原子荧光光度法基本原理.doc

原子荧光原理及应用

原子荧光光谱法，英文是atomic fluorescence spectrometry [ə'tɔmik flu:ə'resəns spektrəu'metrik] 简写为AFS。需要了解的是AES、AAS。

一、原子荧光光谱的产生
　　气态自由原子，吸收光源（常用空心阴极灯）的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的发射光谱即为原子荧光。原子荧光是光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射之后，再发射过程立即停止。
对该概念的理解有以下几点：
（1）产生气态自由原子的方式有：火焰、石墨炉、电激发、热激发、电感耦合等离子焰。在AFS中主要是火焰。
（2）原子荧光可分为 三类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，实际的到的原子荧光谱线，这三种荧光都存在。其中以共振原子荧光最强，在分析中应用最广。共振荧光是所发射的荧光和吸收的辐射波长相同，当发射的荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光，非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、anti-Stokes（反斯托克斯）荧光。敏化荧光:　受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再以发射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏化荧光，在非火焰原子化器中才能观察到。

共振荧光是所发射的荧光和吸收的辐射波长相同。只有当基态是单一态，不存在中间能级，才能产生共振荧光。非共振荧光是激发态原子发射的荧光波长和吸收的辐射波长不相同。非共振荧光又可分为直跃线荧光、阶跃线荧光和反斯托克斯荧光。直跃线荧光是激发态原子由高能级跃迁到高于基态的亚稳能级所产生的荧光。阶跃线荧光是激发态原子先以非辐射方式去活化损失部分能量，回到较低的激发态，再以辐射方式去活化跃迁到基态所发射的荧光。直跃线和阶跃线荧光的波长都是比吸收辐射的波长要长。反斯托克斯荧光的特点是荧光波长比吸收光辐射的波长要短。
（3）量子效率与荧光猝灭
　　受光激发的原子，可能发射共振荧光，也可能发射非共振荧光，还可能无辐射跃迁至低能级所以量子效率一般小于1（发射光强/入射光强度）。 受激原子和其他粒子碰撞，把一部分能量变成热运动与其他形式的能量，因而发生无辐射的去激发过程，这种现象称为荧光猝灭。荧光的猝灭会使荧光的量子效率降低，荧光强度减弱。许多元素在烃类火焰（如乙炔焰）中要比用氩稀释的氢—氧火焰中荧光猝灭大得多，因此原子荧光光谱法，尽量不用烃类火焰，而用氩稀释的氢—氧火焰代替。
二、原子荧光法测定原理
在一定实验条件下，荧光强度与被测元素的浓度成正比。据此可以进行定量分析。
三、氢化物发生-原子荧光法的测定原理
酸化过的样品溶液中的待测元素（砷、铅、锑、汞等）与还原剂（一般为硼氢化钾或钠）在氢化物发生系统中反应生成气态氢化物， 用EHn表示，式中E代表待测元素。 使用适当催化剂，在上述反应中还可以得到了镉和锌的气态组分。 过量氢气和气态氢化物与载气（氩气）混合，进入原子化器，氢气和氩气在可形成氩氢火焰，使待测元素原子化。 待测元素的激发光源（一般为空芯阴极灯或无极放电灯）发射的特征谱线通过聚焦，激发氩氢焰中待测物原子，得到的荧光信号被光电倍增管接收，然后经放大，解调，得到荧光强度信号，荧光强度与被测元素的浓度一定条件下成正比，此可以进行定量分析。
对该原理的理解有以下几点：
（1）能产生原子荧光的元素约20多种，能用氢化物发生-原子荧光法测定的元素目前只有11种：汞Hg，砷As，硒Se，锑Sb，铋Bi，碲Te，锡Sn，锗Ge，铅Pb，锌Zn，镉Cd ，检测浓度在微克级。对于汞，比较特殊，水中的汞被硼氢化钾还原为汞单质，并不生成氢化物，应此可以用冷原子荧光法检测。氢化物发生-原子荧光法可以实现冷原子荧光的检测方法。
（2）通常一个元素只有一个价态易生成氢化物。测汞时，水样需要消解，有机汞转化为无机汞，一价汞转变为2价汞，2价汞被还原为单质汞；测砷时，酸性条件下，通过加入硫脲、抗坏血酸将五价砷还原为三价砷，三价砷可以生成氢化物；六价硒在强酸条件下，可以转变为四价硒，四价硒能生成氢化物；锑的测定是用酸性碘化钾将五价锑还原为三价锑，进行测定；天然水中铋只以三价形式存在，只有几种已知的不稳定铋酸盐和五氧化铋是以五价形式存在，据此对于铋的测定时试样只要求进行酸化；用高浓度的盐酸煮沸可以使Te(VI)还原至Te(IV)；
（3）氢化物形成的化学反应:
NaBH4+3H2O+HCl—HBO3+NaCl+8H （1）
xH+Mn+—MHn+（x-n）/2H2 （2）
四、氢化物发生-原子荧光光度计结构
原子荧光分析仪分为非色散型原子荧光分析仪与散型原子荧光分析仪。这两类仪器的结构基本相似，差别在于单色器部分，也就是对生成的荧光是否进行分光。两类仪器均包括以下几部分：
　 1、激发光源：可用连续光源或锐线光源。常用的连续光源是氙弧灯，常用的锐线光源是高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光等。连续光源稳定，操作简便，寿命长，能用于多元素同时分析，但检出限较差。锐线光源辐射强度高，稳定，可得到更好的检出限。
　　2、原子化器：原子荧光分析仪对原子化器的要求与原子吸收光谱仪基本相同，主要是原子化效率要高。氢化物发生-原子荧光光度计是专门设计的，是一个电炉丝加热的石英管，氩气作为屏蔽气，及载气。
　　3、光学系统：光学系统的作用是充分利用激发光源的能量和接收有用的荧光信号，减少和除去杂散光。色散系统对分辨能力要求不高，但要求有较大的集光本领，常用的色散元件是光栅。非色散型仪器的滤光器用来分离分析线和邻近谱线，降低背景。非色散型仪器的优点是照明立体角大，光谱通带宽，集光本领大，荧光信号强度大，仪器结构简单，操作方便。缺点是散射光的影响大。
　4、检测器：常用的是日盲光电倍增管，在多元素原子荧光分析仪中，也用光导摄象管、析象管做检测器。检测器与激发光束成直角配置，以避免激发光源对检测原子荧光信号的影响。
5、氢化物发生器：（1) 间断法，在玻璃或塑料制发生器中加入分析溶液，通过电磁阀或其他方法控制NaBH4溶液的加入量，并可自动将清洗水喷洒在发生器的内壁进行清洗，载气由支管导入发生器底部，利用载气搅拌溶液以加速氢化反应，然后将生成的氢化物导入原子化器中。测定结束后将废液放出，洗净发生器，加入第二个样品如前述进行测定，由于整个操作是间断进行的，故称为间断法。这种方法的优点是装置简单、灵敏度（峰高方式）较高。这种进样方法主要在氢化物发生技术初期使用，现在有些冷原子吸收测汞仪还使用，缺点是液相干扰较严重。（2）连续流动法： 连续流动法是将样品溶液和NaBH4溶液由蠕动泵以一定速度在聚四氟乙烯的管道中流动并在混合器中混合，然后通过气液分离器将生成的气态氢化物导入原子化器，同时排出废液。采用这种方法所获得的是连续信号。该方法装置较简单，液相干扰少，易于实现自动化。由于溶液是连续流动进行反应，样品与还原剂之间严格按照一定的比例混合，故对反应酸度要求很高的那些元素也能得到很好的测定精密度和较高的发生效率。连续流动法的缺点是样品及试剂的消耗量较大，清洗时间较长。这种氢化物发生器结构比较复杂，整个发生系统包括两个注射泵，一个多通道阀，一套蠕动泵及气液分离系统；整个氢化物发生系统价格昂贵。如下图:

(3) 断续流动法：针对连续流动法的不足，在保留其优点的基础上，1992年，断续流动氢化物发生器的概念首先由西北有色地质研究院郭小伟教授提出，它是一种集结了连续流动与流动注射氢化物发生技术各自优点而发展起来的一种新的氢化物发生装置。此后由海光公司将这种氢化物发生器配备在一系列商品化的原子荧光仪器上，从而开创了半自动化及全自动化氢化物发生—原子荧光光谱仪器的新时代。它的结构几乎和连续流动法一样，只是增加了存样环。仪器由微机控制，按下述步骤工作：在第一步时，蠕动泵转动一定的时间，样品被吸入并存贮在存样环中，但未进入混合器中。与此同时，NaBH4溶液也被吸入相应的管道中。在第二步骤时泵停止运转以便操作者将吸样管放入载流中。在第三步骤时，泵高速转动，载流迅速将样品进入混合器，使其与NaBH4反应，所生成的氢化物经气液分离后进入原子化器。

(4)   流动注射氢化物技术 :流动注射氢化物发生技术是结合了连续流动和断续流动进样的特点，通过程序控制蠕动泵，将还原剂NaBH4溶液和载液HCl注入反应器，又在连续流动进样法的基础上增加了存样环，样品溶液吸入后储存在取样环中，待清洗完成后再将样品溶液注入反应器发生反应，然后通过载气将生成的氢化物送入石英原子化器进行测定。

五、原子荧光分析方法操作规程
1、断电状态下，安装待测元素灯，AFS-830双道原子荧光光度计可同时装入两个阴极灯。 2、打开高纯氩气瓶，压力设为0.2Mpa-0.3 Mpa。3、通电，先开电脑，然后再开仪器主机。 4、调节灯高，使元素灯聚焦于一面，调节炉高到所测元素的最佳高度。向二级气液分离器中注高纯水，以封住大气连通口。 5、打开操作软件操作界面，设定操作参数，选择“点火”，等仪器预热20～30分钟后，压紧泵管压块，开始测定。6、测量完毕，将进样管与还原剂管插入高纯水中进行系统清洗，点在 “blank”（“空白”）中点“测量”，等待清洗完毕，用同样方法用空气将系统中的水排出。 7、松开泵管压块，在软件界面中“仪器条件”下按“熄火”，退出界面，关闭主机，关闭气瓶，关闭电源。
六、参数设定
（1）原子化器的观察高度
原子化器观察高度是影响检出信号的一个重要参数，从试验中可以看出，降低原子化器观察高度，检出信号有所增强（原子密度大），但背景信号相应增高，提高原子化器观察高度，检出信号逐渐减弱，背景信号也相应减小，当原子化器观察高度为10mm时，检出信号/背景信号相对强度最大，原子化效率最高，样品测定选择8-10mm。
（2）负高压的选择
随着负高压的增大，信号强度增强，但噪声也相应增大，负高压过高过低信号强度值都不稳定。试验表明负高压为300-350V时，检出信号/背景信号相对强度最好。
（3）空芯阴极灯电流的选择
根据灯电流与检出信号强度的关系，灯电流为通常60mA时，所得的信背比最高，在能满足检测条件的情况下，应尽量采用低电流，同时不要超过最大使用电流，以延长灯的寿命。测汞时，电流选10-15mA。
（4）载气、屏蔽气流速的确定
样品与硼氢化钾反应后生成的气态氢化物是由载气携带至原子化器的，因此载气流速对样品的检出信号具有重要作用。从实测的载气流速与检出信号相对强度的关系中可见，较小的载气流速有利于信号强度的增强，但载气流速过小不利于氢-氩焰的稳定，也难以迅速地将氢化物带入石英炉，过高的载气量会冲稀原子的浓度，当载气流速为300至400ml/min时，检出信号/背景信号相对强度最好，样品测定选择载气流速为300ml/min。而屏蔽气的流速对检出信号强度没有显著影响，选择1000ml/min。
(5)硼氢化钾浓度的影响
结果表明，当硼氢化钾/氢氧化钾的浓度为在2%/0.5%附近时，信号强度基本不变，而硼氢化钾进一步增高将导致检出信号下降，这是由于高浓度硼氢化钾产生大量的氢气稀释了待测元素氢化物。单测汞时，当硼氢化钾/氢氧化钾的浓度为0.2%/0.5%附近较为适合。
（6）样品溶液的酸度
氢化物发生反应要求有适宜的酸度，盐酸浓度为2%-5%较为适宜。
七、检出限与相对标准偏差测定
(1) 相对标准偏差（RSD）的测定： 本仪器定义相对标准偏差为以最低检出限50～100倍浓度的标准溶液进行连续11次测定的荧光值的标准偏差除以测量平均值： SD为标准偏差，即连续11次测量标准溶液的荧光信号的标准偏差。 其中： 本仪器在测量过程中，进行连续15次测量，取最后11次测量的荧光值进行计算。
(2) 检出限（DL）的测量： 本仪器的检出限由下式求得：DL = 3×SD / K SD为标准偏差，即连续11次测量空白溶液的荧光信号的标准偏差。
其中：
Xi为单次标准溶液的测量值。
K为工作曲线的斜率，K =IF / C 。
式中IF 为对应标准溶液的荧光信号值。
八、测量中注意事项
（1）高浓度样品要事先稀释，否则管路污染，很难清洗，尤其是测汞。
（2）测量无信号或信号异常（所有曲线测量值很小）
1）、仪器电路故障： 判断方法：在灯能量显示处反射，有能量带变化，仪器电路正常。否则，仪器电路不正常。
2）、反应系统： 管道堵、漏，水封无水、未进或进不足样品和还原剂（检查进样管路），氢化物未进入原子化器
3）、未形成氩氢火焰 ：还原剂是否现配、还原剂浓度、酸度不够，产生的氢气量太少，点火炉丝位置与石英炉芯的出口相距远。
4）、反应条件不正确

西安市环境监测站
2010年6月28日