「学我测」原子荧光光谱法常用知识

原子荧光光谱法常用知识

1、 原理

原子荧光谱法(AFS)是原子光谱法中的一个重要分支。从其发光机理看属于一种原子发射光谱(AES)，而基态原子的受激过程又与原子吸收(AAS)相同。因此可以认为AFS是AES和AAS两项技术的综合和发展，它兼具AES和AAS的优点。

原子荧光：基态的原子蒸气吸收一定波长的辐射而被激发到较高的激发态，然后去活化回到较低的激发态或基态时便发射出一定波长的辐射。

原子荧光光谱法：蒸气相中基态原子受到具有特征波长的光源辐射后，其中一些自由原子被激发跃迁到较高能态，然后去激发跃迁到某一较低能态（常常是基态）或邻近基态的另一能态，将吸收的能量以辐射的形式发射出特征波长的原子荧光谱线。各元素都有特定的原子荧光光谱，根据原子荧光强度可测得试样中待测元素的含量。

荧光光谱的激发过程类似于原子吸收光谱，发射过程则类似于原子发射光谱。原子荧光特点：谱线简单，光谱干扰少；检出限低；线性范围宽；AFS适用元素的范围不广泛。

原子荧光的类型：共振荧光（最多）、非共振荧光（直跃线荧光、阶跃线荧光、反斯托克斯荧光）、敏化荧光。

共振荧光：在同一低能态与高能态被激发和跃回，因而原子所吸收辐射的波长和辐射出的荧光波长相同。共振跃迁产生的谱线是在分析中最有用的荧光谱线。

非共振荧光：当激发线波长和观察到的荧光线不相同时，就产生非共振荧光。

敏化荧光：被外部光源激发的原子或分子（给予体）通过碰撞把自己的激发能力转移给待测原子（接收体），然后处于激发态的待测原子或分子（接受体）通过辐射去激发而发射出的荧光。

原子荧光的淬灭：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将发射出荧光，也可能在原子化器中与其他分子、原子或电子发生非弹性碰撞而散失其能量，在后一种情况下，荧光将减弱或不产生，这种现象称荧光的猝灭。荧光猝灭会使荧光量子效率降低，荧光强度减弱。荧光猝灭的程度与原子化器中存在的分子种类有很大关系，CO2与O2是典型的猝灭剂，氩气和氦气氛中荧光的猝灭最小。

荧光猝灭的类型：与自由原子碰撞；与分子碰撞；与电子碰撞；与自由原子碰撞后，形成不同的激发态；与分子碰撞后，形成不同的激发态；化学猝灭反应。

蒸气发生-非色散原子荧光光谱分析法

蒸气发生-非色散原子荧光光谱法（VG-AFS）是将蒸气发生法与非色散原子荧光光谱法相结合的联用分析技术。它是原子荧光光谱法中的一个重要分支，也是目前原子荧光光谱法中唯一成功商品化的仪器，现已成为常规的原子法中测定痕量或超痕量元素的分析方法之一。

方法原理：利用蒸气发生技术将还原剂（KBH4或NaBH4）与酸性样品溶液产生化学反应，将生产的共价氢化物元素As、Sb、Bi、Se、Te、Pb、Sn、Ge、蒸气态Hg原子、挥发性化合物元素Zn和Cd，以及产生的氢气由载气（Ar）导入原子荧光光谱仪的低温石英炉原子化器形成的氩氢火焰中原子化，由氩氢火焰离解成被测元素的原子，受到激发光源特征光谱照射后，受激发至高能态而后去激发回到基态时辐射出原子荧光。这些不同波长的原子荧光信号，通过光电倍增管将光信号被转换成电信号，检测出被测样品中元素的含量。

方法应用范围要求：蒸气发生法中的待测元素必须能够生成气态共价氢化物或挥发性化合物，且生成物的稳定性必须满足导入原子化器，且能在原子化器中原子化；采用非色散原子荧光光谱仪进行检测的要求是，被测元素产生的荧光谱线必须落在日盲光电倍增管检测器的紫外波段（190 nm至310 nm）范围内。

蒸气发生的基本方法：

氢化物发生是利用某些能产生初生态还原剂或化学反应，将样品溶液中的分析元素还原为挥发性共价氢化物，然后借助载气流将其导入原子荧光光谱分析系统进行测量。对于As、Sb、Bi、Se、Te、Pb 、Sn、Ge等元素，可在一定酸度下，用NaBH4或KBH4还原成易挥发、易分解的氢化物，如AsH3、SnH4等，然后由载气（氩气或氮气）送入电热石英管内，氢化物分解为气态原子，测量其荧光强度。

氢化物发生法方式：金属¾酸还原体系（Marsh反应）；硼氢化物¾酸还原体系；电解体系。最常用的是硼氢化物¾酸还原体系。

硼氢化物¾酸还原体系：酸化过的样品溶液中的砷、铅、锑、硒等元素与还原剂(一般为硼氢化钾或钠)反应在氢化物发生系统中生成氢化物：

BH+3H2O+H+=H3BO3+Na++8H*+Em+=EHn+H2

氢化物发生法特点：与可能引起干扰的样品基体分离；充分预富集，进样效率近于100%；易于实现自动化；价态分析。

形成氢化物的元素的价态：As（3+）、Sb（3+）、Bi（3+）、Se（2+ 、4+）、Te（4+）、Ge（4+）、Pb（4+）、Sn（4+）。蒸气发生-原子荧光法中各元素的反应介质和酸度见下表

干扰分类：光谱干扰（散射光干扰、谱线重叠干扰）；非光谱干扰（液相干扰、气相干扰）

2、设备结构

蒸气发生-原子荧光光谱仪的基本结构由激发光源、原子化器、蒸气发生系统、光学系统、检测系统及工作软件等部分组成，如果是全自动仪器则可增加一个自动进样器。当前国内外生产的蒸气发生-原子荧光光谱商品仪器，都是采用的非色散系统原子荧光光谱仪。

原子荧光光谱仪类型：非色散型、色散型。由于原子荧光辐射强度在各个方向是完全相同，因此可从火焰的任何角度检测到被测元素的原子荧光信号，检测器与激发光源的光束必须成一定角度。根据原子荧光光谱仪采用的色散系统的结构可以分为两种类型：即非色散和有色散原子荧光光谱仪。

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。因此，一个比较理想的激发光源应当具备以下条件：1）发射谱线强度高，无自吸现象；2）具有良好的长时间的稳定性，噪声小；3）发射的谱线窄，且纯度高；4）预热时间短，使用寿命长；5）能适用与大多数元素分析同类型商品化的元素灯；6）操作简便，不需要复杂的电源；7）光源及电源的成本低。

激发光源类型包括高强度空心阴极灯（可使用，较强的荧光信号，结构复杂价格高）；空心阴极灯（不用，AAS用的HCL不能激发出足够强的荧光信号）；无极放电灯（可使用，价格高）；蒸气放电灯（只适用于Zn、Cd、Hg等少数元素，有严重自吸，少用）；连续光源（高压汞氙灯，检出限差，光散射及光谱干扰严重，少用）。

原子化器：原子化器的作用是将样品中被分析元素转化为基态原子，是原子荧光光谱仪器中的关键部件，直接影响仪器的分析灵敏度的重要因素。主要分为火焰原子化器、无火焰原子化器和石英炉原子化器。

火焰原子化器：在早期，原子荧光光谱仪首选的原子化器为火焰原子化器，优点为结构简单、操作方便。但是缺点：容易发生荧光猝灭现象，必须采用大流量的氮气进行屏蔽，对于某些元素原子化效率较低，且火焰发射背景很高，特别是因试样被大量气体所稀释，难以获得较好的检出限。

无火焰原子化器：无火焰原子化器包括石墨炉、石墨杯、碳丝、碳棒、金属环等，虽然某种程度上能克服火焰原子化器的不足，具有一定的优越性，但是物理干扰比较复杂，且测定重现性较差。

石英炉原子化器（主要）：该种原子化器的结构比较简单，操作安全方便；同时形成的氩氢火焰原子化效率较高、在紫外区波段的辐射背景较低，且传输效率高、物理和化学干扰小、记性效应小、分析灵敏度高及重现好等。应该说在蒸气发生-原子荧光光谱法中是一种比较理想的原子化器。氢化物法原子化器加热方式有石英炉电热原子化器和石英炉红外加热原子化器两种。

光学系统：非色散原子荧光光谱仪的光学系统基本要求是检测器必须从偏离入射光的方向进行检测，即在几乎无背景条件下检测荧光强度。单道蒸气发生-原子荧光光谱仪的光学系统的结构如下：由一个空心阴极灯发出的光束经聚光镜会聚在石英炉原子化器的火焰中心，经激发产生的原子荧光，一般较多采用光源的入射光线以90°入射角射向光电倍增管聚光镜。以1：1的成像关系汇聚成像在光电倍增管的阴极面上，两块透镜的焦距相同，物距=像距=60 mm。色散系统指用单色器分光。非色散系统不分光，没有单色器。为了降低室内光线影响，采用工作波长为160-320nm的日盲倍增管，直接检测荧光。这种系统具有设计简单且便宜，不存在波长漂移，有较好的检出限，目前国产仪器多采用。这种系统不足之处是：用日盲倍增管，较易受到散射和光谱干扰，对光源的纯度有较高的要求。

蒸气发生反应系统：自从硼氢化钾（钠）-酸反应体系应用于氢化物发生以来，直接传输方法-蒸气发生反应的气态氢化物、挥发性化合物以及产生的氢气，由载气（Ar）直接导入原子化器，得到迅速的发展和广泛的应用。蒸气发生反应系统由进样装置和气液分离器两部分组成。传输方法包括间歇法、连续流动法、断续流动法、流动注射法，常用的是连续流动-间歇进样法。需具备特点：1）蒸气发生反应效率高；2）记忆效应小，重现性好；3）气液分离效果好，消耗载气量少；4）自动化程度高；5）操作简便。

检测系统：蒸气发生-原子荧光光谱分析产生的荧光信号通过光电倍增管将光信号转变为电信号，是仪器接收系统的核心部分。该信号经过前置放大器、主放大、同步解调和积分器等系列信号接收和处理，由微机对数据进行处理和计算。荧光信号照射到光电倍增管上的光强度和光电流之间具有线性关系。

光电倍增管的外形类似真空电子管，它由光阴极、打拿极和阳极三部分组成，安装在封闭的管壳内。普通光电倍增管常用光阴极材料Sb-Cs材料制成，在可见光范围内有较高的灵敏度。在原子荧光非散射系统中，通常采用日盲光电倍增管的光阴极由Cs-Te材料做成。这种光阴极材料对（160~320）nm波长的辐射有很高的灵敏度，而对应大于320 nm的波长突然变得不灵敏。

3、 测定条件的选择

灯电流：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。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。而且汞灯易受外界因素如温度的影响。不同元素灯的灯电流与荧光强度的关系见下图：

负高压：负高压指加于光电倍增管两端的电压。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。负高压越大,放大倍数越大,但同时暗电流等噪声也相应增大。一般情况下负高压设置为（220～300）V时具有较高的分析灵敏度，在次范围内每增加20V分析灵敏度可提高一倍左右。

石英炉原子化器的预加热温度：预加热温度指石英炉芯内的温度，不同的分析元素对原子化器温度有不同的要求，选用适宜的原子化器的预加热温度，有利于达到最佳的分析灵敏度和测定精密度，且有利于降低记忆效应。当氢化物通过石英炉芯进入氩氢火焰原子化之前，适当的预加热温度，可以提高原子化效率、减少猝灭效应和气相干扰。石英炉芯内的温度为200℃，即预加热温度为200℃。原子化器预加热温度不同于原子化温度（即氩氢火焰温度），氩氢火焰温度大约在780℃左右。

气体（Ar）流量：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。载气一般为氩气。载气流量小，氩氢火焰不稳定重复性差；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断，无法形成氩氢火焰，使测量没有信号。一般采用标准溶液进行观察试验，再根据实际需求确定具体数值。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，起到保持火焰形状稳定，防止原子蒸气被周围空气氧化的作用。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。一般根据仪器推荐值而定。

进样量的选择和采样控制:在蒸气发生-原子荧光光谱分析中当进样量达到一定量值时，仪器的检出限不会产生明显变化，断续流动氢化反应系统的进样量一般在1 mL左右。 采样控制指选取合适的延时时间、积分时间、注入时间以及清洗时间，以达到最大限度地获得有用信号及缩短分析时间。注入时间>延迟时间+积分时间。

原子化器高度：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，见下图：

仪器测定参数示例：

4、 检测分析要求

酸类纯度及水质的要求：盐酸中含量较高含量的砷、汞，硝酸中含汞量较低，硫酸中硒含量较高。用于原子荧光检测的酸采用优级纯酸，酸在使用前先检验空白，水采用超纯水。汞的测定可选用硝酸，硒的测定避免用硫酸。

载流：在分析过程中，载流用于推动样品至反应系统参与反应并清洗整个进样系统，原则上载流溶液的介质和酸度应与标准溶液相一致，而且应与配制标准溶液的酸为同一瓶酸，避免标准溶液与载流中的空白不一致。除特殊情况当酸的纯度达不到要求时，可适当降低载流的酸度。以下是各元素常用载流的介质及酸度。

还原剂：常用KBH4或NaBH4，1）国内主要生产硼氢化钾，而国外仅生产硼氢化钠，不管使用哪一种，一般要求含量不小于95%；2）所配制的硼氢化钾（钠）溶液中必须含有一定量的氢氧化钾（钠），以保证溶液的稳定性，建议氢氧化钾的浓度为0.2%～0.5%，过低的浓度不能有效防止硼氢化钾的分解，过高的浓度会影响氧化还原反应的总体酸度。；3）配制后的硼氢化钾（钠）溶液应避免阳光照射，从而引起还原剂分解产生较多气泡，影响测定的精度。如发现溶液有浑浊物，应过滤后使用，应现配现用。

5、 测定案例

（1） 砷的测定

砷是当前蒸气发生-原子荧光光谱法检测法中应用最多，最成熟的元素之一。砷元素存在多种形态，其分别在最优化条件下的蒸气发生效率不尽相同，见下表。

As（Ⅲ）具有最高的蒸气发生效率，而AsB和AsS的蒸气发生效率基本为零。由于样品中的砷存在多种不同形态，需要对样品进行后续处理，转化为能够直接测量的溶液状态的As（Ⅲ），才能获得最佳的灵敏度响应和准确的测量结果。在样品处理过程中，首先要做的是对样品进行消解，去除有机质，使样品中所有的砷形态全部转化为溶液状态的无机态砷；其次需要加入还原剂和掩蔽剂，将无机态砷全部转化为As（Ⅲ），并且抑制干扰的发生。

同一元素的不同形态可能具有完全不同的化学和毒理性质，一个典型的例子就是砷元素。砷在自然界中以无机和有机的形式存在，无机砷化合物毒性极强，如砷酸盐(As(V))、亚砷酸盐(As(III))；有机砷化合物中一甲基砷化合物(MMA)和二甲基砷化合物(DMA)也有毒，但毒性低于无机砷化合物；而一般认为砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)无毒。

检测注意事项：1）盐酸空白；2）器皿必须用（1+1）HNO3浸泡24小时；3）所配制的砷标准贮备液为三价状态,为防止在保存期间砷被氧化,仍建议采用硫脲、硫脲+抗坏血酸、或碘化钾预先还原As(Ⅴ)至As(Ⅲ),还原速度受温度影响,室温低于或小于15℃,至少应放置30分钟,样品也必须同样进行预还原。4）硼氢化钾溶液浓度对As测定有较大影响；5）湿法消解后注意赶酸，至氮氧化物尽量少，以达到加入预还原剂时能起到把五价As还原为三价As的作用。

干扰及消除办法：在HCL>2.4mol/L情况下,硫脲或硫脲+抗坏血酸溶液可以将As（Ⅴ）

还原至三价状态，同时可以消除Cu、Ni等元素的干扰。浓度1μg / LAs加入还原剂后,下列元素浓度不干扰测定:K 500 mg / L, Na 500 mg / L, Ca 500 mg / L,Mg 1000 mg / L, Zn 200mg / L, Cd 50 mg / L, Co 50 mg / L, Ni 20 mg / L, Cu 150mg / L。其它可形成氢化物元素的有，Sn 12 mg / L, Se 25mg / L, Te 25mg / L, Pb 50mg /L ， Sb 6mg / L, Bi 4mg / L, 及Hg 0.8mg / L不干扰测定。大量Sb产生气相干扰,可将氢化物通过高锰酸钾溶液吸收消除干扰。对于特殊样品还可以采用蒸馏，萃取等分离手段达到消除干扰的目的。

（2）汞的测定

采用低温蒸气原子荧光光谱法测汞分析技术具有很高灵敏度，也是目前原子光谱分析中最为灵敏的方法之一。汞具有较强的化学迁移性，在样品处理过程中极易发生损失，也易发生交叉污染。汞在干灰化法时完全损失，即使加入回话助剂防止挥发效果也不明显。密闭条件下的湿法消解和回流消解是汞的处理应用最多的方法。废水及有机质含量较高的水样多采用KMnO4-K2S2O8法进行消解，相对洁净的水样则采用KBrO3-KBr法消解。有机质含量较高样品（如食品等）采用HN03-H2O2消解液，以高压消解或微波消解完成。

检测注意事项：1）一般分析纯盐酸、硝酸中存有较高含量汞，特别是盐酸中；2）容器使用前用20% HNO3浸泡及清洗；3）KBH4溶液最好现用现配，如果放置时间稍长，其还原能力下降，从而导致灵敏度下降。4）在气温较高时（≥30℃），信号不稳定，因此在夏季测定时，宜在有空调的实验室内进行。

干扰及消除办法：Fe、Al、Mg、Ca、K、Na、Cu、Pb、Li、Rb、Cs、Mn、W、Mo、V、Sr、Ti、Sn、Ba、Ti、Cd、Co、Ni、Cr、Ge、Ga、In不干扰测定。可形成氢化物元素As、Sb、Bi不大于500μg/ml一般不干扰测定。Au<5μg/ml,Ag<25μg/ml不干扰测定。Au、Ag、Pt和Pd等元素有干扰时，可以加入硫脲消除贵金属的干扰，降低KBH4浓度或加入铁盐也可减轻上述元素干扰。

6、常用元素测定波长

砷193.7nm；汞253.65nm。

附：原子荧光测定中选择最佳的工作参数

1、选用高强度的空心阴极灯，增强灯的使用寿命

原子荧光对空心阴极灯的要求极其严格，普通的空心阴极灯是不能够满足原子荧光的信号要求的，无法充分激发荧光信号的强烈反应，对原子荧光的监测也会产生一定的影响。为此，原子荧光测定要选择利用脉冲供电模式的较高强度的空心阴极灯，这种高强度的空心阴极灯可以增强谱线强度的成千上万倍，同时利用利用脉冲方式进行供电，还可以有效的避免出现谱线自吸现象，延长灯的使用寿命。

2、设定观察高度，增强监测灵敏度

原子荧光测定的灵敏度跟观察的高度有关系，通常在对不同的无机元素进行鉴定时，其监测的角度和高度也要随之变化。但对于高度的选择一定要适中，比如在对砷进行测定时，过低的观测高度，会导致石英炉散射出极高的背景读数，这样会使噪声测量加大，从而影响到原子荧光测定的灵敏度和测量精度。为此，选择适当的高度观测是十分重要的，要根据燃烧器标尺起点以及不同测定样品的基体而定，除此以外，还要注意选择最佳高度时要注意除去本底荧光数值。

3、选择适当的载气流量，提高测定信号

原子荧光测定和适当的载气流量有关，因为原子荧光测定主要是利用流动载气载入生成的氢化物进行监测的。如果载气流量过大或者过小都会对原子荧光测定的精确结果带有一定的影响。载气流量较大，就会对载气载入生成的氢化物进行稀释，务必会降低测定信号；载气流量较小，所产生的氢化物在短时间内的数量也是有限的，测量的信号不但降低，还会拖尾所测量的信号峰，值得注意的是载气流量中的杂质也会对测定结果带来影响。

4、选择屏蔽气的具体流量，确保荧光效率的稳定性

原子荧光测定所使用的石英炉原子化器具有外屏蔽气的作用，也就是对石英炉原子化器周围的空气或者是火焰都会起到荧光猝灭的作用。通常这种应用都是氩气屏蔽所致。对测定过程中出现的荧光进行猝灭也是提高原子荧光测定准确性的有效方法，提高较高荧光效率的稳定性。一般的仪器和石英炉会根据其不同的型号和大小发挥出不同的屏蔽作用，如果在测定过程中适当增加5%到10%的流量，屏蔽作用更为明显。

5、选择峰面积法与峰高法，可以提高测定准确度

原子荧光测定仪器测量信号的方式主要由峰面积法与峰高法两部分组成，不同的方法应用在不同的样本测定中。对这两种方法的比较而言，应用峰面积法产生的测量精密度会更高，还会有效的改善荧光曲线中的有关系数，可以应用在测定复杂的基体样本成分，即使是操作经验不成熟的工作人员也能测定。测定时就可根据峰形状进行观察，判断上更加明显。

6、选择氢化反应中的最佳介质反应和还原剂以及浓度

对无机元素进行测定前，要把测定的样品进行处理，要经过氢化物的氢化反应。要将样本溶液调整到被测定元素出现最佳的介质反应，使样本在定容后出现原子荧光测定所需要的最佳酸度，选取被测定元素的合适价态，提高精准度。同时氢化反应有时也需要还原剂，通常选择的硼氢化钾或者是硼氢化钠，他们的浓度选取也会影响到测定结果，为此，要根据不同无机元素，选择最佳的硼氢化钾或者是硼氢化钠的浓度。