原子熒光光度法基本原理

原子熒光原理及應(yīng)用原子熒光光譜法，英文是atomicfluorescencespectrometry[?'t?mikflu:?'res?nsspektr?u'metrik]

簡寫為AFS。需要理解的是AES、AAS。一、原子熒光光譜的產(chǎn)生氣態(tài)自由原子，吸取光源（慣用空心陰極燈）的特性輻射后，原子的外層電子躍遷到較高能級，然后又躍遷返回基態(tài)或較低能級，同時發(fā)射出與原激發(fā)波長相似或不同的發(fā)射光譜即為原子熒光。原子熒光是光致發(fā)光，也是二次發(fā)光。當(dāng)激發(fā)光源停止照射之后，再發(fā)射過程立刻停止。對該概念的理解有下列幾點：（1）產(chǎn)憤怒態(tài)自由原子的方式有：火焰、石墨爐、電激發(fā)、熱激發(fā)、電感耦合等離子焰。在AFS中重要是火焰。（2）原子熒光可分為三類：即共振熒光、非共振熒光和敏化熒光，實際的到的原子熒光譜線，這三種熒光都存在。其中以共振原子熒光最強(qiáng)，在分析中應(yīng)用最廣。共振熒光是所發(fā)射的熒光和吸取的輻射波長相似，當(dāng)發(fā)射的熒光與激發(fā)光的波長不相似時，產(chǎn)生非共振熒光，非共振熒光又分為直躍線熒光、階躍線熒光、anti-Stokes（反斯托克斯）熒光。敏化熒光:受光激發(fā)的原子與另一種原子碰撞時，把激發(fā)能傳遞給另一種原子使其激發(fā)，后者再以發(fā)射形式去激發(fā)而發(fā)射熒光即為敏化熒光?；鹧嬖踊髦杏^察不到敏化熒光，在非火焰原子化器中才干觀察到。共振熒光是所發(fā)射的熒光和吸取的輻射波長相似。只有當(dāng)基態(tài)是單一態(tài)，不存在中間能級，才干產(chǎn)生共振熒光。非共振熒光是激發(fā)態(tài)原子發(fā)射的熒光波長和吸取的輻射波長不相似。非共振熒光又可分為直躍線熒光、階躍線熒光和反斯托克斯熒光。直躍線熒光是激發(fā)態(tài)原子由高能級躍遷到高于基態(tài)的亞穩(wěn)能級所產(chǎn)生的熒光。階躍線熒光是激發(fā)態(tài)原子先以非輻射方式去活化損失部分能量，回到較低的激發(fā)態(tài)，再以輻射方式去活化躍遷到基態(tài)所發(fā)射的熒光。直躍線和階躍線熒光的波長都是比吸取輻射的波長要長。反斯托克斯熒光的特點是熒光波長比吸取光輻射的波長要短。（3）量子效率與熒光猝滅受光激發(fā)的原子，可能發(fā)射共振熒光，也可能發(fā)射非共振熒光，還可能無輻射躍遷至低能級，因此量子效率普通不大于1（發(fā)射光強(qiáng)/入射光強(qiáng)度）。受激原子和其它粒子碰撞，把一部分能量變成熱運動與其它形式的能量，因而發(fā)生無輻射的去激發(fā)過程，這種現(xiàn)象稱為熒光猝滅。熒光的猝滅會使熒光的量子效率減少，熒光強(qiáng)度削弱。許多元素在烴類火焰（如乙炔焰）中要比用氬稀釋的氫—氧火焰中熒光猝滅大得多，因此原子熒光光譜法，盡量不用烴類火焰，而用氬稀釋的氫—氧火焰替代。二、原子熒光法測定原理在一定實驗條件下，熒光強(qiáng)度與被測元素的濃度成正比。據(jù)此能夠進(jìn)行定量分析。三、氫化物發(fā)生-原子熒光法的測定原理酸化過的樣品溶液中的待測元素（砷、鉛、銻、汞等）與還原劑（普通為硼氫化鉀或鈉）在氫化物發(fā)生系統(tǒng)中反映生成氣態(tài)氫化物，用EHn表達(dá)，式中E代表待測元素。使用適宜催化劑，在上述反映中還能夠得到了鎘和鋅的氣態(tài)組分。過量氫氣和氣態(tài)氫化物與載氣（氬氣）混合，進(jìn)入原子化器，氫氣和氬氣在可形成氬氫火焰，使待測元素原子化。待測元素的激發(fā)光源（普通為空芯陰極燈或無極放電燈）發(fā)射的特性譜線通過聚焦，激發(fā)氬氫焰中待測物原子，得到的熒光信號被光電倍增管接受，然后經(jīng)放大，解調(diào)，得到熒光強(qiáng)度信號，熒光強(qiáng)度與被測元素的濃度一定條件下成正比，此能夠進(jìn)行定量分析。對該原理的理解有下列幾點：（1）能產(chǎn)生原子熒光的元素約20多個，能用氫化物發(fā)生-原子熒光法測定的元素現(xiàn)在只有11種：汞Hg，砷As，硒Se，銻Sb，鉍Bi，碲Te，錫Sn，鍺Ge，鉛Pb，鋅Zn，鎘Cd，檢測濃度在微克級。對于汞，比較特殊，水中的汞被硼氫化鉀還原為汞單質(zhì)，并不生成氫化物，應(yīng)此能夠用冷原子熒光法檢測。氫化物發(fā)生-原子熒光法能夠?qū)崿F(xiàn)冷原子熒光的檢測辦法。（2）普通一種元素只有一種價態(tài)易生成氫化物。測汞時，水樣需要消解，有機(jī)汞轉(zhuǎn)化為無機(jī)汞，一價汞轉(zhuǎn)變?yōu)?價汞，2價汞被還原為單質(zhì)汞；測砷時，酸性條件下，通過加入硫脲、抗壞血酸將五價砷還原為三價砷，三價砷能夠生成氫化物；六價硒在強(qiáng)酸條件下，能夠轉(zhuǎn)變?yōu)樗膬r硒，四價硒能生成氫化物；銻的測定是用酸性碘化鉀將五價銻還原為三價銻，進(jìn)行測定；天然水中鉍只以三價形式存在，只有幾個已知的不穩(wěn)定鉍酸鹽和五氧化鉍是以五價形式存在，據(jù)此對于鉍的測定時試樣只規(guī)定進(jìn)行酸化；用高濃度的鹽酸煮沸能夠使Te(VI)還原至Te(IV)；（3）氫化物形成的化學(xué)反映:NaBH4+3H2O+HCl—HBO3+NaCl+8H（1）xH+Mn+—MHn+（x-n）/2H2（2）四、氫化物發(fā)生-原子熒光光度計構(gòu)造原子熒光分析儀分為非色散型原子熒光分析儀與散型原子熒光分析儀。這兩類儀器的構(gòu)造基本相似，差別在于單色器部分，也就是對生成的熒光與否進(jìn)行分光。兩類儀器均涉及下列幾部分：1、激發(fā)光源：可用持續(xù)光源或銳線光源。慣用的持續(xù)光源是氙弧燈，慣用的銳線光源是高強(qiáng)度空心陰極燈、無極放電燈、激光等。持續(xù)光源穩(wěn)定，操作簡便，壽命長，能用于多元素同時分析，但檢出限較差。銳線光源輻射強(qiáng)度高，穩(wěn)定，可得到更加好的檢出限。2、原子化器：原子熒光分析儀對原子化器的規(guī)定與原子吸取光譜儀基本相似，重要是原子化效率要高。氫化物發(fā)生-原子熒光光度計是專門設(shè)計的，是一種電爐絲加熱的石英管，氬氣作為屏蔽氣，及載氣。3、光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)的作用是充足運用激發(fā)光源的能量和接受有用的熒光信號，減少和除去雜散光。色散系統(tǒng)對分辨能力規(guī)定不高，但規(guī)定有較大的集光本領(lǐng)，慣用的色散元件是光柵。非色散型儀器的濾光器用來分離分析線和鄰近譜線，減少背景。非色散型儀器的優(yōu)點是照明立體角大，光譜通帶寬，集光本領(lǐng)大，熒光信號強(qiáng)度大，儀器構(gòu)造簡樸，操作方便。缺點是散射光的影響大。4、檢測器：慣用的是日盲光電倍增管，在多元素原子熒光分析儀中，也用光導(dǎo)攝象管、析象管做檢測器。檢測器與激發(fā)光束成直角配備，以避免激發(fā)光源對檢測原子熒光信號的影響。5、氫化物發(fā)生器：（1)間斷法，在玻璃或塑料制發(fā)生器中加入分析溶液，通過電磁閥或其它辦法控制NaBH4溶液的加入量，并可自動將清洗水噴灑在發(fā)生器的內(nèi)壁進(jìn)行清洗，載氣由支管導(dǎo)入發(fā)生器底部，運用載氣攪拌溶液以加速氫化反映，然后將生成的氫化物導(dǎo)入原子化器中。測定結(jié)束后將廢液放出，洗凈發(fā)生器，加入第二個樣品如前述進(jìn)行測定，由于整個操作是間斷進(jìn)行的，故稱為間斷法。這種辦法的優(yōu)點是裝置簡樸、敏捷度（峰高方式）較高。這種進(jìn)樣辦法重要在氫化物發(fā)生技術(shù)早期使用，現(xiàn)在有些冷原子吸取測汞儀還使用，缺點是液相干擾較嚴(yán)重。（2）持續(xù)流動法：持續(xù)流動法是將樣品溶液和NaBH4溶液由蠕動泵以一定速度在聚四氟乙烯的管道中流動并在混合器中混合，然后通過氣液分離器將生成的氣態(tài)氫化物導(dǎo)入原子化器，同時排出廢液。采用這種辦法所獲得的是持續(xù)信號。該辦法裝置較簡樸，液相干擾少，易于實現(xiàn)自動化。由于溶液是持續(xù)流動進(jìn)行反映，樣品與還原劑之間嚴(yán)格按照一定的比例混合，故對反映酸度規(guī)定很高的那些元素也能得到較好的測定精密度和較高的發(fā)生效率。持續(xù)流動法的缺點是樣品及試劑的消耗量較大，清洗時間較長。這種氫化物發(fā)生器構(gòu)造比較復(fù)雜，整個發(fā)生系統(tǒng)涉及兩個注射泵，一種多通道閥，一套蠕動泵及氣液分離系統(tǒng)；整個氫化物發(fā)生系統(tǒng)價格昂貴。以下圖:(3)斷續(xù)流動法：針對持續(xù)流動法的局限性，在保存其優(yōu)點的基礎(chǔ)上，1992年，斷續(xù)流動氫化物發(fā)生器的概念首先由西北有色地質(zhì)研究院郭小偉專家提出，它是一種集結(jié)了持續(xù)流動與流動注射氫化物發(fā)生技術(shù)各自優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新的氫化物發(fā)生裝置。此后由海光公司將這種氫化物發(fā)生器配備在一系列商品化的原子熒光儀器上，從而開創(chuàng)了半自動化及全自動化氫化物發(fā)生—原子熒光光譜儀器的新時代。它的構(gòu)造幾乎和持續(xù)流動法同樣，只是增加了存樣環(huán)。儀器由微機(jī)控制，按下述環(huán)節(jié)工作：在第一步時，蠕動泵轉(zhuǎn)動一定的時間，樣品被吸入并存貯在存樣環(huán)中，但未進(jìn)入混合器中。與此同時，NaBH4溶液也被吸入對應(yīng)的管道中。在第二環(huán)節(jié)時泵停止運轉(zhuǎn)方便操作者將吸樣管放入載流中。在第三環(huán)節(jié)時，泵高速轉(zhuǎn)動，載流快速將樣品進(jìn)入混合器，使其與NaBH4反映，所生成的氫化物經(jīng)氣液分離后進(jìn)入原子化器。(4)

流動注射氫化物技術(shù):流動注射氫化物發(fā)生技術(shù)是結(jié)合了持續(xù)流動和斷續(xù)流動進(jìn)樣的特點，通過程序控制蠕動泵，將還原劑NaBH4溶液和載液HCl注入反映器，又在持續(xù)流動進(jìn)樣法的基礎(chǔ)上增加了存樣環(huán)，樣品溶液吸入后儲存在取樣環(huán)中，待清洗完畢后再將樣品溶液注入反映器發(fā)生反映，然后通過載氣將生成的氫化物送入石英原子化器進(jìn)行測定。五、原子熒光分析辦法操作規(guī)程1、斷電狀態(tài)下，安裝待測元素?zé)?，AFS-830雙道原子熒光光度計可同時裝入兩個陰極燈。2、打開高純氬氣瓶，壓力設(shè)為0.2Mpa-0.3Mpa。3、通電，先開電腦，然后再開儀器主機(jī)。4、調(diào)節(jié)燈高，使元素?zé)艟劢褂谝幻?，調(diào)節(jié)爐高到所測元素的最佳高度。向二級氣液分離器中注高純水，以封住大氣連通口。5、打開操作軟件操作界面，設(shè)定操作參數(shù)，選擇“點火”，等儀器預(yù)熱20～30分鐘后，壓緊泵管壓塊，開始測定。6、測量完畢，將進(jìn)樣管與還原劑管插入高純水中進(jìn)行系統(tǒng)清洗，點在“blank”（“空白”）中點“測量”，等待清洗完畢，用同樣辦法用空氣將系統(tǒng)中的水排出。7、松開泵管壓塊，在軟件界面中“儀器條件”下按“熄火”，退出界面，關(guān)閉主機(jī)，關(guān)閉氣瓶，關(guān)閉電源。六、參數(shù)設(shè)定（1）原子化器的觀察高度原子化器觀察高度是影響檢出信號的一種重要參數(shù)，從實驗中能夠看出，減少原子化器觀察高度，檢出信號有所增強(qiáng)（原子密度大），但背景信號對應(yīng)增高，提高原子化器觀察高度，檢出信號逐步削弱，背景信號也對應(yīng)減小，當(dāng)原子化器觀察高度為10mm時，檢出信號/背景信號相對強(qiáng)度最大，原子化效率最高，樣品測定選擇8-10mm。（2）負(fù)高壓的選擇隨著負(fù)高壓的增大，信號強(qiáng)度增強(qiáng)，但噪聲也對應(yīng)增大，負(fù)高壓過高過低信號強(qiáng)度值都不穩(wěn)定。實驗表明負(fù)高壓為300-350V時，檢出信號/背景信號相對強(qiáng)度最佳。（3）空芯陰極燈電流的選擇根據(jù)燈電流與檢出信號強(qiáng)度的關(guān)系，燈電流為普通60mA時，所得的信背比最高，在能滿足檢測條件的狀況下，應(yīng)盡量采用低電流，同時不要超出最大使用電流，以延長燈的壽命。測汞時，電流選10-15mA。（4）載氣、屏蔽氣流速的擬定樣品與硼氫化鉀反映后生成的氣態(tài)氫化物是由載氣攜帶至原子化器的，因此載氣流速對樣品的檢出信號含有重要作用。從實測的載氣流速與檢出信號相對強(qiáng)度的關(guān)系中可見，較小的載氣流速有助于信號強(qiáng)度的增強(qiáng)，但載氣流速過小不利于氫-氬焰的穩(wěn)定，也難以快速地將氫化物帶入石英爐，過高的載氣量會沖稀原子的濃度，當(dāng)載氣流速為300至400ml/min時，檢出信號/背景信號相對強(qiáng)度最佳，樣品測定選擇載氣流速為300ml/min。而屏蔽氣的流速對檢出信號強(qiáng)度沒有明顯影響，選擇1000ml/min。(5)硼氫化鉀濃度的影響成果表明，當(dāng)硼氫化鉀/氫氧化鉀的濃度為在2%/0.5%附近時，信號強(qiáng)度基本不變，而硼氫化鉀進(jìn)一步增高將造成檢出信號下降，這是由于高濃度硼氫化鉀產(chǎn)生大量的氫氣稀釋了待測元素氫化物。單測汞時，當(dāng)硼氫化鉀/氫氧化鉀的濃度為0.2%/0.5%附近較為適合。（6）樣品溶液的酸度氫化物發(fā)生反映規(guī)定有適宜的酸度，鹽酸濃度為2%-5%較為適宜。七、檢出限與相對原則偏差測定(1)相對原則偏差（RSD）的測定：本儀器定義相對原則偏差為以最低檢出限50～100倍濃度的原則溶液進(jìn)行持續(xù)11次測定的熒光值的原則偏差除以測量平均值：SD為原則偏差，即持續(xù)11次測量原則溶液的熒光信號的原則偏差。其中：本儀器在測量過程中，進(jìn)行持續(xù)15次測量，取最后11次測量的熒光值進(jìn)行計算。(2)檢出限（DL）的測量：本儀器的檢出限由下式求得：DL=3×SD/KSD為原則偏差，即持續(xù)11次測量空白溶液的熒光信號的原則偏差。其中：Xi為單次原則溶液的測量值。K為工作曲線的斜率，K=IF/C。式中IF為對