16.2.2原子吸收和原子发射光谱分析法
16.2.2.1原子吸收光谱分析法
16.2.2.1.1概述
原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS），又称原子吸收分光光度法，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。各种原子中电子的能级不同，可选择性地共振吸收一定波长的辐射光，由此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。
原子吸收现象早在19世纪初就已被发现，直到1955年澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的科学家阿兰·沃尔什（Alan Walsh）才奠定了原子吸收光谱法的测量基础，应用于金属元素分析。该法在20世纪60年代后得到迅速发展，趋于成熟。现在可用于70多种元素的直接测定，是测定微量或痕量元素的重要技术。
原子吸收光谱法具有检出限低（火焰法可达μg mL-1级），准确度高（火焰法相对误差小于1%），选择性好（干扰少），分析速度快，应用范围广（火焰法可分析30多种元素，石墨炉法可分析70多种元素，氢化物发生法可分析11种元素）等优点。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。
原则上讲，不能多元素同时分析。测定元素不同，必须更换光源灯，这是它的不便之处。原子吸收光谱法测定难熔元素的灵敏度还不令人满意。在可以进行测定的70多个元素中，比较常用的仅30多个。当采用将试样溶液喷雾到火焰的方法实现原子化时，会产生一些变化因素，因此精密度比分光光度法差。还不能测定共振线处于真空紫外区域的元素，如磷、硫等。
标准工作曲线的线性范围窄(一般在一个数量级范围)，对于基体复杂的样品，尚存干扰问题。高背景低含量样品测定时精密度下降。
16.2.2.1.2原子吸收光谱仪
原子吸收光谱仪主要由锐线光源、原子化器（与试液相连）、分光系统、检测系统和电源同步调制系统组成。在测定特定元素含量时，用该元素的锐线光源发射出特征辐射，试液在原子化器中发生雾化并解离为气态基态原子，吸收通过该区的元素特征辐射使后者得到减弱，经过色散系统和检测系统后测得吸光度，最后根据吸光度与被测定元素浓度之间的线性关系，进行该元素的定量分析。
（1）光源：光源的功能是发射被测元素的特征共振辐射。对光源的基本要求是：发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；辐射强度大、背景低，低于特征共振辐射强度的1%；稳定性好，30 min之内漂移不超过1%；噪声小于0.1%；使用寿命长于5 Ah。空心阴极放电灯是能满足上述各项要求的理想的锐线光源，应用最广。
（2）原子化器：其功能是提供能量，使试样干燥，蒸发和原子化。实现原子化的方法，最常用的有两种：一是火焰原子化法，原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至今仍在广泛地被应用；二是非火焰原子化法，其中应用最广的是石墨炉电热原子化法。
（3）分光器：由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成，其作用是将所需要的共振吸收线分离出来。
（4）检测系统：原子吸收光谱仪中广泛使用的检测器是光电倍增管，一些仪器也采用CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）作为检测器。
最常用的分析方法为标准曲线法，即配制不同浓度的标准溶液，在相同测定条件下用空白溶液调整零吸收，根据标准溶液浓度和吸光度绘制吸光度-浓度标准曲线，测定试样溶液的吸光度，并用内插法在标准曲线上求得试样中被测定元素的含量。
16.2.2.1.3食品分析中的应用
食品中存在的元素来源于自然存在的元素以及加工、制造过程中的外来污染元素Na、Mg、K、Ca、B、Si、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ca、Zn、As、Se、Mo、Sn。食品因环境污染出现的其他元素对消费者可能达到有毒害的水平，如Cd、Hg、Pb、As、Sn等有毒污染物。这些元素均可用AAS法测定。可以应用AAS法测定的食物种类很多，如谷物产品、奶制品、蛋类及其制品、肉类及其制品、鱼类及海产品、蔬菜水果及其制品、脂肪及油脂、坚果及其制品、糖及其制品、饮料及调味品等。样品测定前需进行必要的有机物破坏处理。
测定Na、K元素时，将溶液吸入空气-乙炔火焰（测钠用贫燃气）分别在589.00 nm和766.49 nm处测定钠和钾的吸光度。当溶液浓度较高时，可分别用钠与钾的次灵敏线，即330.24 nm和404.41 nm测定钠和钾。
测定镁和钙时，样品以湿法消化或干法灰化后以酸溶解引入溶液中。用火焰AAS测定镁和钙的浓度，分别用空气-乙炔火焰测镁，用N2O-C2H2火焰测钙。样品用HNO3-HClO4消化，在285.21 nm处测镁、422.67 nm处测钙。必须注意环境中灰尘、仪器、化学试剂和器皿的污染对检测结果的影响。
测铝时，样品用湿法消化后，将样品吸入富燃N2O-C2H2火焰中，在309.27/309.28nm处测定铝的吸收。对309.27/309.28 nm一对谱线，灵敏度取决于光谱通带，用0.2 nm的窄通带以减少火焰的强烈发射。信噪比(S/N)可以靠增加灯电流和使燃料气流最佳化来改善。
测定铅、锰和铜时，可使用石墨炉原子化器分别在283.3 nm 处测铅，279.5 nm处测锰，在324.8 nm 处测铜。高的灰化温度会使铅的损失很大，由于不能使用高的温度，所以共存物质对铅的干扰比较严重，铅的氯化物在铅原子蒸汽形成前会以分子的形式蒸发，为防止其蒸发可用加入过氧化氢的方法消化。如果干扰严重可在进样时加入5 μL磷酸氨作为基体改进剂，效果显着。锰的灵敏度与狭缝宽度有关。锰有邻近线为分离邻近线，必须选择窄的狭缝宽度。某些样品中低含量的铝可以在引入火焰之前先用螯合-溶剂萃取进行富集，例如测定葡萄酒中铝的含量时用HNO3——H2SO4消化，在MBK(甲基异丁基甲酮)中用8-羟基喹啉萃取后再进行测定。
测铬时，以NHO3——HClO4消化样品。如测菜油中铬的含量，样品不需消化，以MBK稀释，混合，使用N2O——C2H2火焰，在357.87 nm处以0.2 nm的窄光谱通带测定铬的吸光度。
采用原子吸收光谱法对常见几类食品中锌的含量分析，发现谷类、肉类、水产类食品含锌量较高，蛋类食品含锌量中等，蔬菜水果含量普遍偏低。
不同类型的野生樱桃李微量元素含量有所不同。HNO3——HC1O4湿法消解样品后，加入磷酸二氢铵为基体改进剂，可使灰化、原子化温度提高，背景干扰得到有效控制。
采用湿消解法和干灰化法对木耳、紫菜、黑豆样品进行预处理，用火焰原子吸收光谱法测定其中微量元素锌、钙和铜的含量，钙的线性范围为0.10～10 mg/L，铜和锌的线性范围均为0.05～5 mg/L；湿消解法比干灰化法处理样品更为理想，其灵敏度及准确度均较高。锌、钙和铜加标回收率的相对标准偏差（n=10）可达到小于2％。
16.2.2.2原子发射光谱法
16.2.2.2.1概述
原子发射光谱法（Atomic Emission Spectrometry，AES），是依据各种元素的原子或离子在热激发或电激发下发射特征电磁辐射而进行元素的定性与定量分析的方法，是光谱学最古老的一个分支。1826年泰尔博（Talbot）就说明某些波长的光线可以表示某些元素的特征。一般认为原子发射光谱是1860年德国学者基尔霍夫（G R Kirchhoff）和本生（R W Bunsen）首先发现的。他们利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中加热时所产生的特征光辐射，发现了铷（Rb）和铯（Cs）两种元素。原子发射光谱分析法具有以下特点：
（1）多元素同时检测能力强。一个样品一经激发，样品中各元素都各自发射出其特征谱线，可以进行分别检测而同时测定多种元素。
（2）分析速度快。试样（固体或液体）多数不需经过化学处理就可分析，还可多元素同时测定，若用光电直读光谱仪，在几分钟内即可同时定量测定几十个元素。
（3）选择性好。由于光谱的特征性强，所以对于一些化学性质极相似的元素的分析具有特别重要的意义。如铌和钽、锆和铪，十几种稀土元素的分析用其他方法都很困难，而对AES来说则是毫无困难之举。
（4）检出限低。用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)新光源，检出限可低至ng/mL数量级。
（5）用ICP光源时，准确度高，标准曲线的线性范围宽，可达4～6个数量级。可同时测定高、中、低含量的不同元素。
（6）样品消耗少，适于整批样品的多组分测定，尤其是定性分析。
但是，高浓度时，该法灵敏度较低；大多数非金属元素难以得到灵敏的光谱线。
16.2.2.2.2原子发射光谱仪
（1）光源：主要作用是提供试样蒸发、原子化和激发所需的能量，把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后使气态原子激发，产生特征光谱。常用光源类型有直流电弧、交流电弧、电火花及电感耦合高频等离子体。
（2）光谱仪(摄谱仪)：作用是将光源发射的电磁辐射经色散后，得到按波长顺序排列的光谱，并对不同波长的辐射进行检测与记录。光谱仪的种类有棱镜型和光栅型。
（3）观测系统：定性分析及观察谱片时用光谱投影仪（映谱仪），放大倍数为20倍左右。定量分析时用测微光度计（黑度计）测量感光板上所记录的谱线黑度。检测与记录方法分为目视法、摄谱法和光电法。①目视法：用眼睛观测谱线强度的方法，又称看谱法，仅适用于可见光波段，专门用于钢铁及有色金属的半定量分析。②摄谱法：最常用、最普遍的一种方法，是用照相的方法把光谱记录在感光板上，即将光谱感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样的光谱作用而感光，再经过显影、定影等过程后，制得有许多黑度不同的光谱线的底片，然后用映谱仪观察谱线位置及大致强度，进行光谱定性及半定量分析。用测微光度计测量谱线的黑度，进行光谱定量分析。③光电法：用光电倍增管检测谱线强度。
16.2.2.2.3食品分析中的应用
测定奶粉中的钠和钾含量，对样品进行灰化处理，采用火焰原子发射光谱法，标准曲线法定量，方法的回收率95％～108％，相对标准偏差（RSD）(n=9)均小于3％，钠和钾的最低检出浓度分别为0.07和0.39 mg/L。测定结果与国家标准方法(火焰原子吸收光谱法)无显着性差异。
测定食品中铅的含量，采用HNO3-H2O2对试样进行消解，检出限为0.0102 mg/L，回收率88.9%～109%，RSD(n=10)1.8%～2.5%。
测定食品中硼元素含量，样品经湿法消化后，直接采用ICP-AES法测定硼，再换算成硼砂，硼浓度在0.10～50 mg/L范围内线性良好（r=0.9995），RSD均小于2.07，加标回收率为96.0%～100.1%。
16.2.3近红外光谱分析法
16.2.3.1概述
将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱由分子不停地作振动和转动而产生，分子振动指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此，当分子的振动状态改变时，既可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。在分子的振动跃迁过程中常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状，因此，分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带越多。
近红外光谱(Mnear Infrared Spectrum，NIRS)是英国天文学家弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士(Friedrich Wilhelm Herschel，1738-1822)于1800年发现的波长为780~2500 nm的电磁波。物质的NIRS 是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的，一般有机物在近红外光区的吸收主要是含氢基团(-OH、-CH、-NH、-SH、-PH)等的倍频和合频吸收。已证明几乎所有有机物的一些主要结构和组成成分都可以在它们的NIRS 中找到特征信号，而且谱图稳定，获取光谱容易。