氢化物发生-原子荧光光谱分析法原理及其在食品分

氢化物发生–原子荧光光谱分析法原理及其在食品分析中的应用摘要引言原子荧光光谱分析法根本原理原子荧光光谱仪器装置氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法在食品分析中的应用展望摘要本文简单介绍了原子荧光光谱分析法的根本原理和氢化物发生–原子荧光光谱分析法及其在食品分析中的应用。引言原子荧光光谱分析〔AFS〕是原子光谱分析的一个重要分支，它通过测量被测分析物气态自由原子蒸气在辐射能激发下所发射的原子荧光强度进行痕量元素定量分析。原子荧光产生于光致激发，即基态原子吸收了特定波长的辐射能量后，原子的外层电子由基态跃迁到高能态，激发态原子再以光辐射形式去活化回到基态时发射原子荧光。原子荧光的发射是各向同性的，在一定的条件下和一定的含量范围内，原子荧光强度与被测元素含量成正比。引言湖南裕锦消防检测湖南海通消防设施维护保养湖南裕锦消防检测湖南海通消防设施维护保养引言从理论上讲，原子荧光光谱分析具有原子吸收光谱分析和原子发射光谱分析的优点，同时也克服了两者的缺乏，原子荧光分析具有以下特点：①谱线简单，光谱干扰少，选择性好；②灵敏度高，检出限低；③适用多元素同时分析；④校正曲线的线性范围宽，可达3～5个数量级。

但是，原子荧光光谱分析存在着严重的散射光干扰及荧光猝灭等固有缺陷，使得该方法对激发光源和原子化器有较高的要求。引言原子荧光光谱分析法根本原理一、原子荧光光谱的产生一般情况下，气态自由原子处于基态，通过吸收外部光源特定波长的光辐射能量后，原子外层电子由基态跃迁至激发态，处于激发态的原子很不稳定，在极短的时间内会自动地释放出能量回到基态，假设以辐射的形式释放能量，那么所发射的特征光谱为原子荧光光谱。根本原理二、原子荧光类型原子荧光应用在分析上最根本的形式有共振荧光、非共振荧光、敏化荧光。一般来说，荧光辐射的波长和激发辐射的波长相同，也有可能比激发辐射的波长长，而比激发辐射的波长短的情况很少见。对某一元素，原子吸收特征辐射之后，将发射出一组荧光辐射，这些辐射由于跃迁过程中所涉及能量的差异而具有不同的波长。一般来说，共振荧光是最灵敏的。分析工作中，主要使用共振荧光，因为其跃迁概率最大且用普通线光源即可获得相当高的辐射密度。用非共振荧光时，可用波长选择方法分辨散射光与荧光，因为此时的激发和发射波长是不同的。根本原理1、共振荧光共振荧光是指激发波长与发射波长相同的荧光。与其他跃迁相比，共振跃迁的概率要大得多，所以共振跃迁产生的共振荧光是对分析最有用的。如锌、镍、铅原子分别有213.86nm、232.00nm、283.31nm的共振荧光。当原子经过热激发到达亚稳能级，并通过吸收激发光源中适宜的非共振线后被进一步激发，然后再发射出相同波长的共振荧光，这一过程称为热助共振荧光。根本原理2、非共振荧光当激发辐射和发射的荧光波长不同时，所产生的荧光叫做非共振荧光，包括直跃线荧光和阶跃线荧光。⑴直跃线荧光原子受到光辐射而被激发，从基态跃迁到较高的激发态，然后直接跃迁到能量高于基态的亚稳态能级，此时发出波长比激发波长要长的原子荧光，称为直跃线荧光。如铅原子吸收283.31nm波长的辐射而发射405.78nm、722.90nm荧光。根本原理⑵阶跃线荧光原子受到光辐射激发后，在发射波长较长的荧光辐射之前，由于碰撞去活化而损失局部能量，激发辐射和发射辐射的高能级的有差异所产生的荧光称为阶跃线荧光。阶跃线荧光分为正常阶跃线荧光和热助阶跃线荧光两种类型。正常阶跃线荧光是指原子被激发到第一激发态以上的高能态后，分两步去激发，首先由于碰撞引起无辐射跃迁到某一较低能级激发态，然后再辐射跃迁到基态产生的荧光。

热助阶跃线荧光是指激发态原子被进一步热激发到较高的激发态，然后通过发射荧光跃迁到第一激发态而产生的荧光。只有当两个或者两个以上的能级能量相差很小时，才能发生热助阶跃线荧光。根本原理根本原理3、敏化荧光敏化荧光，是指当被外部光源激发的原子或分子〔给予体〕通过碰撞将激发能量转给待测原子〔接受体〕，然后处于激发态的待测原子〔接受体〕去激发而发出的荧光。根本原理三、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发射出原子荧光。但是，除了发光过程以外，处于激发态的原子也有可能在原子化器中与其他原子、分子或电子发生非弹性碰撞而丧失能量，产生非辐射去激发过程。在这种情况下，荧光将减弱或完全不发生，这种现象称为荧光的猝灭。荧光猝灭的程度与被测元素和原子化器的气氛和温度有关，氢气气氛中荧光的猝灭最小。根本原理四、原子荧光光谱分析的定量关系式原子荧光的发射强度与样品中待测元素的浓度、激发光源的发光强度以及其他参数之间存在一定的函数关系：

式中Y与荧光猝灭现象有关，称为荧光功率产率或量子产额；In是原子体系在受到外来辐射源激发后的自发跃迁辐射的发射强度，它与原子体系的浓度的关系可表示如下：根本原理假设荧光强度峰值强度用If0表示，那么在实验条件一定时，If0可以用下式表示:

其中a与所用激发光源类型及工作参数、样品性状、光源工作环境气氛、检测器响应特征、光谱仪器性能等多种因素有关，但当这些因素确定且工作条件稳定时，可视为常数；b与光源类型、元素种类及元素含量、谱线特征等因素有关，称为自吸系数，且b≤1，在没有自吸时，b＝1，在有自吸时，b＜1。K是与激发辐射、原子化系统、检测器等的特性及工作条件有关的常数。根本原理

因此，原子荧光光谱分析通过测量原子荧光的强度即可求得待测样品中该元素的含量。但是，无论是线性光源还是连续光源，荧光强度与浓度之间的关系只有在原子为低密度条件时才能成立。自吸是荧光分析中经常遇到的，尤其是原子浓度较高时更应该注意。自吸可以引起荧光信号变化和荧光谱线变宽，从而降低峰值强度。线性光源或连续光源在照射浓度高的分析物时，由于自吸产生的荧光强度变化，使If0与c之间的线性关系变差。但是应该指出的是：无论是线性光源还是连续光源，光源强度越高，工作曲线的线性范围越宽，可使工作曲线向低浓度值方向延伸，所以在进行痕量分析时，不会出现因自吸产生的工作曲线弯曲的情况。原子荧光光谱仪器装置原子荧光的仪器分为有色散和无色散两类，其根本结构与原子吸收光谱仪根本相同，包括激发光源、原子化器、单色器和检测系统四大局部。

有色散和无色散两类仪器的区别，主要是有色散仪器多了一个单色器，而无色散仪器在检测器前只需加一个光学滤光片。在商品化的原子荧光仪器中主要以无色散为主。为防止激发辐射进入检测器影响原子荧光信号的检测，原子荧光光谱仪的检测器与激发光束不在同一直线上，通常成直角配置。仪器装置一、激发光源

原子荧光光谱仪常用的激发光源有氙灯连续光源、高强度空心阴极灯、无极放电灯和激光光源、等离子体光源。早期的研究工作多采用连续光源，所使用的灯以高压氙弧灯为主。20世纪70年代末期，开始使用高强度空心阴极灯和激光器。在原子吸收通常使用的条件下操作的空心阴极灯不能激发出足够强的原子荧光信号，而原子荧光在一定条件下其灵敏度与激发光源的发光强度成正比，因此普通的空心阴极灯不适合于原子荧光分析。仪器装置高强度空心阴极灯是在普通的空心阴极灯中加了一对辅助电极，期间的电流可以到达几百毫安，产生电离的气体原子流，空心阴极灯之间辉光放电产生金属蒸汽的溅射，所形成的自由原子层与辅助电极所形成的等离子区的离子相互碰撞而被激发，可以明显提高元素共振线的强度。

高强度空心阴极灯可以得到较强的荧光信号，由于低熔点元素不能直接加工成为空心阴极，因此必须采用支撑电极，在无色散系统中要特别注意支撑电极所引起的光谱干扰。仪器装置二、原子化器仪器装置三、光学系统

根据有无单色器，原子荧光光谱仪可以分为有色散型和非色散型两类。非色散型原子荧光光谱仪不需要单色器，一般采用光学滤光片消除光谱干扰，或者直接采用日盲光电倍增管进行原子荧光检测。有色散型原子荧光光谱仪，由于原子荧光发射强度较弱，谱线较少，因而要求单色器有较强的聚光性。仪器装置体系优点缺点色散系统1.波长范围广；

2.分离散射光的能力较强；3.灵活性较大,转动光栅即可选择分析元素；4.可以采用灵敏度的宽波长范围的光电倍增管1.价格较高；

2.必须调整波长；

3.有可能有波长漂移；

4.与非色散体系相比接受荧光的立体角较小非色散系统1.仪器简单且价格便宜；

2.不存在波长漂移；3.可以得到较好的检出限

1.需要使用日盲光电倍增管；

2.较易受到散射干扰；3.较易受到光谱干扰；4.对光源的纯度有较高的要求

原子荧光色散系统与非色散系统比较仪器装置四、检测系统氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生法概述氢化物的物理化学性质氢化物的发生方法氢化物发生的实现方法氢化物发生法中的干扰氢化物发生–原子荧光光谱分析法一、氢化物发生法概述

从原理上说，原子荧光分析的分析对象与原子吸收光谱分析和原子发射光谱分析相同，应该可以进行数十种元素的定量分析。但迄今为止，原子荧光光谱分析最成功的应用还是分析易形成气态氢化物的8种元素As、Sb、Bi、Se、Ge、Pb、Sn、Te以及Hg。20世纪末，郭小伟等又扩大了两种可形成气态组分的元素Cd和Zn。

碳、氮、氧族元素的氢化物是共价化合物，其中As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te8种元素的氢化物具有挥发性，通常为气态。借助载气流可以方便地将其导入原子光谱分析系统的原子化器或激光光源中，进行定量光谱测量。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物的发生进样方法，是利用某些能产生初生态的复原剂或者化学反响，将样品溶液中的分析元素复原为挥发性共价氢化物，然后借助载气流将其导入原子光谱分析系统进行测量的一种方法。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物的发生进样方法的主要优点是：①分析元素能够与样品基体别离，消除了干扰；②与溶液喷雾进样相比，氢化物法能将待测元素充分富集，进样效率近乎100﹪；③连续氢化物发生装置易于实现自动化；④不同价态的元素氢化物发生实现的条件不同，可进行价态分析。氢化物发生法还存在以下几个问题：①氢化物形成过程中，易受共存元素干扰；②有些分析元素在发生氢化物反响时，对反响条件要求比较苛刻，如pH值和试剂浓度等。必须加以仔细调节；③分析元素的氧化状态对氢化物的生成有影响。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法二、氢化物的物理化学性质1、局部氢化物的沸点这些氢化物的沸点都低于0℃2、氢化物的物理化学性质了解氢化物的物理化学性质将有助于设法消除它们的气相干扰。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物反应试剂反应温度反应产物备注AsH3水室温100mL水可溶解20mLAsH3AgClHgCl2室温AgHgNaClKCl室温NaAsH2KAsH2Cl2AsH2ClSbH3醇类溶解AgCl室温AgHgCl2室温Hg氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物反应试剂反应温度反应产物备注SbH3Cl2SbClCS2溶解BiH3AgNO3SeH4H2O室温微溶NaOHKOH室温Na2SeK2SeAgNO3室温AgTeH4FeCl3FeCl2氢化物发生–原子荧光光谱分析法三、氢化物的发生方法迄今为止，氢化物发生方法概括起来可以归纳为金属–酸复原体系、硼氢化钠–酸复原体系、碱性模式复原以及电解复原法四种。1、金属–酸复原体系最早见报道的是Marsh反响，其反响式如下：氢化物发生–原子荧光光谱分析法这种反响只能发生砷化氢，反响速度慢，大约要10min，而且必须借助捕集器收集才能用于分析测试。此后Fernandez和Dalfon曾经报道用盐酸–碘化钾–氯化亚锡–金属锌体系发生砷、锑、硒的氢化物，扩大了适用范围。但总的来说，金属–酸复原体系存在着一些难以克服的缺点：①能发生氢化物的元素较少；②包括预复原在内的时间过长，难以实现自动化；③干扰较为严重。因此，这一体系目前已很少适用。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法在pH=0时，硼氢化钠反响生成氢气只需4.3μs。在进行氢化物反响时，必须保持一定的酸度，被测元素也必须以一定的价态存在。这些条件有可能随着氢化物发生方式的不同而有所不同。氢化物发生–原子荧光光谱分析法元素价态反应介质元素价态反应介质As+31～6mol/LHClSb+31～6mol/LHClTe+44～6mol/LHClBi+31～6mol/LHClGe+420%H3PO4Se+21～6mol/LHClSn+4酒石酸缓冲溶液pH=1.3一般手动进样的氢化物反响条件氢化物发生–原子荧光光谱分析法5价状态的As和Sb也可以与硼氢化钠反响，但反响时间较长。6价的Se和Te完全不与硼氢化钠反响。Pb的氢化物为PbH4，但溶液中的Pb一般以2价元素存在，故一般需参加氧化剂，常用的氧化剂有铁氰化钾、重铬酸钾、高锰酸钾等，不同的氧化剂，酸度也不同，其酸度一般在pH=1左右。硼氢化钠–酸体系克服或者大大减少了金属–酸体系的缺点，在复原能力、反响速度、自动化操作、抗干扰能力以及使用元素数目等诸多方面表现出极大的优越性。氢化物发生–原子荧光光谱分析法3、碱性模式在碱性样品底液中引入NaBH4和酸来进行氢化反响，称为“碱性模式〞。各氢化元素都可通过碱性氢化反响产生氢化物，与酸性模式相比，Ge、Sn、As、Se、Te产率相同，Pb的产率相近，而Sb、Bi的产率较低。在NaOH强碱介质中，氢化元素形成可溶性含氧酸盐，铁、铂、铜族元素都不能以可溶性盐类存在于溶液中的氢化元素共存，因此采用碱性模式能够排除这些元素的严重化学干扰。氢化物发生–原子荧光光谱分析法4、电解复原法有报道用电化学方法来发生氢化物的新方法：在5％KOH碱性介质中，用电解法在铂电极上复原Sn和As，然后将生成的SnH4和AsH3导入原子化器进行测量。这种方法空白较低，选择性好。氢化物发生–原子荧光光谱分析法四、氢化物发生的实现方法氢化物发生的实现方法可做如下分类：氢化物发生–原子荧光光谱分析法在直接传输法中，溶液中所发生的氢化物直接传输到原子化器。在连续流动法中，酸化后的样品及硼氢化钠溶液均以不同的流速泵入混合器中反响，产生的气液混合物通过气液别离器别离，将氢化物送至原子化器中，这种方法提供的信号为连续信号，此法样品和试剂试液消耗量较大。流动注射法与连续流动法类似，但样品室通过采样阀进行“采样〞、“注射〞切换，由于样品是间隔输送到反响器中，因而所得的信号为峰状信号，此法分析速度较快。氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法氢化物发生–原子荧光光谱分析法目前，AFS系列仪器均配有断续流动〔间歇泵〕装置，有的还配有自动进样器，不仅实现了操作自动化，而且通过对仪器整体设计的改进，大大提高了仪器的灵敏度，提高了测量精度，降低了检测限。收集法目前应用得较少。氢化物发生–原子荧光光谱分析法五、氢化物发生法中的干扰干扰的分类氢化物发生–原子荧光光谱分析法液相干扰产生于氢化物形成或形成的氢化物从样品溶液中逸出的过程中，它是由于氢化物发生速度的改变〔发生动力学干扰〕或者由于发生效率的改变，即转化为氢化物的百分比的改变引起的。气相干扰是在氢化物传输过程或在原子化器中产生，可分为传输过程干扰和原子化器中的干扰。传输过程的干扰发生在氢化物从样品溶液到原子化器的途中，包括待测元素氢化物的传输速度〔传输动力学干扰〕和损失〔传输效率干扰〕所引起的干扰。氢化物发生–原子荧光光谱分析法原子化过程的干扰包括自由基〔主要是氢基〕数量及待测元素原子的衰减所引起的干扰，其中产生自由基干扰的原因是干扰元素争夺自由基使其缺乏，影响待测元素原子化，产生待测元素衰减的原因是干扰元素加速了光路中游离的待测元素原子的衰减。所谓“记忆性〞干扰是指某种元素造成气相干扰之后，即使在以后的试液中不含该元素，干扰也继续存在。氢化物发生–原子荧光光谱分析法液相干扰的机理对氢化物发生法中的液相干扰，一般认为主要是由于气–固反响所引起的，来自3个方面：①溶液中干扰物优先复原至不同的价态而消耗硼氢化钠，减慢了被测元素的氢化物生成速率；②干扰物优先复原生成非常细的、分散的金属沉淀，吸附氢化物或催化分解氢化物，因而强烈地抑制了被测元素的分析信号；③As、Sn等元素生成氢化物的电位相近，氢化物形成之间相互干扰，一方面是“竞争复原〞多消耗了硼氢化钠，另一方面，也是更重要的一方面，是多种挥发性氢化物的形成使气相中的原子化变得复杂。2、液相干扰的机理及克服途径氢化物发生–原子荧光光谱分析法消除液相干扰的一般方法如下：①参加络合剂与干扰元素形成稳定的络合物，降低它的氧化–复原电位，使硼氢化钠能将其复原为元素态〔或减少复原的程度〕，从而有效地消除干扰。②适当地增加酸度，加大溶液中细小金属沉淀的溶解度，克服某些金属的干扰。同时，硼氢化钠复原反响反响的电位强烈依赖于pH值，酸度低时，可以被复原的元素较多，引起的干扰也较严重。③降低硼氢化钠的浓度。在氢化物发生的过程中，硼氢化钠的浓度愈大愈容易引起液相干扰。④参加氧化–复原电位高于干扰离子的元素，减慢干扰元素金属的生成速度。氢化物发生–原子荧光光谱分析法⑤改变氢化物的发生方式，例如采用连续〔或断续流动〕方式来发生氢化物时的液相干扰要比间断法少得多。⑥通过化学反响改变干扰元素的价态。例如有人曾将Se(Ⅳ)氧化至Se(Ⅵ)，从而消除其干扰。⑦别离干扰元素。在分析样品中被测元素含量低于检出限或共存元素较复杂的情况下，可以考虑别离与富集的方法。氢化物发生–原子荧光光谱分析法3、气相干扰及消除方法气相干扰是由于挥发的氢化物引起的，一般是指可形成氢化物元素之间在传输及原子化过程中的相互干扰。克服气相干扰总的指导思想是：第一，尽量不让干扰元素产生氢化物；第二，在传输过程中应减少干扰元素氢化物的传输速率，使其与被测干扰元素别离；第三，进入原子化器时，应充分地供给初生态氢〔或提高温度〕，以保证被测元素的原子化不受干扰元素的影响，同时应防止原子浓度的衰减。氢化物发生–原子荧光光谱分析法4、分析各阶段可能采取的一些措施(1)发生阶段可以采取一些克服液相干扰的措施，使干扰元素〔可形成氢化物元素〕不能转化为氢化物或减慢其发生速度。(2)传输阶段在传输阶段，即氢化物发生后到进入原子化器这段时间内，可能采取的措施如下：①让发生的氢化物通过一个气相色谱柱，设法将干扰元素与分析元素稍稍分开，只要两者进入原子化器的时刻不同，被测元素能够比干扰元素提前进入原子化器。干扰就有可能消除；②各种氢化物的热稳定性不相同，对传输管道的某一段进行适当加热可将某些氢化物分解；氢化物发生–原子荧光光谱分析法③设法找到一种可以破坏或吸收干扰元素氢化物，而又不影响分析元素的溶液，发生的氢化物气泡通过此溶液后，干扰元素就可被别离。例如Sb对As的干扰，可使用高锰酸钾溶液吸收SbH3来消除。(3)原子化阶段在原子化阶段主要是要保证被测元素的充分原子化，并在最大限度上减少原子浓度的衰减。氢化物发生–原子荧光光谱分析法在食品分析中的应用食品平安是关系着人民群众的身体健康和生命平安、经济健康开展、国家安定和社会开展与稳定的重大问题。2021年“三鹿事件〞发生后，整个社会对食品平安问题日趋关注，正是在这样的背景下，中央把食品平安问题提到了前所未有的高度，2021年6月1日起正式实施?中华人民共和国食品平安法?氢化物发生–原子荧光光谱分析法在食品分析中的应用?食品平安法?要求的食品平安标准包括：1、食品、食品相关产品中的致病性微生物、农药残留、兽药残