第六章原子荧光光谱法

第六章 原子荧光光谱法

AFS特点 • 高灵敏度、低检出限：特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出 限，Cd可达0.001ng.cm-3、Zn为0.04ng.cm-3。 • 谱线简单、干扰少 • 分析校准曲线线性范围宽，可达3 ~ 5个数量级 • 多元素同时测定 • 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，尚有一定的困难 • 散射光的干扰也是原子荧光分析中的一个麻烦问题 AFS不如AAS和AES应用广泛，但可作为这两种方法的补充

6.1 基本原理

6.1.1 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 或不同的辐射即为原子荧光。原子荧光属光致发光，也是二次发光。当激 发光源停止照射后，再发射过程立即停止。

6.1.2 原子荧光的类型--共振荧光、非共振荧光与敏化荧光 ¾共振荧光 ：气态自由原子吸收共振线被激发后，再发射出与原激发辐 射波长相同的辐射即为共振荧光

2 A B 1 0

resonance fluoresence A: normal, B: thermally assisted 它的特点是激发线与荧光线的高低能级相同，其产生过程如图A；若 原子受激发处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射相同波 长的共振荧光，此种原子荧光称为热助共振荧光，如图B。

¾非共振荧光：当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光 •Stokes荧光：荧光线的波长大于激发线的波长

• 直跃线荧光 • 阶跃线荧光

•anti-Stokes荧光：荧光线的波长小于激发线的波长

•直跃线荧光：激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所发射的荧光

3

B

3 B 2 1 0 Stepwise-line fluoresence A: normal, B: thermally assisted

2

A

Direct-line fluoresence A:normal, B: thermally assisted •阶跃线荧光

1 0

A

•正常阶跃线荧光：被光照激发的原子以非辐射形式去激发返回到较低能 级，再以辐射形式返回基态而发射的荧光（A），其荧光波长大于激发线波 长 •热助阶跃线荧光：被光致激发的原子跃迁至中间能级，又发生热激发至高 能级，然后返回至低能级发射的荧光（B）

•anti-Stokes荧光: 当自由原子跃迁至某一能级，其获得的能量一部分是由 光源激发能供给，另一部分是热能供给，然后返回低能级所发射的荧光为 anti-Stokes荧光。其荧光能大于激发能，荧光波长小于激发线波长

3 2 A B 1 0

anti-Stokes荧光

¾敏化荧光: 受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另 一个原子使其激发，后者在以辐射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光

6.1.3 荧光强度

原子荧光强度If正比于基态原子对某一频率激发光的吸收强度Ia： • φ是荧光量子效率，表示发射荧

光光量子数与吸收激发光量子数之比 • 若激发光源是稳定的，入射光是平行而均匀的光束，自吸忽略不计，则基 态原子对光吸收强度Ia用吸收定律表示：

If = φ Ia

Ia = φAI0(1- e -ε l N)

I0--原子化器内单位面积上接受的光源强度 A--受光源照射在检测器系统中观察到的有效面积 l--吸收光程长 ε--峰值吸收系数 N--单位体积内的基态原子数

If = φAI0 ε l N

当仪器与操作条件一定时，除N外，其它为常数，N 与试样中被测元素浓 度C成正比

If = KC

上式为原子荧光定量分析的基础。

6.1.4 原子荧光的理论分析曲线

• 连续光源：原子浓度很低时，荧光强度与原子浓度之间呈线性关系；随着 原子浓度增大，荧光强度趋于稳定，分析曲线出现平台 • 锐线光源：原子浓度很低时，荧光强度与原子浓度之间呈线性关系；随着 原子浓度增大，分析曲线斜率为负，荧光强度有最大值 • 火焰的温度和形状、吸收池的结构、观察的方向和光源的性能都会一向 荧光量子效率和荧光强度

6.1.5 量子效率与荧光猝灭

• 量子效率：一般小于1，因为光致激发的原子，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。 • 荧光猝灭：受激原子和其它粒子碰撞，把一部分能量变成热运动与其它形 式的能量，因而发生无辐射的去激发过程。 • 荧光猝灭会使荧光的量子效率降低，荧光强度减弱。

6.2 仪器

原子荧光光度计分为非色散型和色散型。这两类仪器的结构基本相 似，只是单色器不同。 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信 号的干扰；检测器为光电倍增管等。 下面讨论原子荧光光度计与原子吸收光度计的主要区别：

6.2.1 光源

• 高强度空心阴极灯：在普通空极阴极灯中，加上一对可二次放电的辅助电 极，从而大大提高金属元素的共振线强度（对其它谱线的强度增加不大） • 无极放电灯：比高强度空心阴极灯的亮度高，自吸小，寿命长，特别适用 于在短波区内有共振线的易挥发元素的测定。 • 可调谐染料激光器：输出功率极高（可获得饱和荧光），检出限极低；谱 线波长和范围可调，激发的灵敏线多在Vis区，采用倍频技术可扩展到UV • 连续光源（高压氙弧灯）：可进行多元素同时测定，但检出限比线光源低 • 等离子光源：溶液喷入ICP可得到对应元素发射线，用于多元素同时测定

6.2.2 原子化器

高原子化效率、低猝灭性、背景辐射弱和稳定性好 • 火焰原子化器 – 火焰类型和温度不同，离子效率不同，一般用猝灭剂含量低的氢 火

焰，并以氩气隔离；火焰截面为方形或圆形 – 背景高，只适合分析共振线为400nm以下的元素 无火焰原子化器 – 包括石墨炉和其他炉原子化器 – 背景和热辐射很小，猝灭效应小，检出限低，ALF+GF可到pg级 氢化物法原子化器 ICP – 可用于多元素分析，尤其是难熔元素的分析，脉冲HCL+ICP-AFS 检出限低到ng/mL

•

• •

6.2.3 光学系统

• 在原子荧光中，为了检测荧光信号，避免待测元素本身发射的谱线，要求 光源、原子化器和检测器三者处于直角状态。而原子吸收光度计中，这三 者是处于一条直线上。 • 原子荧光简单，谱线干扰少，对分辨率要求不高，光栅和棱镜是常用的色 散元件，甚至不用单色器或用滤光片即可

6.2.4 检测系统

（日盲）光电倍增管或光子计数器

6.3 定量分析方法 6.3.1 定量分析方法 — 标准工作曲线法 6.3.2 干扰及消除

• 主要干扰是猝灭效应，可减少溶液中其它干扰离子的浓度避免 • 由于光源的强度比荧光强度高几个数量级，因此散射光可产生较大的正干 扰

– 减少散射干扰，主要是减少散射微粒 – 采用预混火焰、增高火焰观测高度和火焰温度，或使用高挥发性的溶剂 等，均可以减少散射微粒 – 也可采用扣除散射光背景的方法消除其干扰

• 其它干扰因素如光谱干扰、化学干扰、物理干扰等与原子吸收光谱法相 似。

6.3.3 氢化法在原子吸收和原子荧光中的应用

氢化法是原子吸收和原子荧光光度法中的重要分析方法，主要用于易形 成氢化物的金属，如砷、碲、铋、硒、锑、锡、锗和铅等，汞生成汞蒸气。 氢化法是以强还原剂硼氢化钠在酸性介质中与待测元素反应，生成气态 的氢化物后，在引入原子化器中进行分析。 由于硼氢化钠在弱碱性溶液中易于保存，使用方便，反应速度快，且很 容易地将待测元素转化为气体，所以在原子吸收和原子荧光光度法中得到广 泛的应用。