原子荧光光谱

1第4章原子荧光光谱分析4.1原子荧光光谱的产生和特性4.2原子荧光光谱分析的定量关系4.3原子荧光光谱仪器4.4蒸气发生样品导入技术4.5蒸气发生-原子荧光光谱分析技术4.6蒸气发生-原子荧光光谱分析的干扰4.7蒸气发生-原子荧光测量要点4.8非蒸气发生原子荧光光谱分析技术4.9原子荧光光谱分析技术的展望24.1原子荧光光谱的产生和特性原子荧光光谱分析法是上世纪60年代中期发展起来的一种新的痕量分析方法。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。在冶金、地质、石油、农业、生物医学、地球化学、材料科学、环境科学等各个领域内获得了相当广泛的应用。34.1.1原子荧光的产生气态自由原子处于基态，当吸收激发光源发出的一定频率的辐射能量后，原子由基态跃迁至高能态，即处于激发状态。处于激发态的原子很不稳定，在极短的时间(≈10-8s)内即会自发地释放能量返回到基态。若以辐射的形式释放能量，则所发射的特征光即为原子荧光。原子荧光是光致发光，所以当激发光源停止照射之后，再发射过程立即停止。44.1.2.1共振荧光共振荧光是指激发波长与发射波长相同的荧光。由于原子的激发态和基态之间共振跃迁的概率一般比其他跃迁的概率大得多，所以共振跃迁产生的谱线是最有用的分析谱线。当原子处于由热激发产生的较低的亚稳能级，则共振荧光也可从亚稳能级上产生：称为热助共振荧光。4.1.2原子荧光的类型54.1.2.2非共振荧光非共振荧光是指激发波长与发射波长不同的荧光。（1）斯托克斯荧光当发射荧光波长比激发光波长长时，即为斯托克斯荧光。①直跃线荧光直跃线荧光是指激发谱线和荧光谱线的高能级相同的荧光。原子受到光辐射激发，从基态跃迁到较高的激发态，然后直接跃迁到能量高于基态的亚稳态能级，发射出波长比激发光波长要长的原子荧光。类似的，当原子处于由热激发产生的较低亚稳能级，再通过吸收非共振线而激发的直跃线荧光称为热助直跃线荧光。②阶跃线荧光阶跃线荧光是指当激发谱线和发射谱线的高能级不同时所产生的荧光，也分为正常阶跃线荧光和热助阶跃线荧光两类。6（2）反斯托克斯荧光反斯托克斯荧光是指荧光谱线波长比激发谱线波长短的荧光。自由原子吸收热能跃迁到比基态稍高的能级上，再吸收光辐射激发到较高的能级，最后辐射跃迁至基态时；或处于基态的原子激发到较高的能级，再吸收热能跃迁到更高的能态，最后以辐射跃迁至基态时，就产生反斯托克斯荧光。4.1.2.3敏化荧光敏化荧光是指被照射激发的原子或分子(给予体)通过碰撞退激发的同时将自身能量转移给分析原子(接受体)而使之激发，之后激发态受体原子通过辐射去激发而发射出的荧光。A为给予体；M为接受体。给予体通过碰撞去激发，仅在给予体达到很高浓度时，才能观察到敏化荧光。74.1.2.4多光子荧光多光子荧光是指原子吸收两个(或两个以上)相同光子的能量跃迁到激发态，随后以辐射跃迁形式退激发所产生的荧光。因此，对双光子荧光来说，其荧光波长为激发波长的l/2。4.1.3各类原子荧光的应用共振荧光强度最高，是最重要的测量信号，应用也最普遍；当采用高强度的激发光源(如激光)时，所有的非共振荧光也是很有用的；此时荧光波长与激发光波长不同，可通过色散系统与激发谱线分离，达到消除严重的散射光干扰的目的。敏化荧光和多光子荧光由于强度很低，在分析中很少应用。84.2原子荧光光谱分析的定量关系4.2.1荧光强度与被测物浓度之间的关系当原子吸收某一频率的光能，被激发至特定的能级后发出荧光，且在荧光池中不被重新吸收，整个荧光池处于检测器可观测到的立体角之内，则发射频率为υ的原子荧光强度Ifυ与原子荧光量子效率φ之间有：考虑到Iaυ与入射光谱强度I0υ之间符合吸收定律：Kυ为频率υ的峰值吸收系数；L为吸收光程；N0为单位长度内基态原子数。按泰勒级数展开：9当N0很小时由原子荧光定量分析的基本关系式可知，Ifυ与N0成正比仅适用于低含量测定。测定灵敏度与峰值吸收系数Kυ、吸收光程L、量子效率φ和激发光强度I0υ有关。当仪器条件和测定条件固定时，N0与分析元素浓度c成正比。4.2.2荧光猝灭与荧光量子效率4.2.2.1荧光猝灭激发态原子寿命十分短暂，当它以光辐射的方式去激时将发出原子荧光。若与其他分子、原子或电子发生非弹性碰撞而丧失能量，产生非辐射去激过程，则会使原子荧光减弱或完全不发生，这种现象称为荧光猝灭现象。10114.2.3原子荧光的饱和效应原子荧光强度与激发光源强度成正比，只在一定的激发光源强度范围内适用。例如：脉冲染料激光器作光源时，可提供104~107W/cm2的辐照度，在这么强的光源辐照之下，有可能显著改变分析物原子的能态分布，多数基态或低能态原子被激发到高能态，此时，对光源的吸收达到饱和进而出现荧光饱和状态。原子荧光强度不再随光源辐射强度的增加而增加。企图通过无限制增加光源辐射强度来增加荧光强度是不可能的。4.2.2.2荧光量子效率为了衡量荧光猝灭程度，提出了荧光量子效率的概念：φf为单位时间发射的荧光能量；φa为单位时间吸收的光能量。124.3原子荧光光谱仪器原子荧光仪器包含样品导入、原子化、光源和检测器四个部分。134.3.1原子荧光光谱仪器中的专用部件原子荧光仪器主要用于检测较易原子化的氢化物或汞，所以大多使用了温度较低的氩氢扩散火焰原子化器。该类原子化器不额外导入助燃气体，而是依靠空气扩散进入原子化器顶部，与Ar载带的过量氢气形成火焰。当被测元素的自由原子非常容易被氧化时，屏蔽式原子化器有一定的优势。4.3.1.1氩氢扩散火焰原子化器特点：①温度较低，大约700℃，操作安全；②火焰中含有大量H·，有利于氢化物的快速原子化；③结构简单，死体积小，所以分析物的传输效率也较高；④紫外区背景辐射较低，物理和化学干扰小，重现性好。14为提高灵敏度，原子荧光采用大电流低占空比脉冲供电的方式点亮空心阴极灯不进行测量时，空心阴极灯仅维持一个很小的电流i0；进行测量时，空心阴极灯会以较低占空比脉冲点亮，但单次点亮的电流i1很高，这样既能得到较高的光强，又可以使得空心阴极灯在较低的平均电流下工作，延长其寿命。4.3.1.2原子荧光专用高性能空心阴极灯及其供电方式15原子荧光谱线简单，光谱干扰极小，所以当前的原子荧光仪器大多采用无色散检测光路。双道光路由于采用了45度检测方式，杂散光的影响相对较大，所以用45度斜向上的反射光窗减少杂散光，而单道光路是垂直检测，杂散光很小。4.3.1.3无色散检测光路16光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成，其中光电阴极是由半导体光电材料制成，有光入射就会在光电阴极上打出光电子；倍增极数目在4~14个不等，在各倍增电极上加上电压可使光电子得到倍增；阳极收集电子，外电路形成电流输出，其输出电流与入射光强成正比。原子荧光仪器所用的光电倍增管常为日盲光电倍增管(光谱波长小于310nm，AFS通常使用190~310nm)。4.3.1.4日盲光电倍增管检测器174.3.2典型原子荧光光谱仪器结构当前原子荧光仪器以氢化物/冷蒸气发生方式实现样品的导入，氩氢扩散火焰原子化器实现被测元素的原子化，自由原子被空心阴极灯激发后发射的原子荧光，以无色散光路被光电倍增管接收，获得原子荧光信号。184.4蒸气发生样品导入技术氢化物发生(HG)/冷蒸气发生(CVG)-无色散原子荧光光谱(AFS)分析法：①采用HG/CVG进样系统将分析元素导入；②分析元素激发态原子发射的荧光不经分光直接检测。4.4.1蒸气发生概述4.4.1.1方法的优点①分析元素能够与大量可能引起干扰的基体分离，几乎可以完全消除基体干扰；②进样效率接近100％，远高于喷雾样品导入方式(喷雾进样效率一般10~15％)；③具有形态、价态选择性，可以通过调控反应条件实现形态、价态分析；④光程短，因而光损失少，所以灵敏度较高；⑤测量的是一个区带中所有谱线的强度和，与测量单一谱线强度相比灵敏度高；⑥简化了光路，不必使用复杂、庞大的色散系统，为仪器小型化提供了可能。194.4.1.2方法的使用范围①分析元素必须能够生成氢化物或挥发性化合物，且生成物的稳定时间必须足以将其送入原子化器；②可测元素必须有落在日盲区(190～310nm)内的较强原子荧光谱线。20ⅣA、VA、ⅥA族较重元素(As、Sb、Bi、Se、Ge、Pb、Sn、Te)和ⅡB族Zn可以生成挥发性的共价氢化物；且这些氢化物的生成热为正值，稳定性较差，非常适宜用低温Ar-H2火焰原子化；最后这些元素都有落在日盲区的原子荧光谱线，所以这些元素非常适于采用HG-AFS进行定量光谱测量。ⅡB族Cd、Hg能直接生成气态原子，即所谓的冷蒸气发生(CVG)，且其原子荧光主谱线也落在日盲区范围内，与HG-AFS检测方式相似。4.4.2蒸气发生方法4.4.2.1金属-酸还原体系缺点：①能发生氢化物的元素较少；②包括预还原在内的时间过长；③干扰较为严重；所以这一方法并未得到普遍应用。214.4.2.2硼氢化物-酸还原体系优点：①反应可在室温条件下迅速进行，为自动化提供了可能；②硼氢化物-酸体系适用的元素数目更多、干扰程度更轻。硼氢化钠的应用是氢化物反应进样方式发展中的重要阶段。4.4.2.3电化学还原体系（1）电极材料的选择氢过电位较大的电极材料(如Hg、Zn、Pb等)，可提供较大的氢过电位，从而增大了氢化物形成时的动力学速率，提高氢化物发生效率。（2）电化学氢化物发生体系的干扰过渡金属离子的干扰远轻于硼氢化物体系，但在硼氢化物体系中被认为不造成干扰的元素如Ca和Fe，在As、Sb、Se、Sn的电化学氢化物发生中却造成较大正干扰(Ca)和负干扰(Fe)，同时氢化物发生元素之间的相互干扰也比硼氢化物更为严重。224.4.2.4紫外光化学蒸气发生紫外光化学蒸气发生是近年来出现的一种氢化物发生方法。原理是利用小分子量有机物(如甲酸、乙酸、丙酸、丙二酸和乙醇等)在紫外光的作用下产生自由基，这些自由基再与相应元素反应生成挥发性物质。不同的元素、不同的有机酸，甚至不同的有机酸浓度都会对发生产物造成影响。23特点：①不使用传统的还原剂，仅需使用少量有机酸，降低了成本，减少了污染；②紫外光蒸气发生体系中过渡金属，特别是Co、Ni等由于不与有机酸发生反应，其引起的干扰大大降低；③由于反应中涉及自由基反应，所以易于消耗自由基的物质，如NO3-、H2O2、I-、Br-和一些有机物等会造成不同程度的干扰；④此种发生方式产氢量较低，使用除甲酸以外的有机酸时几乎不产生氢，在应用于AAS或AFS时往往需要补加H2，以提供足够的H·满足原子化的要求。244.4.2.5氢化物(冷蒸气)发生的酸性模式及碱性模式在“酸性模式”下，分析元素存在于酸性溶液中，与碱性还原剂发生反应；在“碱性模式”下，分析元素溶解于碱性还原剂中，与酸性溶液发生反应。由于样品前处理大多在酸性条件下完成，所以采用“酸性模式”发生氢化物更为方便和常见，但这种模式下，Ⅷ族和ⅠB族的元素会对氢化物发生反应造成较为明显的干扰；在“碱性模式”下，干扰元素往往会生成沉淀与两性的氢化物发生元素相分离，所以此种方式可以显著地减小干扰，特别对于一些复杂基体的样品更为有利。碱性模式需注意以下几点：①样品应调节到弱碱性，碱性不足时干扰元素沉淀不完全，碱性过强时又会使Co、Fe、Ag等干扰元素部分溶解；②在调节样品酸碱性时，为生成不易夹带分析元素的大晶粒沉淀，最好在加热状态下，逐滴加入稀碱液，并不断搅拌，沉淀结束后，可稍稍放置陈化；③尽量避免生成极易夹带分析元素的胶状沉淀，如可在溶液中加入2％的三乙醇胺以抑制胶状的Fe(OH)3生成。254.4.2.6其他蒸气发生法26虽然能够发生挥发性化合物的元素范围很大，但只有少部分真正能够应用：①发生物的毒性太高，如Ni与一氧化碳反应生成高毒性的挥发性羰基镍，难以实际应用；②发生效率不高，如曾报道过Ni的蒸气发生方法，其检出限为0.5ng/mL，灵敏度仅略高于喷雾法；③一些元素存在多种蒸气发生方法，发生效率各不相同，如As、Ge都可以在室温下发生氢化物和卤化物，但As氢化物的发