【资料】原子荧光光谱法(共43讲)

原子荧光光谱法讲座（2）
——原子荧光光谱法与原子发射、原子吸收光谱法的比较

原子荧光光谱法（AFS）是介于原子发射光谱法（AES）和原子吸收光谱法（AAS）之间的光谱分析技术，它的基本原理就是：基态原子（一般为蒸气状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后，激发态原子在去激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。

AFS与AES、AAS的共同点和差异，可从下面的仪器原理简图清楚地看出。




就原子荧光技术本身来讲，它具有原子发射和原子吸收两种技术的优点，同时又克服了两种方法的不足。AFS技术具有以下优点：（1）谱线简单：仅需分光本领一般的分光光度计，甚至可以用滤光片等进行简单分光或用日盲光电倍增管直接测量。（2）灵敏度高，检出限低。（3）适合于多元素同时分析。

原子荧光光谱法讲座（3）
——氢化物发生与原子荧光光谱法的结合

1969年，Holak把经典的砷化氢发生反应与原子光谱法相结合，创立了氢化物发生-原子光谱分析的联用技术。此后，在 1974年 Tsujii和 Kuga氢化物发生进样技术与无色散原子荧光分析技术相结合，首次实现了氢化物发生-无色散原子荧光光谱（HG-AFS）分析，并应用于砷的测定。由于这种方法把蒸气进样技术与无色散原子荧光光谱测定的特点完美地结合起来，它与氢化物发生-原子吸收光谱法相比具有仪器结构简单，灵敏度高，气相干扰少，适合于多元素分析等特点。对于环保分析中感兴趣而其它分析方法还难以满意解决的As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Pb、Sn、Ge等元素，HG-AFS分析法显示出了其独特的优点，这主要是由于上述这些元素的主要荧光谱线介于200nm～290nm之间，正好是日盲光电倍增管灵敏度最好波段，另一方面，这些元素可以形成气态的氢化物，不但与大量的基体相分离，大大降低了基体干扰，而且因为是气体进样方式，极大地提高了进样效率。因此，HG-AFS测定上述元素具有很高的灵敏度。目前，这种技术已越来越受到人们的重视。

把氢化物发生与AFS结合是一种具有较大实用价值的分析技术，这是因为氢化物可以在氩氢焰中得到很好的原子化，而氩氢焰本身又具有很高的荧光效率以及较低的背景，这些因素的结合使得采用简单的仪器装置即可得到很好的检出限。早在七十年代，Tsujii等人就已开展了这方面的研究，但由于所提出的体系是在酸性溶液中加人金属锌做还原剂来生成AsH3，反应速度慢，操作麻烦，因此以后的工作对此进行了改进，改用NaBH4。做还原剂，并提出用氩氢小火焰来进行氢化物的原子化。这虽然大大降低了火焰噪声，提高了灵敏度，但还要通入一定量的氢气来维持小火焰，装置比较复杂．此外，由于一开始就提出用碘化物无极放电灯做光源，因而受到铋的严重光谱干扰，使得这种方法难以用于实际样品，从而严重影响了这种技术的发展。在以后的工作中，国外未能提出新的光源，因此在80年代中期，这种很有潜力的技术几乎被扼杀。近几年，国外对此项技术又开始重视并有商品仪器问世。

原子荧光光谱法讲座（4）
——氢化物发生-原子荧光光谱法在中国异军突起

在中国，郭小伟等人亦开展了这方面的研究，我国原子光谱工作者针对HG-AFS分析技术中的主要矛盾进行了一系列的工作，使这种技术取得了长足进展。1977年开始建立了以无电极灯为光源的无色散原子荧光实验系统，并开始了HG-AFS的研究工作。针对国外装置复杂以及光谱干扰的问题，提出了利用KBH4与酸反应产生的氢气来产生氩氢小火焰，大大简化了装置，这种技术在约十年后国外才开始发现及应用。与此同时采用了溴化物无极放电灯代替碘化物无极放电灯, 成功地解决了铋的光谱干扰问题，使之运用于像地球化探样品这样复杂的实际样品分析，其次是利用氢化物发生所产生的氢气，使之在电热石英炉中形成氢焰，氢气用量大幅度下降，从而使HG－AFS方法成为实用性很强的高效低耗的分析技术。应当讲，HG－AFS技术是具有中国特色的分析方法。此后，研制成功双道仪器，一次可测定两个可形成氢化物元素，并应用于砷、锑的测定。基于以上研究成果，西北有色地质所与其它单位合作开发了双道原子荧光仪样机，后由北京地质仪器厂（型号：XDY－1）和江苏宝应厂（型号：WYD），浙江温州电子厂（型号：WFY）等进行了生产和推广，为全国的地质找矿探矿工作作出了较大贡献。

国外直到90年代才有商品仪器出现，因此在此之前这种技术的研究只局限于日、前苏联、意及英国的少数几个有能力自己解决装置的实验室，限制了方法的应用。90年代初，英国PAS公司开始推出了商品仪器，在匹兹堡国际会议上展出，受到了广泛地注意。在科研工作的基础上，我国先后有西安无线电八厂、浙江温州分析仪器厂、江苏宝应分析仪器厂、北京地质仪器厂等单位生产商品仪器。近几年来，北京海光公司推出的XDY系列及AFS系列，在性能上有很大改善，已被国内外用户所接受。地矿部物化探所在商品仪器的生产方面，也做了很好的工作。

为了进一步实现自动化，流动注射技术，断续流动技术也曾先后有人做过工作，取得了成功。在应用方面，特别是对基体成份相当复杂的地球化学样品分析方面，取得了很大的成绩。目前，这种技术已开始应用于冶金、生化、临床、环保等其它领域。

由于无电极放电灯本身的一些缺点，有人试验以普通空心阴极灯作光源，80年代中期，在全面研究脉冲供电的空心阴极灯特性的基础上，开始以空心阴极灯作为光源。与此同时。试制成功供原子荧光用的空心阴极灯，使此项技术更为成熟。

原子荧光光谱法讲座（5）
——原子荧光光谱法原理
1、原子荧光的类型以及荧光焠灭

（1）共振荧光

当原子受到波长为 λA的光能照射时，处于基态 E0（或处于 E0邻近的亚稳态 E1）的电子跃迁到激发态E2，被激发的原子由E2回到基态E0（或亚稳态E1）时，它就放出波长为λF的荧光。由图1(a)可看出，由于电子由E0跃迁至E2所吸收的能量等于它从E2回到E0时放出的能量，因此入λA=λF，这一类荧光称为共振荧光。例如荧光谱线Zn 213.9nm、Ni 232.0nm、Pb 283.nm均属于共振荧光。


（2）直跃线荧光

荧光辐射一般发生在两个激发态之间，由图1（b）可看出，处于基态E0的电子被激发到E2能级，当电子回到E1能级时，放出直跃线荧光。在此条件下，激发能大于荧光的能量，因而λA＞λF，称为 Stokes过程。比如用 Pb 283.3nm激发出Pb 405.8nm；用 Ti 377.5nm激发出 Ti 535.Onm可作为直跃线荧光的实际例子。

（3）阶跃线荧光

当处于激发态 E2的电子在其放出荧光之前，由于受激碰撞损失部份能量而降至 E1能级。从E1回至基态时，放出阶跃线荧光，此时λF小于λA，用 Na 330.3nm去激发钠原子时，可得到Na 589.0nm荧光线可作为例子。

（4）热助阶跃线荧光

原子通过吸收光辐射由基态 E0激发至 E2能级，由于受到热能的进一步激发，电子可能跃迁至与E2相近的较高能级E3，当其由E3跃迁至较低的能级E1（不是基态E0）时所发射的荧光称为热助阶跃线荧光。

（5）热助反Stokes荧光

由图1（e）可见，当电子从基态 E0邻近的 E2能级激发至E3能级时，其荧光辐射过程可能是由E3回到 E0，例如用In的 451.1nm的波长激发In 410.2nm荧光谱线。

除上述情况外，由基态E0激发至E2能级时，由于从火焰中吸收热能，电子可能经过E3能级而返回基态 E0并放出荧光，用 Cr 359.3nm.可激发出 357.9nm荧光谱线就是这一类型。

上述两种情况中，λF均大于λA，故称为热助反Stokes荧光。

原子荧光光谱法讲座（6）
——原子荧光光谱法原理
如果荧光的辐射波长大于光源波长称为Stoke效应，小于光源波长称为反Stoke效应。表1为不同荧光类型的实例。




对某一具体元素而言，原子吸收特征光的辐射之后，将发射出一组荧光谱线，这些谱线由于跃迁过程中所涉及能级的差异而具有不同的波长。

以铊的9条原子荧光谱线为例（图2），基态原子6P2P1/2到7S2S1/2。的能量为 3.283eV，这相当于原子荧光中最灵敏的共振荧光377.5nm。另外三条谱线276.8nm，258.0nm以及237.9nm也属于共振荧光，但灵敏度较低。535.0nm，323.0nm及292.1nm分别为电子由3.283，4.845及5.28eV跃迁至基态的亚稳能级，2P2/3（0.966eV）时所放出的直跃线荧光。由图2还可见到，351.9nm以及291.3nm为热助阶跃线荧光。由此可见某一元素的荧光光谱可包括具有不同波长的数条谱线。一般来说，共振线是最灵敏的谱线。

原子荧光光谱法讲座（7）
——原子荧光光谱法原理：荧光猝灭

处于激发态的原子寿命是十分短暂的，当它从高能级跃迁到低能级时原子将发射出荧光。

M*——M＋hν

但是，除了上述过程以外，处于激发态的原子，也有可能在原子化器中与其它分子、原子或电子发生非弹性碰撞而丧失其能量。在这种情况下，荧光将减弱或完全不产生。这种现象称为荧光的猝灭。荧光猝灭的程度取决于原子化器的气氛，氩气气氛中荧光的猝灭最小。

荧光猝灭有下列几种类型

1）与自由原子碰撞

M* + X ＝ M ＋ X

M*——激发原子；M及X一—中性原子。

2）与分子碰撞

M* + AB ＝ M ＋ AB

这是形成荧光猝灭的主要原因，AB可能是火焰的燃烧产物。

3）与电子碰撞

M* + e－ ＝ M ＋ e－

此反应主要发生在离子焰中

4）与自由原子碰撞后，形成不同的激发态。

M* ＋ A ＝ M X ＋ A

M* 及 MX为原子 M的不同激发态。

5）与分子碰撞后，形成不同的激发态。

M* ＋ AB = MX ＋ AB

6）化学猝灭反应

M* 十AB＝ M＋A＋B

A，B为火焰中存在的分子或稳定的游离基。

原子荧光光谱法讲座（8）
——原子荧光光谱法原理：荧光量子效率

为了衡量荧光猝灭程度，也就是衡量原子在吸收光能后究竟有多少转变为荧光，有人曾提出所谓荧光量子效率Φ，其定义为

Φ＝ΦF/ΦA

ΦF——为单位时间发射的荧光能量；

ΦA ——为单位时间吸收的光能。

在原子荧光仪器设计中应力求荧光量子效率近于1。从表1可看出，各种原子在氩气中的荧光量子效率最高，即荧光猝灭最小。

表1列出各种元素在不同火焰中的量子效率。

原子荧光光谱法讲座（9）
——荧光强度与被测物浓度间的关系

原子荧光光谱法是用激发光源照射一定浓度的待测元素的原子蒸气，从而使基态原子跃迁到激发态，然后去激发回到较低能态或基态，发出原子荧光。测定原子荧光即可求得待测样品中该元素的含量。

在理想情况下，假设所研究的体系满足下列条件：

1）原子只吸收某一频率的光能，并在被激发至特定的能级后放出荧光。

2）整个荧光池处于可被检测器观察到的立体角之内，也即荧光池不存在可吸收入射光而不为检测器所观察到的区域。

3）产生的荧光不会在荧光池中被重新吸收。

应当指出：光强度与很多因素有关，重要的包括：

①辐射源的强度；

②原子化器中光源照射到的区域内原子的数目（浓度）；

③光源辐射／吸收分数；

④吸收转化为辐射的效率；

⑤原子化器中荧光信号被自吸收的量。

据此，可以得到下列关系式。

IF＝I。·A T·Ω/4π·φ

式中，IF ——荧光强度；

I。——辐射光强度；

Ω——测量的立体角；

φ——荧光效率；

A T——总吸收系数，即吸收的光能与入射光能之比。



以上为理想状态，在实际情况下，工作曲线变得复杂起来，必须加一些校正因数，同时也要看到无论是线性和连续光源，荧光强度与浓度之间的线性关系只有在原子为低密度条件才能成立。

原子荧光光谱法讲座（10）
——荧光强度与被测物浓度间的关系



原子荧光强度If与试样浓度c以及激发态光源的辐射强度I0存在以下函数关系：

If=ΦI

根据朗伯-比尔定律

If=ΦI0[I·e—KLN]

式中：Φ——原子荧光量子效率；

I——被吸收的光强；

I0——光源辐射强度；

K——峰值吸收系数；

L——吸收光程；

N——单位长度内基态原子数。

按泰勒级数展开，当N很小，则原子荧光强度If表达式可简化为：

If=ΦI0KIN

当所有实验条件固定时，原子荧光强度与能吸收辐射线的原子密度成正比，当原子化效率固定时，If与试样浓度c成正比，即

If=αc

如前所述，上式线性关系，只在浓度低时成立。

自吸也是荧光分析中经常遇到的，尤其是原子浓度较高时更应注意；自吸可以引起荧光信号变化和荧光谱线变宽，从而减少峰值强度。

线性及连续光源在分析物浓度高时的荧光强度会发生变化，这种现象的主要原因是自吸。

还应指出的是：无论是连续光源或者线光源，光源强度越高，其测量线性工作范围越宽，因为这样可以使线性的下端延至愈来愈低的浓度值，这就是说，在痕量分析时是不会遇到曲线弯曲情况的。