2.1光源
光源是原子吸收光譜儀的重要組成部分，其性能指標直接影響分析的檢出限、精密度和穩定性。光源的作用是發射被測元件的特征振動輻射。對光源的基本要求:發出的振動輻射的半寬度明顯小於吸收線的半寬度；輻射的強度要大；輻射強度要穩定，使用壽命長。空心陰極燈是滿足上述要求的理想光源，應用最為廣泛。空心陰極燈(簡稱HCL)是由玻璃管制成，用低壓氣體密封的放電管，如圖2-2所示，主要由壹個陽極和壹個空心陰極組成。陰極為空心圓柱形，直接由高純金屬或待測元素的合金制成，貴金屬用其箔襯在陰極內壁上。陽極是鎢棒，用鈦絲或鉭片作吸氣劑。燈的光窗材料取決於發射的振動線的波長。硬質玻璃用於可見光波段，應時玻璃用於紫外線波段。制作時先抽真空，然後充入少量壓強約為267 ~ 1333 Pa的氖或氬等惰性氣體，用來載流，使陰極產生濺射，激發原子發射特性的銳線譜。
由於宇宙射線等外部電離源的作用，空心陰極燈中的帶電粒子總是很少。在電極間施加300~ 500V的電壓時，管內氣體中存在的極少量陽離子向陰極移動，轟擊陰極表面，使陰極表面的電子獲得額外的能量而逃逸。在電場的作用下，逃逸的電子加速到陽極，在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。在電場的作用下，這些重而快的正離子向陰極移動，轟擊陰極表面，不僅敲出了陰極表面的電子，還使陰極表面的原子獲得能量，脫離晶格能的束縛，進入空間。這種現象被稱為陰極的“濺射”。陰極元素的濺射原子與電子、惰性氣體原子、離子等碰撞。在陰極區，獲得的能量被激發發射陰極物質的線譜。
空陰極燈發射的光譜主要是陰極元素的光譜。如果陰極材料僅包含壹種元素，則它是單元素燈。如果陰極材料含有多種元素，可以制成多元素燈。多元素燈的發光強度壹般比單元素燈弱。
空陰極燈的發光強度與工作電流有關。燈的電流太小，放電不穩定；燈電流過大，濺射效應增強，原子蒸氣密度增大，譜線增寬，甚至引起自吸收，降低測定靈敏度，縮短燈壽命。因此，在實際工作中應選擇合適的工作電流。
空陰極燈是壹種性能優良的銳利光源。由於元素在空陰極中可以被濺射激發多次，氣態原子的平均停留時間更長，激發效率更高，所以發射的譜線強度更高。因為使用的工作電流壹般只有幾毫安或幾十毫安，燈內溫度低，所以熱展寬很小；由於燈內充氣壓力很低，受激原子與不同氣體原子碰撞引起的壓力展寬可以忽略；由於陰極附近氣相金屬原子密度小，同類原子碰撞引起的* *振動展寬也很小；此外，由於汽相的原子密度和溫度較低，自吸收展寬幾乎不存在。因此，利用空陰極燈可以獲得高強度、窄譜線的待測元素特征振動線。
2.2霧化器
霧化器的功能是提供能量來幹燥、蒸發和霧化樣品。入射光束在這裏被基態原子吸收，所以也可以看作是壹個“吸收池”。對霧化器的基本要求:必須具有較高的霧化效率；必須具有良好的穩定性和重現性；操作簡單，幹擾水平低。其結構如圖2-3所示。
在火焰霧化法中，壹般采用預混式霧化器，它由霧化器、霧化室和燃燒器組成。用火焰原子化樣品是目前廣泛使用的方法。液體樣品通過噴霧器霧化，這些霧化顆粒在霧化室內與氣體(燃氣和助燃氣體)均勻混合，去除大液滴後進入燃燒器形成火焰。此時，試液在火焰中產生原子蒸氣。
2.3.1霧化器
原子吸收光譜法中使用的霧化器是壹種將樣品轉化為氣溶膠的氣動裝置。典型的霧化器如圖2-4所示。
當氣體從噴霧器噴嘴高速噴出時，由於伯努利效應，在噴嘴附近產生負壓，使樣品溶液被吸入，通過吸液毛細管流出，並被高速氣流破碎成氣溶膠。氣溶膠的直徑在微米量級。直徑越小，越容易蒸發，在火焰中可以產生更多的基態自由原子。原子化器的原子化效率對分析結果有重要影響。在原子吸收分析中，對樣品溶液原子化的基本要求是:噴霧量可調，原子化效率高，穩定性好；氣溶膠粒徑細，分布範圍窄。壹個好的霧化器應該產生大部分直徑為5 ~ 10μ m的氣溶膠..調整毛細管的位置可以改變負壓的強度，影響抽吸速度。安裝在噴頭末端的撞擊球用於進壹步細化氣溶膠粒徑，有利於霧化。
噴頭是火焰原子化器的重要組成部分。它的作用是將試液變成細霧。霧粒子越細越多，火焰中產生的基態自由原子就越多。目前，應用最廣泛的是氣動同心噴霧器。噴霧器噴出的液滴打在玻璃球上，可以產生進壹步的細化。生成液滴的粒徑和測試溶液的吸入速率影響測定的精度和化學幹擾的大小。目前，噴霧器大多采用不銹鋼、聚四氟乙烯或玻璃制成。
霧化室
霧化室的主要作用是去除大液滴，使燃氣和輔助燃氣充分混合，從而在燃燒時獲得穩定的火焰。其中，擾流器可以使液滴變得更細，同時可以阻止大液滴進入火焰。壹般噴霧裝置的霧化效率為5 ~ 15%。
燃燒器
試液的細小液滴進入燃燒器，在火焰中幹燥、熔化、蒸發、離解後，產生大量基態自由原子和少量激發態原子、離子、分子。壹般要求燃燒器霧化程度高，火焰穩定，吸收光程長，噪音低。燃燒器有兩種:單縫和三縫。燃燒器的接縫長度和寬度應根據所使用的燃料來確定。目前，單縫燃燒器應用最為廣泛。
燃燒器大多由不銹鋼制成。燃燒器的高度應可上下調節，以便選擇合適的火焰位置進行測量。為了改變吸收光路，擴大濃度測量範圍，可以將燃燒器旋轉壹定角度。
火焰的基本特征
1)燃燒速度
燃燒速度是指可燃混合物從著火點向其他點傳播的速度。它影響火焰的安全運行和燃燒的穩定性。為了穩定火焰，可燃混合氣的供應速度應大於燃燒速度。但如果供氣速度過快，火焰會離開燃燒器，變得不穩定，甚至吹滅火焰；如果送風速度過小，會造成逆火。
2)火焰的結構
正常火焰由預熱區、第壹反應區、中間薄層區和第二反應區組成，邊界清晰穩定(如圖2-5所示)。預熱區，也稱為幹燥區。燃燒不完全，溫度不高，試液在這裏幹燥，呈固體顆粒。
第壹反應區，也稱為蒸發區。這是壹個清晰的藍色光帶。燃燒不充分，半分解產物較多，溫度也沒有達到最高點。幹燥的樣品固體顆粒在這裏熔化、蒸發或升華。通常，該區域很少用作分析的吸收區域。但對於容易原子化、幹擾少的堿金屬，可以在這方面進行分析。
中間薄層區，也稱為霧化區。燃燒完全，溫度高，蒸發的化合物在這裏霧化。這是原子吸收分析的主要應用領域。
第二反應區，也稱為電離區。氣體在這個區域反應充分，中間溫度很高，部分原子電離，外層溫度逐漸降低，離解的基態原子重新形成化合物，所以這個區域不能用於實際的原子吸收分析。
3)火焰燃料氣和輔助燃料氣的比例
在原子吸收分析中，通常使用乙炔、氣體、丙烷和氫氣作為燃料氣體，使用空氣、壹氧化二氮和氧氣作為輔助氣體。同壹種火焰，不同比例的燃氣和輔助燃氣，火焰性質不同。
根據火焰氣體和輔助氣體比例的不同，火焰可分為三類:化學計量火焰、富燃火焰和貧燃火焰。
化學計量火焰:是指燃料氣與輔助燃料氣的比例接近化學反應的化學計量關系，也稱中性火焰。這種火焰溫度高、穩定、幹擾小、背景低。
富燃火焰:指氣體大於化學計量比的火焰。也稱為還原火焰。火焰呈黃色，層次模糊，溫度略低，火焰還原性強，適用於易形成難離解氧化物的元素的測定。貧燃火焰:又稱氧化火焰，即助燃比大於化學計量比的火焰。強氧化性，藍色火焰，由於燃燒充分，溫度高，適用於易離解和離子化元素的霧化，如堿金屬。
選擇合適的火焰條件是壹項重要的工作，可以根據樣品的具體情況通過實驗或查閱相關文獻來確定。壹般來說，應選擇火焰的溫度，使待測元素能分解成基態自由原子。溫度過高會增加原子的電離或激發，減少基態的自由原子，導致分析靈敏度下降。
在選擇火焰時，還要考慮火焰本身對光的吸收。碳氫火焰在短波區域具有很大的吸收，而氫火焰具有好得多的透射性能。對於分析線位於短波區的元素的測定，在選擇火焰時應考慮火焰傳輸性能的影響。
4)普通火焰
根據火焰的反應特性，火焰壹般分為還原焰(富焰)、中性焰(化學計量焰)和氧化焰(貧焰)。根據氣體成分的不同，火焰可分為碳氫化合物火焰和氫氣火焰兩大類。以下是火焰分析中幾種常用的燃料氣體-輔助燃料氣體:
乙炔-空氣火焰
這是原子吸收光譜法中最常用的火焰，燃燒穩定，重現性好，噪音低，溫度高，對大多數元素有足夠高的靈敏度。但在短波紫外區有很大吸收。
空氣-乙炔火焰溫度高，半分解產物C、CO、CH在火焰中形成還原氣氛，因此具有較強的原子化能力。其富燃火焰的半分解產物非常豐富，能從火焰中的氧化物中搶奪氧氣，使被測金屬原子化。因此，它有利於測定容易形成穩定氧化物的元素，如鉻、鈣、鋇和鉬。以二價金屬氧化物MO為例:
2MO+C→2M+CO2
5MO+2CH→5M+2 CO2+H2O
其貧焰適用於測定熔點高但不易被氧化的金屬，如金、銀、鉑、Ph、鎵、銦、鎳、鈷和堿金屬元素，但穩定性差。
它的化學計量火焰適用於大多數元素的測定。
氫氣-空氣火焰
這是壹種低溫無色火焰，只有在註入自來水或100 ~ 500μ g/ml鈉標準溶液時才能看到。這種方法可以用來檢查火焰是否點燃及其燃燒狀態。
氫氣-空氣火焰是壹種氧化火焰，比乙炔-空氣火焰燃燒速度快，溫度低(約2045℃)。由於這種火焰的溫度低於空氣-乙炔火焰的溫度，可以顯著降低元素的電離，適用於堿金屬的測定。火焰對測定Sn有特殊作用，用Sn224.6nm*** *振動吸收線，靈敏度比空氣-乙炔火焰高5倍。這種火焰穩定，背景發射弱，傳輸性能好，有利於提高信噪比。火焰在短波紫外區的氣體吸收很小，通過增加氫氣流量顯著降低吸收，對短波區的壹些元素如As、Se、Pb、Zn、Cd非常有利。氫-空氣火焰的缺點是溫度不夠高，原子化效率有限，化學幹擾大。另外，富燃燒條件下沒有明顯的還原性氣氛，不利於難分解電離氧化物元素的分析。
當氫-空氣火焰點燃時，可將氣體流量調節到設定值，然後將兩種氣體混合約半分鐘後再點燃。當火焰被點燃和熄滅時，往往伴隨著壹種細小的爆裂聲。聲音太大，可能是氫氣流量太小，可以調節。氫氣流量太小容易發生回火。
如果用氬氣作霧化氣體，會形成透明度相同、幹擾較少的氬氫火焰(約1577℃)。
乙炔-壹氧化二氮
火焰的優點是火焰溫度高，但燃燒速度不快。適用於難原子化元素的測定，可測定70多種元素。這種火焰也被稱為壹氧化二氮-乙炔火焰。
由於溫度高，這種火焰能促進離解能高的化合物的離解。同時，其富燃火焰中除了C、CO、ch等半分解產物外，還有CN、NH等成分，具有很強的還原性，能更有效地從金屬氧化物中搶奪氧，從而霧化許多高溫下難以離解的金屬氧化物，使al、Be、B、Si、Ti、V、W、Mo。
這種火焰因為溫度高，可以排除很多化學幹擾。但火焰噪聲大，背景強，電離度高。在某些波長區域，光輻射很強，所以在選擇波長時要小心。在試液中加入大量堿金屬(1000 ~ 2000μ g/ml)可降低電離幹擾效應。
乙炔-壹氧化二氮火焰由三個不同的帶組成。靠近燃燒器的第壹反應區為深藍色，第二反應區為紅羽狀，又稱紅羽區，充滿CN和NH的強還原氣氛。可以保護生成的金屬原子，使金屬氧化物在高溫下反應生成遊離原子。
MO+NH→M+NO+H
MO+NH→M+N+OH
MO+CN→M+ CO+N
操作時要註意反應區的高度，壹般在5 ~ 15 mm以上，可以通過改變乙炔流量來控制。隨著乙炔流量的減少，紅羽高度降低。小於2mm時，火焰破碎，容易發生回火。第三個反應區是擴散層，是淺藍色的。
乙炔-壹氧化二氮火焰不能直接點燃。使用不當容易導致爆炸。火焰的點燃和熄滅必須遵循乙炔-空氣過渡的原理，即必須先點燃乙炔-空氣火焰，待火焰建立後，逐漸增加乙炔流量，達到富燃狀態後，迅速將“轉向閥”從空氣切換到氧化亞氮(氧化亞氮的流量提前調整)。熄滅後，迅速將“轉向閥”從壹氧化二氮轉到空氣(空壓機無法關閉)。建立乙炔-空氣火焰後，減少乙炔流量，然後熄滅火焰。
乙炔-壹氧化二氮火焰應使用“專用燃燒器”，嚴禁使用乙炔-空氣燃燒器。燃燒器的縫隙容易產生積碳，燃燒時可以用刀片及時清除，以免影響火焰的穩定性。嚴重積碳堵塞縫隙容易造成回火爆炸。燃燒吸液時絕對禁止調整噴霧器，以防回火。
氣體-空氣火焰
該火焰使用方便安全，火焰溫度低，背景低。其燃燒溫度為1700 ~ 1900℃，屬於低溫火焰。它對易電離和揮發性元素如銣、銫、鈉、鉀、銀、金、銅和鎘具有高靈敏度。但多數情況下，其靈敏度低於乙炔-空氣火焰，幹擾多。這種火焰在短波範圍，紫外線稀釋強，噪音大。其他類型的火焰，如氫氧火焰，現在已經不用了。
2.3背景校正裝置
2.3.1氘燈校準背景
連續光源校正背景，氘燈、鎢燈或氙燈均可作為背景校正光源。鎢燈可用於可見光和近紅外波段。由於鎢燈是熱輻射源，只能用機械斬波來調制，使用不便，商用儀器也很少。氙燈壹般用於大於220nm的波長範圍，由於電源復雜，很少使用。氘燈可用於紫外波段(180 ~ 400 nm)。由於是真空放電光源，調制方式既可以是機械調制方式，也可以是電調制方式，采用時差脈沖照明，原子吸收測量的振動輻射大部分在紫外波段，所以氘燈是連續光源背景校正最常用的技術，已經成為連續光源背景校正技術的代名詞。
原子吸收光譜儀中常用的氘燈背景校正裝置如圖2-6所示:
圖2-6 (a)顯示了氘燈背景校正器。該裝置中使用的氘燈是壹種特制的氘弧光燈，中間有壹個小孔。元素燈的* * *振動輻射被L1匯聚後穿過氘燈中心的小孔。在與氘燈輻射結合後，它被L2會聚並通過霧化器。氘燈和元素燈由時差脈沖照明供電。儀器根據同步脈沖測量總吸收和背景吸收，並計算和分析原子吸收。(b)作為反射式氘燈背景校正器，空心陰極燈和氘燈發出的輻射交替通過帶有旋轉光切割器M1的霧化器，分時測量總吸收(空心陰極燈的輻射吸收信號)和背景吸收(氘燈的輻射吸收信號)。反射式背景校正器可以使用氘燈、鎢燈或氙燈作為光源，光源的調制方式可以是機械斬波調制或時差脈沖照明電調制。采用時差脈沖照明方式時，旋轉光刀M1可以用半透明半反射代替。該裝置結構簡單，穩定可靠，得到了廣泛應用。
這種裝置的缺點是使用了兩種光源。由於光源的結構不同，兩種燈的光斑大小也不同，很難準確聚焦在霧化器的同壹部位，影響背景校正效果。氘燈在長波長下能量低，不容易平衡能量，不適合長波長區的背景校正。
2.3.2空心陰極燈的自吸收校正背景
自吸收的背景校正方法是利用時空陰極燈在大電流下的自吸收現象來測量背景吸收，使發射的譜線變寬。圖2-7是空心陰極燈自吸收法背景校正裝置的示意圖。主控制器控制整個系統的工作，由單片機和接口電路組成，還利用程序存儲器編碼輸出時序信號，使整個系統同步。D/A輸出控制空心陰極燈的電源，D/A輸出的電平產生空心陰極燈的電流波形。窄脈沖大電流IH為自吸收電流，峰值電流可設置為300-600 Ma，寬脈沖小電流IL為正常測量電流，峰值電流可設置為60 mA以下。儀器控制軟件設置燈電流時，壹般是廠家給的平均電流，大概是幾毫安到十幾毫安。這並不意味著幾毫安的燈電流就能產生自吸現象。照明頻率可為100-200 Hz，頻率太高光強不穩定，頻率太低背景校正效果差。因為寬脈沖和窄脈沖的電流差別很大，前置放大器必須采取不同的增益來平衡信號輸出。在同步信號的控制下，運算放大器的反饋電阻器RL和RH分別在t1和tH接通，以輸出總吸收測量信號和背景測量信號。
自吸收背景校正裝置的主要優點是:(1)裝置簡單，除燈電流控制電路和軟件外，不需要任何光學和機械結構；(2)可在全波段範圍(190 ~ 900 nm)實施背景校正；(3)用同壹個空心陰極燈測量原子吸收和背景吸收，樣品光束與參考光束完全壹致，校正精度很高。
同時也存在壹些不足:(1)並不是所有的空心陰極燈都能產生良好的自吸收發射譜線。有些低熔點的元素在很低的電流下會產生自吸收，有些高熔點的元素在很高的電流下不會產生自吸收。對於這些元素的測定，靈敏度損失嚴重，甚至無法測定。(2)由於空心陰極燈的輻射相對於電源脈沖有延遲，為了自吸後恢復正常狀態，調制頻率不能太高。
鑒於以上幾點，有人專門研究了用於自吸收的空心陰極燈，也有人用高強度空心陰極燈進行背景校正。采取的措施是在脈沖較窄時切斷輔助陰極的電源，以提高自吸能力，在脈沖較寬時增加輔助電極電流，以盡量減少自吸。在此條件下，可以提高分析靈敏度，特別是對壹些在正常工作電流下自吸收的元素，如Na的測定。
2.4單色儀
單色儀是用來將被測元素的分析線從激發光源的合成光中分離出來的部件。早期的單色儀采用棱鏡分光，而現代的光譜儀多采用平面或凹面光柵單色儀。在21世紀，帶有步進光柵單色儀的儀器已經投放市場。該儀器分辨率高，結構緊湊，具有很強的發展潛力。
單色儀是光學系統最重要的組成部分之壹，其核心是色散元件。光柵色散均勻，分辨率高，是良好的分光元件。特別是隨著復制光柵技術的發展，可以生產出高質量、低價格的復制光柵，所以現代商用原子吸收光譜儀幾乎都使用光柵單色儀。單色儀由入射和出射狹縫、反射鏡和色散元件組成。色散元件通常是光柵。單色儀可以將被測元素的吸收線與相鄰的譜線分開。
光譜帶寬是單色儀的壹個重要指標，它由入射和出射狹縫的寬度以及分束器的色散率決定。較小的光譜帶寬可以更有效地過濾雜散輻射。
例如，當光譜帶寬設置為1nm時，Ni燈的三條線(232.0nm(****振動線)、231.6nm(非* *振動線)、231.0nm(* * * * * *振動線)會同時進入檢測系統，明顯降低測定靈敏度。
原子吸收常用的光譜帶寬有0.1nm、0.2nm、0.4nm、1.0nm、2.0nm等。人們註意到，壹般情況下，元素燈的* *振動輻射帶寬小於0.001nm，所以當狹縫寬度減半時，光通量也相應減半。對於連續輻射，除光通量外，光譜帶寬減半，所以當狹縫寬度減半時，能量衰減系數為4。當有強寬帶發射光(如分析鋇元素時石墨管發出的火焰或熱光線)到達光電倍增管時，將狹縫寬度減小1倍，可將雜散輻射降低到1/4，光譜能量降低1倍。為了進壹步控制雜散輻射，有些儀器設計了可變狹縫高度，在測量壹些特殊元素(如鋇、鈣等)時可以選擇。)或使用石墨爐。值得壹提的是，這種設計並不是通過降低光譜帶寬來減少寬帶輻射的雜散光，而是從光學成像的角度來考慮。火焰或石墨管發出的熱光線面積大，在狹縫處能量均勻，而元素燈振動輻射的能量在狹縫中心最強，因此降低狹縫的高度可以降低雜散輻射的比例。
2.5監視器
原子吸收光譜法中的檢測器通常使用光電倍增管。光電倍增管是多極真空光電池，內部有電子倍增機制，內部增益極高。是目前靈敏度最高、響應速度最快的光電探測器，廣泛應用於各種光譜儀器中。
常用的光電倍增管有端窗式和側窗式兩種，工作原理相同。端窗型接收來自倍增管頂部的光，側窗型接收來自側面的光。目前，側窗式被廣泛應用於光譜儀器中。
光電倍增管的工作電源應具有高穩定性。如果工作電壓過高，照射的光線過強或光照時間過長，都會造成疲勞效應。
2.6類型
按光束分為單光束和雙光束原子吸收分光光度計；
按調制方式分為DC和交流原子吸收分光光度計；
按通道可分為單通道、雙通道和多通道原子吸收分光光度計。