原子吸收分光光度計儀器及其應用的最新進展

1、原子吸收分光光度計儀器及其應用的最新進展李 昌 厚(中國科學院上海生物工程研究中心 上海 200233一、前言隨著科學技術(shù)的發(fā)展,特別是材料科學、生命科學、空間技術(shù)的大發(fā)展,對不透明物質(zhì)中金屬元素 的分析越來越多,所以原子吸收分光光度計(AAS儀器的應用越來越廣泛;許多食品、藥品、自然環(huán) 境中的微量重金屬元素能引起致癌,對人類生活、生存、發(fā)展的威脅越來越大;而這些微量重金屬元素 的分析,目前也是主要依靠 AAS。因此,AAS 儀器及應用的發(fā)展非常迅猛,值得廣大科技工作者重視。 二、AAS 儀器的最新進展1、石墨爐橫向加熱技術(shù)是全世界科學家重要的攻關(guān)成果世界上第一臺成熟的橫向加熱石墨爐 AAS

2、商品儀器, 是美國的 PE 公司于 1990年推出的。 它是全世 界科學家重要的攻關(guān)成果。目前日趨成熟。世界上已有 5家公司(PE、Jena、Aurora、普析通用、GBC 能生產(chǎn)橫向加熱石墨爐 AAS。橫向加熱石墨爐具有縱向加熱石墨爐無可比擬的八大優(yōu)點;、對復雜基體的真實樣品的痕量和超痕量分析特別適合(抗干擾性好! ;、橫向加熱石墨管,使得沿光束方向的石墨管溫度嚴格均勻一致;、可顯著地降低基體效應和消除記憶效應;、可消除常見的峰拖尾;、可避免縱向加熱石墨管引起的靈敏度損失和、可降低對爐體的要求,延長其壽命(因為溫度低;、溫度梯度小(橫向中心和兩端溫度差 150;縱向差 500! 橫向加熱石墨

3、爐的八大優(yōu)點中,最關(guān)鍵的是石墨管內(nèi)溫度均勻。橫向加熱石墨爐與縱向加熱石墨爐的比較如圖 1所示。由圖 1可知:橫向加熱石墨爐石墨管中心的溫度與兩端差得很少,管內(nèi)的溫度均勻。因此,橫向加熱石 墨爐石墨管中的原子化效率均勻、 原子濃度均勻; 而縱向加熱石墨爐石墨管中心的溫度與兩端差得很多, 可達 5000C。因此,縱向加熱石墨爐石墨管中的原子化效率不均勻、原子濃度不均勻。所以,橫向加熱 石墨爐具有上述八大優(yōu)點。特別是穩(wěn)定性(RSD好。 綜上所述,橫向加熱石墨爐是最先進的技術(shù)、是縱向加熱石墨爐發(fā)展的必然趨勢。2、自動化程度令人賞心悅目世界上第一臺成熟的 AAS 商品儀器,是美國的 PE1公司 1961

4、年推出的。從六十年代初期開始, 國外生產(chǎn)的的 AAS,就采用計算機技術(shù)。到了六十年代末期或七十年代初期,國外的 AAS 普遍采用計算 機。目前,國外生產(chǎn)的 AAS 的自動化程度都很高,已經(jīng)發(fā)展到了令人賞心悅目的程度。目前,歐美等發(fā)達國家生產(chǎn)的 AAS 中,很多儀器面板上只有一個電源開關(guān),其余的全部操作、數(shù)據(jù) 處理等都通過計算機來完成。我國目前生產(chǎn)的 AAS 中,除 TAS-986/990面板上只有一個電源開關(guān),其 余操作、 數(shù)據(jù)處理等都全部用計算機來完成外, 還較少見自動化程度非常高的儀器。 在自動化程度方面 我們與國外 AAS 還存在差距。3、進樣技術(shù)發(fā)展速度驚人AAS 屬于相對測量的儀器,

5、因此,對重復性要求很高高。特別是石墨爐 AAS,更是如此。這就對進 樣技術(shù)提出了高要求;目前國外很多儀器都是采用自動進樣器,如 PE、Varian 等公司。但是,我國帶 自動進樣器的石墨爐儀器不多; 除北京瑞利公司、 北京普析通用公司、 北京東西電子公司等少數(shù)幾家的 AAS 有石墨爐自動進樣器外,其余大部分都沒有。這是特別需要加快步伐迎頭趕上的。特別是固體進樣器的問世,更引人注目。對于難熔的高溫元素分析是革命性的突破。4、扣背景技術(shù)發(fā)展令人眼花繚亂近幾年,在 AAS 扣背景技術(shù)方面,已出現(xiàn)可變磁場塞曼扣背景的儀器; 如:德國 Jena 公司的 AAS Zeenit 60 型、700型AAS,就

6、是采用三磁場塞曼扣背景的儀器;因為不同的元素,需要不同的磁場強 橫向、縱向石墨管溫度分布比較曲線1000150020002500-10-8-6-4-20246810與中心點距離(mm溫度(度才能產(chǎn)生塞曼裂變,所以,三磁場塞曼扣背景的 AAS,是具有創(chuàng)新特色的儀器。它的優(yōu)點有:可調(diào)節(jié)分析靈敏度; 可擴展固體分析的分析范圍; 不需換到次靈敏線測試; 不需停氣測試; 不需稀釋樣品等等。目前, 美國 Varian 公司的 AA280、 AA240SF; PE 公司的 AA800等是全世界成熟商品 AAS 儀器中最高 級的儀器; 采用橫向加熱石墨爐、 交流塞曼扣背景; 不管是從性能技術(shù)指標, 還是從功能

7、技術(shù)指標來講, 都屬于世界之最。5、新型的 AAS 儀器不斷涌現(xiàn)、連續(xù)光源的 AAS 儀器問世常規(guī)的 AAS 大多采用能夠發(fā)射元素分析譜線的空心陰極燈做光源,因此稱為線光源 AAS。但是,線 光源 AAS 不能對多個元素同時進行分析檢測, 并且, 因為無法提供分析譜線的輪廓信息以及其側(cè)翼的光 譜背景信息,同時背景都較大,因此,線光源 AAS 必須配置專門的背景校正器。這些缺陷都限制了原子 吸收光譜的應用范圍。 近幾年來, 隨著高光譜分辨能力的中階梯光柵光譜儀技術(shù)和具有多通道檢測能力 的半導體圖像傳感器技術(shù)的日趨成熟,使用連續(xù)光源做原子吸收分光光度計(CS-AAS的光源已經(jīng)成 為可能;并且它有可

8、能成為未來 AAS 儀器的發(fā)展方向。德國 Jena 公司最近剛推出的 CS-AAS(ContrAA ,是對 AAS 的重大突破、是 AAS 的最新進展之一; 常規(guī)的傳統(tǒng)線光源原子吸收分光光度計(LS-AAS ,一個燈只能作一個元素。而 CS-AAS,采用交叉色 散系統(tǒng)和 CMOS 圖像傳感器的形式,不需要移動光路中的任何部件,可以同時檢測從 As193.76nm 到 Cs852.11nm 之間的多條任意分析譜線,具有同時多元素定性、定量分析能力;檢出限和精密度達到或 超過線光源 AAS 的水平, 從而使 AAS 儀器發(fā)展到一個新的水平。 德國耶拿公司的 ContrAA 連續(xù)光源原子 吸收分光光

9、度計(CS-AAS對部分元素檢出限與銳線光源原子吸收分光光度計(LS-AAS檢出限的比 對見表 1。 ContrAA 采用高聚焦短弧氙燈作為連續(xù)光源,該高聚焦短弧氙燈是一個氣體放電光源,燈內(nèi)充有高 壓氙氣, 在高頻高壓電壓的激發(fā)下形成弧光放電, 輻射出從紫外到近紅外的強連續(xù)光譜。 能量比一般氙 燈大許多,電極距離<1mm,發(fā)光點只有 200m,發(fā)光點溫度 10000KT。這樣的設(shè)計, 使儀器提供的光譜信息非常豐富, 改善了分析結(jié)果準確性和測量精度。 其在啟動后即 能很快達到接近最大光輸出, 這是該原子吸收光譜儀不需要通過燈預熱來防止產(chǎn)生漂移的主要原因。 多 元素順序測定時,可測量元素周期

10、表中 60余個金屬元素,并可以測量放射性元素,為研究原子光譜的 機理提供了分析手段。過去, 連續(xù)光源一直難以在原子吸收光譜儀上得到應用, 主要原因在于連續(xù)光源須在每一個分析波 長處與空心陰極燈有同樣的光輻射強度和穩(wěn)定性, 這一技術(shù)對于儀器的分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)有著極高的 要求。原子吸收譜線的寬度約為 0.00Xnm,耶拿公司的 ContrAA 采用了石英棱鏡高分辨率的大面積中階 梯光柵組成雙單色器解決了 0.003nm 帶寬的問題,使連續(xù)光源在近似單色光的條件下測量原子吸收。 連續(xù)光源 AAS 的主要突破點是:、采用 300W 高聚焦短弧氙燈作連續(xù)光源,波長覆蓋了原子吸收全部波長范圍。分析結(jié)果準

11、確、 測量精度高。、突破了中階梯光柵的應用技術(shù),解決了儀器的窄光譜帶寬問題。、 成功的解決了高靈敏度 CCD 檢測器的應用技術(shù)難關(guān), 與中階梯光柵結(jié)合, 使分辨率達到 0.002nm。 、具有優(yōu)異的背景校正功能:分析時,同時把所有背景的信息都記錄,可以事后將各種背景都扣 除干凈。傳統(tǒng)原子吸收儀器上的氘燈背景裝置,各種 Zeeman 效應的背景裝置、S.H 法背景裝置都不需 要了。高靈敏度 CCD 線陣檢測器的使用增加了量子效率,光學分辨率達到 2pm,在擴大線性動態(tài)范圍的同 時,降低噪聲,提高靈敏度,使檢出限優(yōu)于普通原子吸收光譜儀。對快速多元素分析, 分析速度已達到 或超過 ICP;從可獲得的

12、分析信息量的角度而言,ContrAA 基本上可以與 ICP 媲美了連續(xù)光源、中階梯光柵、CCD 檢測器的結(jié)合,同時檢測分析信號和背景信號,使樣品光束和參考光 束的測量同時獲得,沒有時間差異,具有實時雙光束的功能,且能顯示光譜通帶內(nèi)的光譜干擾信息,這 些特點是 ContrAA 成為能精確地校正背景和觀察研究譜線干擾的理想儀器的關(guān)鍵。目前,盡管 CS-AAS 對光源、中階梯光柵、CCD 接收器等多方面都要求很高,整機制造的技術(shù)難度 也很大,在產(chǎn)業(yè)化和性價比等方面,還有許多問題需要進一步深入研究。但是,它肯定無疑是 AAS 儀器 發(fā)展史上的一個里程碑,是一個革命性的突破,將為 AAS 的應用開辟一個

13、廣闊的新空間。、近幾年年,美國瓦里安推出 AA-240FS 快速序列式 AAS,是好儀器;比傳統(tǒng)的 AAS 省 40%的樣 品消耗、50%的時間消耗。2分鐘可測定 10種元素。 同時,瓦里安推出最新的 AA280;它有兩套革命 性系統(tǒng):八燈快速序列式分析模式和塞曼模式;分析速度提高 50%。采用氣體最小化技術(shù),使氣體消耗量減少 40%;石墨管壽命延長兩倍;Cu 可達 5000次;石-自動進樣器可處理 135份樣品。、20042006年,北京普析通用推出 TAS-990、 MB5、MG2 等 AAS。MB5一滴血,3秒鐘同時測 出 Cu、Zn、Ca、Mg、Fe 5個元素;MG2一滴血,一分半鐘同

14、時測出 Cd、Pb 兩個元素;是婦幼保健、醫(yī) 學檢驗必備的先進儀器?，F(xiàn)在都已經(jīng)上市。、Varian 近幾年的 SpectrAA-duo 也是較好之一; 火焰、石 墨爐作在一起,各具有獨立的光 學和檢測系統(tǒng),由 一臺工作站全自動控制,可實現(xiàn) 火焰、石墨爐 的 分析同時進行!可節(jié)省時間 50%。、近幾年,島津推出 6300、PE 推出 AA400。、近幾年雙光束 AAS 也有人重視:早期的 AAS 儀器都是單光束。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,AAS 儀器 也在不斷發(fā)展,目前,已出現(xiàn)了雙光束 AAS;如:德國 Jena 公司的 AAS Zeenit 60 型 AAS 就是。 我國也有企業(yè)研發(fā)雙光束 AAS,

15、如上海精密科學儀器公司的 AA300等。、我國目前的 AAS 儀器發(fā)展很快,已有重大突破。但是,我們還應看到我國在高檔 AAS 方面與 國外差距很大5;特別在主要的、關(guān)鍵的功能、性能技術(shù)指標上,差距更加明顯;如:可靠性、 軟件、附件、工藝等等。我們必須看到這些差距。只有看到了差距,才有趕超國際先進水平的動力,才 有趕超國際上 AAS 的先進水平的可能。在中、低檔 AAS 方面,我國與國外的差距已經(jīng)很小,特別是在火 焰方面,差距更小;我國自己生產(chǎn)的火焰 AAS,基本上都能滿足使用要求。我國的中檔 AAS,有些技術(shù)指 標還能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品;如:北京普析通用公司的 TAS-986/990、上海精科

16、公司的 4501、北京瑞利 公司的 200/210等 AAS 就是。特別是 TAS-986/990,采用橫向加熱石墨爐技術(shù),全世界只有 5家公司 1 能生產(chǎn)橫向加熱石墨爐 AAS,而我國能生產(chǎn)此類儀器。三、AAS 應用的最新進展1. AAS應用的發(fā)展簡況自從 1898年,Tyndal 發(fā)現(xiàn) NaCl放在火焰上,能在太陽光下產(chǎn)生 589.0nm 和 589.6nm 位置上的暗 線以后,1939年 Woodson 用汞蒸氣燈發(fā)出的 253.7nm 這條特征線測定了空氣中的汞;這些都可以說是 AAS 應用的前期實驗工作。AAS 的具體應用發(fā)展簡介如下: 已由無機化學向有機化學過渡 生命科學研究中的“

17、坐上賓”第 1 期第 3 期 醫(yī)療、衛(wèi)生領(lǐng)域非常重視 AAS ； 光譜儀器與分析 6 醫(yī)療、衛(wèi)生領(lǐng)域,特別是疾控中心，衛(wèi)生防疫站系統(tǒng)，都已廣泛使用 AAS；在這些領(lǐng)域中，科技工 作 者 早 已 將 AAS 用 于 人 體 組 織 和 體 液 中 的 主 量 元 素 （ Na,K,Ca,Mg ） 必 需 的 微 量 元 素 、 （Fe,Cu,Zn,Mn,Cr,Se、Co、Mo、V） 、醫(yī)療用非必需元素（Al,Au,Bi,Ja,Li,Po）和非必需及有毒微量元 素（Pb,Cd,Ag,As,Ti,Hg,）的分析。特別是對血液、頭發(fā)、尿液和人體組織中的某些微量元素（Se、Ge、 As、Hg、Pb）的分

18、析，也普遍采用 AAS。 藥檢工作中的應用: 國際上許多藥物的分析測試、質(zhì)量檢驗都用 AAS；如：我國 2005 年版的藥典（一部為中藥、二部 為西藥、三部為生物制品）規(guī)定：各類藥品中，共有 27 個品種 12 個元素要求用 AAS 分析檢測；其中： 藥典一部規(guī)定，有 6 個品種 5 個元素（Pb、Cd、Hg、As、Cu）要用 AAS 進行質(zhì)量控制和分析檢測；藥典 二部規(guī)定，西藥中有 17 個品種繼續(xù)用 AAS 進行質(zhì)量控制和分析檢測；藥典三部規(guī)定，生物制品中有四 個品種 3 個元素（K、Na、Al）要用 AAS 進行質(zhì)量控制和分析檢測。 未寫進藥典的、但用 AAS 檢測的樣品很多；如：腹腔透

19、析液中的鉀 K、Na、Ca、Mg，復合維生素中 的 Cu、Co、Fe、Mn，盤尼西林中的鈀 Ba，靈芝中的 Cu 和 Mn，阿膠中的 Hg，六味地黃丸和牛黃解毒丸 中的 Hg、As、Mo、Hg、Cu 等等，都仍然要求用 AAS 分析檢測。 另外，我國的保健食品管理法規(guī)定，飲料、固體飲料、膠囊保健品中的 As、Pb、Hg 等有毒有 害的微量重金屬元素的含量要求用 AAS 進行限量檢測。還有藥用植物及其制劑綠色行業(yè)標準規(guī)定， 對藥用植物及其制劑中的 Hg、Pb、Cd、Cu、AS 也要求用 AAS 限量檢測。 農(nóng)業(yè)環(huán)保中的應用：糧食、種子、蔬菜、土壤、中草藥、農(nóng)藥中的 As、Hg、Se、Sb 的檢測

20、，早 已普遍使用 AAS。 商檢、食品中的應用： 我國和世界上許多國家，都對化妝品、金屬、肉類、魚類、酒類、口服液、奶類、奶制品等中的 As、Hg、Se、Pb、Ge 等微量元素普遍采用 AAS 進行檢測。 冶金工業(yè)中的應用：金屬中的有害元素（As、Bi、Pb、Sb、Sn 等）檢測 水質(zhì)中的有害微量元素分析檢測 環(huán)境監(jiān)測中對有害微量元素分析檢測 地質(zhì)找礦普查、詳查和異常評價中的應用 2、應用的最新進展 國際上從事 AAS 應用的科技工作者普遍、 經(jīng)常碰到的技術(shù)難題， 近幾年來全世界科學家進行了攻關(guān)。 攻關(guān)的最新進展如下： 進樣技術(shù)攻關(guān) 第 1 期第 3 期 光譜儀器與分析 7 進樣技術(shù)既是儀器方

21、面的重要內(nèi)容，又是應用方面的重要內(nèi)容。AAS 的各種新型進樣器的涌現(xiàn)，是 一個很值得廣大科技工作者重視的問題。因為，樣品消解，是 AAS 分析工作的最重要內(nèi)容之一。特別是 對難熔的樣品， 更是一大分析難題。 但是， 目前許多科學家和科技工作者， 正在花大力氣對此展開攻關(guān)。 近幾年，針對不能消解的樣品分析難題，科學家經(jīng)過攻關(guān)，已研發(fā)出固體進樣器，對很難消解或不 能消解的固體樣品，采取不需要消解就直接固體進樣的辦法（只適用于石墨爐 AAS） 。這是一個革命性 的突破。它的主要優(yōu)點是： A. 簡便：不需要化學前處理，節(jié)省時間、節(jié)省化學品的花費； B. 靈敏度高：能達到 pg 級和 fg 級的檢測水平

22、； C. 直接分析真實樣品：無污染； D. 適用性強：特別適合生物樣品的痕量分析； E. 真正的微量分析方法：10mg - 50mg 作一個樣品； F. 自動化程度高：除可手動外，已出現(xiàn)全自動的固體進樣器； 高溫、難熔元素（如鉬、釩）分析難題的攻關(guān)（石墨爐橫向加熱、固體進樣） 線性范圍窄的分析難題攻關(guān)（三磁場） 背景扣除的誤差很難消除的難題攻關(guān)（D2、可變磁場） 如何快速建立分析方法的難題攻關(guān)（最佳條件固化、推薦菜單） 如何進行高濃度基體連續(xù)分析的難題攻關(guān)（FIA、為微量樣） 如何提高分析速度的難題攻關(guān)（FIA、快速升溫、全自動、固體進樣） 復雜體系或復雜基體的樣品分析難題攻關(guān)（石墨爐橫向加熱

23、） 樣品處理沾污難消除的難題攻關(guān)（石墨爐橫向加熱、固體進樣、智能稀釋） 3、AAS 應用的最新進展中特別值得注意的還有以下幾個方面： 、多種新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)： 目前，國外 AAS 的應用技術(shù)發(fā)展很快；特別是在電熱原子吸收光譜法9（ETAAS） 、高分辨率連 續(xù)光源原子吸收光譜法源（HRCSAAS） 、持久性化學改進劑（一次注入，可以連續(xù)使用 1000 多次） 、化 學蒸氣發(fā)生技術(shù)等新技術(shù)方面發(fā)展特別快，很值得重視。 AAS 在生物金屬科學中的應用大發(fā)展 近年來， 繼基因組學與蛋白組學之后， 金屬組學和代謝組學的出現(xiàn)， 正在成為光譜學家關(guān)注的重點； 2001 年，Williames5提出“

24、金屬組” （Metallome）的概。2004 年 Haraguchi 提出“金屬組學” （Metallomics）就是“生物金屬科學” （Biometal science）的概念。而 AAS 是“生物金屬科學”的最 重要的、最新的分析手段之一。 AAS 的應用面正在向各個領(lǐng)域迅速擴大 第 1 期第 3 期 光譜儀器與分析 8 在生命科學領(lǐng)域（生物酶、蛋白質(zhì)）中應用正在大發(fā)展；一些含有金 屬元素的生物酶及重要蛋白 質(zhì)，在生物體內(nèi)起到十分的作用（見表 2） 表2 典型的含金屬的酶和含金屬的蛋白質(zhì)及其生物學功能6 含 金 屬 的 酶 （ M W / k D a ）金 屬 原 子 數(shù) 鐵傳遞蛋白 鐵

25、朊 過氧化氫酶 固氮酶 細胞色素 碳酸酐酶 羧基肽酶 醇脫氫酶 堿性磷酶脂酸 DNA聚 合 酶 RNA聚 合 酶 蘭色素形成酶 谷胱肝肽過氧化氫酶 尿素酸 2Fe 1Fe 4Fe 4Fe， 2Mo 1Fe 1Zn 1Zn 4 Zn 3.5 Zn 2Zn 2Zn 1Cu 1Se 10Ni 生物學功能 傳遞鐵 貯存鐵 分解過氧化氫 固氮 甾類和藥物的代謝 H2CO3平 衡 的 催 化 劑 在羧基端的肽鍵水解 醇脫氫 磷酸脂水解 DNA合 成 RNA合 成 電子轉(zhuǎn)移 過氧化氫和有機超氧化物分解 將尿轉(zhuǎn)化為氨 一些重金屬元素 進入人體內(nèi)后，與體內(nèi)蛋白酶上的 S-H 和 S-S，疏水鍵牢固結(jié)合，使蛋白質(zhì)

26、變性， 失去酶活性，使蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)改變或破壞，最可怕的是會使人的基因產(chǎn)生突變致癌。而要搞清楚這 些含有金屬元素的生物酶及蛋白質(zhì)的情況，AAS 又是最重要的分析工具之一；目前，人工合成、動植物 中提取的生命物質(zhì)中有無重金屬元素，都采用 AAS 分析檢測。 應用領(lǐng)域的擴大還表現(xiàn)在各國 AAS 分析標準上；如：我國生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范衛(wèi)法監(jiān)發(fā)2001161 號文規(guī)定 23 種元素、食品衛(wèi)生檢驗方法（理化）國家標準 GB/T5009.1-2003 規(guī)定 9 個元素、水和廢水 標準監(jiān)測監(jiān)測方法環(huán)保（第四版）規(guī)定 16 個元素、飼料工業(yè)標準匯編（標準出版社）規(guī)定 13 個元素、 無公害農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)業(yè)部行業(yè)標準規(guī)定 6 個元素、中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部部規(guī)程（DZG9301-DZG93-12） 規(guī)定 26 個元素、農(nóng)業(yè)部土壤分析技術(shù)規(guī)范 1993 規(guī)定 18 個元素都要求用 AAS 分析。 AAS 的聯(lián)用技術(shù)發(fā)展特別值得重視： 聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，是 AAS 儀器和應用最新進展的又一個體現(xiàn) 我國的方肇倫和