多少人成了科研操作工？科研第一要务：不懂就要钻！

“工欲善其事，必先利其器”，对于我们科研工作者也是如此。科研路上，神兵利器并不少，各种各样的先进仪器，让人眼花缭乱，好像只要有神器在手，就文章我有。可是，神器虽好，还要看你怎么用，有的人拿了屠龙刀，就是一块削铁如泥的兵器而已，而张无忌拿到屠龙刀，就是拿到了富可敌国的藏宝图。可见，只有钻入到器之内在，才能参透其中的秘密。

材料分析仪器设备通过直接或者间接的方式帮助我们了解物体的微观构造、结晶状态、元素组成、元素分布、以及元素的化学状态等各种物理化学特征，成为科研以及生产生活中不可缺少的工具，合理的选用解析手法更有助于我们正确的理解物质特性，当然，如果自己能动手设计或者改装一些小装置，或许更能刺激科研的灵感。

有鉴于此，纳米人学术委员会决定正式推出格物专栏，专注于介绍分析仪器设备的原理构造和分析方法，从而增加科研工作者对于材料分析技术的认识。

PS：本专栏并非教科书，难免会有用词不当、词不达意以及各种错误，敬请各位读者带着批判与质疑的态度去阅读，并不吝指教，共同学习共同进步。

格物专栏：第一期

作者丨Dr. H

校审丨南方

可见光（probe）+眼（detector）构成了一套最容易理解的解析系统，帮助我们认识世界并创造价值。虽然这套系统里没有数字化的表达，但是眼睛的复杂构造，尤其是眼睛与大脑之间的信号传递和成像系统是其他装置所无法企及的。

在众多的材料解析装置中，都有一套probe + detector的系统。例如，利用扫描电子显微镜（ScanningElectron Microscope，SEM）去观察物质的微观构造时，电子射线作为probe扫描样品，从样品中产生的二次电子被荧光材料与光电子倍增管组成的器件（detector）检出，这就是SEM的基本原理。

不过，今天我们要讲的不是SEM，而是原子吸光光度计。在介绍本期的材料解析装置前，请允许我先讲两个故事。

第一个故事，是关于火焰。

图1. 不同颜色的火焰

火，是一个神奇的东西。我们曾无数次见过火，但是，你是否曾留意过火焰的颜色？如果说，五颜六色的火焰给人美的享受，那么，下面这张图，可能就会有一丝的不快感。

图2. 黑色的火焰

黑色的火焰，这是啥？

相信大家和我有一样的疑惑。

看见黑色，就会联想到自己周边的黑色材料，它们的共同特点就是吸光。对于图片中的黑色火焰而言，那应该是火焰中的某种物质吸收了入射光。当关闭入射光光源时，正常的火焰就被观察到（图3所示）。

图3. 关闭光源后，黑色火焰变成正常颜色火焰

另外一个故事，是关于太阳光光谱的。

图4是陈列在德国博物馆的珍贵资料，是由德国物理学家约瑟夫·夫琅和费手绘，记录了其自制的分光仪中呈现的太阳光光谱。在太阳光的光谱中，他发现了574条暗线，这些暗线在今天被称作夫琅和费线。

图4. 德国博物馆珍藏的夫琅和费线(a)和约瑟夫·夫琅和费(b)

先搁置上面的故事，图5a是对模拟太阳光进行分光前，在模拟太阳光与分光器之间加入了燃烧的Na离子火焰的样子。与未放置Na离子火焰的光谱进行对照，在图5b中观察到了一条暗线的产生，这意味着含有Na离子的火焰产生了吸光。大多数元素的吸光与发光现象都表现为不连续的量子化，也就说只吸收或者发出某个特定波长的光（这里的光是泛指）。根据这种现象，从夫琅和费线中，我们可以推测太阳表面以及地球大气层中的存在元素。

图5. 模拟太阳光与分光器之间加入了燃烧的Na离子火焰的样子(a)和从分光器中所得到的光谱(b)

在分光学已经非常发达的当今，主要的夫琅和费谱线所对应的元素吸光得到了总结，其结果如表1所示。回到第一个故事，图2黑色火焰的背景色为黄色，其实这是Na灯所照射出的光（单色光）。而玻璃器皿中正在燃烧的是含有NaCl溶液和酒精的脱脂棉。从Na灯所发出光与被火焰中的Na原子吸收，所以呈现出了黑色火焰。

表1. 主要的夫琅和费谱线和对应的元素吸光

来源：维基百科

故事讲完了，言归正传，下面就开始我们的原子吸光光度计之旅。

原子吸光光度计有什么用？

从上面的两个故事中我们知道，对于一些元素是可以吸收和发出某些特定波长的光(这里的光是X射线，电子射线以及紫外-可见-红外光的泛指)。所以，利用该特性，我们就可以对金属元素进行定量。

对于未知元素的定性分析而言，由于其照射波长固定，原子分光光度计并不太擅长。我们会在下期给大家介绍另外一种元素定量以及定性分析方法。这两种方法是定量元素浓度最为直接的方法。另外，原子吸光光度计可以对元素周期表中的69种元素进行定量分析。

图6. 原子吸收分光光度计可定量分析的元素（带有深色背景的元素）

原子吸收分光光度计与分光光度计有什么不同？

为了更方便的理解原子吸收分光光度计的构造，我们来对比常见的UV-VIS分光光度计。

图7. 原子吸光光度计原理和UV-VIS分光光度计原理示意图

1. 所用光源不同。

分光光度计：固定光源（光的波长是连续的）

原子吸收分光光度计：单色光（需要配备含有待测样品元素的光源）

连续光的光谱带宽为2nm左右；而原子吸收的光谱带宽非常窄，仅有0.01nm左右，这就需要入射光的波长带宽更短。因此，对于原子吸收分光光度计而言，连续光是不可能的。

原子吸收分光光度计需要使用空心阴极灯（Hollow CathodeLamp = HCL）（空心阴极灯），由于其发射光的带宽在0.001nm左右，又称为锐线光源。发现一种现象，并利用该现象进行应用是需要克服很多问题的，例如如果没有空心阴极灯的发明，利用连续光是无法在ppm和ppb级别进行元素定量的。

图8.原子吸收分光光度计中使用的用空心阴极灯（Hollow Cathode Lamp =HCL）

2. 待测样品的形式不同

分光光度计：比色皿中测量

原子吸收分光光度计：需要通过火焰法等方法使得待测样品原子化。

3. 分光器的位置不同。

分光光度计：样品室前方

原子吸收分光光度计：样品室后方

如果能够理解原子吸光光度计的原理就能理解这些不同了（此处省略，如有不懂请留言）。

空心阴极灯的工作原理

空心阴极灯（Hollow CathodeLamp = HCL）的内部构造如图6所示，在内封惰性气体的空心筒玻璃管内放置了两个电极。当给两个电极之间加入电压时，内封的惰性气体就会离子化。随后，离子化的惰性气体与阴极材料碰撞产生蒸汽（这个蒸汽是位于基底状态）。随后阴极的蒸汽与周围的原子，电子以及离子相互碰撞处于激发态。最后，处于激发态的蒸汽再返回基态并释放出特定波长的光（当然，这个过程在加电压的过程中是反复的）。

图9. 原子吸收分光光度计中使用的用空心阴极灯（Hollow CathodeLamp = HCL）的内部构造）

根据阴极材料的不同，可以制造不同的光源，一般情况下是一种元素对应一种光源。这种光源是怎么制造出来的，阴极材料是使用含有目标元素的镀膜吗？这是笔者学习时候产生的疑问。

原子化部

如若不能对待测样品进行原子化的处理，便不能测得原子的吸光。为了实现待测材料的原子化，火焰法、石墨炉法、冷原子法、以及氢化物发生法被采用。以下内容来源于日立中国官网公开资料，整理了各种原子化方法的对比。

参考链接：

https://www.hitachi-hightech.com/cn/products/science/tech/ana/aa/basic/course6.html?version=

看了上面的介绍，是否感觉“在简略图中的原子化部，真正要实现应用并满足各种需求需要研究者（工程师们）的千锤百炼”。

本期以两个小故事引入了原子吸收分光光度计，介绍了基本原理与适用范围。从基本原理再到装置的内部构造，大家是否对分析装置产生了的兴趣呢？在各位读者的周围，相信常见的是美系，日系，德系的分析解析装置，从原理到制造的过程中需要克服众多难题，也希望今后能够看到更多的国产高性能设备能够涌现。

格物专栏下一期，我们会介绍另外一种元素定量法。

Key words：烟花

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