W2203原子荧光光度法-4-微教材

1、 农产品与食品质量检测技术教学资源库农产品/食品质量安全检测技术课程-微教材微课编号W2203微课名称原子荧光光度法（AFS）所属模块重金属元素检测子模块砷的测定关键词原子荧光；操作；应用是否通用通用 农产品 食品是否重点建设是 否微课类型讲授型和实验实训型微课形式混合拍摄式教学设计模式任务驱动法教学目标了解原子荧光发展史、理解原子荧光光谱分析基础；了解氢化物发生-原子荧光光度法分析流程；熟悉原子荧光仪的结构；掌握原子荧光仪的规范操作教学内容知识点技能点原子荧光发展史；理解原子荧光光谱分析基础理解氢化物发生-原子原子荧光法的分析流程熟悉氢化物发生法类型了解荧光分光光度计的组成及工作原理1、原子

2、荧光仪的规范操作农产品/食品质量安全检测技术课程-微教材知识讲解 国内重金属污染越来越严重，其中具有生物毒性的重金属砷，在1973年联合国粮农组织和世界卫生组织所确定的17种最优先研究的食品污染物中排名第二位。而食物是人体摄入砷的主要来源，鱼、海产品、谷类、酒和粮谷制品中都含有砷，摄人过量的砷能造成癌症、皮肤病、心血管系统疾病和糖尿病等疾病。因此，各国开始关注食品中砷超标的问题。目前国内砷的测定方法为GB/T 5009.11-2003食品中总砷及无机砷的测定，有氢化物原子荧光光度法、银盐法、砷斑法、硼氢化物还原比色法。其中氢化物原子荧光光度法（HG-AFS）为第一法，也是当前检测机构最为常用的

3、方法。1、原子荧光光谱分析技术发展史和应用领域 原子荧光光谱分析是20世纪60年代中期提出并发展起来的光谱分析技术，是原子光谱法中的一个重要分支，它是原子吸收和原子发射光谱的综合与发展，是一种优良的痕量分析技术。最早在1859年克希霍夫研究太阳光时开始原子荧光理论的研究，后来在1902年胡克等研究原子荧光现象，观察到了钠的荧光现象，直到1964年威博尼尔提出原子荧光光谱法，可作为一种化学分析方法，到了八十年代，我国科技工作者对原子荧光光谱仪作出很大贡献，其中郭小伟等非色散原子荧光光谱仪，采用无机放电灯、氢化物法对仪器商品化起到很大作用。 原子荧光光谱分析广泛应用于地质样品分析、冶金样品分析、生

4、物样品分析、农业及植物样品分析、环境样品分析、食品分析、药材药品分析和轻工化妆品分析。能测定汞Hg，砷As，硒Se，锑Sb，铋Bi，碲Te，锡Sn，锗Ge，铅Pb，锌Zn，镉Cd等元素。原子荧光光谱法的应用情况如表1.2、原子荧光光谱分析基础 （1）概述 原子荧光光谱法（AFS）是一种痕量分析技术，是原子光谱法中的一个重要分支。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，所用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。 AFS方法对某些元素的灵敏度与检出限优于AAS与AES，谱线简单、干扰少，结构简单、仪器价格便宜，方法精确度类似于AAS、优于AES，关于消除干扰、基体

5、改进剂以及其他联用技术如氢化法、流动注射等也适用；但是存在对有些元素灵敏度差、线性范围窄，荧光弱、杂散光影响干扰大，应用元素范围有限等不足。 比较AFS与AAS的关系，其共同点是需要将分析试样有效地原子化；选择合适的光源，使分析样的基态原子有效地吸收光能；产生的光谱都在可见到紫外波段；仪器同是由四个组成部分，有某些相似的要求；化学组成的干扰有相似之处。区别是原子吸收属于吸收光谱，原子荧光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；原子荧光不一定要求同种原子的锐线光源辐射；荧光强度微弱，要考虑弱信号检测和杂散光等干扰；原子荧光谱线简单，结构简单；原子荧光在某些元素

6、的分析上更灵敏。（2）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。图1 AFS的基本原理 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）原子荧光类型可分为三类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，实际得到的原子荧光谱线，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，敏化荧光和多光子荧光很少用于分析，因为产生的

7、荧光辐射密度低。 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。 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。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。 敏化荧光是受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给

8、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。图2 原子荧光光谱的类型 （3）原子荧光光谱分析的定量 原子荧光光谱分析法是用激发光源照射含有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，通过测定原子荧光的强度求得样品中分析元素含量的分析方法。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。 3、氢化物发生-原子荧光法（HG-AFS）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

9、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，激发氩氢火焰中待测物原子，得到的荧光信号被光电倍增管接收，然后经放大，调解，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，据此进行定量分析。图3 HG-AFS分析流程图氢化物发生法类型主要有金属-酸还原体系、碱性模式还原体系、电解还原体系、硼氢化物-酸还原体系，在日常检测中主要采用硼氢化物-酸还原体系

10、。 1）金属-酸还原体系（Marsh反应） Zn+2HCL- ZnCl2+2H· nH· +Mm+-MHn+H2 该体系能发生氢化物的元素较少；反应速度慢，大约需要10分钟；干扰较为严重。 2）硼氢化钠-酸还原体系 酸化过的样品溶液中的砷、铅、锑、硒等元素与还原剂（一般为硼氢化钾或钠）反应在氢化物发生系统中生成氢化物，反应式如下 NaBH4+3H2O+H+=H3BO3+Na+8H*+Em+=EHn+H2 (气体） 式中Em+代表待测元素，EHn为气态氢化物 该体系克服或大大减少了金属-酸还原体系的缺点，在还原能力、反应速度、自动化操作、抗干扰程度以及适用的元素数目等诸多方面

11、表现出极大的优越性。 3）碱性体系： 在碱性试样底液中引入NaBH4和酸进行氢化反应，在NaOH强碱性介质中氢化元素形成可溶性含氧酸盐，可消除铁、铂、铜族元素的化学干扰。 4）电化学方法 在5%KOH碱性介质中，用电解法在铂电极上还原砷和锡，优点是空白低，选择性好 氢化物发生法的优点 氢化物发生法的优点是分析元素能够与可能引起干扰的样品基体分离，消除了干扰；与溶液直接喷雾进样相比，氢化物能将待测元素充分预富集，进样效率将近100%；连续氢化物发生装置易于实现自动化；生成的气态氢化物在形成的氩氢火焰石英管原子化器中有极高的原子化效率；不同价态的元素氢化物发生实现条件不同，可进行价态分析。 （3）

12、氢化物反应的干扰和消除 氢化物反应干扰主要是两种：来自氢化反应过程中液相干扰（化学干扰）和传输过程中、原子化过程中的气相干扰（物理干扰）。其中对液相干扰消除方法主要有络合掩蔽、分离（沉淀、萃取）、加入抗干扰元素、改变酸度、改变还原剂的浓度等。而去除气相干扰的方法主要有防止干扰元素生成气态化合物、提高石英原子化器的温度等。（4）能用原子荧光法检测的元素 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

13、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。 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碲Te(VI)还原至Te(IV)。 4、氢

14、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。两类仪器均包括光源、 光学系统、原子化系统、气路系统、光电检测、信号处理、数据处理、计算机控制系统。 （1） 光源：要有足够的辐射强度，光谱纯度高、背景低，辐射能量稳定性好，使用寿命长、操作和维护方便。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。 常见的光源

15、种类有：空心阴极灯（包括高强度灯和可拆卸灯）、无极放电灯、金属蒸汽放电灯、汞放电灯、微波诱导子焰、电感偶合等离子焰、可控温梯灯、佩灯、可调谐染料激光、二极管激光。 （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。原子化系统一般分为：火焰原子化系统、无火焰原子化系统（氢化物发生法）。原子化系统一般由雾化器、多功能反应模块、蠕动泵、预混合雾室和燃烧器组成。 （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。原子荧光光谱仪

16、的光学系统分为色散型和无色散型，色散型是由激发光源、原子化器、单色器及接收放大器组成；无色散型是由激发光源、原子化器、滤光片及日盲光电倍增管组成。 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。色散体系的优点是具有广泛的波长范围，分离散射光的能力较强，灵活性较大、转动光源即可选择分析元素，可以采用灵敏的宽波长范围的光电倍增管。缺点是价格较高，必须调整波长，有可能产生波长漂移，与无色散体系相比，接受荧光的立体角较小。 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

17、。缺点是较易受到散射干扰，较易受到光谱干扰，对光源的纯度有较高的要求。图4 光学系统 气路系统：仪器所需的工作气体(压缩空气、燃气、氩气)均由流量器来控制流量，在火焰法与氢化物发生法相互切换时，只需将氩气换为压缩空气，然后打开燃气即可。主气与金属套玻璃高效喷雾器(火焰法)和特制多功能反应模块(氢化物发生法)接口之间是自动切换。在火焰法中，燃气与经雾化样品混合均匀后燃烧，压缩空气作为主气将样品雾化，作为辅气辅助燃气燃烧；在氢化物发生法中，氩气作为载气和屏蔽气。图 5 气路系统（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

18、，以避免激发光源对检测原子荧光信号的影响。（5）氢化物进样系统 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NaBH

19、4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:图6 连续流动氢化物发生装置图 3) 断续流动法：针对连续流动

20、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

21、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。图7 断续流动氢化物发生装置图 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。图8 流动注射氢化物发生装置图边学边练/案例分析任务：原子荧光光度计（AFS-930）操作规程1.开机前先打开氩气阀，次级

22、压力表调节至0.3-0.4Mpa。2.如要更换元素灯，则必须在关机状态下进行。3.依次打开通风机、打印机、计算机、仪器主机、顺序注射(自动进样器)的电源，观察元素灯是否被点亮。若不亮用点火器激发至亮(特别是汞灯)。更换过元素灯后，要用调光器将灯光斑调至中心，之后一定要把调光器从原子化器上取下！4.待仪器复位后，双击AFS-930软件图标。进入软件后首先出现自检测窗口，单击“检测”，正常后单击“返回”。5.单击“点火”，将原子化器炉丝点亮。6.单击“元素表”，出现元素表窗口，软件自动识别双道所插的元素灯，也可单击“手动设置”，人为选择关闭不检测的元素灯。注意，不关的元素灯不能点手工设置，点击后必须点“重测”。7.单击“仪器条件”出现输入窗口，选择各项条件。单击其中的“测量条件”选择重复测量次数和有效测量次数，选择是否启用超出曲线范围自动清洗功能，其他选项建议用默认值。再单击其中的“标准空白和text”，选择标准空白位置