原子吸收与原子发射光谱
原子发射光谱法_原子吸收光谱法_原子荧光光谱法的比较
TECHNOLOGY WIND ［摘要]通过三种方法的比较，可以得知不同的分析方法所适用的元素。
本文主要从基本原理，研究对象及温度三个方面进行比较。
［关键词原子发射光谱法；原子吸收光谱法；原子荧光光谱法原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法的比较赫健（辽宁省有色地质局一0四队测试中心，辽宁营口115007）1基本原理三者从基本原理来看其相同点是：相应能级间的跃迁所得的3种光谱，波长或频率完全相同，而且发射强度、吸收强度、荧光强度与元素性质、谱线特征及外界条件间的依赖有关系基本类似。
因此，原子发射光谱法中的问题，在原子吸收和原子荧光法中也大多同样存在。
2研究对象三者之间也存在根本区别：从3种方法的研究对象来看是有区别的：原子发射光谱法是研究待测元素激发的辐射强度；原子吸收光谱法是研究待测原子蒸气对光源共振线的吸收强度，是属吸收光谱；原子荧光光谱法是研究待测元素受激发跃迁所发射的荧光强度，虽然激发主式与发射光谱法不同，但仍然是属发射光谱。
而原子荧光光谱法既具有发射光谱分析的特点，以与原子吸收法有许多相似之处，因此，介于两者之间，在某些方面兼具两者的优点。
谱线数目不同，复杂程度不同，光谱干扰程度也有很大差别：发射光谱谱线多，由谱线重叠引起的光谱干扰较严重。
由于基态原子密度较其他能级原子密度大，受激吸收机会占优势，因此原子吸收线多限于一些以基态为低能级的共振吸收线，其谱线数目远比发射线少，谱线重叠引起光谱干扰也较少。
由于只有产生受激吸收之后才能产生荧光，因此荧光谱线大多是强度较大的共振线，其谱线数目更少，相对光谱干扰也少。
3温度温度变化对原子发射强度、吸收强度、原子荧光强度的影响不同：激发态原子随温度变化是以指数形式变化，而基态原子数因温度变化引起的变化是很小的，实际上接近于恒定值。
这是由于参加跃迁的低能级的激发能一般很小（基态激发能等于零），玻尔慈曼因子近似等于1，因此原子吸收强度受原子化温度变化的影响，比发射光谱受激发温度影响小。
第三、四章：原子发射、吸收光谱法
灯电流:空心阴极灯的发射特性取决于工作电流。灯电流过 小，放电不稳定，光输出的强度小；灯电流过大，发射谱线 变宽，导致灵敏度下降，灯寿命缩短。选择灯电流时，应在 保持稳定和有合适的光强输出的情况下，尽量选用较低的工 作电流。一般商品的空极阴极灯都标有允许使用的最大电流 与可使用的电流范围，通常选用最大电流的1/2 ~ 2/3为工 作电流。实际工作中，最合适的电流应通过实验确定。空极 阴极灯使用前一般须预热10 ~ 30 min。
分析线:用来进行定性或定量分析的特征谱线. 灵敏线:每种元素的原子光谱线中,凡是具有一定强 度,能标记某元素存在的特征谱线. 最后线:即元素含量降低或减少到最大限度时,仍能 坚持到最后的谱线.
分类：纯样光谱比较法、铁光谱比较法
铁原子光谱
3.4.2 光谱定量分析
一、原理:根据试样光谱中待测元素的谱线 强度来确定元素浓度。
4.1 概 述
定义：基于测量待测元素的基态原子对其特征谱
线的吸收程度而建立起来的分析方法。 优点：灵敏度高，10-15-10-13g ；选择性好；测量 元素多；需样量少，分析速度快 。 缺点：测定不同元素需要换灯（传统）；多数非 金属元素不可测
4.2 原理
4.2.1基本原理：在通常情况下，原子处于基态， 当通过基态原子的某辐射线所具有的能量或频 率恰好符合该原子从基态跃迁到激发态所需的 能量或频率时，该基态原子就会从入射辐射中 吸收能量，产生原子吸收光谱。 △ E=h=hc/
峰值吸收测量示意图
4.3 原子吸收分光光度计
定义:用于测量待测物质在一定条件下形成的基 态原子蒸汽对其特征光谱线的吸收程度并进行 分析测定的仪器.
分类条件 类型 按原子化方式 火焰离子化 非火焰离子化 按入射光束 单光束 多光束 按通道分 单通道 多通道
原子荧光、原子吸收和原子发射
原子荧光光谱简介原子荧光光谱是1964年以后发展起来的分析方法。
原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。
但所用仪器与原子吸收光谱法相近。
原子荧光光谱分析法具有很高的灵敏度，校正曲线的线性范围宽，能进行多元素同时测定。
原子荧光光谱是介于原子发射光谱和原子吸收光谱之间的光谱分析技术。
它的基本原理是基态原子（一般蒸汽状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的测量待测元素的原子蒸气在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的方法。
原子荧光的波长在紫外、可见光区。
气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8秒，又跃迁至基态或低能态，同时发射出荧光。
若原子荧光的波长与吸收线波长相同，称为共振荧光；若不同，则称为非共振荧光。
共振荧光强度大，分析中应用最多。
在一定条件下，共振荧光强度与样品中某元素浓度成正比。
该法的优点是灵敏度高，目前已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法和原子发射光谱法；谱线简单；在低浓度时校准曲线的线性范围宽达3――5个数量级，特别是用激光做激发光源时更佳。
主要用于金属元素的测定，在环境科学、高纯物质、矿物、水质监控、生物制品和医学分析等方面有广泛的应用。
原理原子荧光光谱法是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。
气态自由原子吸收特征波长辐射后，原子的外层电子从基态或低能级跃迁到高能级经过约10-8S，又跃迁至基态或低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。
原子荧光分为共振荧光、直跃荧光、阶跃荧光等。
发射的荧光强度和原子化器中单位体积该元素基态原子数成正比，式中：I f为荧光强度；$ 为荧光量子效率，表示单位时间内发射荧光光子数与吸收激发光光子数的比值，一般小于1；Io为激发光强度；A为荧光照射在检测器上的有效面积；L为吸收光程长度；& 为峰值摩尔吸光系数；N为单位体积内的基态原子数。
原子发射光谱和原子吸收光谱的区别
原子发射光谱和原子吸收光谱的区别
原子发射光谱和原子吸收光谱是研究原子的光谱现象常用的两种方法。
它们的区别主要体现在以下几个方面：
1. 测量对象不同：原子发射光谱是测量原子在受激发后由高能级向低能级跃迁时所发射的光线的现象，而原子吸收光谱则是测量原子从低能级吸收光子跃迁到高能级的过程。
2. 光谱形态不同：原子吸收光谱通常呈现为黑线或者缺失线的形式，称为吸收线，而原子发射光谱则是一系列明亮可见光线的集合，称为发射线，有时也称为亮线谱。
3. 测量方法不同：原子发射光谱常采用光谱仪测量，它通过分离和检测样品发射的不同波长的光线来得到光谱图谱。
而原子吸收光谱则通过测量样品中某个特定波长的光线的吸收强度来得到光谱图谱。
4. 应用方向不同：原子发射光谱常用于分析和确定不同样品中化学元素的存在和浓度，例如在冶金、环境、地球科学等领域。
原子吸收光谱则通常用于测量和分析样品中特定元素的含量，特别是对于微量元素的分析具有重要意义。
总的来说，原子发射光谱和原子吸收光谱分别从不同的角度研究了原子的光谱现象，提供了研究原子量子结构和元素分析的有力工具。
原子吸收光谱法(atomic absorption spectrometry,简称AAS)
双光束型：来自光源的光束被分 成两束，一束作测量光束，通过 火焰；另一束作参比光束；交替 进入单色器到达光电倍增管检测 比较
– 特点：消除因光源波动造成的影响，
但不能抵消因火焰波动造成的影响
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四、定量分析方法
1、标准曲线法：吸光度—浓度标准曲线
– 方法：
配制一组含有不同浓度被测元素的标准溶液 在与试样测定完全相同的条件下，按浓度由低到高的顺序测定吸 光度值 绘制吸光度对浓度的校准曲线。 测定试样的吸光度 查校准曲线上用内插法求出被测元素的含量。
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火焰原子化器和石墨炉原子化器可测定的元素
H Li Be Na Mg
火焰 火焰 & 石墨炉
He B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Zn Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
e- e-
e-
Dynode (9-13)
Quartz Window
*100 Million Amplification of Signal
Photomultiplier Tube Operation
三、原子吸收分光光度计
单光束型：空白溶液调透光率T 到100%。测试剂溶液的透射比
– 特点：仪器结构简单，不能消除因 光源波动造成的影响，基线漂移
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原子化器
原子化：将试样转变为原子蒸汽的过程
原子化器的功能：提供能量使试样干燥、蒸 发和原子化。同时入射光束在这里被基态原 子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。
仪器分析实验原子发射与原子吸收光谱法
火焰的燃助比变化也会导致测量灵敏度的变化。同样，变化的大小也因火焰种类和元素的 性质而定。即使是相同种类的火焰，燃助比不同，也会引起最佳测量高度的改变，从而使测量 灵敏度发生变化。从图 155-2 可看出燃烧器高度与燃助比两个条件的相互依赖关系。
当仪器的光学及电学部分处于稳定的工作状态时，就可根据操作规程对分析条件进行选
4
三、仪器和试剂
仪器：AA300 型原子吸收分光光度计（美国 PE 公司）；10mL 比色管：6 支；25mL 比色 管：1 支；100mL 容量瓶：1 个；5mL 分度吸量管：2 支
试剂：钙标准溶液：100μg·mL-1；镧溶液：10 mg·mL-1。若去离子水的水质不好，会 影响钙的测定灵敏度和校准曲线的线性关系，加入适量的镧可消除这一影响。
本实验以乙炔气为燃气，空气为助燃气。
四、实验步骤
（1）测试溶液的制备 ① 条件试验溶液的配制：将 100 μg·mL-1的Ca2＋标液稀释成浓度约为 2-3μg·mL-1的 Ca2＋试液 100mL，摇匀。此溶液用于分析条件选择实验。 ② 标准溶液的配制：用分度吸量管取一定体积的 100μg·mL-1Ca2＋标液于 25mL比色管 中，用去离子水稀释至 25mL刻度处，其浓度应为 10μg·mL-1。于 6 支 10mL比色管中分别加 入一定体积的 10μg·mL-1Ca2＋标液，用去离子水稀释至 10mL刻度处，摇匀。配成浓度分别 为 0、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0μg·mL-1的Ca2＋标准系列溶液，用于制作校准曲线。 （2）分析条件的选择 本实验只对燃烧器高度和燃助比这两个条件进行选择。在原子吸收光谱仪中，整个原子化 器的上、下、前、后位置和燃烧器头的旋转角度都是可调的。从光源发出的光，其光路是不变 的。若改变原子化器的上、下位置，就相当于入射光穿过了火焰的不同部位，如图 155-1 所示。 通常原子化器旁装有一标度尺，可读出高度变化的相对值。由于火焰燃烧性质和温度分布的不 均匀性，在H1、H2和H3位置测定的吸光度值会有一些差别。差别的大小因火焰种类和元素性 质而异。钙在火焰中易形成氧化物，若在火焰的还原区或高温区，就可避免或减少氧化钙的形 成，使钙的自由原子数目增多。燃烧器高度的选择就是在寻找原子化的最佳的区域。
原子吸收及发射光谱分析
样品的前处理（溶液化）
稀释法
用纯水、稀酸、有机溶剂直接稀释样品。 只适用于均匀样品 例）排放水、电镀液、润滑油等
干式灰化分解法
在马弗炉中加热样品，使之灰化 。 可同时处理多个样品。 注意低沸点元素Hg,As,Se,Te式分解法
常规酸消化
样品 + 酸（～300℃）于烧杯或三角烧瓶中,在电热板 或电炉上加热。 常规酸消化的优点是设备简单，适合处理大批量样品； 缺点是操作难度大，试剂消耗量大、每个试样的酸消耗 量不等，试剂空白高且不完全一致、消解周期长、劳动 条件较差。
二 石墨炉原子吸收光谱法
石墨炉原子吸收法（GFAAS）是一种常见的成熟的方法， 它与火焰原子吸收法（FAAS）的主要区别在于原子化系统 。石墨炉采用电加热，石墨炉是原子化器，温度在18003000度。
原子化过程：干燥，灰化，原子化，清洗
ICP原子发射光谱分析技术
内容
① ICP-AES分析原理及特点 ② ICP-AES仪器 ③ ICP-AES分析方法 ④ 仪器的维护和保养 ⑤ ICP光谱法的新进展
(3)环境样品:土壤,水体,固体废物,大气飘尘,煤飞灰, 污水等.
(4)岩石和矿物.地质样品. (5)生物化学样品:血液,生物体. (6)食品和饮料:粮食,饮料,点心,油类,茶,海产品. (7)化学化工产品: (8)其它无机材料和有机材料. (9)核燃料和核材料.
ICP-AES可测定的元素
原子吸收及发射光谱分析
原子光谱主要有两大类：原子吸收光谱和原子发射光谱。在 分析化学领域占有重要的地位。
一 火焰原子吸收法（FAAS）
基本原理
基态原子吸收了特定波长的光子后处于激发态。由于原子 结构复杂，能级较多，原子外层电子跃迁过程中能吸收的 谱线很多。把基态原子吸收辐射后跃迁到第一激发态时所 吸收的谱线称为共振吸收线，因为它需要的能量最低，所 以大多数元素的共振吸收线是最灵敏的谱线。 火焰原子吸收光谱法，是将被测化合物置于火焰下使其解 离为基态原子。当元素灯发出与被测元素的特征波长相同 的光辐射，穿过有一定厚度的原子蒸气的火焰时，一部分 光被火焰中基态原子所吸收。光强由I0减弱为I，利用朗伯 比尔定律可以求得被测元素含量。
原子吸收光谱和原子发射光谱的区别
原子吸收光谱和原子发射光谱的区别根据有关资料，比较完整的解释：原子吸收光谱原子吸收光谱法(AAS)是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。
由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长，由此可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。
AAS现已成为无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法。
原子吸收光谱法该法具有检出限低（火熖法可达ng?cm–3级）准确度高（火熖法相对误差小于1%），选择性好（即干扰少）分析速度快等优点。
在温度吸收光程，进样方式等实验条件固定时，样品产生的待测元素相基态原子对作为锐线光源的该元素的空心阴极灯所辐射的单色光产生吸收，其吸光度（A）与样品中该元素的浓度（C）成正比。
即A=KC 式中，K为常数。
据此，通过测量标准溶液及未知溶液的吸光度，又巳知标准溶液浓度，可作标准曲线，求得未知液中待测元素浓度。
该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。
原子吸收光谱法是根据蒸气相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量。
其优点与不足：<1> 检出限低，灵敏度高。
火焰原子吸收法的检出限可达到ppb 级，石墨炉原子吸收法的检出限可达到10-10-10-14g。
<2> 分析精度好。
火焰原子吸收法测定中等和高含量元素的相对标准差可<1%，其准确度已接近于经典化学方法。
石墨炉原子吸收法的分析精度一般约为3-5%。
<3> 分析速度快。
原子吸收光谱仪在35分钟内，能连续测定50个试样中的6种元素。
<4> 应用范围广。
可测定的元素达70多个，不仅可以测定金属元素,也可以用间接原子吸收法测定非金属元素和有机化合物。
<5> 仪器比较简单，操作方便。
<6> 原子吸收光谱法的不足之处是多元素同时测定尚有困难,有相当一些元素的测定灵敏度还不能令人满意。
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Operating Cost
low
medium
光学系统
两个必需的主要组成部分： 单色器 其作用是将入射辐射精细地分开，并阻挡分析线以外的 其他辐射到达检测器。 透镜和反射镜 其作用是引导HCL的辐射，首先在原子化区 (火 焰、石墨管、石英管)聚焦，然后至单色器的入射狭缝，最后到 达检测器。 为利于分离谱线，光谱带宽要小；而要获得稳定的有着良好信 噪比的测定信号，有利于同样多的辐射能进入单色器；则需要 大的(几何的)狭缝宽度。这显然是相互矛盾的条件可以通过具有 高色散能力的单色器实现。在实际工作中，光谱带宽通常是在 0.2 nm ~ 1.2 nm 之间。
电感耦合等离子体 ICP
温度高达7000度 工作气体氩气 溶液进样 检出限低 稳定性好 线性范围宽
ICP- OES
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多元素测定
1.
2. 3. 4.
石英炬管 (Fassel型) 耦合负载线圈（2~3圈水冷
细铜管）
射频发生器（提供能量） Tesla线圈（点火装置）
点炬过程
原子化 灰化 干燥
除残
温 度
冷却
时间
通常升温程序包括以下几个阶段：
• • • • 干燥（去除溶剂） 灰化（热预处理，以去除共存基体） 原子化（产生基态原子） 除残（去除残留基体及待测物）
升温程序的各个阶段都需要选择升温速率和被选温度的保持时间。
干燥
溶剂 气流
3000
TEMPERATURE 蚓
液滴
光源
原子化器
分光系统
检测器
数据处理
Atom Formation - Flame vs Furnace
Residence time in optical path approx. 0.01 s Residence time in optical path approx. 1.0 s
Flame atomisation nebulizer/burner
二、原子吸收技术应用 三、原子发射光谱原理及结构 四、原子发射光谱应用
原子吸收光谱（AAS)
原子光谱分析 色谱质谱分析 仪器分析 分子光谱分析
原子发射光谱(ICP-OES)
等离子体质谱(ICP-MS)
电化学及其它
Absorption(a)
Emission (e)
Li H He M Be
Rb Sr
Y
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
w Re Os Ir
I
Xe
Cs Ba La Hf Ta Fr Ra Ac
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa
AAS Research Lab Prototype in 1961
光源
原子化器
分光系统
Ar或Ne
检测器
数据处理
+ HCL灯
HCL 工作原理
1. Ionization 2. Sputtering Neo Ne+
+
-
+
Mo Ne+
-
3. Excitation M*
4. Emission
优点: 缺点:
石英炬管及载气
冷却气：等离子体支持气体，保护管壁 辅助气：保护毛细管尖 由三个同心石英管组成，三股氩气 流分别进入炬管。 雾化气：进样并穿透等离子体中心 （常用Ar, N2, He等惰性气体）
样品溶液在ICP中的历程
(Times: <10ms)
气溶胶 M(H2O)+X固体 (MX)n
Induction zone
成新材料中镁
应用二
石墨炉原子吸收(GFAAS)法测
定光伏材料中杂质元素Cu
提问
AAS一次只能分析一个元素， 如想多元素分析怎么办？
二、原子发射光谱技术及应用
光源
单色器
检测器
原子发射光谱分析经历的过程
蒸发——原子化——激发
E1
hv
E0
定性分析——待测原子结构vs发射谱线波长 定量分析——浓度vs发射强度
郭 伟 (生物地质与环境地质国家重点实验室) 2015.06.25
作业：
1. 原子吸收光谱基本原理？请画出仪器结 构简图？并阐述各部分用途。 2. 原子发射光谱基本原理？请画出ICPAES仪器结构简图？并阐述各部分用途。 3. 请列表给出原子吸收光谱与原子发射光
谱区别？
一、原子吸收光谱原理及结构
90% of sample aerosol goes to waste
H.T. Delves, Ann. Clin. Biochem., 1987, 24, 529.
升温程序
在石墨炉原子吸收光谱分析中，将程序按时间分开。这些将 待测元素和基体有效地分开和获取原子化数据的必要过程，一 并称之为升温程序（TP）。必须将用于各待测物和基体的各种 类型进行最佳化。
激光 电感耦合等离子体（ICP） 微波诱导等离子体（MIP） 火花
温度：10000K
稳定性：很好
温度：6000－8000K 稳定性：很好
温度：10000K，稳定性：好
交流电弧
直流电弧 火焰
温度：4000－7000K，稳定性：好
温度：4000－7000K，稳定性：差
温度：2000－3000K，稳定性：很好
U
Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
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method development and background correction in HR-CS AAS
实验条件的优化-石墨炉准备 石墨炉分析
1)特征质量 2)灵敏度检查 3)基体改进剂配制 4)进样针调节 5)仪器推荐条件 6)STPF
Ionization Energy
Ionization
V: Ionizsation potential En, Em: Excitation potential E = En - Em = h
Excitation level
En Em V
Ground state
原子吸收过程
Sunlight Sun Atmosphere Energy Transitions E3 E2
原子吸收系统
单色器 凹面镜 出射狭缝/固态检测器 入射狭缝 氘灯 1800线大面积光栅 样品仓
可移动光源反光镜
光纤耦合器
8灯位
PinAAcle 900
原子吸收可测定近70种元素
H 火焰 火焰 & 石墨炉 He
Li Be
Na Mg K Ca Sc Ti V
B
Al
C
Si
N
P
O
S
F
Cl
Ne
Ar
Cr Mn Fe Co Zn Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
气体 MX
原子 M
离子 M+
47
48
光学系统
光栅
反射镜
狭缝
反射镜
光学系统及检测器
Parabola
Schmidt Cross Disperser
Visible Prism Telephoto Lens
Entrance Slit Echelle
Fold Flat
Field Flattener
UV Camera Sphere ICP Torch Computercontrolled Mirror Output CCD Subarray
20
40
60
80
100
120
TIME (seconds)
失待分析物
原则4：对常规基体干燥时间， 通常在20-40秒之间
分解后的物质
原子化
停气
TEMPERATURE 蚓
已分解的剩余物
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
Dry Ash Gas Stop Atomize Clean Out Cool Down
原子发射光谱仪器的发展历史
19世纪50年代发现原子发射现象, 20世纪30年代 得到迅速发展. 原子发射光谱法在新元素发现方面作出很大贡献:
Rb Cs Ga In Tl Pr Nd Sm Ho
Tm Yb Lu He Ne Ar Kr Xe
火焰 电弧
ICP
感光板
光电倍增管
CCD
原子发射光谱仪的发展 历程就是寻找高温稳定光源的历程
2015/9/10
AES应用
ICP-AES分析土壤中重金属元素
Absorption(a)
Emission (e)
Li H He M Be
Ionization Energy
Ionization
V: Ionizsation potential En, Em: Excitation potential E = En - Em = h
Mo
Ne+
+
M* Mo Light
-
便宜，元素齐全，通用，供电系统包含于仪器中 某些特殊元素强度不够高
锐线光源：无极放电灯 (EDL)
RF Coil Bulb Ar
优点:
有些元素 如As, Se, P …的光源强度明显提高， 改善检出限
缺点: 需要特殊供电系统 需要预热，30分钟 价格更贵
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原子化器-火焰、石墨炉
20
40
60
80
100
120
TIME (seconds)