2019/01/03 作者/EWG1990儀器學習網
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一、原子吸收光譜儀的外光路
原子吸收光譜儀外光路的作用是將元素燈的光匯聚，從原子化器的最佳位置通過原子化區，然後聚焦到單色器的入射狹縫。
商品原子吸收光譜儀的外光路各不相同，可簡單地分為單光束和雙光束兩種類型圖1 所示為兩種類型的光學系統的原理簡圖。
圖1中（a）為單光束儀器的光路圖。這種光學系統以其結構簡單、光能損失少而被廣泛採用。元素燈（L）與氘燈（D2）的光通過半透半反鏡或旋轉反射鏡重合在一起通過原子化器，實現氘燈背景校正功能。單光束系統的缺點是不能消除光源波動造成的影響，基線漂移較大，空心陰極燈要預熱一定時間，待穩定後才能進行測定。近年來隨著電子技術的發展，單光束儀器得到不斷的完善和改進，使儀器的穩定性有了很大提高。尤其是微機技術的發展，再配合自動進樣器，在每次進樣的過程中可以自動進行基線校正，有效地消除了基線漂移的影響，使單光束儀器的性能大大提高。
圖1 原子吸收光譜儀光學系統簡圖
圖1中（b）為雙光束儀器的光路圖。用旋轉切光器把光源輸出的光分為兩路光束，其中一束通過原子化器作為樣品光束，另一束繞過原子化器作為參比光束，然後用切光器把兩路光束合併，交替地進入單色器。檢測器根據同步信號分別檢出樣品信號及參比信號。由於兩路光束來自同一光源，光源的波動可以通過參比信號補償，因此儀器預熱時間變短，並可以獲得長期穩定的基線。近年來國外原子吸收光譜儀器為了提高儀器性能和競爭力，對雙光束儀器關注有加，多數公司推出各類雙光束儀器。
二、原子吸收光譜儀的分光系統
1.通常分光系統
分光系統的作用是分出被測元素譜線。分光系統（單色器）有四種類型（見圖2）：（a）利特洛型（Littrow），如Perkin Elmer公司的AA600/700/800等；（b）艾伯特型（Ebert），如 Thermo Fisher公司S型、澳大利亞GBC公司多數產品；（c）切爾尼-特納型（Czerny-Turner），該類型是 Ebert改良型，如國內有華洋公司、北分瑞利公司、普析通用公司、瀚時公司、上海精密公司，日本島津公司、日立公司等；（d）漱谷-波岡型凹面光柵單色器等。
利特洛型是一種自準直式裝置，用一塊凹面反射鏡（M1）同時作為準直鏡和成像物鏡。光束從入射狹縫（S1）入射至凹面反射鏡變為平行光反射至光柵（G）上，被光柵色散後仍然折回凹面反射鏡上聚焦成像，從出射狹縫（S2）射出。這種裝置結構簡單，光路緊湊。但這種裝置是不對稱的，入射狹縫和出射狹縫位於光柵的同側，反射鏡引入的慧差使譜線不對稱變寬，減小離軸角會使這種慧差減小。
艾伯特裝置以一塊大凹面鏡的兩半分別作為準直和成像物鏡。艾伯特裝置又分水平對稱式和垂直對稱式兩種。圖中所示為水平對稱式，在這種裝置中，光路是對稱的，出射狹縫與入射狹縫位於光柵的兩側，從入射狹縫入射的光線投射至凹面反射鏡的一側，變為平行光反射至光柵上，經光柵色散後折回四面反射鏡的另一側，然後聚焦在出射狹縫的焦面上。這種裝置像差很小，因為準直鏡的像差被成像物鏡所抵消。把艾伯特型略加改進，用兩個小鏡代替一個大的凹面鏡，就是切爾-特納型，由於小凹面鏡加工簡單、成本低，所以切爾-尼特納型單色器為現代儀器所普遍採用。
圖2 幾種常用的單色器裝置
凹面光柵單色器也有多種類型的裝置，圖2（d）所示為漱谷波岡裝置。這種類型的單色器可以在一定的範圍和條件下，只轉動光柵，保持入射和出射狹縫不動，在出射狹縫處到所需波長的精確聚焦的狹縫像。這種裝置的優點是結構簡單，缺點是像散很大。專門設計用於這種裝置的消像散凹面全息光柵，使漱谷波岡裝置的缺點得以克服，得到了廣泛的應用。
2. DEMONA分光系統
中階梯光柵單色器的應用越來越廣泛中階。梯光柵單色器在高級次光譜區工作，高級次光譜自由光譜區很小，為了將不同級次的重疊光譜分開，通常採取交叉色散（在中階梯光柵光路的前方或後方增加一級輔助色散元件），使譜線色散方向和譜級散開方向正交，在焦面上形成一個二維色散圖像。這種光柵解析度較高，可達0.002nm，結構小巧。中階梯光柵單色器結合面陣檢測器可同時接收整個工作波段範圍的光譜可實現快速多元素同時測定。如 Perkin Elmer公司的 SIMAA Thermo 6000、Thermo Fisher公司的 SOLAAR M系列、Jena公司的多元素連續測定儀AAS700型等就是採用中階梯光柵單色器。
圖3 DEMON系統的譜線分離示意圖
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1-入口狹縫（固定）；2-偏軸拋物鏡；3-稜鏡；
4-反射鏡中間狹縫（可調）；5-中階梯光柵；6-CCD線陣檢測器
DEMON分光系統可以得到較高的光譜解析度，不會有光譜級次重疊的問題，而且與固態成像檢測器聯用，可以在一段波長範圍內得到極其豐富的光譜信息。圖3為 DEMON系統的分光示意圖。自連續光源的輻射譜線由入口狹縫和反射鏡經稜鏡預單色器進行初步分光再經反射鏡和中間狹縫由中階梯光柵進行色散，最後由CCD檢測器進行接收和信號轉換。
3. Stockdale雙光束光學系統
Stockdale雙光束儀器，其工作原理是在光束通過路徑的原子化器前方和後方分別增加一塊可以移動或轉動的反射鏡，反射鏡離開光路時光束全部通過原子化器，反射鏡移入光路時，光源輻射繞過原子化器完全進入單色器，並將此光信號作為參考光束，與樣品光束分別測量運算。在測定時間內反覆地將這對反射鏡移入和離開光路，達到雙光束的效果。這樣的雙光束系統不減少進入分光系統的光能量，能獲得較好的信噪比，對於緩慢的基線漂移有很好的補償作用。圖4是耶拿 NovAA4儀器的光路示意，圖中轉向鏡就是完成 Stockdale 雙光束功能的關鍵部件。
圖4 耶拿 NovAA4400光譜儀光路示意
Thermo Fisher公司的M6型原子吸收光譜儀和新近推出的iCE 3500原子吸收光譜儀都採用這種方式。將石墨爐和火焰分別置於光源儀器兩側（圖5），光源置於兩個原子化器中間，通過旋轉前後兩個光束選擇器實現原子化器切換。該儀器還利用光束的切換實現了 Stockdale雙光束，並且使用了中階梯光柵和稜鏡交叉色散的分光系統，減小了儀器體積。
圖5 賽默飛世爾M6原子吸收光譜儀外光路
4.光纖技術
光纖的應用可使光路彎曲，從而使儀器結構更加緊湊，體積更小。美國 Perkin Elmer公司的 PinAAcle 900型AAS儀器採用了光纖技術，它是一臺火焰石墨爐一體化AAS儀器，採用堆棧式設計，火焰在上面，將石墨爐放在下面，因而在切換時沒有任何機械部件的移動，使儀器的穩定性更好。
如圖6所示，空心陰極燈和燈的輻射分別經過光纖，在光纖耦合器中混合，然後耦合器將其分為兩束光，每束光中包含空心陰極燈和氘燈的輻射，分別經過並行放置的石墨爐原子化器和火焰原子化器。在兩個原子化器光束傳播路徑的後方，經過反射鏡又分別正聚到兩根光纖中，傳輸到單色器狹縫的不同部位。單色器內的拋物面鏡將這兩個光纖傳輸又經過色散的輻射匯聚到出口狹縫的不同部位。裝在出口狹縫處的特製固態檢測器分別測量兩個光束中的空心陰極燈和氘燈的信號。在石墨爐原子吸收光譜測定時，經過火焰原子化器的光束作為參比光束；在火焰原子吸收光譜測定時，經過石墨爐的光束作為參比光束。兩個光束中的空心陰極燈信號和氘燈信號不是由切光器分割而是由光纖分割，是從空間上把兩組信號傳遞到檢測器的不同部位，而不是在時間上分割傳遞到檢測器上，因此信號脈衝相位完全相同，實現了實時雙光束測量，高光通量的光學系統和固態檢測器的結合，使得該儀器獲得極佳的信噪比。
圖6 PinAAcle 900型原子吸收光譜儀光路示意
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