原子光譜法

原子光譜法  (Atomic Spectroscopy)
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級薛園馨

原子光譜法(atomic spectrum)為近代微量分析的一個重要方法，在生活上的應用則是一種對食品檢驗快速而有效的方法。

原子光譜法分為兩種，一種是原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy, AAS)，一種是原子放射光譜法(Atomic Emission Spectroscopy，AES)，前者是計算待測物質吸收多少波長的光來提升到激發態，後者是用火焰、電弧、或電漿給予待測物質能量讓其提升到激發態後，再測量其回到基態後所放出的特性輻射來定性，並利用比爾定律(Beer’s law)來定量，有些元素 AES 偵測極限較低、有些則是 AAS 較低，兩種方法都十分常用。

原子光譜法之所以如此熱門，因為有高選擇性、低的偵測極限(ppm~ppb)、分析速度快、可偵測多種原子(70種以上)等優點。其中高選擇性與低偵測極限是因為原子能階沒有轉動與震動能階，只有單純的電子能階，使光譜譜線非常尖銳，對定性與定量的靈敏度大幅提升。

而分析速度快是因為原子不管是從基態躍遷到激發態(AAS)，或是從激發態回到基態(AES)速度都非常快。尤其是在原子放射光譜中，每種原子的特性波長不同以及譜線十分尖銳，因此可以同時分析多種元素。例如可以在數分鐘內同時對數十種元素進行定性與定量的實驗，相比核磁共振光譜儀(NMR)、X光繞射儀、IR、……都快得多。

整個分析過程如下圖，待測樣品進入原子化器(atomizer)，由於原子光譜是測定“自由原子(free atom)”的光譜，因此要把溶液態待測樣品中的溶劑用高溫去除。但高溫下待測元素有可能跟氧氣結合形成氧化物、也有可能此元素容易離子化而對偵測產生干擾，原子化器便是想辦法成功將待測元素盡量全部形成自由原子的零件，常見的原子化器有火焰式原子化器、高溫石墨爐以及氫化反應式原子化器。

光源(or激發源)，原子吸收光譜法需要較窄的譜線來提升定量的靈敏度，因此大多使用中空陰極管(hollow cathode lamp)，其原理是利用在陰極由待測金屬元素構成，利用其基態到激發態吸收與放射的能量相同來達到產生所需窄譜線的光源，而原子放射光譜則只需要一個能量當激發源，因此最常使用感應偶和電漿來做為激發源，其優點相較於電弧或電火花激發法有著偵測極限較低(ppb)、基質干擾(matrix interference)較不明顯、線性範圍較大等優點。

原子光譜法最常遇到兩種干擾，一為化學干擾，因為各種化學反應使原子化效率下降，例如形成高沸點化合物(EX: 磷酸鈣)、氧化或離子化，這可藉由改變實驗條件來降低；二為光譜干擾，可能因為基質吸收過寬而蓋住原子吸收的特性波長，此干擾可利用 \(\mathrm{D_2}\) 燈與中空陰極燈來進行校正。

資料來源：

1. Douglas A. Skoog, F. James Holler, Stanley R. Crouch(2006), Principles of Instrumental Analysis( 6^th), Cengage Learning,
2. Chemical Analysis Series, 1996, 137, 196
3. http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/PhyExp/Exp402Spectrum/MolecularSpectrum.htm