光谱分析技术 AAS、AES、AFS 谁更强？

AAS（原子吸收光谱）、AES（原子发射光谱）、AFS（原子荧光光谱）是三种常见的光谱分析技术，在食品、化工、环境等领域具有广泛的用途，由于其原理相近，结构类似，很多初学者对于这三种技术难以参透，但是他们在原理、主要特点和适用范围上还是有差异的。 本文就来辨一辨这“光谱三兄弟”。

20 世纪 30 年代，人们已经注意了到浓度很低的物质，对改变金属、半导体的性质，对生物生理作用，对诸如催化剂及其毒化剂的作用是极为显著的，而且地质、矿物质的发展，对痕量分析有了迫切的需求，促使 AES 迅速的发展，成为仪器分析中一种很重要的、应用很广的方法。

AAS 在 20 世纪 50 年代由 Alan Walsh 奠定基础后，因其选择性好、干扰相对较少的优势，对当时的 AES 产生了强烈的冲击。然而，AES 并未被淘汰，而是在高频等离子体光源（ICP） 出现后重获新生。ICP-AES 凭借其卓越的多元素同时分析能力和更宽的线性动态范围，在很多领域与 AAS 形成了竞争甚至互补的格局。

AFS 的原理虽然早在 19 世纪后期就被物理学家研究过，但其分析方法在 1964 年才由 Winefordner 和 Vickers 提出并论证。它本质上融合了 AAS 和 AES 的一些特点：类似于 AAS 的光吸收过程（激发），又类似于 AES 的光发射过程（检测）。AFS 早期发展缓慢，受限于光源和原子化器技术，但它灵敏度高、检出限低、谱线简单的潜力一直吸引着研究者。

基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法。当元素的特征辐射通过该元素的气态基态原子区时，部分光被蒸气中基态原子共振吸收而减弱，通过单色器和检测器测得特征谱线被减弱的程度，即吸光度，根据吸光度与被测元素的浓度成线性关系，从而进行元素的定量分析。

（1）灵敏度高：火焰原子法，ppm 级，有时可达 ppb 级；石墨炉可达 10^-9~10^-14（ppt 级或更低）。

（2）准确度高，分析速度快：测定微、痕量元素的相对误差可达 0.1%～0.5%，分析一个元素只需数十秒至数分钟。

（3）选择性好，方法简便：由光源发出特征性入射光很简单，且基态原子是窄频吸收，元素之间的干扰较小，可以测定大部分金属元素。

局限性：只能用于确定元素的组成与含量，不能给出物质分子结构、价态、和状态等信息；不能用于分析有机物和一些非金属元素。

可直接测定岩矿、土壤、大气飘尘、水、植物、食品、生物组织等试样中 70 多种微量金属元素，还能用间接法测度硫、氮、卤素等非金属元素及其化合物。该法已广泛应用于环境保护、化工、生物技术、食品科学、食品质量与安全、地质、国防、卫生检测和农林科学等各部门。

原子的核外电子一般处在基态运动，当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到激发态，处于激发态不稳定（寿命小于 10^-8 s），迅速回到基态时，就要释放出多余的能量，若此能量以光的形式出显，即得到发射光谱（线光谱）。

（1）多元素检测，分析速度快。

（2）检出限低，10~0.1mg×g^-1（一般光源）；ng×g^-1（ICP—电感耦合等离子体光源）。

（3）准确度较高，5%~10%（一般光源）；

（4）试样消耗少（毫克级），适用于微量样品和痕量无机物组分分析，广泛用于金属、矿石、合金、和各种材料的分析检验。

局限性：测每一种元素要用专用的灯；难熔元素、非金属元素测定困难；不能同时多元素。

AES 在地质、冶金、机械、环境、材料、能源、生命及医学等领域得到广泛应用，是现代仪器分析中重要的方法之一。

介于原子发射（AES）和原子吸收（AAS）之间的光谱分析技术，通常情况下，原子处于基态。当相当于原子中的电子由基态跃迁到激发态所需要的辐射频率通过原子蒸气，原子就能从入射辐射中吸收能量，产生共振吸收，从而产生吸收光谱。原子吸收分析就是利用基态原子对特征辐射的吸收程度的，常使用最强吸收线作为分析线。

（1）灵敏度高，检出限较低。采用高强度光源可进一步降低检出限，有 20 种元素优于 AAS。

（2）谱线简单，干扰较少，可以做成非色散 AFS。

（3）校正曲线范围宽（3~5 个数量级）。

（4）易制成多道仪器（产生的荧光各个方向发射）——多元素同时测定。

局限性：荧光淬灭效应、复杂基体效应等可使测定灵敏度降低；散色光干扰；可测量的元素不多，应用不广泛（主要因为 AES 和 AAS 的广泛应用，与它们相比，AFS 没有明显的优势）。

随着有关原子荧光的国家、行业、部门的检测标准的建立，原子荧光光谱仪的应用范围越来越大。如地质、冶金、化工、生物制品、农业、环境、食品、医药医疗、工业矿山等领域。

但主要还是这 11 种元素的检测：As、Sb、Bi、Se、Te、Pb、Sn、Ge 元素可形成气态氢化物，Cd、Zn 形成气态组分，Hg 形成原子蒸气。

从原理看，相应能级间跃迁所涉及的频率相同。三者都涉及原子化过程，其蒸发、原子化过程相似。

AAS 是基于“基态原子”选择性吸收光辐射能（hv），并使该光辐射强度降低而产生的光谱。

AES 是基态原子受到热、电或光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生的光谱（共振发射线和非共振发射线）。

AFS 是一种辐射的去活化过程，当特定的基态原子（一般为蒸气状态）吸收合适的特定频率的辐射，其中部分受激发态原子在去激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。

AAS（原子吸收光谱）在地质、冶金领域应用广泛，用于矿石、金属材料中各种金属元素的含量分析。例如，分析铁矿石中的铁、锰等元素的含量。在环境领域可以检测水和土壤中的金属污染物，在食品行业用于检测食品中的有害金属元素。

AES（原子发射光谱）广泛用于金属、矿石、合金和各种材料中金属元素的分析检验；在环境监测领域用于检测空气、水、土壤等样品中的各种元素含量；在食品检测领域用于测定食品中的有害元素含量，确保食品安全。

AFS（原子荧光光谱）特别适用于对汞、砷、硒、锑等具有较强荧光特性元素的检测。在环境监测中对水体、土壤和大气中的砷和汞的检测非常重要;在食品安全领域用于检测大米、海产品等食品中的砷、汞等有害元素；在生物医学领域可用于检测生物样品中的微量元素，如血液中的汞含量等；也可用于农产品、土壤中有害元素的测定，为农业施肥和环境保护提供支持。

以上三种技术具有各自的优点和适应范围。这三种方法相互补充，构成一个完整的原子光谱分析体系。