原子光谱分析的研究进展及应用现状

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；研究进展；应用现状

光谱学是光学的一个分支学科，其主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱就是电磁波的波长及强度分布情况的记录，有的光谱可能只有波长分布的情况。按照光谱的形状来区分，光谱可以分为三种：线状光谱、带状光谱和连续光谱。根据玻尔理论，原子发射的光谱就是线状光谱，这种光谱的谱线是分明的，波长的数值有一定的间隔。光谱根据产生原理不同，可分为吸收光谱和发射光谱两种。直接记录由光源发射出的光线的光谱称为发射光谱。而吸收光谱的观测方法则与发射光谱不同，先把物质的一部分放在连续光谱的下面，使连续光谱先通过物质再进入光谱仪。这时候连续光谱中的一部分谱线会被物质吸收，光谱透过之后就会发现，原本连续的光谱会有一些谱线消失，这些消失的谱线就是物质的吸收光谱。

1 原子光谱分析的理论和特点

根据操作的过程可以将原子发射光谱分析大致分成三个步骤，分别是激发、分光和检测。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以在光源的激发下发光。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，按照记录的光谱波长对样品进行定性分析，或者按照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的关系。

①分析速度快，在铸铁时使用原子发射光谱分析，能在极短的时间内同时得到几十种元素的分析结果；②操作简单。通常情况下，样品可以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，就能自动地进行分析、数据处理和打印处理结果。在气体检测中，不需要采集样品，并且能够在极短的时间内得到结果从而判断大气质量的情况；③不必得到纯净的样品，只要利用已经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可以同时检测多种元素。光谱分析不像其他分析，需要将样品进行分离才能分析，因此可以省去分离操作这个复杂的程序，并能够同时检测多种元素；⑤有极好的选择性。对于那些化學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以达到十亿分之一，绝对灵敏度最高也可以达10-9g。

2 原子谱线的展宽

2.1 自然宽度

按照玻尔的原子模型，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的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。

2.2 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。因为原子运动是随意的，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。因为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的数量基本相同，所以谱线在两翼的加宽基本是一致的，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，变宽效果就比较大。一般多普勒展宽约为数量级。

2.3 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这个原理。

3 结束语

近年来，随着电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术的迅速发展，传统原子光谱分析法在分析化学领域的地位受到了一定的挑战，但不可否认的是原子光谱分析法在各研究领域仍然发挥着极其重要的作用，研究者们一也在不断为原子光谱分析技术的改进与创新探索前进的方向。当然，原子光谱分析在未来的发展中依然面临许多挑战，有待于广大原子光谱分析工作者继续努力，共同促进原子光谱分析的不断发展。

参考文献：

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]辛仁轩.等离子体发射光谱分析[M].北京：化学工业出版社，2011.

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