AFS系列电原理图简介精讲

AFS系列电原理图简介精讲第1页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理原子光谱分析法及仪器

原子吸收光谱法（AtomicAbsorptionSpectrometryAAS）

原子发射光谱法

(AtomicEmissionSpectrometryAES)

原子荧光光谱法

（AtomicFluorescenceSpectrometryAFS）第2页/共101页

原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系

从发光机理来看原子荧光属于一种发射光谱分析方法

（受激发射）原子吸收—————原子发射————原子荧光原子光源原子原子光源第3页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系第4页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系第5页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系第6页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系第7页/共101页

原子荧光光谱仪器的结构原理原子吸收—荧光—发射之间的关系

一般情况下分析线在300～400nm之间，这三种方法的检出限大致相似分析线若在300nm以下，原子荧光光谱比其他二者的检出限低些分析线若在400nm以上时，则原子发射光谱法的检出限比其他二者低些

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原子荧光光谱仪器的结构原理原子荧光光谱分析的优点（１）灵敏度（相对荧光强度）较高，检出限低（２）谱线比较简单，光谱干扰少，采用日盲光电倍增管，可制作非色散原子荧光分析仪（３）可同时进行多元素测定（４）分析曲线的线性较好，线性范围较宽

第9页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理与AAS和AES相比，AFS的缺点（１）绝大多数元素的检出限不如AAS和AES

——激发光强度和散射光干扰（２）多元素同测能力不如AES

——折中条件难以选择第10页/共101页一、氢化物发生—原子荧光的方法原理＊原子荧光的方法原理：

原子接受特征波长的照射而发射荧光＊原子荧光类型：

原子荧光－外层电子跃迁去激发后产生的荧光共振荧光直跃线荧光阶跃线荧光热助阶跃线荧光敏化荧光．．．．

第11页/共101页一、氢化物发生—原子荧光的方法原理＊原子荧光光谱分析的定量关系：

If=k×C

If：原子荧光强度

C：被测元素浓度注意：该线性关系式只有在低浓度下才成立！＊荧光强度与激发光源的发射强度成正比

第12页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪能形成氢化物的元素第13页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪氢化物法的特点*氢化物的发生过程就是一个分离、富集的过程；*直接利用氢化反应过程中产生的氢气燃烧形成氩氢火焰原子化器，不需要外加可燃气体，因此结构简单，操作安全方便；*形成的氩—氢火焰原子化效率较高、紫外区背景辐射较低、物理和化学干扰小、重现性好；*传输效力较高。第14页/共101页一、氢化物发生—原子荧光的方法原理＊氢化物发生—原子荧光的方法特点（1）灵敏度高、检出限低，目前常被测定的11个元素的检出限可达到10-10~10-13水平。（2）精密度好，一般RSD<1%。（3）线性范围宽，可达到3~4个数量级。（4）分析元素与基体有效分离，光谱和化学干扰少。（5）可以进行多元素同时测定。（6）易于和HPLC、GC、FIA等技术联用，实现在线和形态分析。（7）仪器结构简单，不需要额外的燃气，运行费用低。第15页/共101页一、氢化物发生—原子荧光的方法原理*仪器特点#自单色性—不需要单色仪(氢化物发生系统、氩氢火焰温度、日盲检测范围、空心阴极灯纯度)总强度测量总量测量

#各向同性—多元素同时测定第16页/共101页一、氢化物发生—原子荧光的方法原理第17页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构氢化物—无色散原子荧光的测量原理

将被测元素的酸性溶液引入氢化物发生器中，加入还原剂后即发生氢化反应并生成被测元素的氢化物；||

元素氢化物进入原子化器后即解离成被测元素的原子；||

原子受特征光源的照射后产生荧光；||

荧光信号被转变为电信号，由检测系统检出。第18页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪仪器由四大部分组成：*氢化反应系统—

蠕动泵进样和顺序注射进样+气路控制*原子化系统—

氩氢火焰低温点火石英管原子化器*特征光源—

单阴极或双阴极空芯阴极灯+光学系统*检测系统—

日盲光电倍增管+检测控制电路第19页/共101页二、AFS-800、AFS-900系列仪器结构仪器原理框图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.前放 8.负高压9.灯电源10.炉温控制11.控制及数据处理系统12.打印机A.光学系统第20页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—主要组成部分

激发光源原子化器光学系统检测系统原子荧光光谱仪器氢化物发生

无色散原子荧光光谱仪第21页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪

氢化反应系统第22页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统结构框图进样系统还原剂样品载气混合反应块一级气液分离器二级气液分离器原子化器蠕动泵或注射泵第23页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪—氢化反应系统氢化反应系统氢化反应系统包括样品、载流或清洗液及还原剂等试剂的加入装置以及氢化反应装置。一个理想的氢化反应系统应该是样品传输效率和氢化反应效率高、重现性好、记忆效应小、自动化程度高等特点。

第24页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统蠕动泵进样的优缺点

优点:

结构简单，成本低

缺点：*蠕动泵管容易疲劳，造成仪器的长期漂移*蠕动泵的脉动造成了原子化火焰的抖动，致使仪器的测试稳定性不甚理想；*仪器的性能指标与使用人员对泵管调节的松紧程度有关，即与使用人员的使用水平有关，因此仪器难以实现“傻瓜化”。第25页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统注射泵进样的优缺点

优点:*消除了蠕动泵进样的缺陷，改善了仪器的检出限和精密度*自动配置标准曲线和稀释高浓度样品，提高了仪器的自动化程度*自动去除还原剂产生的气泡*省气、省试剂缺点：

结构复杂，成本较高第26页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统蠕动泵进样精度测试新泵管测得的数据(称重，单位：g)旧泵管测得的数据(称重，单位：g)

时间9：3010:3011:3012:3010.75120.69040.66630.640120.73050.67870.67770.670830.73240.68560.66600.665940.74100.70720.66440.654550.74020.70580.66950.652360.72650.69670.67890.660370.71460.69270.68080.680080.71970.69660.66690.677290.73260.70760.66680.6640100.71260.68840.68370.6541平均值0.73010.69500.67210.6619RSD1.67%1.40%1.09%1.85%平均1.51%漂移0%4.81%7.94%9.34%条件泵转速：100转/分；进样时间：5秒时间13:3014:2015:2016:2010.85690.72170.70370.702320.85250.72880.72640.709230.86090.74290.71310.710040.86920.74470.71470.726650.85550.73500.72370.732260.84200.73370.73820.720470.85190.72900.74110.711380.85840.74350.73020.719490.86100.75490.72210.7307100.84070.74180.71760.7272平均值0.85490.73760.72310.7189RSD1.01%1.32%1.59%1.43%平均1.34%

漂移0%13.72%15.4%15.91%条件泵转速：100转/分；进样时间：5秒第27页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统注射泵进样精度测试称重法测量单位：mg用注射泵进样不仅进样精度高，而且进样准确进样量10µl20µl50µl100µl1000µl１9.7120.1049.7298.80994.0２9.6220.3049.8699.06992.6３9.7719.8049.5198.55992.8４9.7919.5049.5999.32993.0５9.8020.4049.7898.80992.8６9.8120.2050.1399.10991.5７9.7919.5649.7198.82992.2８9.8319.9249.1298.92992.6９9.7120.2349.7898.78993.1１０9.6919.6349.3999.14993.5１１10.1920.3050.2198.88993.1平均值9.7919.7449.7198.92992.8准确度97.9%98.7%99.42%98.92%99.28%RSD1.50%0.93%0.62%0.22%0.065%第28页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统*解决蠕动泵进样漂移的技术措施１定量环进样如：流动注射２信号平台峰采样如：AAS连续流动进样第29页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统断续流动进样－郭小伟专利P蠕动泵M反应块GLS气液分离器AFS原子荧光光度计S/C样品或载流R还原剂T采样环Ar氩气W废液b采样环始端e采样环终端第30页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统断续流动进样流程（手动）关键技术：1

过量进样，定量采样2样品和载流用同一条流路步骤时间（s）转速(r/s)样品提升量(ml/min)KBH4提升量(ml/min)备注11010010.88.1进样25000停泵，进样管转入载流31612013.010.0氢化物发生，测量45000停泵，进样管转入下一个样品

第31页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统断续流动进样存在的问题：

气液分离器采用直接排废，在排废的同时将部分有用的氢化物气体也被抽走，降低了仪器的灵敏度

1-混合气液进口；

2-废液排放；

3-气体出口

第32页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统间歇泵进样A蠕动泵B混合反应块C气液分离器模块a气液分离器b水封1样品（载流）2还原剂3载气4氢化物（气液混合）

5氢化物（气体）6废液第33页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射进样系统－方肇伦专利第34页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射进样系统还原剂注射泵样品注射泵多位阀排废蠕动泵第35页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统

顺序注射工作参数设置：第36页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第一步：第37页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第二步：第38页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第三步：第39页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第四步：第40页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第五步：第41页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第六步：第42页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统顺序注射工作第七步：第43页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统

自动在线去除还原剂气泡第44页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统用顺序注射进样系统自动单点配置标准曲线注：假设正常样品进样量为1ml

系列浓度样品进样量标准空白补充量1.0ppb0.1ml0.9ml2.0ppb0.2ml0.8ml4.0ppb0.4ml0.6ml8.0ppb0.8ml0.2ml10.0ppb1.0ml0ml第45页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统我国原子荧光商品仪器曾使用过的几种氢化反应系统：*间断法氢化反应系统*连续流动氢化反应系统*流动注射氢化反应系统

*断续流动氢化反应系统

*间歇泵氢化反应系统

*顺序注射氢化反应系统

第46页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统间断法氢化反应系统优点：不需要外接氢气，装置简单缺点：手工操作，测定精度较差

第47页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统连续流动氢化反应系统优点：

样品不定量进样，信号平台峰采样，提高了仪器的信噪比缺点：进样量较大，记忆效应较严重

第48页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统流动注射氢化反应系统优点:采用“定量环”进样，提高了样品的进样精度;

降低了试剂消耗量缺点:增加了一个旋转采样阀，且该阀容易生锈、漏液

第49页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统之一级气液分离器第50页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统之二级气液分离器－U型管式

注意这里有可能出故障！

第51页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统之二级气液分离器－膜分离式原子化器混合气入水蒸气出膜第52页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统之二级气液分离器－

Nafion管

优点：去水效果好缺点：价格昂贵，使用寿命限制（约１年）第53页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统几种去水装置的优缺点比较

★—最差★★—中等★★★—最好去水装置去水效果使用寿命使用成本水封型★★★★★★★膜分离型★★★★★★Nafion管★★★★★第54页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－氢化反应系统氢化反应系统的维护

氢化反应系统是仪器运行过程中最容易出问题的部分，在使用过程中经常要留意信号峰形的变化，从中可以判断出管路是否有堵塞、漏气、漏液或泵管是否压得过紧或过松等异常现象。

泵管要经常上硅油以减少其摩擦；仪器使用结束后要将管路进行清洗；仪器使用结束后要将泵管松开；第55页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪—氢化反应系统氢化反应系统的维护泵管松紧的调节调节松紧螺丝,直到液体中没有反吹的气泡为止。调节完后可进有色溶液看看能否在进样时间内将样品充满整条毛细管。第56页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪—氢化反应系统氢化反应系统是否正常工作的判断依据—峰形第57页/共101页氢化物发生—无色散原子荧光光谱仪—氢化反应系统氢化反应系统是否正常工作的判断依据—峰形第58页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理——

原子化器第59页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—原子化器原子化器在原子荧光仪器中的作用原子化器是原子荧光光谱仪中一个直接影响元素分析的灵敏度和检出限的关键部件，其主要作用就是将被测元素（化合物）原子化形成基态原子蒸气。被测物质在原子化器中发生一系列物理化学变化,主要有引入气溶胶的去溶蒸发、蒸气分子的解离、电离等，这些物理化学过程均可影响元素分析的灵敏度和干扰程度。

第60页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－原子化系统原子荧光对原子化器的要求：（1）原子化效率高，被测原子的密度大；（2）在光路中原子有较长的停留时间；（3）在测量波长处具有较低的背景辐射；（4）均匀性和稳定性好；（5）荧光量子效率较高，猝灭性质较低；（6）控制简单，操作简便。

第61页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－原子化系统我国原子荧光商品仪器曾使用过的原子化器：高温普通（单层）石英管原子化器高温屏蔽式石英管原子化器低温点火普通（单层）石英管原子化器*低温点火屏蔽式石英管原子化器

第62页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－原子化系统

屏蔽气的作用是减少原子氧化和猝灭，提高原子化效率

高温炉的缺点：电炉丝容易烧断

记忆效应较重信噪比较差第63页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－原子化系统低温点火屏蔽式石英炉原子化器第64页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—原子化器氩氢火焰石英管原子化器的维护1当做过高浓度样品后（特别是Hg），石英炉芯会被污染，此时在线清洗很难清洗干净，需要将石英炉芯拆卸下来，用5%~10%盐酸浸泡一段时间，然后用蒸馏水冲洗、烘干；2在长时间使用后，石英炉芯中心会结晶产生盐粒而堵住管道，此种情况也需要进行上述盐酸浸泡和清洗处理；3在拆卸石英炉芯时要特别小心，以防损坏。第65页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—原子化器氩氢火焰石英管原子化器的维护注意原子化器的高度调节和石英炉芯的高度调节!第66页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理——

激发光源第67页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—激发光源激发光源在一定条件下，原子荧光强度与激发光源的发射强度成正比

“一定条件”是指：未“饱和激发”情况下第68页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源原子荧光对特征光源的要求：（1）发射强度高，无自吸；（2）稳定性好，噪声小；（3）发射的谱线窄且纯度高；（4）价格便宜且有足够长的使用寿命；（5）操作简便，不需复杂的电源；（6）适用于各种元素分析，即能制造出各种元素的同类型的灯。

第69页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源在我国的原子荧光商品仪器中曾使用过的光源：＊微波激发无极放电灯＊特制空心阴极灯（单阴极）＊

高强度空心阴极灯（双阴极）第70页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源特征光源－微波激发无极放电灯国外的无极放电灯一般充填碘化物，由于碘的灵敏线(2061.63nm)与铋的灵敏线(2061.70nm)很接近，碘化物无极放电灯中的碘线会激发出样品中铋的原子荧光，从而产生铋的严重干扰郭小伟教授的发明—溴化物无极放电灯缺点：稳定性较差，微波辐射

第71页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源特征光源－特制空心阴极灯(单阴极)原子荧光用与原子吸收用空心阴极灯的区别：＊焦距较短，光程变短，减少能量损耗；＊管径较大，以便于填充更多的惰性气体来延长易挥发元素灯的寿命；＊阴极孔径较大，即输出光斑较大；＊阴极材料纯度更纯。

第72页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源特征光源－高强度空心阴极灯（双阴极）－高英奇专利优点（与单阴极比）：＊辐射强度高＊寿命加长第73页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源特征光源－空心阴极灯的供电方式＊采用短脉冲大电流间歇式供电方法－刘明钟发明专利

＊“集束脉冲”控制

第74页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构－特征光源特征光源－Hg空心“阳”极灯特点：１受温度影响较大，容易漂移２不容易起辉３光斑较大，空白较高第75页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—激发光源汞空心阴极灯使用注意事项*每次开机后观察一下Hg灯是否起辉，如没起辉则可用点火器激发灯使之点燃，或用稠布、海绵等柔软物品摩擦灯外壳使之激发；*Hg灯容易发生漂移，预热时间较长。可采用“大电流预热，小电流测量”的方法来缩短预热时间；*有些厂家的Hg灯光斑较大，空白较高。可将灯位置适当后移几毫米，可大幅度降低背景，信号却下降不多。第76页/共101页原子荧光光谱仪器的结构原理—激发光源空心阴极灯的维护*选取适当大小的灯电流;*低熔点元素的灯在使用过程中不能有较大的震动，使用完毕后必须待灯管冷却后才能取下，以防空心阴极变形;一定要先关电源再插拔灯！*如果灯不经常使用，则最好每隔一定时间在额定工作电流下点燃30min;*注意不要沾污发射窗口。如若沾污，可用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭。第77页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-830仪器外观图第78页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-820仪器外观图第79页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-930仪器外观图第80页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-830仪器后视图第81页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-930仪器后视图第82页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-800、AFS-900系列气路系统第83页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-800、AFS-900系列气路系统第84页/共101页二、AFS-800系列、AFS-900系列仪器结构AFS-800系列、AFS-900系列主机结构图第85页/共101页三、各线路板电原理简介

仪器的主机电路设计从高往底兼容，即AFS-900系列的电路兼容AFS-800系列,这样可以根据市场情况随时调节生产型号。第86页/共101页三、各线路板电原理简介仪器线路板的分布：

AFS-820：前放板、主控制板

AFS-830：前放板、主控制板和自动进器控制板

AFS-900:前放板、主控制板、自动进器和顺序注射控制板*

前放板—在主机光电倍增管座内*

主控制板—在主机大厢体内*

AFS-830自动进样器控制板—在双泵厢体内*AFS-900自动进样器和顺序注射控制板—

在顺序注射厢体内第87页/共101页三、各线路板电原理简介电路功能框图氢化物反应系统(半自动或全自动)电机控制气路控制原子化器A灯B灯光电转换灯电源控制信号放大及数据采集和控制系统（单片机）RS-232C负高压电源数据处理系统（系统机）灯电源控制±12V±5V+24V直流电源第88页/共101页三、各线路板电原理简介前放板主要功能：将光电倍增管接收到的光电流信号转变为电压信号。

主要易损件：V1—3DJ6F

如该器件坏或性能不好，则双道无信号或双道稳定性差。

判断方法：用万用表测主控板上的TP1测试点，正常情况其电压范围为0.8~3.5V,且非常稳定;否则,该器件已坏。第89页/共101页三、各线路板电原理简介—主控制板主控制板主要功能：

除了前置放大和AFS-830的自动进样器控制功能外，整台仪器的其它所有控制功能都在这块线路板上，主要有：*单片机系统*与系统机通讯的RS-232C标准串口*双泵或单泵断续流动系统控制*数据采集系统控制*自动进样器位置控制*双道灯电源系统控制*气路系统控制第90页/共101页三、各线路板电原理简介—主控制板主控制板电原理框图D6-74HC244信号通道D9-80C196KB单片机系统D14-RS232C标准串口D158253D18