环境仪器分析

环境仪器分析第一章概述§1环境监测技术意义和作用1.1环境监测技术意义环境监测技术使环境污染控制的眼睛，是环境管理的“耳目”和“哨兵”，是研究环境质量变化趋势的重要手段，是环境保护的基础。环境监测从单一的环境分析发展到物理、生物、生态、遥感、卫星监测，从间断性检测逐步过渡到自动连续监测。监测范围从一个断面发展到一个城市，一个区域，整个国家乃至全球。环境质量及污染状况发展趋势随时可知。如城市的空气质量，长江流域的水质质量，三峡流域的水质质量，沿海城市海水浴场水质周报，全国主要流域重点断面水质自动监测周报，环境状况公报。环境监测技术的主要内容：①化学指标的测定：应用化学分析和仪器分析技术对存在于空气、水体、土壤、生物体内的化学污染物进行污染水平的测定。②物理指标的测定：应用物理计量技术对能量污染的监测：噪声、振动、电磁波、放射性等。③生物、生态系统的监测：应用生物计量技术监测由于人类的生产和生活活动引起的生物畸形变种、受害征候及生态系统的变化。1.2环境监测技术的作用目的：及时准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋势，为环境管理、规划和污染防治提供依据。当前环境监测的基本任务：①为实施强化环境管理的八项制度做好技术监督和技术支持工作。②强化污染源监督监测工作。③切实加强全国环境监测网络建设，完善环境监测技术体系。④加速以报告制度为核心的信息管理与传递系统建设。⑤巩固检测队伍，提高监测技术水平。⑥进一步完善监测技术质量保证体系。⑦坚持科技领先，做好监测科研，全面提高监测工作质量。环境监测为环境管理服务应遵循的原则：①及时性：解决及时性一是建立一个高效能的环境监测网络，理顺环境监测的组织关系；二是建立完善的数据报告制度，有一个十分流畅的信息通道，做到纵横有序，传递自如；三是有一个能满足管理要求的数据加工处理能力；四是有一个规范化的监测成果表达形式。②针对性：即着重抓好环境要素和污染源监视性监测。摸清主要污染源、主要污染物污染负荷变化特征及排放规律，掌握环境质量的时空变化规律。做到针对性要消除监测与管理脱节现象。监测人员不仅要有数据头脑，而且要有管理头脑，还要努力开拓污染源监测工作，建立和完善污染源监测网络。环境监测站应具有说清环境质量现状的能力和说清污染来龙去脉的能力。③准确性：一是数据准确，二是结论准确。前者取决于监测技术路线的合理性，后者取决于综合技术水平的高低。在综合分析过程中要防止重监测数据，轻调查材料，说不清环境污染史；重自然环境要素，轻社会环境要素，看不清环境问题的主要矛盾；重监测结果，轻环境效益，提不出改善环境质量的对策。④科学性：一是监测数据和资料的科学性，二是综合分析数据资料方法的科学性，三是关于环境问题结论的科学性。三者缺一不可。§2环境监测的内容与类型2.1监测内容以监测的介质（或环境要素）为对象分为：空气污染监测，水质污染监测，土壤、固弃物，生物，生态，噪声震动，放射性，电磁辐射监测等。⑴空气污染监测⑵水质污染监测⑶土壤固弃物监测⑷生物监测：生物体内有害物的检测，生物群落种群的变化监测。⑸生态检测：观测与评价生态系统对自然变化及人为变化所做出的反应，是对各类生态系统结构和功能的时空格局的度量。包括生物监测和地球物理化学监测。生态检测是比生物监测更复杂、更综合的一种监测技术，是利用生命系统（无论哪一层次）为主进行环境监测的技术。⑹物理污染监测：噪声、振动、电测辐射、放射性等。选择监测项目应遵循如下原则：⑴对污染物的自然性、化学活性、毒性、扩散性、持久性、生物可分解性和积累性等全面分析，从中选出影响面广、持续时间长，不易或不能被微生物所分解而且能使动植物发生病变的物质作为日常例行的监测项目。对某些有特殊目的或特殊情况的监测工作，则要根据具体情况和需要选择要监测的项目。⑵需要监测的项目，必须有可靠的检测手段，并保证能获得满意的监测结果。⑶监测结果所获得的数据，要有可比较的标准或能做出正确的解释和判断，如结果无标准可比，又不了解所获得的监测结果对人体和动植物的影响，将会使监测结果陷入盲目性。2.2环境监测的类型2.2.1监视性监测常规或例行监测，是纵向指令性任务，是监测站第一位的工作，是监测工作的主体。其工作质量是环境监测水平的主要标志。监视性监测是对各环境要素的污染现状及污染物的变化趋势进行监测，评价控制措施的效果，判断环境标准实施的情况和改善环境取得的进展，积累质评监测数据，确定一定区域内环境污染状况及发展趋势。⑴环境质量监测（空气、水、噪声）⑵污染源监督监测2.2.2特定目的性监测又叫应急监测或特例监测。⑴污染事故监测⑵纠纷仲裁监测⑶考核验证监测⑷咨询服务监测2.2.3研究性监测属于高层次、高水平，技术比较复杂的一种监测。⑴标法研制监测：研制环境标准物质，制定和统一监测分析方法以及优化布点、采样的研究等。⑵污染规律研究检测：主要研究确定污染物及污染源接受体的运动过程。监测研究环境中需要注意的污染物质及它们对人、生物和其它物体的影响。⑶背景调查监测⑷综评研究监测：参加某个环境工程、建设项目的开发预评影评的综合性研究如温室效应，臭氧层破坏，酸雨规律研究等。这类监测需要化学分析、物理监测和生物生理检验技术和已积累的监测数据资料，运用大气化学、大气物理，水化学、水文学、气象学，生物学，流行病学，毒性学，病理学，地质、地理，生态，遥感学等多种学科知识进行分析研究、科学实验等。进行这类监测事先必须制定周密的研究计划，并联合每个部门，多个学科协作共同完成。§3环境监测技术现状与对策3.1建立监测方法体系，确立监测技术能力我国监测分析方法标准化建立了程序，基本分三步走。首先是通过分析方法的研究，筛选出能在全国推广的较成熟和先进的方法，将选出的方法经多实验室验证，形成统一的方法。分析方法的研究和筛选原则是：⑴应具有良好的准确性与精密性；⑵应具有良好的灵敏度；⑶方法所用的仪器、试剂易得，便于在全国推广；⑷尽量采用国内外新技术和新方法。目前我国统一方法有：《水和废水监测分析方法》（第三版，1989年）91个项目，216个监测方法。《空气和废弃监测分析方法》（第三版，1990年）80个项目，148个方法。《工业固体废弃物有害特性鉴别与监测分析方法》、《大气污染生物监测方法》（1993年版）、《水生生物监测手册》（1993年），统一方法再经过标准化工作程序审定为国家标准方法，所以我国目前环境监测分析方法有三种类型：⑴国家标准分析方法：（GB）⑵全国统一监测分析方法：又称通用法⑶试行法在国家环境保护战略目标下，确定监测站的监测能力主要包括：①为环境决策与管理提供技术支持的能力；②为环境执法提供技术监督的能力；③为环境管理和社会经济建设提供技术服务的能力；④环境监测系统整体的能力。各级环境监测站基本工作能力：①具备常规环境质量监测；②污染源③应急④服务性⑤科研监测的工作技能。国家环境监测总站：除具有基本监测工作能力外，①应重点承担开拓新的监测技术、监测方法的建立、研究与应用；②开展污染物排放总量控制监测技术；③突发性环境污染事故、应急监测技术；④生态环境监测技术研究的能力和水平；⑤建立国家级监测业务信息中心，技术培训考核中心，计算机网络传输中心。省级及省级以下的环境监测站要突出监测工作的政府行为，要建立相应的信息、培训及计算机网络中心，开展空气污染周报的重点城市及条件较好的监测站应具备完好的连续自动监测系统和计算机传输网络系统，具备应用多媒体技术制作环境质量声象报告的能力。并开展日报和预报。3.2加强监测仪器设备管理、完善仪器设备配置3.3开展监测质量保证、加强技术培训3.3.1环境监测质量保证体系的建立1991年国家环保局以环监字第043号文下达了环境监测质量保证管理规定(暂行)，对机构和职责、量值传递、实验室及人员的基本要求、监测质量保证的具体内容和报告制度，均提出了具体要求和做法。3.3.2计量认证工作的开展计量认证是根据计量法由政府计量行政部门对向社会提供公正数据的技术机构的计量检定、测试的能力、可靠性和公正性所进行的考核和证明。也就是给予该机构在某方面为社会提供公正数据的资格。3.3.3人员的技术培训与考核3.3.4监测科研不断发展，科学监测水平提高3.3.5完善监测网络，实现监测信息管理网络化我国的监测技术工作虽然取得很大成绩，但在发展过程中也存在面的差距和问题。⑴监测分析方法不够健全，现有的方法大体可以满足常规环境质量监测和部分污染源监测，但对环境和污染调查、全面的污染源监测以及应急事故的处理，就显得不够。从技术监测现状看，水气检测多于土壤、生物、固废弃物等；无机物多于有机物的分析方法，而有机物、有毒有害化学品的监测技术方法较薄弱；环境质量的监测方法好于污染源的监测方法，尤其是废气监测方法很薄弱。在现有的标准方法中废气监测方法基本处于空白状态。⑵采样技术仍然是一大难题，环境标准物质缺口很大，使监测方法的研究和应用以及质量保证工作开展受到严重制约。质量保证远未达到系统化，程序化，目前局限在水质分析质控上，水质质控也只抓了实验室分析环节，其它环节还没得到有效控制。⑶现有监测技术配套性很差，仪器设备条件急需改善。⑷监测信息管理和开发仍存在诸多问题。国家对监测技术工作的指导、管理和支持缺乏系统的、科学的战略发展规划。监测技术的发展方向、目标，技术路线以及步骤措施不够明确，监测技术发展带有一定的盲目性。监测技术规范和有关的技术规定还没很好地贯彻实施。尤其是对监测技术发展的投入严重不足。今后监测技术工作点的指导思想是：监测技术工作要以增强监测能力、提高监测质量、适应环境管理目标，从监测工作的实际出发，从环境管理的需要出发，本着统筹配套、协调发展和突出重点的原则，确立开拓与完善并举，发展与提高兼顾的方针，积极开拓急需项目的新的监测技术和新的监测方法。进一步完善已有的监测技术和监测管理体系；大力发展标准物质和质量保证工作。努力提高监测信息的管理和开发应用水平。环境监测技术工作是环境监测的重要基础，只有提高并完善环境监测技术，才能不断使环境监测工作上新台阶。§4环境监测新技术开发在以下各章中分别讲授。§5本课程主要内容一.光分析监测技术；二.色谱分析监测技术；三.电化学分析监测技术；四.联用分析监测技术；五.生物监测技术；六.生态监测技术；七.遥感监测技术；八.自动连续监测技术；九.现场快速监测技术。第二章光分析监测技术§1原子吸收分光光度法（原子吸收光谱法）基本原理原子吸收分光光度法是基于空心阴极灯发射出的待测元素的特征谱线，通过试样蒸气，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，由特征谱线被吸收的程度，来测定试样中待测元素含量的方法（原子吸收分光光度计示意图如下）。⑴基态原子的产生在进行原子吸收分析时，首先应使待测元素由化合物状态变成基本原子，使其原子化。原子化方法有：化学法、火焰法、电热法等。以火焰原子化法为例：火焰提供热能，使待测元素的化合物解离，而变成基态原子。将金属盐（MX表示）的水溶液，经过雾化成为微小的雾粒喷入焰中，雾粒中金属盐分子经过蒸发、解离、激发、电离、化合等过程。蒸发过程，是MX的雾粒（湿气溶胶），在火焰的作用下脱水和气化，即：MX（湿气溶胶）MX（湿气溶胶）→MX（干气溶胶）→MX（气态分子）∣∣脱水气化金属盐的气态分子，在高温条件下吸收热能可被分解为基态原子（包括气态金属原子和气态非金属原子），一部分基态原子由于热能和被碰撞的作用被激发而成为激发态原子或电离成离子。过程如下：Mi（激发态原子）MX（气态分子）M0（气态金属原子）+X0（气态非金属原子）M+（金属离子）+e由于火焰中还存在其它成分（如氧气），它们在火焰的作用下，还可能与基态原子进行化合反应。应使试样在火焰中尽可能多的生成基态原子，不使基态原子被激发、电离或生成化合物。⑵共振线与吸收线原子都是由原子核和核外的电子分层排布的，核外电子排布处于最低能级时，原子的能级最低、最稳定，原子处于基态，称为基态原子。当原子受到外界能量（如热能）激发时，最外层电子吸收一定能量而跃迁到较高的能级上，原子处于激发态，称为激发态原子，很不稳定，在短时间内（约10-3s），跃迁到较高能级的电子又返回到低能级状态。同时释放一定的能量。吸收或释放的能量等于两个能级的能量差△E,即：式中：Ei—激发态能级的能量；E0—基态能级的能量；h—普朗克常数（6.625×10-34JS）;C—光速；γ—频率。原子受外界能量的激发，其最外层电子可能跃迁到不同能级，因而可能有不同的激发态。电子从基态跃迁到能量最低的第一激发态的几率最高，要吸收一定能量即一定波长的谱线。这一由基态到第一激发态的跃迁吸收谱线称为共振吸收线。当它从第一激发态返回到基态时，则又辐射出该波长的谱线。各种元素的共振线都具有不同的波长。所以元素的共振线又称为元素的特征谱线。从基态跃迁到第一激发态最容易，因此，对大多数元素来说，共振线是元素所有谱线中最灵敏谱线。原子吸收分析就是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源发射出的待测元素的共振线的吸收而进行定量分析。式中：I—透过光的强度；I—入射光的强度；L—原子蒸气宽度；C—原子蒸气浓度。由于物质的原子对吸收具有选择性，对不同频率的广，吸收的程度不同，所以透过光的强度Ir随入射光的频率有所变化，其变化规律如下图所示。（b）频率与吸收系数的关系(a)吸收线（b）频率与吸收系数的关系(a)吸收线由图可见，在频率为r处透过的光最小，亦即吸收最大。这种情况叫做原子蒸气在特征频率r处有吸收线。可见，原子的吸收线并不是几何学上的线，而是具有一定的宽度，通常称之为谱线的轮廓（或形状）。表示吸收轮廓特征的值：①吸收线中心频率（或波长）②吸收线的半宽度（△r），其数量级约为0.01～0.1A，同样，发射线也具有宽度，不过其半宽度要窄得多，一般为0.005～0.02A。使谱线变宽的原因主要有：①谱线的自然变宽；②谱线的热变宽；③碰撞变宽；⑶积分吸收与峰值吸收积分吸收：将原字蒸气所吸收的全部能量，称为积分吸收，即上图中吸收线下面所包括的整个面积。积分吸收与单位体积原子蒸气中吸收辐射的原子有如下关系：e2Nf/mc式中：C—光速；e—电子电荷；m—电子质量；N——单位体积原子蒸气中吸收或辐射的原子数；f—振子强度,代表每个原子中能够吸收或发射特定频率光的平均电子数。在一定条件下，对一定元素，f可视为定值。从理论上讲，只要能测出积分值，就可以计算出待测元素的含量。然而在实际测量中，测量积分吸收是非常困难的。因为吸收谱线的宽度非常窄，需要用到高分辨率的分光仪，而现代分光技术还不能够达到这种高分辨率的要求，所以积分吸收不能准确地测得。②峰值吸收1995年，Walsh提出用测定峰值吸收系数K0来代替测量积分吸收系数的方法。这种通过测定峰值吸收系数来计算待测元素的方法称为峰值吸收法。实现测量中心吸收系数的条件是：a.入射光线的中心频率与吸收谱线的中心频率严格相同；b.入射光线的半宽度远小于吸收谱线的半宽度。因此，必须使用一个与待测元素相同的元素制成的锐线光源。这样就不需要用高分辨率的单色器，而只要将其与其它谱线分离，就能测出峰值吸收系数。实验证实：峰值吸收系数K0在一定条件下，与单位体积原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。⑷火焰中的基态原子浓度与定量分析依据在一定温度下，基态原子与激发态原子数可以用波尔兹曼方程表示：式中：Ni—激发态原子数；N0——基态原子数；Pi—激发态统计权重（表示能级的减并度，即相同能级的数量）；P0—基态统计权重；K—波尔兹曼常数（1.380×10-23J/K）；T—热力学温度。在原子光谱中，对一定波长的谱线Pi/P0和Ei、E0都是已知的定值。因此，只要火焰温度确定后，就可以求得Ni/N0的值。一般而言，温度T越高，Ni/N0值越大；在同一温度电子跃迁的能级差△E越小，共振线的波长越长，Ni/N0也越大，常用的火焰温度多低于3000K，大多数元素的共振波长都小于6000A，Ni/N0都很小（<1%）,Ni与NO相比，N0可以忽略不计，因此，能够用基态原子数N0代表火焰中吸收辐射的原子总数N在实际工作中，对于原子吸收值的测量，是以一定光强的单色光I0通过原子蒸气，然后测出被吸收后的光强I，吸收过程符合朗伯—比耳定律，即：式中K为吸收系数，N为自由原子综述（近似与基态原子数N0）,L为吸收层厚度。吸光度A∝N0L试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比。所以在一定的浓度范围内和一定的火焰宽度，吸光度与试样中待测元素浓度的关系可表示为：该式就是原子吸光光普法定量分析的依据。1.2原子吸收分光光度计由光源、原子化系统、光学系统、检测系统及放大数据处理系统五个主要组成部分。⑴光源：辐射带测元素的共振线，作为原子吸收分析的入射光。为了能够测出峰值吸收，获得较高的准确度及灵敏度，所使用的光源必须满足以下条件：①光源要能发射待测元素的共振线，而且强度要足够大。②发射的谱线的半宽度要窄（是锐线光），应小于吸收线的半宽度，以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量。③辐射光的强度要稳定，而且背景发射要小。光源类型：①空心阴极灯②无极放电灯③蒸气放电灯。但应用最广泛的是空心阴极灯。⑵原子化系统作用：是将试样中的待测元素由化合物状态转变为基态原子蒸气。入射光在这里被基态原子吸收，因此，它可视为“吸收池”。主要有两大类：火焰与非火焰原子化器。①火焰原子化器：由雾化器、预混合室和燃烧器三部分组成。雾化器将试液雾化，然后经预混合室的作用，进一步细化雾滴，并使之与燃料气均匀混合后进入火焰，利用火焰的热能将试样气化并进而解离成基态原子。②无火焰原子化器：是利用电热、阴极溅射，等离子体或激光等方法使试样中待测元素形成基态原子。目前，广泛应用的非火焰原子化器是石墨炉。此法的优点是取样量少，固体只需几毫克，液体仅用几微升；其绝对灵敏度比火焰法搞几个数量级，可达10-12g（相对灵敏度提高2～3个数量级），但其精密度仅达2～石墨炉原子化器由电源、炉体、石墨管三部分组成。⑶分光系统原子吸收光谱法应用的波长范围，一般是紫外、可见光区，即从铯852.1nm至砷193.7nm，常用的单色器为光栅。单色器的作用：主要是将广元（如空心阴极灯）发射的待测元素的共振线与其它发射线分开。由于采用空心阴极灯作光源，发射的谱线大多为共振线，故比一般光源发射的光谱简单。光谱通带：（可理解为“仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度”）式中：W—光谱通带（Å）；D—倒线色散率（Å/mm）；S—狭缝宽度（mm）。在两相邻干扰线间距离小时，光谱通带要小，反之，光谱通带可增大。由于不同元素谱线复杂程度不同，选用的光谱通带亦各不相同，如碱金属、碱土金属谱线简单、背景干扰小可选用较大的光谱通带，而过渡族、稀土族元素谱线复杂，则应采用较小的光谱通带。一般在原子吸收光谱法中，光谱通带为2A当单色器的色散率一定时，则应选择合适的狭缝宽度来达到谱线既不干扰，吸收又处于最大值的最佳工作条件。⑷监测系统作用：将单色器分出的光信号进行光电转换。广泛使用光电倍增管作检测器。光电倍增管输出的光电流，与入射光强度和光电倍增管的增益（即光电倍增管放大倍数的对数）成正比。而增益取决于打拿极的性质、个数和加在打拿极之间的电压。通过改变所加的电压，可以在较广的范围内改变输出电流。产生的电流可经负载电阻尺而变成电压讯号。（5）放大及数据处理系统放大器：一般采用同步检波放大器和相敏放大器来放大讯号。数据处理：讯号经放大器放大后，得到的只是透光度读数。为了在指示仪表上指示出与浓度成线性关系的吸光度值，就必须将讯号进行对数转换，然后由指示仪表表示。现在的仪器几乎都是用自动记录测量数据，数据显示测量数据和计算机处理数据，直读分析结果。1.3测定条件的选择（1）分析线的选择：选用元素的共振线作为分析线，共振线往往也是元素最灵敏的谱线，可使测定具有较好的灵敏度。但并非都如此。例如测汞，由于空气和火焰气体对汞的共振线1349A都产生强吸收，只能用2537A谱线；又如铅的共振线2170A受火焰吸收及背景吸收干扰较大，只好选用它的次灵敏线2833A（2）光谱区带的选择（3）空心阴极灯工作电流的选择（4）燃烧器高度的选择（5）火焰高度的选择（6）光电倍增管负高压的选择1.4定量分析方法（1）标准曲线法绘制A-C工作曲线a.标准曲线弯曲现象的解释向浓度值弯曲：当元素浓度较高时，吸收线的碰撞变亮就不能忽略，使吸收线轮廓造成非对称性，而使中心波长错位，因此光源辐射的共振线的中心波长就与共振线的中心波长错位，吸收相应地减少，即测定的吸收光度降低，结果实标准曲线向浓度轴弯曲。b.控制试样校正在每次测定试样时，加测一个控制试样，其浓度是已知的，并在标准曲线的中部范围。然后，通过控制试样所测出的点位另作一条与原标准曲线平行的新标准曲线，用它分析试样。或者利用如下计算式算出校正系数来校正测定结果：式中：K—校正系数；A—控制试样在原标准曲线上的吸光度，A’—控制试样新测得的吸光度。用该K值乘试样的吸光度即得校正值，从原标准曲线上查出对应该校正值的浓度，就是所测试样的浓度。c.应控制吸光度在0.05-0.8之间d.标准溶液的浓度必须在吸光度与原子浓度或直线关系得范围内。e仪器操作条件（光谱，喷雾，火焰，通带，检测等）在整个分析过程中应保持恒定。（2）标准加入法a.复加入法（图如下）取若干（不少于4份）体积相同的试样溶液，从第二份开始依次递增地加入不同等分量的待测元素的标准溶液（如分别加入10μg、20μg、30μg）。然后用蒸馏水稀释至相同体积后摇匀。在相同的实验条件下依次测得各溶液的吸光度为AX、A1、A2、A3。以吸光度A为纵坐标，以加入标准溶液的量（浓度，体积，绝对含量）为横坐标，作出A-C曲线，外延曲线与横坐标相交于一点，此点与原点的距离，即为所测试样溶液中，待测元素的含量。b.单加入法仅取两份同体积的试液，于其中一份加入已知量的待测元素，其量最好与试样含量相近。稀释至一定体积后分别测吸光度。按下式进行计算：式中：C——试样中被测元素浓度；S——试样中加入标准的浓度；Ai——试样中吸光度；A——试样中加标后的吸光度；推导：=即使用标准加入法应注意：a.只适用于浓度与吸光度成直线关系的范围；b.加入第一份标准溶液浓度，应与试样溶液的浓度应当接近（可通过试喷样品溶液和标准溶液，比较两者的吸光度来判断），以免曲线在斜率过大、过小时给测定结果引进较大误差；c.该法只能消除基体干扰，而不能消除背景吸收等的影响。（3）间接分析法可用间接分析的方法测定某些非金属元素和有机化合物。如：8-羟基喹啉能与铜盐生成可萃取的络合物，用原子吸收法可准确地测定萃取物中铜的含量，然后推断出试样中8-羟基喹啉的含量。1.5灵敏度及检出极限（1）灵敏度a.百分灵敏度：把能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在溶液中的浓度（μg/mL）,称为百分灵敏度或相对灵敏度。用μg/mL.1%或10-6/1%表示。百分灵敏度的测定，是必须测出1%吸收时的浓度，ug/(mL•1%)式中：C—被测溶液的浓；A—该溶液的吸光度。b.绝对灵敏度在石墨原子吸收光谱分析中，常用绝对灵敏度的概念。它定义为能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在水溶液中的质量，常用Pg/1%或10-12g/1%（1Pg=10-12灵敏度通常可以看作是试液浓度测定的下限。最适宜的试液浓度，应选在灵敏度的15~100倍的范围内。同一种元素在不同的仪器上测定会得到不同的灵敏度，因而灵敏度是仪器的性能指标之一。（2）检出极限（DL）a.相对检出极限在火焰原子吸收分析中，把能产生二倍标准偏差时，某元素在水溶液中的浓度，定为相对检出极限，用μg/mL或ppm表示。DL=C•2σ/A(μg/mL)式中：C—待测元素在水溶液中的浓度；A—该溶液的吸光度；σ—标准偏差。它是用空白溶液或接近空白的标准溶液，经过至少10次连续测定所得吸光度值算出。总体标准偏差：σ=S=lim=μµ为总体平均值b.绝对检出极限：在石墨炉原子吸收光谱分析中，把能产生二倍标准偏差的读书时，待测元素的质量称为绝对检出极限。常用Фg或g表示。检出极限不仅与仪器的灵敏度有关，而且与仪器的稳定性有关。既有高的灵敏度又有低噪音水平的仪器才是好仪器，这样的仪器才能运用于微量组分的测定。通常所说的灵敏度和检出极限，都是对火焰原子吸收法而言。只有在表示石墨炉原子吸收分析的灵敏度和检出极限时，才加上“绝对”二字。1.6原子吸收光谱法在环境监测中的应用金属污染物的测定：可测定的元素有60~70种，目前测定水和废水中的主要金属元素有：Ag、Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sb、Zn、Be、Hg、K、Na、Ca、Mg等。Cu,Pb,Zn,Cd的测定（GB7475-87）a.直接法：适用于测定地下水、地面水和废水中的Cu,Pb,Zn,Cd。一般原子吸收分光光度计的测定范围：Cu（0.05~5mg/L）;Zn(0.05~1);Pb(0.2~10);Cd(0.05~1mg/L)。采用乙炔-空气燃烧器；光源选用空心阴极灯或无极放电灯。b.螯合萃取法：适用于测定地下水和清洁地面水中低浓度的Cu,Pb,Cd。在PH3.0条件下，用吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与Cu,Pb,Cd形成螯合物，用甲基异丁基甲硐萃取，然后吸入火焰进行原子吸收光谱测定。测定范围：Cu(1~50μg/L);Pb(10~200μg/L);Cd(1~50μg/L).特征谱线（nm）：Cu（324.7），Zn（213.8），Pb（283.3），Cd（228.8）（2）Ca、Mg的测定原理：将试液喷入火焰中，使Ca、Mg原子化，在火焰中形成的基态原子对特征谱线产生选择性吸收。有测得的样品吸光度和标准溶液的吸光度进行比较，确定样品中被测得元素的波高度。选用422.7nm共振线的吸收测定Ca,用285.2nm共振线的吸收测定镁。适用于测定地下水，地面水和废水中的Ca、Mg.最低检出浓度Ca(0.02mg/L）Mg（0.002mg/L）；测定范围：Ca（0.1~6.0mg/L），Mg（0.01~0.6mg/L）。水质、硫酸盐的测定（GB13196-91）使用间接法测定水中可溶性硫酸盐的火焰原子吸收分光光度法。原理：在水-乙醇的氨性介质中，硫酸盐与铬酸钡悬浊液反应：SO42-+BaCrO4→BaSO4+CrO42-用原子吸收法测定反应释放出的铬酸根，即可间接算出硫酸盐原子吸收分光光度法应用示例：颗粒物中金属含量的测定（P144~145）尘粒中含有Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、Co、Ni等多种金属元素，由于大部分金属元素的含量都很低，所以要用灵敏度较高的方法。如极谱阳极溶出伏安法，原子吸收法，发射光谱法及原子荧光法等，以采用原子吸收法（AAS）做多。如：铍（AAS，EM），铜，铅，锌，Mn、Ni（AAS）；Fe、Cr（AAS），Se、As、Te（AFS）等。使用这种方法首先要把尘样制备成测定用的试液，然后才能在原子吸收分光光度计进行测定，将尘样转变为试液的过程，包括有机物的消解和待测重金属组分的溶解，具体方法有干式灰化法和湿式分解法。灰化后的试样再经下图所示流程处理后测定的含量。所用火焰为空气-乙炔高燃性黄色火焰，测定波长为359.3nm.光源：铬空心阴极灯。大气尘粒中金属元素的测定。大气降水中Na,K的测定，原子吸收分光光度法，GB13580.12-92。GB13580.13-93大气降水中Ca、Mg的测定，原子吸收分光光度法。GB/T15263-94环境空气中铅的测定，火焰原子吸收分光光度法。试样（尘）湿法分解低温灰化试样（尘）湿法分解低温灰化酸提取熔融分解加热熔解过滤CuPbZnCdFeCoNiMnCr、Mo原子吸收光谱测定HNO3+H2O2 加热熔解氩氟酸HCl+H2O2过滤处理硅（SiF4）滤液Na2CO3滤液浓缩熔融 （铂坩埚）HNO3浓缩HNO3溶解 定容蒸干HNO3定容HNO3（定容）Cr、Mo例1：以3μg/ml的Ca溶液，测得透过率为48%，计算钙的灵敏度。解：A=lg=lglg=2-1.6812=0.3188S===0.041μg/mL/1%根据元素的灵敏度，可估算最适宜的浓度测量范围。在原子吸收光谱分析中，吸光度为0.1~0.5时测量准确度较高。在此吸光度时，其浓度约为灵敏度的25~120倍。例2：已知Mg的灵敏度是0.005μg/mL/1%，环境水样Mg的含量约为0.01%，其最适合浓度测量范围为多少？解：最适合浓度测量范围为：最低0.005×120=0.6μg/mL最高：0.005×120=0.6μg/mL§2原子荧光光谱法2.1概述原子荧光光谱从机理来看应属于发射光谱分析，但所用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。尽管有关原子荧光的基本原理早已为人们所知，但它的分析应用，仅从1964年才开始。主要优点：①灵敏度较高，特别是对Zn.Cd等元素的检测限，分别可达0.5和0.04ppb.由于原子荧光的辐射强度与激发光源强度成比例关系，采用高强度新光源，可进一步提高原子荧光的灵敏度。目前，已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法。②谱线较简单：采用日盲光电信增管和高增益的检测电路，可制作非色散型原子荧光仪，即不需要昂贵精密的分光计。③可同时进行多元素测定：原子荧光是向各个方向发射的，便于制作多道仪。④线形范围宽：在低浓度范围内，标准曲线可在3-5个数量级内呈直线关系，而原子吸收光谱仪仅有二个数量级。但由于荧光猝灭效应，以致在测定复杂基体的试样及高含量样品时，尚有一定困难。此外，散射光的干扰也是原子荧光分析中的一个麻烦问题。因此，原子荧光光谱法在应用方面尚不及原子吸收光谱法和原子发射光谱法广泛，但可作为这两种方法的补充。2.2原理当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，此原子的外层电子吸收辐射能，从基态或低能态跃迁到高能态，大约在10-8S内又跃回基态或低能态，同时发射出与照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。这是一种光致发光（或称二次发光），当照射光停止照射后，荧光也不再发射。各种元素都有特定的原子荧光光谱，故可用于定性分析；而根据原子荧光的强度，进行定量分析，但目前这种方法主要用于痕量元素的定量分析。2.2.1跃迁类型原子荧光有两大类型；共振荧光和非共振荧光。荧光线的波长与激发光的波长相同时称为共振荧光。不同时称为非共振荧光。在非共振荧光中，荧光线波长大于激发光波长的称为斯托克斯荧光，小于激发光波长的称为反斯托克斯托克斯荧光。目前，原子荧光的种类已达到14种之多。但在分析应用中的主要有共振荧光，直跃线荧光、阶跃线荧光、阶跃激发荧光及敏化荧光等。如下图所示：共振荧光：是气态基态原子吸收共振线后发射出与吸收共振线相同波长的光。由于共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，因此共振荧光的强度最大。例如：Zn、Ni和Pb可分别吸收和再发射2138.6Å、2320.0Å和2833.1Å的共振线。直跃线荧光：直跃线荧光是非共振荧光，特点是吸收和发射过程中的高能级相同。即原子从基态激发至高能态，但不从高能态跃回到至基态，而是跃迁至能量高于基态的亚稳态。例如基态铅原子，吸收2833.1Å的辐射光后，可发射波长为4057.8Å和7229.0Å的直跃线荧光。阶跃线荧光：受光照射激发后的原子，在发射荧光前，由于碰撞而损失部分能量后，再跃至基态，并发射出荧光。很明显，产生这种荧光的高能级不同，低能级相同。例如:铅原子吸收2833.1Å的照射后，激发到7S3P1态，接着以无辐射方式跃至7S3P0态，然后再辐射3683.5Å的荧光。阶跃激发荧光：被光照射激发后的原子，通过热激发至更高的能级，然后跃至低能级，并发射出荧光，这种荧光称为阶跃激发荧光。铬原子吸收3593.5Å后，激发并发射最强的3578.7Å线就是阶跃激发荧光。敏化荧光：敏化荧光产生的机理是首先激发某种原子（A），使成为激发态原子（A*），当激发态原子（A*）与另一种原子（B）相碰撞时，将能量转移给B原子（待测元素），使B原子激发而产生激发态原子（B*），然后（B*）原子去活化而发射出原子荧光。如下所示：B*B+hB*B+hA*+BA+B*A*A+h例如，用2536.5A的光激发汞原子，然后激发态汞原子与铊院子碰撞，产生铊原子的3775.7A和5350.5A的敏化荧光。这类荧光要求A原子浓度很高，因此在火焰原子化器中唯以实现，在非火焰原子化器中才可以得到。非共振荧光，特别是直跃线荧光在分析上很有用处。因为非共振荧光的波长与激发态不同，容易消除其影响。测量那些低能级不是基态的非共振荧光线，还可以克服自吸的影响。2.2.2荧光强度假设激发光源是稳定的，则照射到原子蒸汽上的某频率入射光强度可近似看成一常量I0.又能设入射光是平行而均匀的光束，由原子化器产生的原子蒸汽可近似地看成理想气体，自吸可忽略不计，则原子吸收的辐射强度可用下式表示：式中：Ia为被吸收的辐射强度，I0为单位面积上接受的光源强度，A为受光源照射在检测系统中观察到的有效面积，l为吸收光程长，N为单位长度内的基态原子数，ε为峰值吸收系数。荧光强度IF与IA存在以下关系：Ia=I0A[1-e-ε/N荧光强度IF与Ia存在以下关系：IF=IF=I0A[1-e-ε/N]将该式展开，得到：IF=AI0[εlN-+-----]=AI0εlN[1-+------]当原子浓度很低时，ΕLN/2及以后的高次项可忽略，得到：此式表示,荧光强度与原子浓度成正比。在实际工作中，仪器参数和测试条件保持一定，因此可认为原子荧光强度与待测原子浓度成正比，即IF=αC,式中α为一常数。2.2.3量子效率在原子的激发跃迁过程中，处于激发态的原子跃回到低能态时，可能有三种情况：发射共振线，发射非共振线和无辐射驰豫。通常用量子效率Ф来表示这些跃迁过程的可能程度。对于荧光的发射来说，其量子效率Ф表示荧光光子数与吸收激发光的光子数之比：Ф=ФF/ФA式中:ФF为单位时间发射的荧光光子数，ФA为单位时间吸收激发光的光子数。荧光量子效率一般小于1。2.2.4荧光猝灭在原子荧光发射过程中，一部分能量变成热运动或其它形式的能量而损失。这是由于受激原子与其它粒子碰撞所引起的，称为荧光猝灭，可表示为：A*+BA+B+A*+BA+B+△HA*为受激原子，B为其它粒子，△H为热能。由此可知，单位时间内猝灭的粒子数，与A*和B两种粒子的浓度积成正比，即式中为反应速度，K为猝灭常数，猝灭常数与A、B两种粒子的原子量和猝灭时的作用截面有关，实验证明，惰性气体氩、氦的猝灭截面比N2、O2、CO、CO2等气体小的多。因此，要特别注意原子蒸汽中能引起荧光猝灭的气体的种类及其浓度，通常用氩气来稀释火焰，可以减少猝灭现象。2.3仪器原子荧光光度计有非色散型和色散型两类。结构示意图如下所示:单色器单色器检测器火焰加光器L非色散型原子荧光仪示意图非色散型原子荧光仪示意图原子荧光光度计与原子吸收光度计在很多组件上是相同的，如原子化器（火焰和石墨炉），用切光器及交流放大器来消除原子化器中直流发射讯号的干扰，检测器均为光电倍增管等。两种仪器的区别：光源：在原子荧光光度计中，需要采用高强度光源，如高强度空心阴极灯，无极放电灯，激光，等离子体等。商品仪器多采用前两种。光路:在原子荧光中，为了检测荧光讯号，避免待测元素本身发射的谱线，要求光源，原子化器和检测器处于直角状态，而在原子吸收光度计中，这三者是处于一条直线上。应指出，在非色散原子荧光光度计中，Ф单色器是十分重要的，因为它可将被测元素的谱线与其它可能干扰的谱线分开。检测器:非色散原子荧光光度计采用日盲光电倍增管，它的光阴极是有Cs-Te材料做成的，对1600-2800Å波长的辐射有很多的灵敏度，对大于3200Å波长则不灵敏。2.4定量分析方法及应用2.4.1分析方法F∝C，采用标准曲线法进行定量分析。2.4.1应用实例已应用于治愈，石油产品、燃料、化工、地球化学、水质、生物、同位素分析中，下表列出其在各方面的应用示例:原子荧光光谱法分析实例试样测量元素含量相对标准偏差/%湖水CaMgCoCuFeMnNiZn纯水CaMgAgNiMn0.01-1.58-4.820.001µg/mL粗柴油Ni0.04µg/mL5-7肥料CuFeZnMnCaMg5.46-122.5ppm1.0-2.0面粉Hg0.6ng血清CuZn0.03-0.06µg/mL<5尿Pb5µg/mL低合金铜Si0.7µg/mL电解铜Zn0.0003%镍基合金AsBiPbSeTe1ppm§3荧光及磷光光谱法3.1原理3.1.1荧光和磷光的产生分子荧光是指分子在辐射能（紫外、可见光、红外光等）的照射下，电子跃迁至单重激发器，并以无辐射驰豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级，由此再跃回基态或基态中的其它振动能级时所发出的光。分子磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射驰豫方式进入第一最低三重激发态，再由三重激发态跃迁回至基态而发出的光。处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱选律的。如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，及激发三重态的能级稍低一些。如图3-1所示。基态单重态基态单重态激发单重态激发三重态图3-1单重态及三重态激发示意图图3-1单重态及三重态激发示意图由图可见：在单重激发态中，电子的自旋方向仍然和处于基态轨道的电子配对，而在三重激发态中，两个电子平行自旋。单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10-4～1S以上。常用S和T分别表示单重态和三重态。处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指热的形式辐射其多余的能量，包括振动驰豫（VR），内部转移（IR），系间窜跃（IX）及外部转移（EX）等，情况比较复杂。各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。激发能量的传递途径如图3-2所示。传递途径传递途径荧光返迟荧光磷光振动弛豫内转移外转移系间穿跃辐射跃迁无辐射跃迁图3-2激发态能量传递途径图3-2激发态能量传递途径现结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能量传递方式在其中所起的作用。SS2S0S1内转移外转移系间窜跃吸光吸光荧光磷光振动弛豫系间窜跃外转移内转移T1图3-3荧光、磷光能级图图3-3荧光、磷光能级图设处于基态单重态的电子吸收波长为λ1和λ2的辐射之后，分别激发至第二单重态S2和第一单重态S1，如图3-3所示。振动驰豫：指在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量一热的形式发出。发生振动驰豫的时间为10-12s，上图中各振动能级间的小箭头表示振动驰豫的情况。内转移：当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。上图中，处于高激发单重态的电子，通过内转移至振动驰豫，均跃迁回到第一激发单重态的最低振动能级。荧光发射：处于第一激发单重态中的电子跃迁回至基态各振动能级时，将得到最大波长为λ3的荧光。注意基态中也有振动驰豫跃迁。很明显，λ3的波长较激发波长λ1或λ2都长，而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长为λ3的荧光。荧光的产生在10-6～10-9s内完成。系间窜跃：指不同多重态间的无辐射跃迁。例如S1→T1就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜越时，电子由S1的较低震动能级转移至T1的较高振动能级处。有时，通过热技法，有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。磷光发射：电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这里禁阻跃迁。但是，由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系间窜跃方式转到第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。这个跃迁过程（T1→S0）也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为10-4～100s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。外转移：指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，是荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭”。上图中的有关波线表示以外转移方式进行的无辐射跃迁。3.1.2激发光谱、荧光和磷光光谱荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长。这可根据它们的激发光谱曲线来确定。绘制激发光谱时，固定测量波长为荧光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发光波长，根据所测得的荧光强度与激发光波长的关系，即得到激发光谱曲线。应指出，激发光谱与其吸收光谱可能相同，但前者是荧光强度与波长的关系曲线，后者则是吸光度与波长的关系曲线，两者在性质上是不相同的。当然，在激发光谱的最大波长处，处于激发态的分子数目是最多的，这可说明所吸收的光能量也是最多的，自然能产生最强的荧光。如果固定激发光波长为其最大激发波长处，然后测定不同波长时所发射的荧光或磷光强度，即可得到荧光或磷光光谱曲线。图3-4为萘的激发光谱、荧光和磷光发射光谱。图3-4萘的激发光谱、荧光和磷光发射光谱200图3-4萘的激发光谱、荧光和磷光发射光谱200300400500相对强度nmAF在荧光和磷光的产生过程中，由于存在多种形式的无辐射跃迁，损失了一部分能量，故它们的最大发射波长都向长波方向转移；尤其磷光波长的移动较多，而且它的强度也相对较弱。3.1.3荧光的影响因素⑴量子产率量子产率（Φ）通常用下式表示：或：也叫荧光效率在产生荧光的过程中，涉及到许多辐射和无辐射跃迁过程，如荧光发射、内转移、系间窜跃和外转移等。显然，荧光的量子产率，将与这些过程的速率常数有关。若用数学表达式表达这些关系，即：式中：Kf为荧光发射过程的速率常数，为其它过程的速率常数的总和。一般情况，Kf主要取决于化学结构，而则主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。磷光的量子产率与此类似。⑵荧光与有机化合物结构的关系①跃迁类型：对越大多数荧光物质来说，荧光产生的过程时光经历Л→Л*或n→Л*激发，然后经过振动驰豫或其它无辐射跃迁，再发生Л*→Л或Л*→n跃迁而得到荧光。Л*→Л跃迁常能发生较强的荧光（较大的量子产率）。这是由于Л→Л*跃迁具有较大的摩尔吸收系数（一般比n→Л*跃迁大100～1000倍）；其次，Л→Л*跃迁的寿命约为10-7～10-9s，比n→Л*跃迁的寿命10-5～10-7要短。不难看出，在各种跃迁过程的竞争中，Л→Л*是有利于发射荧光的。此外，在Л*→Л跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的速率常数也较小（S1→T1能级差较大），这也有利于荧光的发射。总之,Л→Л*跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。②共轭效应：容易实现Л→Л*激发的芳香族化合物容易发生荧光。能发生荧光的脂肪族和肪环族化合物极少（仅少数高度共轭体系化合物除外）。增加体系的共轭度，荧光效率一般也增大，可使荧光增强，主要是由于增大了荧光物质的摩尔吸收系数，有利于产生更多的激发态分子，从而有利于荧光的发生。例如：在多烯结构中，Ph(CH=CH)3Ph和Ph(CH=CH)2Ph在苯中的荧光效率分别为0.68和0.28。③刚性结构和共平面效应：一般情况，荧光物质的刚性和共平面性增加，可是分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用见效，即使外转移能量损失减少，从而有利于荧光的发射。例如：芴与联二苯的荧光效率分别为1.0和0.2。这主要是由于加入了亚甲基使芴的刚性和共平面增大的缘故。④取代基效应：芳香族化合物具有不同取代基时，其荧光强度和荧光光谱都有很大的不同。一般，给电子基团如：-OH、-NH2、-OCH3、-NR2等增强荧光。这是由于产生了P-Л共轭作用，在不同程度上增强了Л电子共轭程度，导致荧光增强。而吸电子基团如-NO2、-COOH等减弱荧光。例如：苯胺和苯酚的荧光较苯强，而硝基苯为非荧光物质。卤素取代基随原子序数增加而荧光下降，这可能是由所谓“重原子效应”使系间窜跃速率增加所致。在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加由单重态转化为三重态的速度。取代基的空间障碍对荧光也有影响。例如在下列化合物萘换上的δ位引入磺酸基，由于空间障碍使-NH2基或-N(CH3)2基与萘之间的键发生扭转而离开了平面构型，影响了P-Л共轭作用，削弱了Л电子共轭程度，导致荧光减弱。立体异构现象对荧光强度有显著的影响，例如1，2-二苯二烯的反式异构体是强荧光物质，而其顺式异构体不发生荧光。此外，荧光物质分子发生电离之后，其荧光性也随之发生变化。例如苯酚离子化后，其荧光消失。但对两个苯环相连的化合物，又表现出相反的性能，分子形式无荧光，离子化后显荧光。例如：α-萘酚⑶金属鳌合物的荧光除过渡元素的顺磁性原字会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不能产生荧光。但是，在某些情况下，金属鳌合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属离子的测定。①鳌合物中配位体的发光：不少有机化合物显然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物和金属离子形成鳌合物，随着分子的刚性增强，平面结构增大，常会发生荧光。例如2，2′-二羟基偶氮苯本身不发生荧光，但与Al3+形成反磁性的鳌合物后，便能发出荧光。又如：8-羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属鳌合物具有很强的荧光。这也是由于刚性和其共平面性增加所致。一般说来，能产生这类荧光的金属离子具有硬酸型结构，如Be、Mg、Al、ZR、Th等。②鳌合物中金属离子的特征荧光：通常是鳌合物首先通过配位体的Л→Л*跃迁而被激发，接着配位体把能量转移给金属离子，导致或d→d*或f→f*跃迁，最终发射的是d*→d或f*→f跃迁光谱。例如Cr3+具有d3结构，它与乙二胺等形成鳌合物后，将最终产生d*→d跃迁发光。二价锰具有d5结构，它与8-强基喹啉-5-磺酸形成鳌合物后，也将产生d*→d跃迁发光。⑷溶剂的影响：增大溶剂的极性，将使n→Л*跃迁的能量增大，Л→Л*跃迁的能量降低，从而导致荧光增强。在含有重原子的溶剂如碘乙烷和四溴化碳中，也是由于重原子效应，增加系间窜跃速率，使荧光减弱。不难理解，磷光则相应增强。⑸荧光的淬灭荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为荧光淬灭。这些引起荧光强度降低的物质称为淬灭剂。引起荧光淬灭的原因很多，机理也很复杂。①碰撞淬灭：是荧光淬灭的主要原因。它是指单重激发态的荧光分子M﹡与淬灭剂Q发生碰撞后，使激发态分子以无辐射跃迁方式回到基态，因而产生淬灭作用。MM*（激发）（）M+hMM*M+h（发生荧光）M*M*+QM+Q+热（淬灭）式中：k1、k2为相应的反应速率常数。很明显，荧光淬灭程度取决k1、k2的相对大小及淬灭剂的浓度。碰撞淬灭还与溶剂的粘度有关。在粘度大的溶剂中，淬灭作用较小。碰撞淬灭将随温度升高而增加。②能量转移：产生于淬灭剂与处于激发单重态的荧光分子作用后，发生能量转移，使淬灭剂得到激发：M﹡+Q→M+Q﹡(淬灭)③氧的淬灭作用：溶液中的溶解氧常对荧光产生淬灭作用，这可能是由于顺磁性的氧分子与处于单重激发态的荧光物质分子相互作用，促进形成顺磁性的三重态荧光分子，即加速系间窜跃所致。④自熄灭和自吸收：当荧光物质浓度较大时，常会发生自熄灭现象，使荧光强度降低。这可能是由于激发态之间的碰撞引起能量损失。当荧光物质的荧光光谱曲线与吸收光谱曲线重叠时，荧光被溶液中处于基态的分子吸收，称为自吸收。3.1.4荧光强度发射的荧光光强IF应正比于该系统吸收的激发光的光强，即：式中：I0是入射光强度，I是通过厚度为b的介质后的光强。常数K′取决于荧光效率。根据比耳定律：式中：ε是荧光分子的摩尔吸光系数，b是液槽厚度，c是荧光物质的浓度，将此式展开，即：若εbc<0.05，则可近似地写成：当I0一定时：由此可见，在低浓度时，荧光强度与物质的浓度呈线性关系。当高浓度时，由于自熄灭和自吸收等原因，使荧光强度与分子浓度不呈线性关系，而产生如下图所示的曲线。随着液槽厚度的增加，弯曲情况发在更低的浓度处。IIFCb=1b=2b=33.2荧光光谱仪（荧光光度计）荧光分析使用的仪器可分为目视、光电、分光三种类型。它们通常均由光源、单色器（滤光片或光栅）、液槽及监测器组成。图3-6为荧光光度剂示意图。光源光源第一单色器样品池第二单色器检测器放大器和记录器I0FI图3-6荧光光谱仪示意图图3-6荧光光谱仪示意图由光源发出的光，经第一单色器（激发光单色器）后，得到所需要的激发光波长。设其强度为I0，通过样品池后，由于一部分光线被荧光物质所吸收，故其透射强度减为I。荧光物质被激发后，将向四面八方发射荧光，但为了消除入射光及散射光的影响，荧光的测量应在与激发光成直角的方向上进行。仪器中的第二单色器称为荧光单色器。它的作用是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰，以获得所需要的荧光。荧光作用于检测器上，得到相应的电讯号，经放大后，再用适当的记录器纪录。3.2.1光源应具有强度大，适用波长范围宽两个特点。常用光源有高压汞灯和氙弧灯。高压汞灯的平均寿命约为1500～3000h，荧光分析中常用的是365、405、436nm三条谱线。氙弧灯（氙灯）是连续光源，发射光束强度大，可用于200～700nm波长范围。在300～400nm波段内，光谱强度几乎相等。此外，高功率连续可调染料激光光源是一种新型荧光激发光源。激发光源的单色性好，强度大。3.2.2滤光片和分光器用滤光片为单色器时，以干涉滤光片的性能最好。它具有半宽度窄，透射率高，经得起强光源的长期照射等优点。较精密的荧光光度计均用分光器作单色器。目前，分光器多采用光栅。3.2.3检测器简易的荧光剂可采用目视或硒光电池检测。但一般较精密的荧光光度计均采用光电倍增管或光电子计数器检测。目前，设计的许多荧光光度计具有不少新的功能。例如，采用双光束荧光分析装置，可以提高方法的精度；采用凹面全息光栅的大孔径异面光学系统，可减少杂散光的影响，并使检测限达5ppt；采用区分器装置，可以识别暗电流而不予纪录，以减小荧光讯号的噪音等。此外，不少仪器还配有累加、微分、偏振、流动注射和液相色谱连用装置等，大大扩展了荧光分析的应用范围。溶剂中杂质的荧光光谱或溶剂的拉曼光谱可能干扰测定。不同溶剂在不同波长的激发光照射下，其拉曼光的频率随激发光的频率而变化，但其差值却保持一定，即拉曼光与激发光的波长有一定差值。若拉曼光处于荧光波长中，则产生干扰，消除的方法有：①选用高分辨率的仪器②纯溶剂的拉曼峰进行测定，然后在荧光光谱中进行矫正。如果采用差示光谱法，则可将样品光谱与空白溶液的拉曼光谱相减，得到差示光谱。3.3荧光分析方法3.3.1分析方法多采用标准曲线法，即以已知量的标准物质经过和试样同样的处理后，配成一系列的标准溶液，测定这些溶液的荧光强度后，用荧光强度对标准溶液浓度绘制标准曲线，然后根据试样溶液的荧光强度，在标准曲线上求出试样中荧光物质的含量。3.3.2荧光分析法的灵敏度荧光法的灵敏度比分光光度法高2～4个数量级。这是由于在分光光度法中，被检测的讯号为A=lg，即当试样浓度很低时，检测器所检测的是两个较大的讯号（I0及I）的微小差别，这是难以达到准确测量的。然而在荧光光度法中，被检测的是叠加在很小背景值上的荧光强度，从理论上讲，它是容易进行高灵敏、高准确测量的。当然，增强入射光强度或提高荧光讯号的放大倍数，均可降低其检出限。在分光光度法中，摩尔吸光系数ε的大小可用来表示方法的灵敏度，ε越大，说明该吸光物质的吸光度越大，其测定的灵敏度也越高。在荧光光度法中，灵敏度不仅与该物质激发时的ε有关，而且也与荧光发射时的量子效率有关。荧光光度法的绝对灵敏度，可定义为ε的乘积。ε的单位为μg•cm2,ε值越大，显然得到的荧光强度也越大，测定的灵敏度也越高。在实际工作中，当用荧光分光光度计进行测量时，通常只有荧光最大发射波长附近很窄波段的荧光被检测，设此时荧光发射光谱的半峰宽度为H，则荧光光度法的绝对灵敏度通常定义为ε/H。式中H的单位为μm-1。一般情况下，多采用相对灵敏度来表示。相对灵敏度是以喹啉硫酸氢盐的0.05mol/L的硫酸溶液为标准，并定为1，然后与相同浓度荧光物质的荧光强度进行比较，即可求得该物质的相对灵敏度。3.4荧光光谱法在环境监测中的应用3.4.1大气SO2中的测定紫外荧光法测定大气中的SO2，具有选择性好、不消耗化学试剂、适用于连续自动监测等特点，已被世界卫生组织在全球监测系统中采用。目前广泛用于大气环境地面自动监测系统中。用波长190～230nm紫外光照射大气样品，则SO2吸收紫外光被激发至激发态，即：SO2+hγ1→SO2＊，激发态SO2＊不稳定，瞬间返回基态，发射出波峰为330nm的荧光，即：SO2＊→SO2+hγ2，发射荧光强度和SO2浓度成正比，用光电倍增管及电子测量系统测量荧光强度，即可得知大气中SO2的浓度。主要干扰物质是水分和芳香烃化合物。SO2可溶于水造成损失，另一方面由于SO2遇水产生荧光淬灭而造成负误差，可用半透膜渗透法或反应室加热法除去水的干扰。芳香烃化合物在190～230nm紫外光激发下也能发射荧光造成正误差，可用装有特殊吸附剂的过滤器预先除去。紫外荧光SO2监测仪由气路系统及荧光计两部分组成（如下图示）。大气试样经降尘过滤器后通过采样阀进入渗透膜除水器、除烃器到达荧光反应室，反映后的干燥气体经流量计测定流量后排出。气样流速为1.5L/min。图3-8SO2图3-8SO2荧光监测仪示意图12510436897111.光源2.透镜3.反应室4.透镜5.激发光滤光片6.发射光滤光片7.光电倍增管8.放大器9.指示表10.抽气泵11.气样3.4.2空气中苯并（α）芘的测定乙酰化滤纸层析—荧光分光光度法将采集在玻璃纤维滤膜上的颗粒物中的BaP及一切有机溶剂可溶物，用环己烷在水浴上以孛氏提取器连续加热提取后，进行浓缩。用乙酰化滤纸层析分离。BaP斑点用丙酮洗脱后，以荧光分光光度法定量测定。当采样体积为40m3时，最低检出浓度为2×10-5μg/m3醋酸纤维素薄层层析—荧光分光光度法采集在玻璃纤维滤纸上飘尘中的BaP，用充氧升华法或连续提取法提取，再经醋酸纤维素薄层层析法分离，分离出的BaP斑点，用苯洗脱，以荧光分光光度法定量测定。检出限：10-4mg/L；特点：设备简单，操作容易、易于掌握和推广、干扰少、灵敏度高、重现性好、速度较快。3.4.3水环境中苯并(α)芘[BaP]的测定苯并(α)芘是一种由五个苯环构成的多环芳烃化合物，分子式为C20H12，分子量为252。它是一种有代表性的强致癌物质。由于它对人体的严重危害，环境中存在的苯并(α)芘引起各国的高度重视，被列为环境污染致癌物质监测工作中的常规项目之一。我国生活饮水卫生标准中规定它的含量不得超过0.01μg/L。水中的苯并(α)芘主要来自于淋洗大气的雨水、工业排污及船舶油污等，尤其以焦化、炼油、沥青、塑料等工业废水中的苯并(α)芘含量较高。层析—荧光分光光度法（GB11895-89）远离：水中多环芳烃及环己烷可溶物经环己烷萃取（水样必须充分摇匀），萃取液用无水硫酸钠脱水、浓缩，然后经乙酰化滤纸分离。分离后的B(a)P用荧光分光光度计测定。试剂：苯并(a)标准溶液，环己烷，丙酮，甲醇，乙醚，苯（），以酸酐，硫酸，无水硫酸钠，二甲基亚砜（DMSO）。仪器：备有紫外激发的荧光分光光度计，10mm石英比色皿。乙酰化滤纸的设备：把15×30cm的层析滤纸15至20张卷成高15cm的圆筒状，逐张放入1000ml高型烧杯中，杯壁与靠杯的第一张纸间插入一根玻璃棒，杯中间放一枚玻璃熔封的电磁搅拌铁芯。在通风柜中，沿杯壁慢慢倒入乙酰化试剂（由苯+乙酸酐+浓硫酸=750ml+250ml+0.5ml混合配制成），磁力恒温搅拌器的温度保持55±1℃测定步骤：（1）样品和标样的预处理：取500ml均匀水样，用50ml环己烷萃取两次，合并环己烷萃取液。用无水硫酸钠干燥后用K-D浓缩器于70～75℃水浴上浓缩至体积约0.05ml，以备纸层析用。用乙酰化滤纸以甲醇+乙醚+纯水（4+4+1）为展开剂进行层析。剪下与标准苯并(α)芘高度相同的斑点，用丙酮溶解，离心，上清液备用。（2）样品测定：将标准苯并(α)芘斑点和样品斑点的丙酮洗脱液分别倒入10mm的石英皿中，在激发、发射狭缝分别为10nm和2nm，激发波长为367nm处，测其发射波长402、405和408nm处的相对荧光强度（F402、F405和F408）。结果计算：，式中：C—水样B(a)P含量，μg/L；M—标准B(a)P点样量，μg；F标准—标准B(a)P的相对荧光强度；F样品—样品斑点的相对荧光强度；V—水样体积，L；R—环己烷提取液总体积与浓缩时所取的环己烷提取液的体积比值。3.4.4水质中硒的测定—2,3二氨基萘荧光法（GB11902-89）原理：2,3-二氨基萘在Ph1.5～2.0溶液中，选择性地与四价硒离子反应生成4,5-苯并苤硒脑（4,5-benzonpiaselenol）绿色荧光物质，被环己烷萃取。所产生的荧光强度与四价硒含量成正比。水样经硝酸—高氯酸混合酸液消解，将四价以下的无机和有机硒氧化为四价硒，再经盐酸消解将六价硒还原为四价硒，然后测定总硒含量。3.5磷光分析法3.5.1原理（1）磷光发射：电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。但是，由第一激发单重态的最低震动能级，有可能以系间蹿跃方式转至第一激发三重态，再经过振动弛豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回到基态时，便发射磷光。这个跃迁过程（T1→S0）也是自施禁阻的，其发光速率较慢，约为10-4～100s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。（2）增强磷光的措施：由于磷光的产生涉及到激发单重态经系间蹿跃转至激发三重态（S1→T1）和由激发三重态经禁阻跃迁回到基态，在动力学上处于不利的情况，所以很容易受其它辐射或无辐射跃迁的干扰而使磷光强度减弱，甚至完全消失。因此，为了获取较强的磷光，可采用下列一些措施。（1）增加试样的刚性：这种方法可减小质点间的碰撞几率，以减小无辐射跃迁。低温磷光就是基于这一原理建立起来的。通常，将被分析试样的乙醚或异戊醇溶液置于液氮中（亦有采用二乙醚、异戊烷和乙醇按5﹕5﹕2混合称为EPA混合溶剂），让其冷冻至玻璃状后，即可进行磷光测定。（2）固体磷光法：将被分析物直接固定在固体载体上，将任何液体溶剂除去后进行斑点磷光测定。吸附有机化合物的固体载体有：滤纸、硅胶、氧化铝、硅橡胶、石棉、玻璃纤维、醋酸钾、溴化钾、纤维素、蔗糖、淀粉等。理想的载体应是既能将分析物质牢固地束缚在表面或基体中以增强磷光强度，本身又不产生背景干扰。常用的是滤纸和纤维素色层纸。（3）分子缔合物的形成：在试液中，表面活性剂与被测定物质形成胶束缔合物后，可增强其刚性，减小因碰撞而引起的能量损失。例如在十二烷基硫酸盐和重原子存在下，可测定10-6～10-7mol的萘、芘和联苯，精密度达6%。又如环糊精室温磷光法，也是基于形成刚性较好的缔合物。环糊精是有几个葡萄糖实体所组成。这些葡萄糖分子偶联形成一个刚性的圆锥体结构，其中含有特定的体积的憎水空腔。其他物质只要分子大小合适，便很容易取代空腔中的水而形成稳定的包含络合物。这种络合物具有空间选择性。在重原子溶剂1,2-二溴乙烷存在下，通过形成环糊精—磷光团-二溴乙烷络合物，可产生很强的室温磷光。方法灵敏度很高，菲和芘的检测限分别为5×10-13mol/L和1×10-11mol/L。选择性好，对氧不大敏感，光谱振动带的分辨率比胶束稳定室温磷光法好。（4）重原子效应：在含有重原子的溶剂如碘乙烷和溴乙烷中，有利于系间蹿跃这种方式，因而有利于S1→T1跃迁，使磷光得到增强。（5）敏化磷光:这种磷光产生的机理有所不同，且情况比较复杂。分析物质被激发后，并不发射荧光，而是经过系间窜跃，转至第一激发三重态（T1）。此时，当有能量受体存在时，便发生分析物质的激发三重态T1将能量转移至受体的激发三重态T1，，然后当受体从T1，跃回至基态S’0时，便产生磷光。这一过程的能量转移情况如下图所示。SS1S0S0'T1'S1T1能量受体由图3-9见，在这种方法中，分析物质本身并不发磷光，而是引发受体发磷光。利用这种方法，可测定10-9mol/L的可卡因。此外，与间接荧光法一样，也可以利用磷光猝灭效应，用见解磷光法测定某些物质。3.5.2磷光分析仪器通常，磷光仪与荧光仪相似，而且在荧光分光光度计中，可以配上磷光分析附件。磷光光度计由光源、激发光单色器、液槽、发射光单色器、检测器等组成，它与荧光计的主要区别：（1）液槽：为了在低温下测定磷光，盛试样溶液的石英液槽需放置在盛液氮的石英杜瓦瓶内。（2）斩波片：由于发生磷光的物质常伴随有荧光产生，为了区别磷光和荧光，在激发光单色器和液槽之间以及在液槽和发射光单色器之间各装一个斩波片，并由一个同步电动机带动。这两个斩波片可调节为同相或异相。同相时，磷光和荧光一起进入发射光单色器，测到的是磷光和荧光的总强度。当斩波片调节为异相时，激发光被遮断。此时，由于荧光的寿命短，立即消失，而磷光寿命长，所以测到的仅为磷光。利用斩波片，不仅可分别测出荧光和磷光，而且可以通过调节两个斩波片的转速，测出不同寿命的磷光。这种具有时间分辨功能的装置，是磷光光度计的一个特点。美国P-E公司生产的LS-5和LS-3型分光光度计可用于测定荧光、磷光、化学发光和生物发光。3.5.3分析方法一般多采用标准曲线法，即用已知量的标准物质，经过和试样同样的处理后，配成一系列的标准溶液。测定这些溶液的磷光强度后，以磷光强度对标准溶液