，继而调节pH至等电点，完成蛋白质的提取。另外，利用双脉冲-LIBS对Ag在蚕豆根茎组织的空间分布情况进行了研究，该装置具有两个Nd:YAG激光器，一个发射波长为266 nm，用于激光剥蚀，另一个发射波长1064 nm，用于重新加热微等离子体。研究者根据检测结果推断了蚕豆根茎组织对Ag的吸收机理，这为植物科学和生态毒理学的研究提供了一个精密度好、空间分辨率高的新方法。另有学者利用毛细管电泳和AAS的在线联用，探究了Pb与DNA的结合方式及位点，为研究金属与生物大分子的相互作用提供了借鉴模式。并且组装了结合CdS量子点的SiO2微球，以此作为标记物质结合特定DNA分子的位点得到标记DNA，使其与目标DNA结合后，在酸性条件下提取CdS量子点中的Cd，以此间接测定目标DNA，该方法成功应用于HIV DNA的检测。此外，有学者在研究生物分子标记物质的过程中发现，Hg2+与胸腺嘧啶(T)能结合成发丝状复合物T-Hg2+-T，而SnCl2在与T-Hg2+-T反应时，只会选择性地将Hg2+还原成Hg蒸气，使其与基质分离，他们利用这一原理，以Hg2+作为分子探针，在不使用标记物的情况下实现了对单链DNA分子、双链DNA分子和蛋白质分子的检测。

参考文献：

[1]Zhou X L，Wang J N，Liu D，et al． Metall Anal，2017，37( 1) : 39． 周西林，王娇娜，刘 迪，等． 冶金分析，2017，37( 1) : 39

[2]王钰润.原子光谱分析的研究进展及应用现状[J].中国化工贸易，2017(11).

[3]邱海鸥.原子光谱分析的研究进展及应用现状[J].分析试验室，2018(01).