氢化物发生原子荧光光谱法As

仪器分析第七章原子荧光光谱法§1概述§2原子荧光光谱法的基本原理§3仪器装置§4原子荧光分析中的干扰和消除§5原子荧光分析方法§6原子荧光光谱法的应用§1概述•原子荧光光谱法（atomicfluorescencespectrometry,AFS）是基于待测物质的基态原子蒸气吸收激发光源发出的特征波长的辐射而被激发，由激发态回到基态或较低能态时所发射的荧光强度进行分析的方法。•1964年Winefordner等创建了原子荧光光谱分析技术以来，这种方法才得到实际应用。•氢化物发生原子荧光光谱（hydridegenerationatomicfluorescencespectrometry，HGAFS）分析技术•原子荧光光谱与原子荧光分析•分析物质的基态原子蒸气，吸收激发光源发出的一定波长的辐射后，原子的外层电子从基态跃迁至激发态，由激发态回到基态或较低能态，同时发射出与激发光波长相同或不同的光（释放能量），称为原子荧光。原子荧光是一种光致发光现象。•各种元素的原子结构不同导致发射的荧光波长不同，故每种元素都有特征原子荧光光谱。•在一定条件下原子荧光的强度与该元素的原子蒸气浓度成正比，通过测量荧光强度即可求得待测元素的含量。•原子荧光光谱法优点：⒈有较低的检出限，灵敏度高。特别是Cd可达0.001ng/mL、Zn为0.04ng/mL。现已有20多种元素低于原子吸收光谱法的检出限。由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，采用新的高强度光源可进一步降低其检出限。⒉干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。⒊校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。⒋由于原子荧光是向空间各个方向发射的，因而能实现多元素同时测定。•原子荧光光谱法的不足之处：1.适用分析的元素范围有限，有些元素的灵敏度低、线性范围窄；2.原子荧光转换效率低，因而荧光强度较弱，给信号的接收和检测带来一定困难。3.散射光对原子荧光分析影响较大，但采用共振荧光线作分析线，可有效降低散射光的影响。§2、原子荧光光谱法的基本原理一、原子荧光的类型根据激发能源的性质和荧光产生的机理和频率，可将原子荧光分成：•共振荧光•非共振荧光•敏化荧光共振荧光当原子吸收的激发光与发射的荧光波长相同时，所产生的荧光叫做共振荧光(resonancefluorescence)。由于相应于原子激发态和基态之间共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，共振跃迁产生的谱线强度最大，所以共振线是元素最灵敏的分析线。•原子蒸气中的某些原子，由于吸收热能被激发而处于稍高于基态的亚稳态能级时，则共振荧光可以从亚稳态能级产生，即处于亚稳态能级的原子，通过吸收激发光源的某一非共振线后进一步激发到较高能级，然后再返回亚稳态，发射出相同波长的荧光，这种荧光称为热助共振荧光（thermallyassistedfiuorescence）。非共振荧光（nonresonancefluorescence）当原子吸收的激发光和发射的荧光波长不同时，所产生的荧光叫做非共振荧光，包括斯托克斯荧光和反斯托克斯荧光两类。斯托克斯荧光（Stokesfluorescence）当发射的荧光波长比激发光的波长更长时称作斯托克斯荧光。根据发射荧光的机理不同，又可分为直跃线荧光（direct-linefluorescence和阶跃线荧光（stepwise-linefluorescenc）直跃线荧光•原子吸收光能被激发到高能态后，再由高能态返回至比基态能级稍高的亚稳态时，所发出的荧光称为直跃线荧光。•其特点是荧光线和激发线起止于共同的高能级，但荧光波长比激发光波长要长一些。例如基态Pb吸收283.31nm辐射后，发射出405.78nm直跃线荧光。•还有通过热助起源于亚稳态的直跃线荧光，这种荧光叫热助直跃线荧光，它产生于基态是多重结构的原子。阶跃线荧光•原子吸收光能激发到高能态，回到基态时分两步去活化，首先由于非弹性碰撞损失部分能量，产生无辐射跃迁到一较低激发态，然后再跃迁到基态而发射荧光，称为阶跃线荧光，如Na吸收330.3nm幅射后，发射588.99nm的阶跃线荧光。•通过热助使激发态原子进一步激发到更高的能级上，然后跃迁到第一激发态发射的荧光，叫热助阶跃线荧光。反斯托克荧光•激发光的能量不足时，通常由原子化器提供热能补充，基态原子蒸气受热激发处于激发态或亚稳态，再吸收激发光的能量而跃迁至更高能级的激发态，随后直接返回基态，并发射出荧光，也可称为“热助荧光”。•荧光波长比激发光波长短。•如铟原子吸收热能后处于一个较低态能级，在该能级上铟原子吸收451.18nm的辐射而被进一步激发，当其跃迁回基态时发射410.18nm的荧光。敏化荧光（sensitizedfluorescence）待测原子M（接受体）不是直接吸收光被激发，而是通过碰撞吸收已被光源激发的另一个原子A（给予体）去活化而释放的能量而激发，处于激发态的待测原子通过辐射去活化而发射出荧光。其过程可表示如下：•A+hνA*•A*+MA+M*•M*M+hν二、原子荧光光谱定量分析的依据•若一束强度为Io的平行光投射到原子蒸气时，若原子蒸气中被测元素的浓度为N，忽略自吸收，则产生的原子荧光强度IF为式中为原子荧光效率，等于原子发射荧光的光量子数与吸收激发光的光量子数之比；Ia是吸收光的强度。根据朗伯-比尔定律，当待测元素的浓度N很低时式中Kυ为吸收系数，L为吸收光程。aFII)1(ν0aNLKeII当实验条件一定时，由于原子蒸气中被测元素的浓度与试样溶液中该元素的浓度成正比，即N=ac，因此在固定实验条件下，上式可简化为原子荧光强度与试样中被测元素浓度成线性关系，原子荧光定量分析的基本关系式，此式适用于低浓度的原子荧光分析，随着原子浓度的增加，由于谱线变宽、自吸收、散射等因素的影响，将使工作曲线弯曲偏离线性。NLKIIν0FLacKIIν0FKcIF三、饱和荧光﹝saturatedfluorescence﹞•可以使用增加激发光强度来提高原子荧光强度，以降低检测限。•上述关系只是在一定的激发光源强度范围内适用，当激发光强度足够大并达到一定值后，共振荧光的低能级和高能级之间跃迁原子数达到动态平衡，这时，分布在激发态和基态的原子数的比值，仅与相应能级的统计权重比值有关，不再随激发光强度增大而增加，对激发光的吸收达到饱和进而出现原子荧光的饱和状态。•应用饱和荧光分析，可以达到极低的检测限，且荧光强度不受光源强度波动的影响。四、荧光猝灭（quenchingoffluorescence）激发态原子在去活化过程中，存在着两种可能：•一是跃迁回到基态或其它较低的能级产生荧光；•二是与原子化器中其它原子、分子、电子等由于非弹性碰撞失去能量，或其它无辐射去活化现象。在这种情况下，荧光将减弱或完全不发生，这种由于条件变化使待测原子荧光效率降低现象称为荧光猝灭。为了衡量荧光猝灭的程度，提出了荧光量子效率的概念，即原子发射的荧光光量子数与吸收激发光光量子数之比AF•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，所以量子效率一般都小于1。•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。§3、仪器装置原子荧光光谱仪分类：•根据有无色散系统，可分为色散型原子荧光光谱仪和非色散型原子荧光光谱仪；•根据波道数又可分为单道原子荧光光谱仪和多道原子荧光光谱仪，前者适用于单元素分析，后者可作多元素分析。一、原子荧光光谱仪的基本结构•原子荧光光谱仪由激发光源、原子化器、分光系统、检测和数据处理系统等组成。激发光源1.高强度空心阴极灯（HCL）高强度空心阴极灯是在普通空心阴极灯中加了一对辅助电极，辐射强度比普通空心阴极灯强几倍到十几倍，稳定性好，不足之处是灯的寿命较短，适于制作的元素有限。2.无极放电灯（electrodeless-discharge-lampEDL）•由于这种灯没有电极，必须将放电管放在谐振腔中用微波来激发。在石英管中，放入少量被测元素的卤化物，并充入惰性气体，制成放电管。将放电管置于微波发生器的同步空腔谐振器中，微波将管内的惰性气体原子激发，放电管内温度升高，使金属卤化物蒸发和解离，待测元素原子与被激发载气原子发生碰撞后被激发，发射出待测元素的特征光谱辐射。•无极放电灯的辐射强度高出高强度空心阴级灯约10倍，光谱纯度好，信噪比高，寿命长，特别适用于共振线在紫外光区的易挥发元素的测定。目前已制成As、Bi、Cd、Cs、Se、Pb、Ni等几十种元素的无极放电灯。3.激光光源•原子荧光分析所用分析线的波长范围非常宽，激光光源是原子荧光分析的极佳光源，除强度高、光谱纯度好外，波长可以调节。•目前激光光源多用可调波长的染料激光，如脉冲染料调谐激光器，配合倍频，可在180~800nm波段范围提供极强辐射的激发源，而且光谱带宽也可以调节，但价格昂贵、操作烦琐。激光光源还有一个重要的优越性是饱和荧光的利用，此时荧光的自吸明显减少，而使方法的线性范围增宽，并且减少光源波动对荧光信号的影响，提高分析精密度。4.连续光源•连续光源具有很高的辐射强度和稳定性，是原子荧光分析理想通用的光源，可满足多元素同时分析的需要。•目前常用的连续光源是高压氙灯，氙灯适用于波长大于250nm的波长段，不能在全波段满足强度要求，目前还没有在全波长范围内、提供足够强度以满足原子荧光需要的连续光源。5.等离子体光源•用于原子荧光分析的等离子体光源主要是电感耦合等离子体（inductivelycoupledplasmaICP）光源。•ICP光源的特点是激发能量高、稳定性好、化学和电离干扰少，此外ICP辐射源可供选择的谱线丰富，适用于多元素分析，是一种很好的激发光源。原子化器原子荧光对原子化器的要求：1.火焰原子化器•原子荧光分析中火焰截面呈圆形或方形，以提高辐射的强度和稳定性。•原子荧光分析中常用氢火焰，如Ar-H2，N2-H2等，背景发射低，紫外区透明度高，猝灭物少，荧光效率高，但火焰温度不高，主要用于砷、硒、锌、钠等元素的分析；•空气-乙炔、氧化亚氮-乙炔火焰温度高，可用于难原子化的元素分析，但背景信号和噪音增加，影响原子荧光法的检测限。•火焰燃烧时产生大量的气体分子，将引起原子荧光猝灭和分子荧光的发生，导致原子荧光强度降低和干扰信号加大，火焰成分的猝灭特性顺序为Ar＜H2＜H2O＜N2＜CO＜O2＜CO2。•火焰原子化器操作简便、价格低廉、稳定性好，在原子荧光分析中被广泛采用，但由于火焰背景和热辐射信号在400nm光谱区很强，火焰原子化器只适用于分析共振线波长小于400nm的元素，特别适于共振线小于270nm、在火焰中易于原子化的元素，如砷、铋、镉、汞、硒、锌等2.电热原子化器•电热原子化器包括石墨炉、石墨杯等原子化装置，其特点与原子吸收分析相似，如取样少，原子化效率高，检出限很低，背景辐射和热辐射弱，猝灭效应也小，不足之处是基体干扰和背景吸收较大，精密度不如火焰原子化器。3.电感耦合等离子体（ICP）•原子化器ICP作为原子化器的优点是温度高、稳定性好、化学干扰和光㪚射小，是一种高效的原子化器。适合于复杂试样的多元素分析，尤其是对难熔元素的原子化更为有利。4.氢化物发生原子化器•氢化物发生原子化法基本原理是在强还原剂作用下被测元素被还原为挥发性共价氢化物，然后借助载气导入氩氢焰原子化成为自由原子。氢化物发生原子化器由氢化物发生器和电加热石英管组成。•近年来这种方法得到了较快的发展，是一种具有重要实用价值的分析技术，对于易生成氢化物的元素如As、Se、Sb、Te、Sn、Bi、Pb等元素的测定更能体现出原子荧光法的特点和优越性。分光系统•由于只有吸收激发光之后，才产生荧光，因此原子荧光的谱线仅限于