儀器分析-電子教材:第七章原子熒光光譜法

第七章 原子熒光光譜法

第一節(jié)  概述

原子熒光光譜法（atomicfluorescence spectrometry, AFS)是在原子吸收分光光度法、原子發(fā)射光譜法及分子熒光分析法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分析方法。它是基于待測(cè)物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光源發(fā)出的特征波長(zhǎng)的輻射而被激發(fā)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能態(tài)時(shí)所發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。

早在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初已經(jīng)觀察到原子熒光現(xiàn)象，但直到1964年Winefordner等創(chuàng)建了原子熒光光譜分析技術(shù)以來，這種方法才得到實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末開始對(duì)這種方法進(jìn)行研究，研制和生產(chǎn)了原子熒光光譜分析儀，并成功地應(yīng)用于實(shí)際樣品分析，近十多年來，原子熒光分析技術(shù)發(fā)展很快，我國(guó)在氫化物發(fā)生原子熒光光譜（hydridegeneration atomic fluorescence spectrometry，HGAFS)分析技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，相繼研制出各種新型HGAFS儀。目前原子熒光分析法廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、冶金地質(zhì)等領(lǐng)域，成為一種很有前途的痕量元素分析方法。

一、原子熒光光譜與原子熒光分析

原子熒光的產(chǎn)生是激發(fā)態(tài)原子以輻射的形式放出能量（去活化)的過程。

分析物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣，吸收激發(fā)光源發(fā)出的一定波長(zhǎng)的輻射后，原子的外層電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能執(zhí)業(yè)藥師態(tài)，同時(shí)發(fā)射出與激發(fā)光波長(zhǎng)相同或不同的光，稱為原子熒光。原子熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象。

由于原子核外電子的軌道較多，原子被激發(fā)后，外層電子的躍遷不同，發(fā)射的原子熒光波長(zhǎng)亦不相同，這些不同波長(zhǎng)的原子熒光經(jīng)光譜儀色散后，形成按一定波長(zhǎng)順序排列的原子熒光光譜。各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，激發(fā)后發(fā)射的熒光波長(zhǎng)各不相同，因而每種元素都有特征的原子熒光光譜。在一定條件下原子熒光的強(qiáng)度與該元素的原子蒸氣濃度成正比，通過測(cè)量熒光強(qiáng)度即可求得待測(cè)元素的含量。

二、原子熒光光譜法的特點(diǎn)

原子熒光光譜法具有以下特點(diǎn)

1.原子熒光光譜譜線簡(jiǎn)單，干擾少，選擇性好。熒光光譜儀對(duì)單色器要求不高，不需要色散率大的光譜儀器，甚至可制作成非色散型的原子熒光儀。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉。

2.靈敏度高   原子熒光光譜背景輻射低，可獲得很低的檢測(cè)限，已有20多種元素的檢測(cè)限低于原子吸收光譜法（AAS)。如采用高溫石墨爐原子化技術(shù)，并以可調(diào)染料激光器為激發(fā)源，檢測(cè)限可達(dá)Pg級(jí)，非常適合于痕量分析。

3. 可進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定   由于原子熒光是在空間向各個(gè)方向發(fā)射，便于制作多道原子熒光光譜儀，進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定。

原子熒光光譜法的不足之處是適用于分析的元素范圍有限，有些元素的靈敏度低、線性范圍窄；原子熒光轉(zhuǎn)換效率低，因而熒光強(qiáng)度較弱，給信號(hào)的接收和檢測(cè)帶來一定困難，隨著高強(qiáng)光源和弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，這個(gè)問題將得到解決。此外，散射光對(duì)原子熒光分析影響較大，但采用共振熒光線作分析線，可有效降低散射光的影響。

第二節(jié)  原子熒光光譜法的基本原理

一、原子熒光的類型

原子熒光的激發(fā)機(jī)制比較復(fù)雜，產(chǎn)生的熒光類型較多，根據(jù)激發(fā)能源的性質(zhì)和熒光產(chǎn)生的機(jī)理和頻率，可將原子熒光分成共振熒光、非共振熒光及敏化熒光三種類型。

（一)共振熒光)

當(dāng)原子吸收的激發(fā)光與發(fā)射的熒光波長(zhǎng)相同時(shí)，所產(chǎn)生的熒光叫做共振熒光（resonance fluorescence)，如圖7-1所示。由于相應(yīng)于原子激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間共振躍遷幾率比其它躍遷幾率大得多，共振躍遷產(chǎn)生的譜線強(qiáng)度最大，所以共振線是元素最靈敏的分析線，在分析中應(yīng)用最多。例如鋅、鉛原子分別吸收和再發(fā)射的213.86 nm和283.31 nm波長(zhǎng)的共振線，就是典型的共振熒光。

原子蒸氣中的某些原子，由于吸收熱能被激發(fā)而處于稍高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)時(shí)，則共振熒光可以從亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)產(chǎn)生，即處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的原子，通過吸收激發(fā)光源的某一非共振線后進(jìn)一步激發(fā)到較高能級(jí)，然后再返回亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)射出相同波長(zhǎng)的熒光，這種熒光稱為熱助共振熒光（thermally assistedfiuorescence)。

圖7-1 共振熒光示意圖

a 始于基態(tài)原子共振熒光，b始于亞穩(wěn)態(tài)原子共振熒光

（二)非共振熒光

當(dāng)原子吸收的激發(fā)光和發(fā)射的熒光波長(zhǎng)不同時(shí)，所產(chǎn)生的熒光叫做非共振熒光（non resonancefluorescence)，包括斯托克斯（Stokesfluorescence)熒光和反斯托克斯熒光（anti-stokesfluorescence)兩大類。

1. 斯托克斯熒光  當(dāng)發(fā)射的熒光波長(zhǎng)比激發(fā)光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)時(shí)稱作斯托克斯熒光。根據(jù)發(fā)射熒光的機(jī)理不同，又可分為直躍線熒光（direct-linefluorescence和階躍線熒光（stepwise-linefluorescenc)

（1)直躍線熒光  原子吸收光能被激發(fā)到高能態(tài)后，再由高能態(tài)返回至比基態(tài)能級(jí)稍高的亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，所發(fā)出的熒光稱為直躍線熒光。其特點(diǎn)是熒光線和激發(fā)線起止于共同的高能級(jí)，但熒光波長(zhǎng)比激發(fā)光波長(zhǎng)要長(zhǎng)一些，如圖7-2所示。例如基態(tài)Pb吸收283.31nm輻射后，發(fā)射出405.78nm直躍線熒光。此外，還有通過熱助起源于亞穩(wěn)態(tài)的直躍線熒光，這種熒光叫熱助直躍線熒光（圖7-2)，它產(chǎn)生于基態(tài)是多重結(jié)構(gòu)的原子。

圖7-2 直躍線熒光示意圖

a 始于基態(tài)原子直躍線熒光，b始于亞穩(wěn)態(tài)原子直躍線熒光

（2)階躍線熒光  原子吸收光能激發(fā)到高能態(tài)，回到基態(tài)時(shí)分兩步去活化，首先由于非彈性碰撞損失部分能量，產(chǎn)生無輻射躍遷到一較低激發(fā)態(tài)，然后再躍遷到基態(tài)而發(fā)射熒光，稱為階躍線熒光，例如Na吸收330.3nm幅射后，發(fā)射588.99nm的階躍線熒光。此外，還有通過熱助使激發(fā)態(tài)原子進(jìn)一步激發(fā)到更高的能級(jí)上，然后躍遷到第一激發(fā)態(tài)發(fā)射的熒光，叫熱助階躍線熒光（如圖7-3所示)。

圖7-3 階躍線熒光示意圖

a 正常階躍線熒光，b熱助階躍線熒光

3.反斯托克熒光  當(dāng)熒光波長(zhǎng)比激發(fā)光波長(zhǎng)短時(shí)稱為反stokes熒光。激發(fā)光的能量不足時(shí)，通常由原子化器提供熱能補(bǔ)充，基態(tài)原子蒸氣受熱激發(fā)處于激發(fā)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)，再吸收激發(fā)光的能量而躍遷至更高能級(jí)的激發(fā)態(tài)，隨后直接返回基態(tài)，并發(fā)射出熒光，稱為反Stokes熒光，也可稱為“熱助熒光”，這是非共振熒光的特殊情況，如圖7-4所示。如銦原子吸收熱能后處于一個(gè)較低態(tài)能級(jí)，在該能級(jí)上銦原子吸收451.18 nm的輻射而被進(jìn)一步激發(fā)，當(dāng)其躍遷回基態(tài)時(shí)發(fā)射410.18 nm的熒光。

非共振熒光，特別是直躍線熒光，在實(shí)際分析中有重要意義，因?yàn)槟承┰�素的熒光光譜中，在一些有利的條件下，直躍線熒光強(qiáng)度比共振熒光還強(qiáng)，在分析中用這些非共振熒光比共振熒光具有顯著的優(yōu)越性，如可在熒光光譜中去掉激發(fā)線，從而消除散射光的影響；當(dāng)共振線波長(zhǎng)處有強(qiáng)烈背景發(fā)射時(shí)，可在背景較低的非共振線波長(zhǎng)處進(jìn)行熒光測(cè)量，從而避免干擾和克服熒光輻射的自吸收。

圖7-4 典型的反斯托克熒光示意圖

a 特殊的熱助直躍線熒光，b特殊的熱助階躍線熒光

（三)敏化熒光

待測(cè)原子M（接受體)不是直接吸收光被激發(fā)，而是通過碰撞吸收已被光源激發(fā)的另一個(gè)原子A（給予體)去活化而釋放的能量而激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的待測(cè)原子通過輻射去活化而發(fā)射出熒光，叫敏化熒光（sensitized fluorescence)。

其過程可表示如下：

A + hν　   A^*

A^* + M   A  + M^*

M ^*    M  +  hν

二、原子熒光光譜定量分析的基本公式

原子熒光光譜法是根據(jù)被測(cè)元素的原子所發(fā)射的熒光強(qiáng)度測(cè)定其含量的，因此，必須知道原子熒光強(qiáng)度與被測(cè)元素濃度的關(guān)系。

若一束強(qiáng)度為I_o的平行光投射到原子蒸氣時(shí)，若原子蒸氣中被測(cè)元素的濃度為N，忽略自吸收，則產(chǎn)生的原子熒光強(qiáng)度I _F為

  （7-1)

式中為原子熒光效率，等于原子發(fā)射熒光的光量子數(shù)與吸收激發(fā)光的光量子數(shù)之比；I_a是吸收光的強(qiáng)度。根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)待測(cè)元素的濃度N很低時(shí)

    （7-2)

式中K_υ為吸收系數(shù)，L為吸收光程。

將式7-2代入式7-1得

   （7-3)

將式7-3的指數(shù)項(xiàng)按泰勒級(jí)數(shù)展開得

  （7-4)

因?yàn)樵�子蒸氣中被測(cè)元素的濃度很小，高次項(xiàng)可忽略不計(jì)，則式7-4可簡(jiǎn)化為

   （7-5)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，由于原子蒸氣中被測(cè)元素的濃度與試樣溶液中該元素的濃度成正比，即N=ac，因此

    （7-6)

在固定實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)同一元素而言，、I_o、Kν、L、a均可視為常數(shù)，則式7-6可簡(jiǎn)化為

    （7-7)

由此可見，原子熒光強(qiáng)度與試樣中被測(cè)元素濃度成線性關(guān)系，式7-6為原子熒光定量分析的基本關(guān)系式，此式適用于低濃度的原子熒光分析，隨著原子濃度的增加，由于譜線變寬、自吸收、散射等因素的影響，將使工作曲線彎曲偏離線性。

三、飽和熒光

  從原子熒光分析基本關(guān)系式（式7-6)可以看出，原子熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度成正比。因此可以使用增加激發(fā)光強(qiáng)度來提高原子熒光強(qiáng)度，以降低檢測(cè)限，但是，上述關(guān)系只是在一定的激發(fā)光源強(qiáng)度范圍內(nèi)適用，當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)度足夠大并達(dá)到一定值后，共振熒光的低能級(jí)和高能級(jí)之間躍遷原子數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)，分布在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)的比值，僅與相應(yīng)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重比值有關(guān)，不再隨激發(fā)光強(qiáng)度增大而增加，對(duì)激發(fā)光的吸收達(dá)到飽和進(jìn)而出現(xiàn)原子熒光的飽和狀態(tài)，稱之飽和熒光﹝saturated fluorescence﹞。應(yīng)用飽和熒光分析，可以達(dá)到極低的檢測(cè)限，而且熒光強(qiáng)度不受光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響。目前采用高強(qiáng)度的激光光源，可以使很多分析的熒光達(dá)到飽和。

四、熒光猝滅   在原子化器中，基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光光子后成為激發(fā)態(tài)原子，激發(fā)態(tài)原子在去活化過程中，存在著兩種可能：一是躍遷回到基態(tài)或其它較低的能級(jí)產(chǎn)生熒光；二是與原子化器中其它原子、分子、電子等由于非彈性碰撞失去能量，或其它無輻射去活化現(xiàn)象，在這種情況下，熒光將減弱或完全不發(fā)生，這種由于條件變化使待測(cè)原子熒光效率降低現(xiàn)象稱為熒光猝滅（quenching offluorescence)。為了衡量熒光猝滅的程度，提出了熒光量子效率的概念，即原子發(fā)射的熒光光量子數(shù)_F與吸收激發(fā)光光量子數(shù)之_A比，稱為熒光量子效率

   （7-8)

由于原子化過程物理化學(xué)作用非常復(fù)雜，熒光量子效率受試樣組成、原子化條件等因素影響，在常規(guī)原子熒光分析時(shí)，熒光量子效率通常小于1。熒光猝滅降低了熒光量子效率，也降低了熒光強(qiáng)度，對(duì)原子熒光分析極為不利。在實(shí)際分析中應(yīng)注意控制實(shí)驗(yàn)條件盡可能減少熒光猝滅。

第三節(jié)   儀器裝置

原子熒光分析儀器叫原子熒光光譜儀。根據(jù)有無色散系統(tǒng)，可分為色散型原子熒光光譜儀和非色散型原子熒光光譜儀；根據(jù)波道數(shù)又可分為單道原子熒光光譜儀和多道原子熒光光譜儀，前者適用于單元素分析，后者可作多元素分析。

一、原子熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)

原子熒光光譜儀與原子吸收分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由激發(fā)光源、原子化器、分光系統(tǒng)、檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，由于原子吸收光譜分析測(cè)量的是光源發(fā)射的光被待測(cè)物質(zhì)的基態(tài)原子吸收的程度（吸光度A)，而原子熒光光譜分析是測(cè)量基態(tài)原子被光源發(fā)射的光激發(fā)后，所發(fā)射的熒光強(qiáng)度（I_F)，因?yàn)檫@一差別，使得兩種儀器各部件的配置上有明顯的不同；原子吸收光譜儀各主要部件位于同一光軸上，而原子熒光光譜儀為了避免檢測(cè)到光源的共振輻射，必須將激發(fā)光源的光軸置于垂直于分光系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的光軸位置上，原子熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)如圖7-5所示

圖7-5原子熒光光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

（一)激發(fā)光源

原子熒光分析對(duì)激發(fā)光源的要求是輻射強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好；應(yīng)用波長(zhǎng)范圍廣，連續(xù)可調(diào)，適用于多元素分析；光譜純度好、背景低、耐用、壽命長(zhǎng)。常用的光源有以下幾種。

1.高強(qiáng)度空心陰極燈（HCL) 普通空心陰極燈由于其發(fā)射強(qiáng)度低，不適用于原子熒光分析。高強(qiáng)度空心陰極燈是在普通空心陰極燈中加了一對(duì)輔助電極，輻射強(qiáng)度比普通空心陰極燈強(qiáng)幾倍到十幾倍，穩(wěn)定性好，不足之處是燈的壽命較短，適于制作的元素有限。主要有Ag、Cu、Zn、Ni等。

2.無極放電燈（electrodeless-discharge-lamp EDL) 無極放電燈是原子熒光分析中較為常用的光源之一，由于這種燈沒有電極，所以必須將放電管放在諧振腔中用微波來激發(fā)。在長(zhǎng)30~80 mm，直徑約10 mm的石英管中，放入少量被測(cè)元素的化合物，通常是鹵化物（如碘化物或溴化物)，并充入惰性氣體，制成放電管。將放電管置于微波發(fā)生器的同步空腔諧振器中，微波便將管內(nèi)的惰性氣體原子激發(fā)，隨著放電的進(jìn)行，放電管內(nèi)溫度升高，使金屬鹵化物蒸發(fā)和解離，待測(cè)元素原子與被激發(fā)的載氣原子發(fā)生碰撞后被激發(fā)，并發(fā)射出待測(cè)元素的特征光譜輻射。

無極放電燈的輻射強(qiáng)度高出高強(qiáng)度空心陰級(jí)燈約10倍，光譜純度好，信噪比高，壽命長(zhǎng)，特別適用于共振線在紫外光區(qū)的易揮發(fā)元素的測(cè)定。目前已制成As、Bi、Cd、Cs、Se、Pb、Ni等幾十種元素的無極放電燈。

3.激光光源 原子熒光分析所用分析線的波長(zhǎng)范圍非常寬，從整個(gè)紫外光區(qū)到一部分可見光區(qū)，從性能上講，激光光源是原子熒光分析的極佳光源，除強(qiáng)度高、光譜純度好外，波長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)。目前激光光源多用可調(diào)波長(zhǎng)的染料激光，如脈沖染料調(diào)諧激光器，配合倍頻，可在180~800 nm波段范圍提供極強(qiáng)輻射的激發(fā)源，而且光譜帶寬也可以調(diào)節(jié)，但價(jià)格昂貴、操作比較煩瑣。激光光源還有一個(gè)重要的優(yōu)越性是飽和熒光的利用，此時(shí)熒光的自吸明顯減少，而使方法的線性范圍增寬，并且減少光源波動(dòng)對(duì)熒光信號(hào)的影響，提高分析精密度。

4.連續(xù)光源 由於熒光光譜譜線簡(jiǎn)單，而且熒光的檢測(cè)方向與光源垂直，熒光強(qiáng)度受吸收線輪廓影響小，因而可采用連續(xù)光源而不必用高色散率的單色器。連續(xù)光源具有很高的輻射強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是原子熒光分析理想通用的光源，可滿足多元素同時(shí)分析的需要，從而彌補(bǔ)單元素空心陰極燈的不足。目前用得較多的連續(xù)光源是高壓氙燈，氙燈適用于波長(zhǎng)大于250 nm的波長(zhǎng)段，不能在全波段滿足強(qiáng)度要求，目前還沒有在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)、提供足夠強(qiáng)度以滿足原子熒光需要的連續(xù)光源。

5. 等離子體光源 用于原子熒光分析的等離子體光源主要是電感耦合等離子體（inductivelycoupled plasma ICP)光源。ICP光源的特點(diǎn)是激發(fā)能量高、穩(wěn)定性好、化學(xué)和電離干擾少，此外ICP輻射源可供選擇的譜線豐富，適用于多元素分析，是一種很好的激發(fā)光源。目前將ICP光源用于原子熒光分析日益增多，己有ICP-AFS的商品儀器出售。

（二)原子化器

原子熒光與原子吸收對(duì)原子化器的共同要求是原子化效率高、穩(wěn)定性好、背景輻射低，區(qū)別在于原子熒光要求更高的溫度和有效的激發(fā)作用，熒光猝滅少，原子在激發(fā)光路中有盡可能長(zhǎng)的停留時(shí)間。

1. 火焰原子化器  與原子吸收的的火焰原子化器相似，不同點(diǎn)在于原子熒光分析中火焰截面呈圓形或方形，以提高輻射的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

原子熒光分析中常用氫火焰，如Ar-H₂，N₂-H₂等，這類火焰背景發(fā)射低，紫外區(qū)透明度高，猝滅物少，因而熒光效率高，是較為理想的火焰，但由于火焰溫度不高，主要用于砷、硒、鋅、鈉等元素的分析；空氣-乙炔、氧化亞氮-乙炔火焰溫度高，可用于難原子化的元素分析，但背景信號(hào)和噪音增加，影響原子熒光法的檢測(cè)限。另外，火焰燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氣體分子，將引起原子熒光猝滅和分子熒光的發(fā)生，從而導(dǎo)致原子熒光強(qiáng)度降低和干擾信號(hào)加大，火焰成分的猝滅特性順序?yàn)锳r＜H₂＜H₂O＜N₂＜CO＜O₂＜CO₂。

火焰原子化器操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好，在原子熒光分析中被廣泛采用，但由于火焰背景和熱輻射信號(hào)在400 nm光譜區(qū)很強(qiáng)，故火焰原子化器只適用于分析共振線波長(zhǎng)小于400 nm的元素，特別適于共振線小于270 nm、在火焰中易于原子化的元素，如砷、鉍、鎘、汞、硒、鋅等，其檢測(cè)限優(yōu)于原子吸收光譜法。

2.電熱原子化器  電熱原子化器包括石墨爐、石墨杯等原子化裝置，其特點(diǎn)與原子吸收分析相似，如取樣少，原子化效率高，檢出限很低，背景輻射和熱輻射弱，猝滅效應(yīng)也小，不足之處是基體干擾和背景吸收較大，精密度不如火焰原子化器。

3.電感耦合等離子體（ICP)原子化器  ICP作為原子化器的優(yōu)點(diǎn)是溫度高、穩(wěn)定性好、化學(xué)干擾和光㪚射小，是一種高效的原子化器。適合于復(fù)雜試樣的多元素分析，尤其是對(duì)難熔元素的原子化更為有利。

4.氫化物發(fā)生原子化器 氫化物發(fā)生原子化法是近年來發(fā)展的一種低溫原子化法，其基本原理是在強(qiáng)還原劑作用下被測(cè)元素被還原為揮發(fā)性共價(jià)氫化物，然后借助載氣導(dǎo)入氬氫焰原子化成為自由原子。氫化物發(fā)生原子化器由氫化物發(fā)生器和電加熱石英管組成。近年來這種方法得到了較快的發(fā)展，是一種具有重要實(shí)用價(jià)值的分析技術(shù)，對(duì)于易生成氫化物的元素如As、Se、Sb、Te、Sn、Bi、Pb等元素的測(cè)定更能體現(xiàn)出原子熒光法的特點(diǎn)和優(yōu)越性，后面將專節(jié)討論。

（三)分光系統(tǒng)

由于只有吸收激發(fā)光之后，才產(chǎn)生熒光，因此原子熒光的譜線僅限于那些強(qiáng)度較大的共振線，其譜線數(shù)目比原子吸收線更少，原子熒光光譜比較簡(jiǎn)單，但光強(qiáng)度較弱，因此，對(duì)單色器分辬率的要求不高，單色器設(shè)計(jì)上重點(diǎn)是提高集光效果，增大原子熒光輻射強(qiáng)度，以獲得較大的信噪比，一般通過縮短單色器焦距，增大色散元件的通光孔徑來提高集光能力。根據(jù)有無色散系統(tǒng)將分光系統(tǒng)分為色散型和非色散型兩類。如圖I6-6所示。

色散型分光系統(tǒng)用光柵分光，檢測(cè)器用光電倍增管，具有可選擇的譜線多、波段范圍廣、光譜干擾和雜散光少等特點(diǎn)，適于多元素的測(cè)定。

非色散型分光系統(tǒng)沒有光柵單色器，通過濾光片和日盲光電倍增管配合組裝而成。這種分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、光譜通帶寬、熒光信號(hào)強(qiáng)，能得到較低檢測(cè)限；但光譜干擾大，散射光的影響也較大，對(duì)光譜的純度要求高。

圖 7-6 色散型與非色散型原子熒光光譜儀示意圖

（四)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

原子熒光光譜儀的檢測(cè)系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換和放大讀數(shù)兩部分組成，檢測(cè)器是以光電倍增管為主，無色散型光譜儀必須采用日盲光電倍增管，光電轉(zhuǎn)換所得信號(hào)經(jīng)放大后顯示。目前的原子熒光光譜儀多與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，由計(jì)算機(jī)記錄、處理熒光強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，使得檢測(cè)更加便捷。

二、多道原子熒光光譜儀

多道原子熒光分析儀也分為色散型和非色散型兩大類，它們的共同特點(diǎn)是可同時(shí)測(cè)定多種元素，自動(dòng)化程度高，分析速度快。

非色散多道原子熒光光譜儀設(shè)備簡(jiǎn)單，照明立體角大，光譜通帶寬，熒光信號(hào)強(qiáng)，不存在波長(zhǎng)漂移現(xiàn)象，檢測(cè)限較低，但由于受到光電倍增管的限制，同時(shí)測(cè)定的元素?cái)?shù)目較少，而且受散射光影響較大。色散型多道原子熒光光譜波長(zhǎng)范圍較寬，雜散光較少，光譜干擾少，信噪比高，但有波長(zhǎng)漂移現(xiàn)象，儀器成本高，操作也比較繁雜�，F(xiàn)舉例簡(jiǎn)述如下，圖7-7是六通道連續(xù)測(cè)定原子熒光儀示意圖

該儀器由光源（空心陰極燈)，原子化器，反射鏡系統(tǒng)，濾光片，光電倍增管，放大器和讀數(shù)系統(tǒng)組成，由6個(gè)不同的脈沖空心陰極燈發(fā)生的輻射聚焦在火焰上，用一個(gè)反射鏡系統(tǒng)收集熒光輻射，收集的熒光輻射通過一個(gè)具有6個(gè)濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片輪后，入射在一個(gè)光電倍增管上，進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后分別進(jìn)行積分和數(shù)據(jù)處理，得出測(cè)定結(jié)果。

第四節(jié)   原子熒光分析中的干擾和消除

原子熒光分析法的干擾較少，但實(shí)際分析工作中也不能忽視，下面著重討論以下幾種干擾。

一、光譜干擾

光譜干擾是由于分析的熒光信號(hào)與進(jìn)入檢測(cè)器的其它輻射不能完全分開而產(chǎn)生的，如干擾元素與待測(cè)元素的熒光譜線重疊、火焰的熱輻射及散射光的干擾，前兩類干擾與原子吸收光譜法相似，可用類似的消除干擾和扣除方法解決。散射光的干擾對(duì)原子熒光分析的影響顯著，且不能用上述方法解決。

散射光通常是由于原子化器中未揮發(fā)的氣溶膠顆粒產(chǎn)生的，它與單位體積內(nèi)未揮發(fā)顆粒的大小和數(shù)量有關(guān)，而與其光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系很小，故不能用提高單色器分辨率的方法來消除。要減少散射光干擾，主要還是應(yīng)減少散射微粒，如使用預(yù)混合火焰、增加火焰觀測(cè)高度和火焰溫度，或使用高揮發(fā)性溶劑等從而增加氣溶膠微粒的揮發(fā)性減少散射微粒；消除散射光另一種有效的方法是不用共振熒光線，而盡可能選擇靈敏度高、干擾小的直躍線熒光或階躍線熒光線進(jìn)行測(cè)定，這就可以濾掉光源發(fā)射的與待測(cè)熒光波長(zhǎng)相同的譜線，但其局限性是許多元素缺少這種具有足夠強(qiáng)度的熒光線。

當(dāng)散射光干擾嚴(yán)重時(shí)，可用空白溶液測(cè)定分析線處的散射光強(qiáng)度予以校正，或測(cè)量分析線附近某一合適非熒光線的散射光來校正。

二、原子熒光的猝滅

前面已提及，激發(fā)態(tài)原子以無輻射躍遷去活化的現(xiàn)象稱為熒光猝滅，原子熒光的猝滅作用，降低了熒光量子效率，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度顯著降低，嚴(yán)重影響原子熒光分析的檢測(cè)限。火焰中許多氣體分子如CO₂、N₂、H₂O、CO等都是猝滅劑，這些分子具有許多相距很近的振動(dòng)能級(jí)，其中一些能級(jí)接近待測(cè)元素（激發(fā)態(tài))原子的能級(jí)，激發(fā)態(tài)原子與這些分子碰撞時(shí)，可將它的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到這些分子振動(dòng)能級(jí)中去，導(dǎo)致熒光猝滅。

減少火焰中猝滅劑的濃度，可使熒光猝滅很快減小。實(shí)驗(yàn)表明，惰性氣體原子或分子具有原子熒光保護(hù)作用，可減少熒光猝滅，例如氬氣，由于氬的第一激發(fā)能比許多元素高，不易產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移激發(fā)，故常用引入氬氣的辦法，減少熒光猝滅，在氬氣氛圍中熒光猝滅最小。

三、化學(xué)干擾

原子熒光分析的化學(xué)干擾與原子吸收法相似，是由于待測(cè)元素與試樣中共存元素或火焰成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定難揮發(fā)、難離解的化合物，使待測(cè)元素的原子化效率降低而引起的。這類干擾隨試樣基體和火焰類型不同而不同，消除化學(xué)干擾的方法與原子吸收分光光度法相似，通常采用加入釋放劑（如鑭鹽或鍶鹽)或保護(hù)劑（如EDTA)等辦法加以消除，必要時(shí)需采用分離的辦法以除去干擾物的影響。

四、物理干擾

物理干擾是由于試樣溶液的粘度、表面張力、溶劑的蒸氣壓等物理性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)溶液不一致，引起溶液的霧化、溶劑蒸發(fā)或溶質(zhì)揮發(fā)過程發(fā)生變化，導(dǎo)致溶液的提升率、霧化效率、分解速度及原子化效率等發(fā)生變化而造成的干擾。在實(shí)際分析工作中，應(yīng)盡量使標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣基體溶液濃度和組成一致，以消除這類干擾。

第五節(jié)   原子熒光分析方法

原子熒光光譜法與原子吸收分光光度法gydjdsj.org.cn/shouyi/的具體分析方法十分相似，可根據(jù)熒光強(qiáng)度與分析元素濃度的校正曲線，求得試樣的含量，定量方法有標(biāo)準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)加入法等，不再贅述。本節(jié)主要介紹原子熒光分析與其它新技術(shù)的聯(lián)用和原子熒光光譜分析的進(jìn)展。

一、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法

氫化物發(fā)生原子熒光光譜法是目前發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的原子熒光分析方法。在衛(wèi)生檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥物分析中，經(jīng)常涉及As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素的測(cè)定，這些元素的共振線大都在紫外光區(qū)間，用常規(guī)原子光譜分析方法測(cè)定這些元素，由于靈敏度低、背景干擾大、信噪比差，檢測(cè)限不能滿足要求。但由于這些元素的氫化物具有揮發(fā)性，常溫下為氣態(tài)，可借助于載氣將其導(dǎo)入原子熒光光譜儀中，用氫化物發(fā)生原子熒光分析進(jìn)行測(cè)定，這種方法靈敏度高、干擾小、簡(jiǎn)便易行，是分析這些元素較理想的方法。

（一)氫化物發(fā)生法原理

氫化物發(fā)生法的基本原理是在強(qiáng)還原劑作用下，被測(cè)元素還原生成揮發(fā)性共價(jià)氫化物，然后在控制條件下分解成氣態(tài)原子，實(shí)施原子熒光分析。

氫化物發(fā)生反應(yīng)早期是利用金屬-酸還原體系，由于這種體系能發(fā)生氫化物的元素少、還原時(shí)間長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且干擾嚴(yán)重，目前很少采用。近年來多采用硼氫化鈉做還原劑，根據(jù)其反應(yīng)介質(zhì)不同可分硼氫化鈉-酸還原體系、堿性模式還原及非水介質(zhì)氫化物發(fā)生等，其中硼氫化鈉-酸體系應(yīng)用最廣泛，其反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)式中，E是被測(cè)元素，H·是氫自由基；EH_n是生成的氫化物；m可以等于或不等于n。該反應(yīng)具有反應(yīng)迅速、氫化物生成效率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，已被廣泛采用。

氫化物發(fā)生原子熒光光譜法的樣品、還原劑及氬氣Ar進(jìn)入反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫化物和氫氣，經(jīng)氣液分離器分離，水分從廢液出口排出，去水后的氫化物和氫氣由氬氣導(dǎo)入原子熒光光譜儀的原子化器，燃燒產(chǎn)生氬-氫焰使待測(cè)元素原子化并進(jìn)行測(cè)定。

（二)氫化物發(fā)生原子熒光分析的條件選擇

1.樣品預(yù)處理   氫化物發(fā)生原子熒光法主要用于As、Sb、Bi等11種元素分析，一般用HCl處理樣品，但應(yīng)注意相應(yīng)元素氯化物的揮發(fā)性，同時(shí)由于方法靈敏度高，要注意扣除試劑空白。為了消除基體或其它元素干擾，可以采用萃取、共沉淀、巰基棉富集等方法分離富集。

2.反應(yīng)介質(zhì)選擇 反應(yīng)介質(zhì)的選擇與氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法相似。反應(yīng)酸度的選擇不僅影響分析靈敏度，而且可以應(yīng)用控制酸度分別進(jìn)行元素的不同價(jià)態(tài)分析。以硼氫化鈉為還原劑的氫化物發(fā)生體系，一般用酸性樣品溶液與硼氫化鈉作用生成氫化物，即硼氫化鈉-酸體系；在堿性溶液中發(fā)生氫化物的方法即堿性模式，采用堿性模式在某些情況下可以消除或減少共存元素的干擾，提高氫化反應(yīng)的選擇性；非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法可將待測(cè)元素萃取分離后，直接在有機(jī)相中測(cè)定。例如用溶劑萃取-非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法測(cè)定飲用水中痕量As，該法是在NaBH₄乙醇溶液-APDC-MIBK有機(jī)相中發(fā)生氫化物，然后進(jìn)行原子熒光測(cè)定，檢測(cè)限為2.8´10^-9g。

3.干擾及消除   原子熒光光譜法中的干擾主要有液相干擾和氣相干擾，液相干擾發(fā)生在氫化物形成或形成的氫化物從樣品溶液中逸出的過程，類似于氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法，主要是Cu、Co、Ni、Fe等元素易生成沉淀，吸附氫化物，可形成氫化物元素之間的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)產(chǎn)生干擾，一般采用絡(luò)合劑或基體改進(jìn)劑來減少這種干擾。氣相干擾主要發(fā)生在氫化物的傳輸過程或在原子化器中，將影響原子熒光的產(chǎn)率和猝滅，控制原子化器的蒸氣成分可減少這種干擾。

4.線性范圍（工作曲線) 原子熒光分析是一種痕量分析方法，其工作曲線的線性范圍一般在0.0014~1.0 ng/ml濃度區(qū)間，過高的分析濃度將嚴(yán)重影響到工作曲線的線性。

（三)氫化物發(fā)生原子熒光分析的特點(diǎn)

氫化物發(fā)生原子熒光分析具有以下特點(diǎn)

1.分析元素與基體分離，光譜和化學(xué)干擾少。

2.靈敏度高，與溶液直接噴霧進(jìn)樣相比，氫化物法能將待測(cè)元素充分預(yù)富集，進(jìn)樣效率高。

3.可控制條件，用于價(jià)態(tài)分析，宜于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4.主要適用于As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te、Hg、Zn、Cd等元素分析。

二、激光誘導(dǎo)原子熒光光譜法

由于激光具有強(qiáng)度高、單色性好、方向集中等特點(diǎn)，各種類型激光器相繼用于原子熒光光譜的研究，其中應(yīng)用比較廣泛的是以可調(diào)諧染料激光器為激發(fā)光源的原子熒光分析。隨著可調(diào)諧激光技術(shù)、微小信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在原子熒光分析中的應(yīng)用，促使激光誘導(dǎo)原子熒光光譜（laser induced atomicfluorescence spectrometry  LIAFS)分析迅速發(fā)展，目前已成為原子熒光分析的重要方法，在醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境和材料科學(xué)的痕量分析中占有重要地位。LIAFS法用于痕量和超痕量元素分析靈敏度高、檢測(cè)限低、準(zhǔn)確度和精密度較好，樣品用量也少。許多元素（如Ag、Al、Bi、Cd、Cr、Cu、B、Ti、Ga等)的LIAFS分析檢測(cè)限為ng/ml級(jí)，有些元素（如Ca、In、Pb、Co、Sn等)甚至達(dá)pg/ml級(jí)。將激光飽和激發(fā)和非共振熒光檢測(cè)相結(jié)合的飽和光學(xué)非共振熒光光光譜法，為單原子檢測(cè)提供了一種靈敏方法。

第六節(jié)   原子熒光光譜法的應(yīng)用

原子熒光光譜法由于具有儀器相對(duì)簡(jiǎn)單、干擾小、檢測(cè)限低、適合于多元素分析的特點(diǎn)，加之最適于分析的As、Se、Bi、Pb等元素均與人體健康關(guān)系密切，因而在醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境保護(hù)、冶金地質(zhì)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，有的已列為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。

一、在環(huán)境樣品分析中的應(yīng)用

在環(huán)境樣品（水、空氣、土壤及固體廢棄物等)多種元素的分析中，原子熒光光譜法得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)家衛(wèi)生部2001年頒發(fā)的“生活飲用水檢驗(yàn)規(guī)范”中，原子熒光光譜法被確定為飲用水中As、Se、Hg、Sb的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法；水樣中不同價(jià)態(tài)As、Sb和Se的含量測(cè)定，采用原子熒光法更為簡(jiǎn)便，快捷；空氣中砷、大氣顆粒物中汞的測(cè)定，用氫化物發(fā)生原子熒光法檢測(cè)限可達(dá)ng級(jí)；土壤，固體廢棄物樣品中重金屬元素的測(cè)定，由于存在著大量的基體干擾，用分光光度法、分子熒光分析法及原子吸收光譜法測(cè)定，均不理想，用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法分析取得了滿意的結(jié)果，其方法如下：樣品用濃HNO₃和濃HClO₄消解處理，氫化物發(fā)生反應(yīng)在HCl介質(zhì)中進(jìn)行，以NaBH₄為還原劑，由于不同價(jià)態(tài)的砷、銻和硒的氫化反應(yīng)速度不同，為了提高靈敏度，在氫化反應(yīng)之前樣品溶液需用硫脲和抗壞血酸進(jìn)行預(yù)還原，使As(V)、Sb(V)和Se(VI)還原生成As(III)、Sb(III)、Se(IV)。將生成的氫化物導(dǎo)入原子熒光光譜儀中進(jìn)行測(cè)定。方法的檢測(cè)限，As為1.73 ng/ml，Sb為1.90 ng/ml，Se為1.60 ng/ml。  

二、在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用

食品中的微量元素含量很低，但與人體健康有密切關(guān)系，目前氫化物發(fā)生原子熒光光譜法在食品檢驗(yàn)中占有重要地位。

食品中砷、鉛、汞、硒、錫、鎘、鍺和銻等微量元素的氫化物發(fā)生原子熒光法測(cè)定，已作為國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。鉛是食品衛(wèi)生監(jiān)督檢驗(yàn)中重點(diǎn)檢測(cè)的有害元素之一，采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定食品中的鉛，取樣量小、操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、基體干擾少，測(cè)定方法如下：樣品加HNO₃用微波爐消化，用HCl作為介質(zhì)，NaBH₄為還原劑，加H₂C₂O₄和K₃Fe(CN)₆作為基體改進(jìn)劑，還原生成的鉛化氫被氬氣和反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣載入石英管中，受熱分解為原子態(tài)鉛，進(jìn)行原子熒光分析。

三、在生物樣品分析中的應(yīng)用

生物樣品種類繁多，樣品前處理比較復(fù)雜，大部分金屬元素在生物樣品中含量很低，而且干擾大，在測(cè)定方法的選擇上受到一定的限制。利用原子熒光分析法測(cè)定人體液、組織、頭發(fā)等生物樣品中Hg、As、Se、Sb、Bi、Pb、Ga等都得到了滿意的結(jié)果。硒是人體必須的微量元素，是人體谷胱甘肽氧化酶的組成成分，硒缺乏會(huì)引起有關(guān)代謝阻斷，導(dǎo)致各種疾病。硒的抗癌作用已受到人們的重視，但硒攝入過多也會(huì)導(dǎo)致硒中毒，硒的測(cè)定以前大多采用分子熒光法，此法操作繁瑣，所用試劑二氨基萘有致癌性。用氫化物發(fā)生原子熒光法測(cè)定人發(fā)、血液及組織中的硒、分析步驟大大簡(jiǎn)化，檢測(cè)限可達(dá)ng級(jí)。下面簡(jiǎn)介血液中硒的測(cè)定方法，取血樣（肝素鈉抗凝)，用濃HNO₃和HClO₄消化后，在鹽酸介質(zhì)中，將Se(VI)還原成Se(IV)，加鐵氰化鉀掩蔽干擾離子，用NaBH₄作還原劑，還原生成的硒化氫由載氣（氬氣)導(dǎo)入原子化器中原子化并進(jìn)行原子熒光分析。

   （鄒學(xué)賢   楊葉梅)