中国分析测试技术丛书--原子光谱分析

《原子光谱分析》是“中国分析测试技术丛书”的一个分册。
几十年来，原子光谱分析技术得到长足发展，已经在各行各业获得广泛应用。本书由来自高校分析测试中心，长期工作在原子光谱分析一线的实验技术专家和科学研究专家共同编写。内容主要包括原子吸收光谱分析、原子荧光光谱分析、原子发射光谱分析、电感耦合等离子体质谱分析、X射线荧光光谱分析等，涉及方法的基本原理与仪器装置、进样与联用技术、分析应用等。此外，本书还专门设置一章简要介绍原子光谱分析研究领域的新技术，体现了原子光谱分析不断发展的趋势。
本书可供仪器分析，尤其是原子光谱分析领域的科技人员，高等院校教师、研究生以及高年级本科生阅读；也适用于材料、化学、化工、生物、医药、食品、电子信息、农业、地质等领域的分析工作者参考。

侯贤灯 四川大学教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。长期从事光谱分析仪器与方法研究，先后承担国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目、区域创新联合基金项目等科研任务，2020年以来连续入选Elsevier中国高被引学者。先后任Microchemical Journal副主编，Applied Spectroscopy Reviews、Journal of Analytical Atomic Spectrometry、《分析化学》等学术期刊编委，以及中国分析测试协会常务理事、全国教育装备标准化技术委员会化学分技术委员会副主任委员等。获中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖，研制的便携式原子吸收光谱仪获BCEIA金奖、全国发明展览会金奖。

陈明丽 教授，博士生导师，东北大学分析测试中心主任。主要从事样品预处理理论、光谱分析及光谱和质谱联用技术相关研究工作，入选辽宁省“百千万人才工程”千人层次，辽宁省教学名师。担任Talanta、Analytical Sciences副主编，研制了高通量单细胞筛选与分析系统、单细胞光谱-质谱二维分析系统、单个循环肿瘤细胞的筛选与分析系统。获辽宁省科学技术奖（自然科学奖）一等奖，中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖。

蒋小明 四川大学研究员，博士生导师。主要从事原子光谱分析方法与仪器相关的研究工作。担任Atomic Spectroscopy等期刊编委。主持国家自然科学基金、四川省重大科学仪器设备专项等科研项目；获中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖、中国仪器仪表学会“朱良漪分析仪器创新奖”青年创新奖。

原子光谱分析法主要包括原子吸收光谱分析法、原子发射光谱分析法、原子荧光光谱分析法和元素（无机）质谱分析法，是微量、痕量元素分析最常用和最重要的先进测试技术，在各行各业都获得了广泛应用。与其他原子光谱分析法不同，X射线荧光光谱分析法基于原子内层电子的跃迁，也是元素定性定量的一种非常重要且独特的方法，因此本书也包括了相关内容。
自从20世纪50年代原子吸收光谱分析法出现以来，各种原子光谱分析法相继问世。最近30多年来，随着现代科学技术的迅猛发展，原子光谱分析技术又得到了革命性的发展。比如，电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）等电荷转移器件（charge transfer device，CTD）光学检测器的出现，使得原子光谱多通道同时检测不再是一个挑战；配合高强度连续光源和高分辨中阶梯光栅，出现了连续光源原子吸收光谱仪，打破了原子吸收因需要采用空心阴极灯（锐线光源）而难以实现多元素同时测定的论断。电热蒸发（electrothermal vaporization，ETV）和激光剥蚀（laser ablation，LA）技术的运用，使得原子光谱分析法特别是基于电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）的发射光谱/质谱技术也可以进行固体直接进样。激光技术在各种原子光谱分析中也获得了应用，其中最有特色的是激光离子化质谱分析技术和激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技术。我国具有自主知识产权的氢化物发生-原子荧光光谱仪独树一帜，已在地矿勘探、环境保护、食品安全等领域中发挥了重大作用，基于氢化物发生的原子吸收、原子发射光谱分析技术也进入了新的发展时期。如今，原子光谱分析已不限于微量、痕量元素定性定量分析，与各种色谱分析法联用，还可以实现形态分析，从而开创了生命分析的新领域，特别是金属组学、重大疾病标志物分析等。与固体直接进样技术联用，原子光谱在元素成像分析中的应用研究也相当活跃。微等离子体和微型CCD等光谱检测器的应用，促进了便携式原子光谱仪的研制。本书编著者团队研制了便携式原子吸收光谱仪，并在北京北分瑞利分析仪器公司推出国内外第一代商品化便携式原子吸收光谱仪产品，该仪器获得中国分析测试协会分析测试仪器创新奖（BCEIA金奖）、全国发明展览会金奖。在国家重大科研仪器研制项目的资助下，编著者团队还研制了多种原子光谱-质谱同时检测的新仪器。与此同时，被称为原子光谱分析的阿喀琉斯之踵（Achilles’ heel）的样品制备与进样技术近年来也获得了长足的进步，尤其是在具有选择性分离的在线样品处理和化学蒸气发生领域。
本书编著者团队来自四川大学、东北大学、北京大学、清华大学、中山大学等教育部“双一流”建设高校，成员都是一线科研和分析测试人员，长期工作在相关领域，积累了丰富的科研和测试经验。本书的部分内容是编著者团队在国家自然科学基金等科研项目的支持下取得的成果，包括国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目（多物理量同时测量的新型原子光谱分析仪；适于生命体系中金属/类金属形态分析的光谱系统研制）、国家自然科学基金重点项目（基于纳米固体表面化学的光谱分析方法学研究）、国家自然科学基金区域创新联合基金项目（光谱化学法监测四川地震环境灾害及其污染的基础研究）、科技部国家“十一五”科技支撑计划（监测检测专用仪器产业化示范——现场检测原子吸收光谱仪及色谱-原子荧光联用仪）等，我们在此表示衷心感谢。此外，本书中部分成果获中国分析测试协会科学技术奖一等奖“原子光谱分析新技术研究”（2006年度）、“适用于生命体系中金属/类金属形态分析的光谱系统的创制及应用”（2023年度）、“基于微等离子体的小型化原子光谱分析新方法、仪器及应用” （2023年度）。
本书包括七章，分工如下：前言和第一章 绪论，侯贤灯、陈明丽、蒋小明；第二章 原子吸收光谱分析，陈明丽；第三章 原子荧光光谱分析，邢志、蒋小明；第四章 原子发射光谱分析，吴曦、杨嘉慧；第五章 电感耦合等离子体质谱分析，刘洪涛；第六章 X射线荧光光谱分析，刘佳蕙；第七章 原子光谱分析新技术，侯贤灯、蒋小明、王哲、胡静、何娟和陈明丽。本书由东北大学王建华教授审核，在此表示感谢。
希望本书的出版能对相关技术人员做好研究型分析测试服务有所帮助。但由于编著者水平有限，疏漏之处在所难免，还望读者不吝赐教。

侯贤灯 陈明丽 蒋小明
2025年5月

第一章 绪论 001~016
第一节 概述	002
一、原子光谱分析发展简史	002
二、原子光谱分析法在我国的发展概况	003
三、原子光谱分析法的构成	005
第二节 原子光谱分析法的分类	005
一、原子发射光谱分析法	005
二、原子吸收光谱分析法	006
三、原子荧光光谱分析法	006
四、X射线荧光光谱分析法	006
第三节 原子光谱分析法的仪器及术语	007
一、原子光谱分析仪器概述	007
二、光谱仪器组件性能指标及术语	008
第四节 展望	011
参考文献	012

第二章 原子吸收光谱分析 017~082
第一节 概述	018
一、原子吸收光谱分析法的特点	020
二、原子吸收光谱分析的基本术语和概念	021
第二节 原子吸收光谱分析法基本原理	025
一、原子吸收光谱的产生	026
二、原子吸收光谱的谱线波长与数目	026
三、原子吸收光谱的谱线特性	027
第三节 原子化方法	027
一、火焰原子化法	028
二、无火焰原子化法	029
三、氢化物发生原子化法	032
四、冷蒸气发生原子化法	032
第四节 原子吸收光谱法中的干扰及消除方法	032
一、化学干扰	033
二、电离干扰	034
三、光谱干扰	036
四、物理干扰	037
五、背景吸收干扰	037
第五节 原子吸收光谱分析的定量关系	039
一、吸光度与被测元素浓度的关系	039
二、原子吸收测量的基本关系式	040
第六节 原子吸收光谱分析仪器	042
一、原子吸收光谱仪的组成	042
二、光源	043
三、原子化系统	047
四、分光系统	053
五、检测系统	055
六、进样系统	057
第七节 原子吸收光谱分析的实验技术	058
一、进样技术	058
二、化学改进技术	059
三、石墨管改进技术	060
四、平台原子化技术	061
五、探针原子化技术	062
六、背景校正技术	062
七、流动注射联用技术	065
八、原子吸收光谱分析的间接测定技术	067
第八节 分析应用	068
一、金属及合金分析应用	068
二、地质与矿物分析应用	068
三、能源、石油化工分析应用	069
四、环境及水质分析应用	070
五、食品及饲料分析应用	070
六、生化样品分析应用	071
第九节 原子吸收光谱仪器操作、维护与常见故障排除	072
一、安装条件	072
二、仪器的日常维护	073
三、仪器的安全操作与要求	075
四、原子吸收光谱仪常见故障及处理	076
参考文献	077

第三章 原子荧光光谱分析 083~134
第一节 概述	084
一、原子荧光现象	084
二、原子荧光光谱分析的发展简史	084
三、我国原子荧光光谱分析的发展历史	085
第二节 原子荧光分析原理	086
一、原子荧光的基本原理	086
二、原子荧光定量分析基础	089
三、进样技术	090
第三节 原子荧光分析仪	096
一、原子荧光分析仪的结构原理	096
二、化学蒸气发生-原子荧光光谱仪器的使用	107
三、总结与展望	113
第四节 分析方法及其应用	114
一、分析方法及其应用概述	114
二、砷元素	114
三、汞元素	115
四、锑元素	117
五、铋元素	117
六、硒元素	118
七、碲元素	119
八、锗元素	120
九、镉元素	121
十、铅元素	122
十一、锌元素	123
十二、锡元素	123
第五节 原子荧光光谱仪器操作、维护与常见故障排除	124
一、仪器安全操作	124
二、仪器日常维护	125
三、原子荧光光谱仪常见故障及处理	126
参考文献	128

第四章 原子发射光谱分析 135~226
第一节 概述	136
第二节 基本原理	138
一、原子发射光谱的产生	138
二、原子能级与能级图	139
三、原子线与离子线的规律性	142
四、原子发射光谱的谱线特性	145
第三节 原子发射光谱仪器	156
一、基本结构组成	156
二、光源	157
三、试样引入系统	169
四、分光元件	174
五、检测器件	175
六、光谱仪	176
第四节 原子发射光谱主要分析方法	184
一、光谱定性分析	184
二、光谱半定量分析	186
三、光谱定量分析	186
第五节 分析方法性能	191
第六节 分析应用	192
一、主要原子发射光谱分析法的常规应用	192
二、原子发射光谱分析的研究热点及其应用	200
第七节 火花直读光谱仪操作与维护	203
一、分析操作步骤	203
二、仪器操作规程	206
三、仪器的维护	207
四、常见故障排查	208
五、安全注意事项	209
第八节 ICP-AES仪器操作与维护	209
一、进样系统选配与仪器主要参数	209
二、ICP-AES仪器日常分析操作	210
三、ICP-AES仪器的日常维护	215
四、ICP-AES仪器故障排查	216
参考文献	221

第五章 电感耦合等离子体质谱分析 227~302
第一节 ICP-MS分析方法概述	228
一、ICP-MS分析技术的发展	228
二、ICP-MS分析特点	234
第二节 ICP-MS原理及仪器构造	235
一、ICP-MS分析方法原理	235
二、ICP-MS仪器构造	236
第三节 干扰及校正技术	263
一、质谱干扰	263
二、非质谱干扰	267
三、干扰校正/消除技术	268
第四节 ICP-MS分析技术	272
一、样品的制备	272
二、定性分析	273
三、半定量分析	274
四、定量分析	274
五、sp-ICP-MS分析	278
第五节 ICP-MS的应用	281
一、元素总量测定应用	281
二、同位素比值测定应用	284
三、形态分析应用	284
四、sp-ICP-MS及sc-ICP-MS应用	285
五、成像分析应用	289
第六节 ICP-MS仪器操作、维护与常见故障排除	291
一、ICP-MS仪器操作	292
二、ICP-MS仪器的维护	293
三、ICP-MS仪器常见故障排查与处理	295
参考文献	298

第六章 X射线荧光光谱分析 303~350
第一节 概述	304
一、X射线荧光光谱发展历史	304
二、X射线荧光光谱的物理过程	305
三、XRF的仪器结构	308
四、XRF的类型	314
第二节 谱图鉴识与干扰分析	317
一、元素的特征X射线荧光光谱	317
二、XRF中的光谱背景和光谱干扰	318
三、基体效应	319
四、仪器的影响	321
第三节 X射线荧光光谱的数据分析	322
一、定性分析	322
二、无标半定量分析	323
三、定量分析	325
四、痕量分析	328
第四节 样品的制备	328
一、固体熔片	329
二、固体压片	331
三、液体样品	332
第五节 X射线荧光光谱成像技术	334
一、微区X射线荧光光谱仪	334
二、广域X射线荧光扫描成像技术	335
三、同步辐射XRF微区分析	337
第六节 分析应用	338
一、电子电气产品中限用物质分析	338
二、地质和环境样品分析	339
第七节 仪器操作、维护与常见故障排除	341
一、X射线荧光光谱仪的检定和校准	341
二、脉冲高度分析器的调整	344
三、日常维护和常见故障排除	345
参考文献	346

第七章 原子光谱分析新技术 351~391
第一节 进样新技术	352
一、化学蒸气发生	352
二、电热蒸发进样	355
三、激光剥蚀进样	356
第二节 小型化原子光谱仪	358
一、便携式钨丝电热原子吸收光谱仪	358
二、基于微等离子体的小型化原子发射光谱仪	359
第三节 多接收电感耦合等离子体同位素质谱分析	365
一、MC-ICP-MS分析技术的发展	365
二、MC-ICP-MS原理及仪器	365
三、MC-ICP-MS同位素分析	368
第四节 激光电离质谱分析	371
一、激光电离质谱分析概述	371
二、激光电离飞行时间质谱仪的发展	372
三、微型激光电离质谱仪	375
第五节 原子光谱成像分析和生物分析	376
一、生物分析	376
二、单细胞分析	380
三、成像分析	380
第六节 激光诱导击穿光谱分析	381
一、激光诱导击穿光谱基本原理和特点	381
二、LIBS系统硬件组成	383
三、LIBS面临的问题	383
四、LIBS定量化方法	384
第七节 二维原子光谱分析新仪器	385
一、原子光谱/质谱同时测量	385
二、单颗粒/单细胞ICP-MS	386
参考文献	387

索引 392~395