李昌厚：横向加热石墨炉AAS的特点研究

  本文根据分析工作的实际要和作者的实践，从原子化温度、扣背景、原子化时间、重复性和灵敏度等几个维度研究了横向加热石墨炉原子吸收分光光度计（AAS）的特点，并对横向加热和纵向加热AAS的有关问题进行了讨论。

  0、前言石墨炉AAS的加热方式有两种：一种是沿光轴方向加热，叫做纵向加热；另一种是与光轴垂直方向加热，叫做横向加热

  。从仪器学理论[1]的角度来看，横向加热石墨炉AAS有十大优点[2]（适合复杂体系、温度均匀、消记忆效应、消拖尾、对试样要求低、原子化温度低、降低炉体要求、温度梯度小、原子化时间短、灵敏度较高）。从仪器学和应用的实际要求来看，横向加热石墨炉AAS的十大优点是纵向加热石墨炉AAS 无可比拟的。目前，因为横向加热的AAS难度大、成本高，所以，全世界只有6家[2]AAS生产企业能够生产横向加热的AAS。但是有人说：纵向加热石墨炉AAS的原子化温度最高可达3000℃，而横向加热AAS最高只能达到2650℃，所以纵向加热石墨炉AAS比横向加热石墨炉AAS好。也有人说：氘灯扣背景是横向加热石墨炉AAS一种很好的扣背景方法，但是也有人说：只有具有塞曼扣背景的横向加热石墨炉AAS才能叫横向加热石墨炉的AAS，氘灯扣背景的石墨炉AAS仪器，不能算是横向加热石墨炉的AAS仪器。本文将从仪器学理论和分析化学应用实践的角度，讨论这样一些问题。作者抛砖引玉，希望引起业内同仁对这样的一个问题的重视和讨论，以帮助广大科技工作人员正确理解这样的一个问题，共同努力来提高我国各类AAS仪器及其应用的水平。

  ，随后原子蒸气中的原子对入射产生吸收，通过检验测试入射光和出射光的变化来分析元素的含量。横向加热AAS加热温度的最大特点是石墨管里温度基本均匀、原子蒸气浓度基本均匀。AAS的使用者不应一味追求原子化温度高，不是纵向加热的3000℃就比横向加热的2650℃好。只要原子化后，原子蒸汽浓度能满足AAS检出限（或灵敏度）的要求就可以了；并且，要求在相同温度下，原子蒸汽的浓度越高越好、原子蒸汽浓度越均匀越好。一般元素在1500℃-2500℃都能开始原子化；而有些元素1500℃以下、甚至几百度就能开始原子化[2]。目前还未曾发现温度一定要达到2600℃以上才能开始原子化的元素。纵向加热石墨炉的AAS，即使制造商说仪器能提供3000℃的原子化温度，也只是说石墨管中心这一点处的温度是3000℃，并非整个石墨管里（包括两端）的温度都能达到3000℃；实际上，纵向加热石墨管中心点的温度达到3000℃时，两端的温度只有1600℃左右。原子蒸气的浓度也和温度一样，并且呈正太分布[2]。而横向加热石墨炉AAS的最高加热温度是2650℃，是指石墨管里中心点处的温度是2650℃时，两端的温度能达到2000℃，比纵向加热高出400℃；并且，横向加热时原子蒸气浓度在石墨管中的分布绝大多数都是均匀的。从整个石墨管里的温度、原子蒸气浓度来看，横向加热优于纵向加热。因为横向加热石墨炉AAS仪器原子化器的温度均匀，所以石墨管内原子化蒸汽浓度均匀，在石墨管中心温度为2650℃的情况下，石墨管里整体空间的原子蒸汽浓度高。因为纵向加热AAS石墨管内的原子化器的温度不均匀，在石墨管中心温度为3000℃情况下，石墨管里两头的原子蒸汽浓度比较低；从下面的图表，可以清楚看出；当加热温度为2000℃时，横向加热时石墨管里的温度基本上为均匀分布的2000℃，而同样情况下，纵向加热时石墨管里的温度不均匀，呈正态分布，石墨管中心温度为2000℃时，两端的温度只有1600℃。

  、[4]：很多元素1000℃左右就开始原子化（大多如此）；各元素原子化温度不同，第一族至第八族元素共61种， 1000℃以下没有能较好原子化的元素。值得提出的是：纵向加热时石墨管中心的温度3000℃时，两端的温度只有℃1600℃

  ，石墨管里的温度呈正态分布，原子蒸汽也是呈正态分布；横向加热2650℃，整个石墨管里的温度绝大多数都是平坦的，原子蒸汽的分布基本上也是平坦的。所以，从仪器学角度看，如果只是石墨管中心温度高，而两端的温度梯度太大，说明石墨管里的原子蒸汽也是梯度分布，这样会影响AAS的灵敏度、稳定性、峰拖尾等等。特别应该指出的是：从仪器学理论来讲，Campbell

  等提出的“原子化起始温度”概念、马怡载等[8]和王平欣等[9]定义的“原子化出现温度”的概念都很重要；马怡载等说的是产生0.004吸光度（即：产生1%吸收）时所对应的温度为“原子化出现温度”；王平欣等说的是指产生2倍噪声的吸光度时所对应的原子化温度为“原子化出现温度”。这些概念，对理解石墨管里的原子化温度很重要。通常来说，他们说的这些温度大多数都是指在一定条件下，这些温度下产生的原子蒸汽浓度能够测出它们对光的吸收（或者说能产生1%吸收）。也就是说，在这个温度下元素开始原子化产生的原子蒸汽浓度，就能满足检测到2倍噪声的吸光度值的要求。这也就是我们说的原子化温度。马怡载等测出的54种元素的“原子化出现温度”中，最高的为2573K（Tu），其余53种都在此温度以下。所以，横向加热石墨炉AAS的2650℃，完全能满足分析工作的要求。不会有2600℃以上才能开始原子化，更不会有3000℃才会产生“原子化出现温度”的元素。根据李攻科

  、[6]等人报道，“元素的理论原子化效率，是原子化温度的函数；在一定的原子化温度范围内（如：900℃ -2300℃），理论原子化效率与原子化温度呈线性递增关系”；“……在一定的原子化温度范围内，理论原子化效率随原子化气温变化的斜率是相近的”。所以，在同一种加热方式下，AAS仪器能给出温度高者为好；但是，纵向加热的理论极限值是3000℃，横向加热是2650℃，如果温度再增高就会产生多布勒增宽，使谱线变宽，再以峰高计算时会降低灵敏度。

  上表中的温度不是绝对数值，只能供读者参考；因为随着仪器不同、仪器条件选择的不同、

  2、关于横向、纵向加热的原子化时间、原子化温度、灵敏度和重复性与纵向加热的比较[2]

  上表中的温度不是绝对数值，只能供读者参考；因为随着仪器不同、仪器条件选择的不同、

  由表所述，在相同条件下，同一种元素的同样原子蒸气浓度的情况下，横向加热比纵向加热温度低。

  综上所述，横向加热的灵敏度比纵向加热高。但是，有些AAS使用者在仪器条件的选择、样品前处理上没有认真思考，没有根据仪器学理论要求，没选仪器在最佳条件下工作，所以，有些人用横向加热仪器做出的灵敏度不如纵向加热仪器，就误认为横向加热石墨炉AAS的灵敏度不如纵向加热石墨炉AAS的灵敏度较高。对于仪器学理论和仪器条件的学习是值得AAS使用者应该格外的注意、应该认真研究的问题，所有AAS的使用者都应该对此引起高度重视。

  [2]试样在石墨里的位置、均匀程度等状态，会直接影响其原子化程度，即原子蒸汽浓度；

  （1）横向加热石墨炉AAS的原子化时间短，利于保护炉体、延长炉体寿命；纵向加热石墨炉的原子化时间长，不利于保护炉体、容易损坏炉体；

  （2）横向加热AAS的灵敏度比纵向加热的灵敏度较高；还在于前者温度均匀，原子蒸汽浓度均匀所致；

  （3）横向加热AAS的重复性（RSD）优于纵向加热的AAS；也是因石墨管内温度均匀所致；

  国产的氘灯扣背景横向加热（某国产）与美国塞曼扣背景横向加热（某国产）灵敏度（特征量）

  理由如下：①横向加热石墨炉AAS，其石墨管内原子蒸汽浓度均匀、温度曲线平坦；纵向加热石墨炉AAS的原子蒸汽浓度不均匀、温度曲线呈正态分布；

  ③ 使用者不能盲目追求原子化的温度（高）；温度过高时会产生多普勒增宽，使谱线变矮、变宽，降低灵敏度，还会可能损坏炉体；

  ；特别是灵敏度、重复性、原子化时间、原子化温度等技术指标都优于纵向加热石墨炉AAS；

  在检测一些元素的灵敏度优于塞曼扣背景的横向加热AAS；并且性能好价格低、结构相对比较简单、操作简便。

  有一定优势；氘灯扣背景也是横向加热AAS扣背景的方法之一，也有一定优点；所以，不能简单的说氘灯扣背景的AAS不是横向加热的AAS。

  结构很复杂、加工难度大；这也是怎么回事目前全世界只有六家公司能够生产横向加热AAS仪器的主要原因。

  5、主要参考文献[1]李昌厚著，仪器学理论与实践，北京：科学出版社，2006

  [2]李昌厚著，原子吸收分光光度计仪器及其应用，北京：科学出 版社，2006

  [4]邓勃著，原子吸收光谱分析的原理、技术和应用，北京：清华大学出版社，2004

  [5]李攻科等，杨秀环，张展霞， GFAAS中理论原子化效率与原子化温度的关系研究

  [9] 王平欣等，“出现温度”观念及其在考察原子化机理过程中的应用，光谱学与光谱分析，1986,5（6），56

  主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要是做光谱仪器（紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等）、色谱仪器（液相色谱、气相色谱等）及其应用研究；特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的领先水平，2项填补国内空白；以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项（含国家发明奖1项）；发表论文183篇，出版专著5本；现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》付主编；曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长；国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、《生命科学仪器》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职务。

  仪器研发：核心创新和系统集成缺一不可——访“朱良漪奖”获得者清华大学周小红

  为某品牌做宣传太明显了，全是优点没有缺点吗？作为资深的专家老师应该本着公平，公正的原则，再发表言论吧

  李老师有这几个问题：第一普析TAS990的所谓0.4Pg的检出限 有多少是仪器滤波系数贡献的虚假能力您考虑过吗？第二所谓PEAA800的1.3Pg的检出限人家是真的谦虚了，我用过也做过这个检出限随随便便都能做到0.3Pg以下只是人家没这么宣传。理论的东西您讲的没毛病但是国产这几个厂家的设备真心禁不起您这么捧，大部分市场主流在售设备都完全没有办法和进口仪器对比。

  我买的就是横向加热，使用后稳定性并没有说的这么好，石墨管消耗厉害成了最大的痛点

  横向和纵向比较的很完美。 塞曼部分写的一般。塞曼方法至少有三种，作者应该只比较了横向塞曼。进口仪器基本都有塞曼，国产仪器也就两家有，说明塞曼还是很难的技术，按照作者比较横向时说的只有六家就好的说法之一的逻辑，塞曼也应该是好的。作者有为只有氘灯扣背景的横向石墨炉的国产仪器打广告之嫌。如果氘灯能处理问题，干嘛花费高价格去买塞曼的仪器。 自己觉得横向石墨炉配合纵向塞曼是非常好的设计。 整体是由部分组成的

  重点应该是横向的气路设计更合理，原子化的时候原子蒸气更加平稳。其他的感觉听听就好，

  这个广告也太明显了，有实力就买两套国内顶尖的，同时做平行样，这样才有说服力