第二节原子荧光光谱法

*1原子荧光光谱法

*2

概述

原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法，是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。所用仪器与原子吸收光谱法相近。原子荧光光谱分析技术自60年代提出以来，取得了很大进展。尤其是将氢化物发生与原子荧光光谱完美结合而实现HG-AFS分析技术以来，该方法已成为一种高效低耗并具有重要使用价值的分析技术。HG-AFS因为其对于较难分析的元素As、Hg、Se、Sb、Bi、Te、Pb、Sn、Ge等显示出的独特优点而备受分析工作者的青睐。*3原子荧光光谱原理原子荧光光谱的产生

气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回到基态或较低能级，同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即原子荧光。原子荧光为光致发光，二次发光，

激发源停止时，再发射过程立即停止。原子荧光光谱法-对原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。E0E1E2*4原子荧光的种类两种基本类型：共振荧光和非共振荧光1）共振荧光：荧光线的波长与激发线的波长相同。2）非共振荧光：荧光线的波长与激发线的波长不相同，大多数是荧光线的波长比激发线的波长为长。

*5If—原子荧光强度Φ—荧光量子效率，表示发射荧光光量子数与吸收激发光光量子数之比A—检测器中观察到的荧光的有效面积I0—单位面积上接受入射光的强度L—吸收光程长ε—峰值吸收系数Ｎ—能够吸收辐射的基态原子的浓度当气态基态原子浓度较低时，检测器所检测到的原子荧光强度用下式表示荧光强度与浓度的关系*6在实际工作中，仪器参数和测试条件保持不变，即Φ、A、I0、L、ε均为常数则原子荧光强度If与基态原子浓度成正比，当原子化效率固定时，则If与待测元素浓度成正比

If=KC—原子荧光光谱法定量关系式

K为常数，此式只有当待测元素浓度较低时才成立，当浓度高时，If与C为曲线关系。所以原子荧光光谱法是一种痕量元素分析方法*7量子效率与荧光淬灭

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，所以量子效率一般小于1。受激原子在原子化器中与其他原子、分子或电子发生非弹性碰撞，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，这种现象称为荧光淬灭。荧光的淬灭会使荧光的量子效率降低，荧光强度减弱。荧光猝灭的程度与被测元素以及猝灭剂的种类有关。猝灭剂：火焰燃烧的产物最严重。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

*8

原子荧光光谱法的优点1.检出限低、灵敏度高，检出限优于原子吸收法和原子发射光谱法2.由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定3.线性范围宽，可达3-5个数量级，样品大多数无需稀释可直接测定4.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。*9HG-AFS原理在特定的介质中，以硼氢化钾作还原剂，使待测元素生成氢化物。反应生成的氢化物被引入到石英原子化器中被原子化，受光激发使基态原子的外层电子跃迁到较高能级，在去激化过程中辐射出特征的原子荧光，据荧光强度的大小可测定氢化元素在试样中的浓度。As、Sb、Bi、Se、Te、Pb、Sn、Ge8个元素可形成气态氢化物，Hg形成原子蒸气。汞离子可以与NaBH4或SnCL2反应而生成原子态的汞，并可在室温下激发产生汞原子荧光，一般称为冷蒸气法或冷原子荧光光谱法。*10生成氢化物的反应M为待测元素，H2过剩氢化物特点：常温下是气体原子化温度低*11

氢化物发生操作方法

氢化物发生装置中硼氢化钾与样品溶液混合，反应产生待测物的氢化物，氢化物被载气带入原子化器中原子化。氢化物发生技术主要有间断法、连续流动法、断续流动法、流动注射法。AFSGLS样品KBH4WAr*12氢化物发生方法-间断法

在玻璃或塑料发生器中加入样品溶液，通过电磁阀或其他方式控制硼氢化钾的加入量，载气由支管导入发生器底部，利用载气搅拌溶液以加快氢化反应并将生成的氢化物导入原子化器。测定结束后排出废液，清洗发生器，再进行下一个样品测定。由于整个操作是间断进行的，故称为间断法。这种装置的优点是装置简单、灵敏度高，但重现性差，难以实现自动化。*13氢化物发生方法—连续流动法

将样品和硼氢化钾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，载气将反应物送入气液分离器，通过气液分离器将生成的气态氢化物导入到原子化器，废液同时排出。这种方法可获得连续信号，优点是精密度好、自动化程度高，由于溶液是连续流动进行反应、样品和还原剂间严格按一定比例混合，故对反应酸度要求很高的元素也能得到较高的测定精度。缺点是样品及试剂的消耗量大，样品之间的清洗时间较长。*14氢化物发生方法—断续流动法

装置与连续流动法相似，只是增加了存样环，仪器由微机控制，第一步蠕动泵转动一定的时间（8s)，样品被吸入并贮存在存样环中，但未进入混合器，与此同时硼氢化钾也被吸入相应的管道中，第二步时，泵停止转动(5s)以便将吸样管放入载流中，第三步泵高速转动，载流迅速将样品送入混合器中，使其与硼氢化钾反应。此法可根据样品含量不同灵活改变取样量，试剂消耗量少。*15氢化物发生方法—顺序注射法

由两个注射泵分别吸取样品和还原剂，通过多位转换阀，样品与还原剂反应，产生氢化物。由于采用精密的驱动系统控制注射泵，保证了进样的准确度，同时样品的吸取方式可以灵活掌握，吸样体积的大小、次序、速度等可通过程序人为控制，因此可用于单浓度点配制标准系列，自动稀释高含量样品。克服了蠕动泵进样系统中的蠕动泵管疲劳、老化、泵脉动引起的漂移，极大的提高了仪器的稳定性和可靠性。

样品和空白可选择性引入操作，节约样品，避免污染。*16

主要特点：（1）通过氢化物发生达到分离和富集的目的,基体影响易于消除（2）与溶液直接喷雾进样相比,氢化物法能将待测元素充分预富集,进样效率近乎100%

（3）根据所测元素的还原性质不同，可进行价态分析；（4）光谱干扰和气相干扰少（5）灵敏度远远高于冷原子吸收法。

HG-AFS方法的特点

测定Hg、As、Bi、Se、Sb、Be、Te、Ge(Sn、Pb、Zn)等最可靠、最有前途的方法。不使用SnCl2作还原剂，而使用NaBH4（KBH4）作还原剂。*17原子荧光仪器构成

仪器的构成：原子荧光仪器由三部分组成：激发光源、原子化器、单色器、检测器。原子荧光仪与原子吸收仪相似，但光源与检测器不在一条直线上，而是900

直角，而避免激发光源发射的辐射对原子荧光检测信号的影响激发光源

原子化器

检测系统

单色器*18HG-AFS结构

1、光源；2、氢化物发生系统3、原子化系统；

4、检测系统。

HCL原子化器

PMT数据处理反应系统自动进样*19仪器类型单通道：每次分析一个元素多通道：每次可分析多个元素色散型：带分光系统非色散型：采用滤光器分离分析线和邻近线*20氢化物发生原子荧光光度计原理图1.气路系统 2.自动进样器3.氢化物发生系统4.原子化器5.激发光源6.光电倍增管7.数据处理系统8.打印机A.光学系统*21*22多道原子荧光仪

多个空心阴极灯同时照射，可同时分析多个元素*23激发光源

对光源的要求：辐射强度高、高稳定性、光谱纯度高、不自吸、发光稳定、无光谱干扰、空心阴极灯HCL：高强度锐线、光源辐射光中不含有其他可形成氢化物元素的谱线、辐射强度很高、稳定性较好、能承受高脉冲电流的冲击

无极放电灯EDL：辐射强度是HCL约10-1000倍，光谱纯度好、自吸收小、寿命长、成本低但需采用微波电源且难以调节激光和等离子体

*24原子化器--高原子化效率、低背景发射、稳定性好、荧光淬灭效应低、被测元素的原子在光路中有较长的停留时间、记忆效应小、操作简单、使用成本低。电热屏蔽式石英管原子化器

一种适合于低温火焰的简单原子化器*25石英炉的结构

*26氢化反应产生的氢化物、氢气及少量的水蒸气在载气（氩气）的“推动”下进入屏蔽式石英炉芯的内管，即载气管。氢气、氩气的混合气体经点火炉丝点燃形成氩氢火焰，氩氢火焰将氢化物原子化形成原子蒸气。其外管和内管之间通有氩气，称为屏蔽气，做为氩氢火焰的外围保护气体。作用：保持火焰形状稳定，保持原子化环境的相对稳定防止原子蒸气被周围空气氧化的作用、提高原子化效率，防止荧光猝灭。*27电热屏蔽式石英炉特点

a）原子化效率高，尽可能多产生基态原子；

b）采用氩氢焰，紫外透射好，减少光强损失；

c）没有背景发射，几乎无粒子散射，干扰小；

d）稳定性好，只需要氩气，无须额外燃气；

e）低温原子化，温度不可调；

f）记忆效应小。

*28高温石英炉和低温石英炉*29低温石英炉和高温石英炉对8个元素测定的检出限(ng/mL)

元素低温炉高温炉元素低温炉高温炉As0.0330.18Te0.0510.24Sb0.0300.079Pb0.1101.8Bi0.0680.20Sn0.6610.7Se0.0700.19Ge0.2922.9*30检测器-用于光信号的检测光电倍增管-色散型原子荧光经单色器分光后到光电倍增管转变成电信号（分离散射光的能力强、灵活性大转动光栅即可选择分析元素；价格较高、必须调整波长、可能会有波长漂移）日盲光电管-非色散型

采用工作波段为160-320nm的日盲光电倍增管（仪器简单便宜、不存在波长漂移、可同时测定多条荧光光谱、较好的检出限；较易受散射光干扰）*31日盲光电倍增管光阴极材料—Cs-Te；波长范围：160~320nm；最灵敏响应波长：254nm；窗体材料：石英。*32干扰消除荧光淬灭-主要干扰：减少溶液中干扰离子的浓度散射光干扰：正干扰，采用预混火焰、增高火焰观测高度和火焰温度，清洗原子化器等以减少散射干扰氢化物发生中的干扰

液相干扰：氢化物的发生过程中过度金属元素及其他可形成氢化物的元素的干扰（化学干扰）消除：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、改变干扰元素的价态等。气相干扰：氢化物传输过程中（物理干扰）

气相干扰远小于AAS*33仪器主要参数的选择光电倍增管负高压灯电流原子化器高度载气流量、屏蔽气流量读数时间、延迟时间*34

光电倍增管负高压(PMT)

指加于光电倍增管两端的电压。光电倍增管的作用是把光信号转换成电信号，并通过放大电路将信号放大。放大倍数与加在光电倍增管两端的电压（负高压）有关，在一定范围内负高压与荧光信号（荧光强度If）成正比，见图1。*35负高压越大,放大倍数越大。增加光电倍增管负高压有利于提高灵敏度，降低检出限，但工作曲线的线性范围降低，同时暗电流等噪声也相应增大。图1荧光强度与负高压的关系

*36据文献介绍,当光电倍增管负高压在200V～500V之间时，光电倍增管的信号（S）/噪声（N）比是恒定的，见下图。因此，在满足分析要求的前提下，尽量不要将光电倍增管的负高压设置太高。

光电倍增管的信噪比（S/N）与负高压的关系日盲光电倍增管对320nm以上的可见光无反应，尽管如此，仍不应把仪器安装在日光直射或光亮处，当采用较高的负高压时更应注意室内光线对基线的影响。*37

灯电流

灯电流的大小决定激发光源发射强度的大小，在一定范围内随灯电流增加荧光强度增大。但灯电流过大，会发生自吸现象，而且噪声也会增大，同时灯的寿命缩短。双阴极灯的主、辅阴极电流配比影响其激发强度，使用时应引起注意。通常情况下辅阴极电流略小于主阴极电流时灯的激发强度较佳。汞灯实际上是阳极汞灯，汞灯灯电流不宜过高，适宜范围为15~50mA。*38不同元素灯的灯电流与荧光强度的关系不尽相同，见下图。

不同元素灯的灯电流与荧光强度的关系*39

原子化器高度

原子荧光光度计的原子化器高度是指原子化器顶端到透镜中心水平线的垂直距离。其指示的高度数值越大，原子化器高度越低，氩氢火焰的位置越低

氩氢火焰的高度示意图*40载气流量、屏蔽气流量载气的作用：将生成的氢化物带入原子化器，一般均为氩气载气流量小，氩氢火焰不稳定，测量的重现性差，载气流量极小时，氩氢火焰很小，同时载气难以迅速把氢化物带到原子化器，有可能测量不到信号；载气流量大，原子蒸气被稀释，测量的荧光信号降低，过大的载气流量还可能导致氩氢火焰被冲灭，无法形成氩氢火焰，使测量没有信号。一般载气选用300-700mL/min屏蔽气的作用是防止周围的空气进入火焰引起荧光淬灭，以保持较高的、稳定的荧光效率屏蔽气流量小时，氩氢火焰肥大，信号不稳定；屏蔽气流量大时，氩氢火焰细长，信号不稳定且灵敏度降低。流量一般在1000-1200ml/min*41

读数时间、延迟时间

读数时间[t(r)]是指进行测量采样的时间，即元素灯以事先设定的灯电流发光照射原子蒸气使之产生荧光的整个过程。可根据If-T关系曲线形状来确定读数时间，以峰面积积分计算时以将整个峰形全部采入为最佳。延迟时间[t(d)]是指当样品与还原剂开始反应后，产生的氢化物进入原子化器需要一个过程，其所用时间即为延迟时间。延迟时间设置准确，可以有效地延长灯的使用寿命，并减少空白噪声。信号的测量方式有峰面积法和峰高法，因为积分的时间较短（10s左右），故采用峰面积法测量精密度更好*42读数时间、延迟时间与荧光强度的关系图

*43

提高精密度和准确度的方法

（1）测定前需用标准溶液调整仪器的灵敏度，待读数稳定后再测定。一般使标准系列第一点的荧光强度在100左右。（2）大批样品测定时，每测定10个样品作一次标准校准或用一个标准校对漂移情况，以保证测定结果的准确性。（3）在温度较低时，应注意延长Sb(Ⅴ)和As(Ⅴ)的预还原时间，因此时还原速度较慢，以免还原反应不完全造成测定误差。（4）冬季室温较低时，应将室温控制在15℃以上，增加仪器预热时间到30min以上，样品溶液、硼氢化钾、载流等也应在空调下升温到15℃以上在进行反应，否则荧光强度会很低，检测灵敏度下降，即使加大灯电流、负高压往往也无济于事。*44扩大测量范围的方法氢化物发生原子荧光化的特点之一，就是测量的线性范围宽（3-5个数量级），一般无需采用扩大测量范围的方法，但是在实际样品中，有时会碰到试样中待测元素的含量较高，此时可采用以下方法扩大测量范围以减少操作上的麻烦。减少进样量试样溶液的适当稀释，如浓度较高减少进样量仍不能满意测定，可将样液适当稀释后测量。改变设置降低灵敏度改变信号测量方式峰面积法灵敏度高于峰高法，选择后者可扩大测量范围。*45分析过程中的注意要点（1）污染：使用高纯蒸馏水、去离子水。防止玻璃器皿含砷、锑等元素、胶皮管含锌元素等造成的污染。（2）氢化物发生原子荧光法是一种痕量分析方法，因而不应当用太高的标准系列，而且多数待测元素具有一定的毒性，从安全和环保的角度上讲也不应用太高的标准系列。（3）样品分析时，标准系列的介质和样品要完全一致，同时必须带有空白（4）用于样品处理的化学试剂必须要有足够的纯度，HCL中常含有As、H2SO4中常含有Se,因此分析时必须注意。（4）测高浓度样品后，要用载流反复冲洗管路，直到荧光强度值降到空白值且稳定后方可继续进行样品测定。（5）标准溶液应维持一定的酸度，以增强溶液的稳定性。

1ug/ml的标准使用液应每天用前现配。配标准溶液时应注意价态。（6)硼氢化钠（钾）的纯度、溶液的配制、保存（介质0.5-1%氢氧化钾溶液）。

*46定量分析方法标准曲线法标准系列和样品溶液在相同的条件下进行分析*47工作场所空气中有害物质的原子荧光光谱分析法元素种类代表化合物方法标准号可选方法汞金属汞、氯化汞GBZ/T160.14原子荧光光谱砷三氧化二砷、五氧化二砷、砷化氢GBZ/T160.31氢化物-原子荧光光谱法硒硒和二氧化硒GBZ/T160.34氢化物-原子荧光光谱法碲碲、氧化碲、碲化铋GBZ/T160.35氢化物-原子荧光光谱法*48

汞及其化合物原子荧光光谱法

原理

空气中蒸气态汞及其化合物被吸收液吸收，汞被硼氢化钠还原成汞蒸气，在原子化器中，汞原子吸收253.7nm

波长的光，发射出原子荧光，测定原子荧光强度，以峰高或峰面积进行定量。*49仪器1大型气泡吸收管。2空气采样器，流量0～1L/min。3具塞比色管，10ml。4汞还原装置或氢化物发生装置，包括反应瓶和载气（空气或氮气）系统。5原子荧光光度计，具汞空心阴极灯和氢化物发生装置。仪器操作条件原子化器高度：8mm；载气（Ar）流量：400ml/min；屏蔽气流量：1000ml/min。*50

试剂实验用水为去离子水，用酸为优级纯。1硫酸，ρ20＝1.84g/ml。2硝酸，ρ20＝1.42g/ml。3高锰酸钾溶液，3.16g/L。4硫酸溶液A，1.8mol/L：取100ml硫酸慢慢加入到900ml水中。5硫酸溶液B，0.18mol/L：取10ml硫酸慢慢加入到990ml水中。6硝酸溶液，0.8mol/L：10ml硝酸加入到190ml水中。7汞吸收液：临用前，取100ml高锰酸钾溶液与100ml硫酸溶液A等体积混合。*51试剂8氯化汞吸收液，0.5mol/L硫酸溶液：取26.6ml硫酸慢慢注入水中，定容至1000ml。9汞保存液：称取0.1g重铬酸钾，溶于1L硝酸溶液中。10盐酸羟胺溶液，200g/L。11氯化亚锡溶液：称取10g氯化亚锡，溶于硫酸溶液B中并稀释至50ml，临用前配制。12硼氢化钠溶液：称取1g硼氢化钠和0.5g氢氧化钠，溶于水，并定容至l00ml。13标准溶液：称取0.1354g氯化汞（在105℃下干燥2h），用少量汞保存液溶解，定量转移入100ml容量瓶中，并加至刻度。此溶液为1.0mg/ml标准贮备液，于冰箱保存。临用前，用吸收液稀释成0.05μg/ml汞标准溶液。或用国家认可的标准溶液配制。*52样品的采集、运输和保存现场采样按照GBZ159执行。在采样点，串联2个各装5.0ml吸收液的大型气泡吸收管，以500ml/min流量采集15min空气样品。采样后，采集氯化汞的空气样品，立即向每个吸收管加入0.5ml高锰酸钾溶液，摇匀。封闭吸收管进出气口，置清洁容器内运输和保存。样品应尽快测定*53对照试验：将装5.0ml吸收液的大型气泡吸收管带至采样点，除不连接空气采样器采集空气样品外，其余操作同样品，作为样品的空白对照样品处理：用吸收管中的吸收液洗涤进气管内壁3次，将后管吸收液倒入前管，摇匀，取5.0ml于具塞比色管中，供测定。若样品液中汞的浓度超过测定范围，可用吸收液稀释后测定，计算时乘以稀释倍数。

*54工作曲线的绘制：取7只具塞比色管，分别加入0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.0