儀器分析-電子教材:第七章原子熒光光譜法

第七章 原子熒光光譜法

第一節(jié)  概述

原子熒光光譜法（atomicfluorescence spectrometry, AFS)是在原子吸收分光光度法、原子發(fā)射光譜法及分子熒光分析法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分析方法。它是基于待測物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光源發(fā)出的特征波長的輻射而被激發(fā)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能態(tài)時所發(fā)射的熒光強度進行分析的方法。

早在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初已經(jīng)觀察到原子熒光現(xiàn)象，但直到1964年Winefordner等創(chuàng)建了原子熒光光譜分析技術(shù)以來，這種方法才得到實際應(yīng)用。我國在20世紀(jì)70年代末開始對這種方法進行研究，研制和生產(chǎn)了原子熒光光譜分析儀，并成功地應(yīng)用于實際樣品分析，近十多年來，原子熒光分析技術(shù)發(fā)展很快，我國在氫化物發(fā)生原子熒光光譜（hydridegeneration atomic fluorescence spectrometry，HGAFS)分析技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位，相繼研制出各種新型HGAFS儀。目前原子熒光分析法廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、冶金地質(zhì)等領(lǐng)域，成為一種很有前途的痕量元素分析方法。

一、原子熒光光譜與原子熒光分析

原子熒光的產(chǎn)生是激發(fā)態(tài)原子以輻射的形式放出能量（去活化)的過程。

分析物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣，吸收激發(fā)光源發(fā)出的一定波長的輻射后，原子的外層電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能執(zhí)業(yè)藥師態(tài)，同時發(fā)射出與激發(fā)光波長相同或不同的光，稱為原子熒光。原子熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象。

由于原子核外電子的軌道較多，原子被激發(fā)后，外層電子的躍遷不同，發(fā)射的原子熒光波長亦不相同，這些不同波長的原子熒光經(jīng)光譜儀色散后，形成按一定波長順序排列的原子熒光光譜。各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，激發(fā)后發(fā)射的熒光波長各不相同，因而每種元素都有特征的原子熒光光譜。在一定條件下原子熒光的強度與該元素的原子蒸氣濃度成正比，通過測量熒光強度即可求得待測元素的含量。

二、原子熒光光譜法的特點

原子熒光光譜法具有以下特點

1.原子熒光光譜譜線簡單，干擾少，選擇性好。熒光光譜儀對單色器要求不高，不需要色散率大的光譜儀器，甚至可制作成非色散型的原子熒光儀。儀器結(jié)構(gòu)簡單、價廉。

2.靈敏度高   原子熒光光譜背景輻射低，可獲得很低的檢測限，已有20多種元素的檢測限低于原子吸收光譜法（AAS)。如采用高溫石墨爐原子化技術(shù)，并以可調(diào)染料激光器為激發(fā)源，檢測限可達Pg級，非常適合于痕量分析。

3. 可進行多元素同時測定   由于原子熒光是在空間向各個方向發(fā)射，便于制作多道原子熒光光譜儀，進行多元素同時測定。

原子熒光光譜法的不足之處是適用于分析的元素范圍有限，有些元素的靈敏度低、線性范圍窄；原子熒光轉(zhuǎn)換效率低，因而熒光強度較弱，給信號的接收和檢測帶來一定困難，隨著高強光源和弱信號檢測技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，這個問題將得到解決。此外，散射光對原子熒光分析影響較大，但采用共振熒光線作分析線，可有效降低散射光的影響。

第二節(jié)  原子熒光光譜法的基本原理

一、原子熒光的類型

原子熒光的激發(fā)機制比較復(fù)雜，產(chǎn)生的熒光類型較多，根據(jù)激發(fā)能源的性質(zhì)和熒光產(chǎn)生的機理和頻率，可將原子熒光分成共振熒光、非共振熒光及敏化熒光三種類型。

（一)共振熒光)

當(dāng)原子吸收的激發(fā)光與發(fā)射的熒光波長相同時，所產(chǎn)生的熒光叫做共振熒光（resonance fluorescence)，如圖7-1所示。由于相應(yīng)于原子激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間共振躍遷幾率比其它躍遷幾率大得多，共振躍遷產(chǎn)生的譜線強度最大，所以共振線是元素最靈敏的分析線，在分析中應(yīng)用最多。例如鋅、鉛原子分別吸收和再發(fā)射的213.86 nm和283.31 nm波長的共振線，就是典型的共振熒光。

原子蒸氣中的某些原子，由于吸收熱能被激發(fā)而處于稍高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)能級時，則共振熒光可以從亞穩(wěn)態(tài)能級產(chǎn)生，即處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子，通過吸收激發(fā)光源的某一非共振線后進一步激發(fā)到較高能級，然后再返回亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)射出相同波長的熒光，這種熒光稱為熱助共振熒光（thermally assistedfiuorescence)。

圖7-1 共振熒光示意圖

a 始于基態(tài)原子共振熒光，b始于亞穩(wěn)態(tài)原子共振熒光

（二)非共振熒光

當(dāng)原子吸收的激發(fā)光和發(fā)射的熒光波長不同時，所產(chǎn)生的熒光叫做非共振熒光（non resonancefluorescence)，包括斯托克斯（Stokesfluorescence)熒光和反斯托克斯熒光（anti-stokesfluorescence)兩大類。

1. 斯托克斯熒光  當(dāng)發(fā)射的熒光波長比激發(fā)光的波長更長時稱作斯托克斯熒光。根據(jù)發(fā)射熒光的機理不同，又可分為直躍線熒光（direct-linefluorescence和階躍線熒光（stepwise-linefluorescenc)

（1)直躍線熒光  原子吸收光能被激發(fā)到高能態(tài)后，再由高能態(tài)返回至比基態(tài)能級稍高的亞穩(wěn)態(tài)時，所發(fā)出的熒光稱為直躍線熒光。其特點是熒光線和激發(fā)線起止于共同的高能級，但熒光波長比激發(fā)光波長要長一些，如圖7-2所示。例如基態(tài)Pb吸收283.31nm輻射后，發(fā)射出405.78nm直躍線熒光。此外，還有通過熱助起源于亞穩(wěn)態(tài)的直躍線熒光，這種熒光叫熱助直躍線熒光（圖7-2)，它產(chǎn)生于基態(tài)是多重結(jié)構(gòu)的原子。

圖7-2 直躍線熒光示意圖

a 始于基態(tài)原子直躍線熒光，b始于亞穩(wěn)態(tài)原子直躍線熒光

（2)階躍線熒光  原子吸收光能激發(fā)到高能態(tài)，回到基態(tài)時分兩步去活化，首先由于非彈性碰撞損失部分能量，產(chǎn)生無輻射躍遷到一較低激發(fā)態(tài)，然后再躍遷到基態(tài)而發(fā)射熒光，稱為階躍線熒光，例如Na吸收330.3nm幅射后，發(fā)射588.99nm的階躍線熒光。此外，還有通過熱助使激發(fā)態(tài)原子進一步激發(fā)到更高的能級上，然后躍遷到第一激發(fā)態(tài)發(fā)射的熒光，叫熱助階躍線熒光（如圖7-3所示)。

圖7-3 階躍線熒光示意圖

a 正常階躍線熒光，b熱助階躍線熒光

3.反斯托克熒光  當(dāng)熒光波長比激發(fā)光波長短時稱為反stokes熒光。激發(fā)光的能量不足時，通常由原子化器提供熱能補充，基態(tài)原子蒸氣受熱激發(fā)處于激發(fā)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)，再吸收激發(fā)光的能量而躍遷至更高能級的激發(fā)態(tài)，隨后直接返回基態(tài)，并發(fā)射出熒光，稱為反Stokes熒光，也可稱為“熱助熒光”，這是非共振熒光的特殊情況，如圖7-4所示。如銦原子吸收熱能后處于一個較低態(tài)能級，在該能級上銦原子吸收451.18 nm的輻射而被進一步激發(fā)，當(dāng)其躍遷回基態(tài)時發(fā)射410.18 nm的熒光。

非共振熒光，特別是直躍線熒光，在實際分析中有重要意義，因為某些元素的熒光光譜中，在一些有利的條件下，直躍線熒光強度比共振熒光還強，在分析中用這些非共振熒光比共振熒光具有顯著的優(yōu)越性，如可在熒光光譜中去掉激發(fā)線，從而消除散射光的影響；當(dāng)共振線波長處有強烈背景發(fā)射時，可在背景較低的非共振線波長處進行熒光測量，從而避免干擾和克服熒光輻射的自吸收。

圖7-4 典型的反斯托克熒光示意圖

a 特殊的熱助直躍線熒光，b特殊的熱助階躍線熒光

（三)敏化熒光

待測原子M（接受體)不是直接吸收光被激發(fā)，而是通過碰撞吸收已被光源激發(fā)的另一個原子A（給予體)去活化而釋放的能量而激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的待測原子通過輻射去活化而發(fā)射出熒光，叫敏化熒光（sensitized fluorescence)。

其過程可表示如下：

A + hν　   A^*

A^* + M   A  + M^*

M ^*    M  +  hν

二、原子熒光光譜定量分析的基本公式

原子熒光光譜法是根據(jù)被測元素的原子所發(fā)射的熒光強度測定其含量的，因此，必須知道原子熒光強度與被測元素濃度的關(guān)系。

若一束強度為I_o的平行光投射到原子蒸氣時，若原子蒸氣中被測元素的濃度為N，忽略自吸收，則產(chǎn)生的原子熒光強度I _F為

  （7-1)

式中為原子熒光效率，等于原子發(fā)射熒光的光量子數(shù)與吸收激發(fā)光的光量子數(shù)之比；I_a是吸收光的強度。根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)待測元素的濃度N很低時

    （7-2)

式中K_υ為吸收系數(shù)，L為吸收光程。

將式7-2代入式7-1得

   （7-3)

將式7-3的指數(shù)項按泰勒級數(shù)展開得

  （7-4)

因為原子蒸氣中被測元素的濃度很小，高次項可忽略不計，則式7-4可簡化為

   （7-5)

當(dāng)實驗條件一定時，由于原子蒸氣中被測元素的濃度與試樣溶液中該元素的濃度成正比，即N=ac，因此

    （7-6)

在固定實驗條件下，對同一元素而言，、I_o、Kν、L、a均可視為常數(shù)，則式7-6可簡化為

    （7-7)

由此可見，原子熒光強度與試樣中被測元素濃度成線性關(guān)系，式7-6為原子熒光定量分析的基本關(guān)系式，此式適用于低濃度的原子熒光分析，隨著原子濃度的增加，由于譜線變寬、自吸收、散射等因素的影響，將使工作曲線彎曲偏離線性。

三、飽和熒光

  從原子熒光分析基本關(guān)系式（式7-6)可以看出，原子熒光強度與激發(fā)光強度成正比。因此可以使用增加激發(fā)光強度來提高原子熒光強度，以降低檢測限，但是，上述關(guān)系只是在一定的激發(fā)光源強度范圍內(nèi)適用，當(dāng)激發(fā)光強度足夠大并達到一定值后，共振熒光的低能級和高能級之間躍遷原子數(shù)達到動態(tài)平衡，這時，分布在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)的比值，僅與相應(yīng)能級的統(tǒng)計權(quán)重比值有關(guān)，不再隨激發(fā)光強度增大而增加，對激發(fā)光的吸收達到飽和進而出現(xiàn)原子熒光的飽和狀態(tài)，稱之飽和熒光﹝saturated fluorescence﹞。應(yīng)用飽和熒光分析，可以達到極低的檢測限，而且熒光強度不受光源強度波動的影響。目前采用高強度的激光光源，可以使很多分析的熒光達到飽和。

四、熒光猝滅   在原子化器中，基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光光子后成為激發(fā)態(tài)原子，激發(fā)態(tài)原子在去活化過程中，存在著兩種可能：一是躍遷回到基態(tài)或其它較低的能級產(chǎn)生熒光；二是與原子化器中其它原子、分子、電子等由于非彈性碰撞失去能量，或其它無輻射去活化現(xiàn)象，在這種情況下，熒光將減弱或完全不發(fā)生，這種由于條件變化使待測原子熒光效率降低現(xiàn)象稱為熒光猝滅（quenching offluorescence)。為了衡量熒光猝滅的程度，提出了熒光量子效率的概念，即原子發(fā)射的熒光光量子數(shù)_F與吸收激發(fā)光光量子數(shù)之_A比，稱為熒光量子效率

   （7-8)

由于原子化過程物理化學(xué)作用非常復(fù)雜，熒光量子效率受試樣組成、原子化條件等因素影響，在常規(guī)原子熒光分析時，熒光量子效率通常小于1。熒光猝滅降低了熒光量子效率，也降低了熒光強度，對原子熒光分析極為不利。在實際分析中應(yīng)注意控制實驗條件盡可能減少熒光猝滅。

第三節(jié)   儀器裝置

原子熒光分析儀器叫原子熒光光譜儀。根據(jù)有無色散系統(tǒng)，可分為色散型原子熒光光譜儀和非色散型原子熒光光譜儀；根據(jù)波道數(shù)又可分為單道原子熒光光譜儀和多道原子熒光光譜儀，前者適用于單元素分析，后者可作多元素分析。

一、原子熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)

原子熒光光譜儀與原子吸收分光光度計的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由激發(fā)光源、原子化器、分光系統(tǒng)、檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個部分組成，由于原子吸收光譜分析測量的是光源發(fā)射的光被待測物質(zhì)的基態(tài)原子吸收的程度（吸光度A)，而原子熒光光譜分析是測量基態(tài)原子被光源發(fā)射的光激發(fā)后，所發(fā)射的熒光強度（I_F)，因為這一差別，使得兩種儀器各部件的配置上有明顯的不同；原子吸收光譜儀各主要部件位于同一光軸上，而原子熒光光譜儀為了避免檢測到光源的共振輻射，必須將激發(fā)光源的光軸置于垂直于分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的光軸位置上，原子熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)如圖7-5所示

圖7-5原子熒光光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

（一)激發(fā)光源

原子熒光分析對激發(fā)光源的要求是輻射強度大，穩(wěn)定性好；應(yīng)用波長范圍廣，連續(xù)可調(diào)，適用于多元素分析；光譜純度好、背景低、耐用、壽命長。常用的光源有以下幾種。

1.高強度空心陰極燈（HCL) 普通空心陰極燈由于其發(fā)射強度低，不適用于原子熒光分析。高強度空心陰極燈是在普通空心陰極燈中加了一對輔助電極，輻射強度比普通空心陰極燈強幾倍到十幾倍，穩(wěn)定性好，不足之處是燈的壽命較短，適于制作的元素有限。主要有Ag、Cu、Zn、Ni等。

2.無極放電燈（electrodeless-discharge-lamp EDL) 無極放電燈是原子熒光分析中較為常用的光源之一，由于這種燈沒有電極，所以必須將放電管放在諧振腔中用微波來激發(fā)。在長30~80 mm，直徑約10 mm的石英管中，放入少量被測元素的化合物，通常是鹵化物（如碘化物或溴化物)，并充入惰性氣體，制成放電管。將放電管置于微波發(fā)生器的同步空腔諧振器中，微波便將管內(nèi)的惰性氣體原子激發(fā)，隨著放電的進行，放電管內(nèi)溫度升高，使金屬鹵化物蒸發(fā)和解離，待測元素原子與被激發(fā)的載氣原子發(fā)生碰撞后被激發(fā)，并發(fā)射出待測元素的特征光譜輻射。

無極放電燈的輻射強度高出高強度空心陰級燈約10倍，光譜純度好，信噪比高，壽命長，特別適用于共振線在紫外光區(qū)的易揮發(fā)元素的測定。目前已制成As、Bi、Cd、Cs、Se、Pb、Ni等幾十種元素的無極放電燈。

3.激光光源 原子熒光分析所用分析線的波長范圍非常寬，從整個紫外光區(qū)到一部分可見光區(qū)，從性能上講，激光光源是原子熒光分析的極佳光源，除強度高、光譜純度好外，波長可以調(diào)節(jié)。目前激光光源多用可調(diào)波長的染料激光，如脈沖染料調(diào)諧激光器，配合倍頻，可在180~800 nm波段范圍提供極強輻射的激發(fā)源，而且光譜帶寬也可以調(diào)節(jié)，但價格昂貴、操作比較煩瑣。激光光源還有一個重要的優(yōu)越性是飽和熒光的利用，此時熒光的自吸明顯減少，而使方法的線性范圍增寬，并且減少光源波動對熒光信號的影響，提高分析精密度。

4.連續(xù)光源 由於熒光光譜譜線簡單，而且熒光的檢測方向與光源垂直，熒光強度受吸收線輪廓影響小，因而可采用連續(xù)光源而不必用高色散率的單色器。連續(xù)光源具有很高的輻射強度和穩(wěn)定性，是原子熒光分析理想通用的光源，可滿足多元素同時分析的需要，從而彌補單元素空心陰極燈的不足。目前用得較多的連續(xù)光源是高壓氙燈，氙燈適用于波長大于250 nm的波長段，不能在全波段滿足強度要求，目前還沒有在全波長范圍內(nèi)、提供足夠強度以滿足原子熒光需要的連續(xù)光源。

5. 等離子體光源 用于原子熒光分析的等離子體光源主要是電感耦合等離子體（inductivelycoupled plasma ICP)光源。ICP光源的特點是激發(fā)能量高、穩(wěn)定性好、化學(xué)和電離干擾少，此外ICP輻射源可供選擇的譜線豐富，適用于多元素分析，是一種很好的激發(fā)光源。目前將ICP光源用于原子熒光分析日益增多，己有ICP-AFS的商品儀器出售。

（二)原子化器

原子熒光與原子吸收對原子化器的共同要求是原子化效率高、穩(wěn)定性好、背景輻射低，區(qū)別在于原子熒光要求更高的溫度和有效的激發(fā)作用，熒光猝滅少，原子在激發(fā)光路中有盡可能長的停留時間。

1. 火焰原子化器  與原子吸收的的火焰原子化器相似，不同點在于原子熒光分析中火焰截面呈圓形或方形，以提高輻射的強度和穩(wěn)定性。

原子熒光分析中常用氫火焰，如Ar-H₂，N₂-H₂等，這類火焰背景發(fā)射低，紫外區(qū)透明度高，猝滅物少，因而熒光效率高，是較為理想的火焰，但由于火焰溫度不高，主要用于砷、硒、鋅、鈉等元素的分析；空氣-乙炔、氧化亞氮-乙炔火焰溫度高，可用于難原子化的元素分析，但背景信號和噪音增加，影響原子熒光法的檢測限。另外，火焰燃燒時會產(chǎn)生大量的氣體分子，將引起原子熒光猝滅和分子熒光的發(fā)生，從而導(dǎo)致原子熒光強度降低和干擾信號加大，火焰成分的猝滅特性順序為Ar＜H₂＜H₂O＜N₂＜CO＜O₂＜CO₂。

火焰原子化器操作簡便、價格低廉、穩(wěn)定性好，在原子熒光分析中被廣泛采用，但由于火焰背景和熱輻射信號在400 nm光譜區(qū)很強，故火焰原子化器只適用于分析共振線波長小于400 nm的元素，特別適于共振線小于270 nm、在火焰中易于原子化的元素，如砷、鉍、鎘、汞、硒、鋅等，其檢測限優(yōu)于原子吸收光譜法。

2.電熱原子化器  電熱原子化器包括石墨爐、石墨杯等原子化裝置，其特點與原子吸收分析相似，如取樣少，原子化效率高，檢出限很低，背景輻射和熱輻射弱，猝滅效應(yīng)也小，不足之處是基體干擾和背景吸收較大，精密度不如火焰原子化器。

3.電感耦合等離子體（ICP)原子化器  ICP作為原子化器的優(yōu)點是溫度高、穩(wěn)定性好、化學(xué)干擾和光㪚射小，是一種高效的原子化器。適合于復(fù)雜試樣的多元素分析，尤其是對難熔元素的原子化更為有利。

4.氫化物發(fā)生原子化器 氫化物發(fā)生原子化法是近年來發(fā)展的一種低溫原子化法，其基本原理是在強還原劑作用下被測元素被還原為揮發(fā)性共價氫化物，然后借助載氣導(dǎo)入氬氫焰原子化成為自由原子。氫化物發(fā)生原子化器由氫化物發(fā)生器和電加熱石英管組成。近年來這種方法得到了較快的發(fā)展，是一種具有重要實用價值的分析技術(shù)，對于易生成氫化物的元素如As、Se、Sb、Te、Sn、Bi、Pb等元素的測定更能體現(xiàn)出原子熒光法的特點和優(yōu)越性，后面將專節(jié)討論。

（三)分光系統(tǒng)

由于只有吸收激發(fā)光之后，才產(chǎn)生熒光，因此原子熒光的譜線僅限于那些強度較大的共振線，其譜線數(shù)目比原子吸收線更少，原子熒光光譜比較簡單，但光強度較弱，因此，對單色器分辬率的要求不高，單色器設(shè)計上重點是提高集光效果，增大原子熒光輻射強度，以獲得較大的信噪比，一般通過縮短單色器焦距，增大色散元件的通光孔徑來提高集光能力。根據(jù)有無色散系統(tǒng)將分光系統(tǒng)分為色散型和非色散型兩類。如圖I6-6所示。

色散型分光系統(tǒng)用光柵分光，檢測器用光電倍增管，具有可選擇的譜線多、波段范圍廣、光譜干擾和雜散光少等特點，適于多元素的測定。

非色散型分光系統(tǒng)沒有光柵單色器，通過濾光片和日盲光電倍增管配合組裝而成。這種分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、光譜通帶寬、熒光信號強，能得到較低檢測限；但光譜干擾大，散射光的影響也較大，對光譜的純度要求高。

圖 7-6 色散型與非色散型原子熒光光譜儀示意圖

（四)檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

原子熒光光譜儀的檢測系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換和放大讀數(shù)兩部分組成，檢測器是以光電倍增管為主，無色散型光譜儀必須采用日盲光電倍增管，光電轉(zhuǎn)換所得信號經(jīng)放大后顯示。目前的原子熒光光譜儀多與計算機聯(lián)用，由計算機記錄、處理熒光強度等數(shù)據(jù)，使得檢測更加便捷。

二、多道原子熒光光譜儀

多道原子熒光分析儀也分為色散型和非色散型兩大類，它們的共同特點是可同時測定多種元素，自動化程度高，分析速度快。

非色散多道原子熒光光譜儀設(shè)備簡單，照明立體角大，光譜通帶寬，熒光信號強，不存在波長漂移現(xiàn)象，檢測限較低，但由于受到光電倍增管的限制，同時測定的元素數(shù)目較少，而且受散射光影響較大。色散型多道原子熒光光譜波長范圍較寬，雜散光較少，光譜干擾少，信噪比高，但有波長漂移現(xiàn)象，儀器成本高，操作也比較繁雜�，F(xiàn)舉例簡述如下，圖7-7是六通道連續(xù)測定原子熒光儀示意圖

該儀器由光源（空心陰極燈)，原子化器，反射鏡系統(tǒng)，濾光片，光電倍增管，放大器和讀數(shù)系統(tǒng)組成，由6個不同的脈沖空心陰極燈發(fā)生的輻射聚焦在火焰上，用一個反射鏡系統(tǒng)收集熒光輻射，收集的熒光輻射通過一個具有6個濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片輪后，入射在一個光電倍增管上，進行檢測，檢測信號經(jīng)放大后分別進行積分和數(shù)據(jù)處理，得出測定結(jié)果。

第四節(jié)   原子熒光分析中的干擾和消除

原子熒光分析法的干擾較少，但實際分析工作中也不能忽視，下面著重討論以下幾種干擾。

一、光譜干擾

光譜干擾是由于分析的熒光信號與進入檢測器的其它輻射不能完全分開而產(chǎn)生的，如干擾元素與待測元素的熒光譜線重疊、火焰的熱輻射及散射光的干擾，前兩類干擾與原子吸收光譜法相似，可用類似的消除干擾和扣除方法解決。散射光的干擾對原子熒光分析的影響顯著，且不能用上述方法解決。

散射光通常是由于原子化器中未揮發(fā)的氣溶膠顆粒產(chǎn)生的，它與單位體積內(nèi)未揮發(fā)顆粒的大小和數(shù)量有關(guān)，而與其光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系很小，故不能用提高單色器分辨率的方法來消除。要減少散射光干擾，主要還是應(yīng)減少散射微粒，如使用預(yù)混合火焰、增加火焰觀測高度和火焰溫度，或使用高揮發(fā)性溶劑等從而增加氣溶膠微粒的揮發(fā)性減少散射微粒；消除散射光另一種有效的方法是不用共振熒光線，而盡可能選擇靈敏度高、干擾小的直躍線熒光或階躍線熒光線進行測定，這就可以濾掉光源發(fā)射的與待測熒光波長相同的譜線，但其局限性是許多元素缺少這種具有足夠強度的熒光線。

當(dāng)散射光干擾嚴(yán)重時，可用空白溶液測定分析線處的散射光強度予以校正，或測量分析線附近某一合適非熒光線的散射光來校正。

二、原子熒光的猝滅

前面已提及，激發(fā)態(tài)原子以無輻射躍遷去活化的現(xiàn)象稱為熒光猝滅，原子熒光的猝滅作用，降低了熒光量子效率，導(dǎo)致熒光強度顯著降低，嚴(yán)重影響原子熒光分析的檢測限�；鹧嬷性S多氣體分子如CO₂、N₂、H₂O、CO等都是猝滅劑，這些分子具有許多相距很近的振動能級，其中一些能級接近待測元素（激發(fā)態(tài))原子的能級，激發(fā)態(tài)原子與這些分子碰撞時，可將它的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到這些分子振動能級中去，導(dǎo)致熒光猝滅。

減少火焰中猝滅劑的濃度，可使熒光猝滅很快減小。實驗表明，惰性氣體原子或分子具有原子熒光保護作用，可減少熒光猝滅，例如氬氣，由于氬的第一激發(fā)能比許多元素高，不易產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移激發(fā)，故常用引入氬氣的辦法，減少熒光猝滅，在氬氣氛圍中熒光猝滅最小。

三、化學(xué)干擾

原子熒光分析的化學(xué)干擾與原子吸收法相似，是由于待測元素與試樣中共存元素或火焰成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定難揮發(fā)、難離解的化合物，使待測元素的原子化效率降低而引起的。這類干擾隨試樣基體和火焰類型不同而不同，消除化學(xué)干擾的方法與原子吸收分光光度法相似，通常采用加入釋放劑（如鑭鹽或鍶鹽)或保護劑（如EDTA)等辦法加以消除，必要時需采用分離的辦法以除去干擾物的影響。

四、物理干擾

物理干擾是由于試樣溶液的粘度、表面張力、溶劑的蒸氣壓等物理性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)溶液不一致，引起溶液的霧化、溶劑蒸發(fā)或溶質(zhì)揮發(fā)過程發(fā)生變化，導(dǎo)致溶液的提升率、霧化效率、分解速度及原子化效率等發(fā)生變化而造成的干擾。在實際分析工作中，應(yīng)盡量使標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣基體溶液濃度和組成一致，以消除這類干擾。

第五節(jié)   原子熒光分析方法

原子熒光光譜法與原子吸收分光光度法m.gydjdsj.org.cn/shouyi/的具體分析方法十分相似，可根據(jù)熒光強度與分析元素濃度的校正曲線，求得試樣的含量，定量方法有標(biāo)準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)加入法等，不再贅述。本節(jié)主要介紹原子熒光分析與其它新技術(shù)的聯(lián)用和原子熒光光譜分析的進展。

一、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法

氫化物發(fā)生原子熒光光譜法是目前發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的原子熒光分析方法。在衛(wèi)生檢驗、環(huán)境監(jiān)測、藥物分析中，經(jīng)常涉及As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素的測定，這些元素的共振線大都在紫外光區(qū)間，用常規(guī)原子光譜分析方法測定這些元素，由于靈敏度低、背景干擾大、信噪比差，檢測限不能滿足要求。但由于這些元素的氫化物具有揮發(fā)性，常溫下為氣態(tài)，可借助于載氣將其導(dǎo)入原子熒光光譜儀中，用氫化物發(fā)生原子熒光分析進行測定，這種方法靈敏度高、干擾小、簡便易行，是分析這些元素較理想的方法。

（一)氫化物發(fā)生法原理

氫化物發(fā)生法的基本原理是在強還原劑作用下，被測元素還原生成揮發(fā)性共價氫化物，然后在控制條件下分解成氣態(tài)原子，實施原子熒光分析。

氫化物發(fā)生反應(yīng)早期是利用金屬-酸還原體系，由于這種體系能發(fā)生氫化物的元素少、還原時間長，難以實現(xiàn)自動化，并且干擾嚴(yán)重，目前很少采用。近年來多采用硼氫化鈉做還原劑，根據(jù)其反應(yīng)介質(zhì)不同可分硼氫化鈉-酸還原體系、堿性模式還原及非水介質(zhì)氫化物發(fā)生等，其中硼氫化鈉-酸體系應(yīng)用最廣泛，其反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)式中，E是被測元素，H·是氫自由基；EH_n是生成的氫化物；m可以等于或不等于n。該反應(yīng)具有反應(yīng)迅速、氫化物生成效率高、適應(yīng)范圍廣等特點，已被廣泛采用。

氫化物發(fā)生原子熒光光譜法的樣品、還原劑及氬氣Ar進入反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫化物和氫氣，經(jīng)氣液分離器分離，水分從廢液出口排出，去水后的氫化物和氫氣由氬氣導(dǎo)入原子熒光光譜儀的原子化器，燃燒產(chǎn)生氬-氫焰使待測元素原子化并進行測定。

（二)氫化物發(fā)生原子熒光分析的條件選擇

1.樣品預(yù)處理   氫化物發(fā)生原子熒光法主要用于As、Sb、Bi等11種元素分析，一般用HCl處理樣品，但應(yīng)注意相應(yīng)元素氯化物的揮發(fā)性，同時由于方法靈敏度高，要注意扣除試劑空白。為了消除基體或其它元素干擾，可以采用萃取、共沉淀、巰基棉富集等方法分離富集。

2.反應(yīng)介質(zhì)選擇 反應(yīng)介質(zhì)的選擇與氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法相似。反應(yīng)酸度的選擇不僅影響分析靈敏度，而且可以應(yīng)用控制酸度分別進行元素的不同價態(tài)分析。以硼氫化鈉為還原劑的氫化物發(fā)生體系，一般用酸性樣品溶液與硼氫化鈉作用生成氫化物，即硼氫化鈉-酸體系；在堿性溶液中發(fā)生氫化物的方法即堿性模式，采用堿性模式在某些情況下可以消除或減少共存元素的干擾，提高氫化反應(yīng)的選擇性；非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法可將待測元素萃取分離后，直接在有機相中測定。例如用溶劑萃取-非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法測定飲用水中痕量As，該法是在NaBH₄乙醇溶液-APDC-MIBK有機相中發(fā)生氫化物，然后進行原子熒光測定，檢測限為2.8´10^-9g。

3.干擾及消除   原子熒光光譜法中的干擾主要有液相干擾和氣相干擾，液相干擾發(fā)生在氫化物形成或形成的氫化物從樣品溶液中逸出的過程，類似于氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法，主要是Cu、Co、Ni、Fe等元素易生成沉淀，吸附氫化物，可形成氫化物元素之間的競爭反應(yīng)產(chǎn)生干擾，一般采用絡(luò)合劑或基體改進劑來減少這種干擾。氣相干擾主要發(fā)生在氫化物的傳輸過程或在原子化器中，將影響原子熒光的產(chǎn)率和猝滅，控制原子化器的蒸氣成分可減少這種干擾。

4.線性范圍（工作曲線) 原子熒光分析是一種痕量分析方法，其工作曲線的線性范圍一般在0.0014~1.0 ng/ml濃度區(qū)間，過高的分析濃度將嚴(yán)重影響到工作曲線的線性。

（三)氫化物發(fā)生原子熒光分析的特點

氫化物發(fā)生原子熒光分析具有以下特點

1.分析元素與基體分離，光譜和化學(xué)干擾少。

2.靈敏度高，與溶液直接噴霧進樣相比，氫化物法能將待測元素充分預(yù)富集，進樣效率高。

3.可控制條件，用于價態(tài)分析，宜于實現(xiàn)自動化。

4.主要適用于As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te、Hg、Zn、Cd等元素分析。

二、激光誘導(dǎo)原子熒光光譜法

由于激光具有強度高、單色性好、方向集中等特點，各種類型激光器相繼用于原子熒光光譜的研究，其中應(yīng)用比較廣泛的是以可調(diào)諧染料激光器為激發(fā)光源的原子熒光分析。隨著可調(diào)諧激光技術(shù)、微小信號檢測技術(shù)和計算機技術(shù)在原子熒光分析中的應(yīng)用，促使激光誘導(dǎo)原子熒光光譜（laser induced atomicfluorescence spectrometry  LIAFS)分析迅速發(fā)展，目前已成為原子熒光分析的重要方法，在醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境和材料科學(xué)的痕量分析中占有重要地位。LIAFS法用于痕量和超痕量元素分析靈敏度高、檢測限低、準(zhǔn)確度和精密度較好，樣品用量也少。許多元素（如Ag、Al、Bi、Cd、Cr、Cu、B、Ti、Ga等)的LIAFS分析檢測限為ng/ml級，有些元素（如Ca、In、Pb、Co、Sn等)甚至達pg/ml級。將激光飽和激發(fā)和非共振熒光檢測相結(jié)合的飽和光學(xué)非共振熒光光光譜法，為單原子檢測提供了一種靈敏方法。

第六節(jié)   原子熒光光譜法的應(yīng)用

原子熒光光譜法由于具有儀器相對簡單、干擾小、檢測限低、適合于多元素分析的特點，加之最適于分析的As、Se、Bi、Pb等元素均與人體健康關(guān)系密切，因而在醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、環(huán)境保護、冶金地質(zhì)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，有的已列為國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。

一、在環(huán)境樣品分析中的應(yīng)用

在環(huán)境樣品（水、空氣、土壤及固體廢棄物等)多種元素的分析中，原子熒光光譜法得到了廣泛應(yīng)用。國家衛(wèi)生部2001年頒發(fā)的“生活飲用水檢驗規(guī)范”中，原子熒光光譜法被確定為飲用水中As、Se、Hg、Sb的標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法；水樣中不同價態(tài)As、Sb和Se的含量測定，采用原子熒光法更為簡便，快捷；空氣中砷、大氣顆粒物中汞的測定，用氫化物發(fā)生原子熒光法檢測限可達ng級；土壤，固體廢棄物樣品中重金屬元素的測定，由于存在著大量的基體干擾，用分光光度法、分子熒光分析法及原子吸收光譜法測定，均不理想，用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法分析取得了滿意的結(jié)果，其方法如下：樣品用濃HNO₃和濃HClO₄消解處理，氫化物發(fā)生反應(yīng)在HCl介質(zhì)中進行，以NaBH₄為還原劑，由于不同價態(tài)的砷、銻和硒的氫化反應(yīng)速度不同，為了提高靈敏度，在氫化反應(yīng)之前樣品溶液需用硫脲和抗壞血酸進行預(yù)還原，使As(V)、Sb(V)和Se(VI)還原生成As(III)、Sb(III)、Se(IV)。將生成的氫化物導(dǎo)入原子熒光光譜儀中進行測定。方法的檢測限，As為1.73 ng/ml，Sb為1.90 ng/ml，Se為1.60 ng/ml。  

二、在食品檢驗中的應(yīng)用

食品中的微量元素含量很低，但與人體健康有密切關(guān)系，目前氫化物發(fā)生原子熒光光譜法在食品檢驗中占有重要地位。

食品中砷、鉛、汞、硒、錫、鎘、鍺和銻等微量元素的氫化物發(fā)生原子熒光法測定，已作為國家頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。鉛是食品衛(wèi)生監(jiān)督檢驗中重點檢測的有害元素之一，采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測定食品中的鉛，取樣量小、操作簡便、靈敏度高、基體干擾少，測定方法如下：樣品加HNO₃用微波爐消化，用HCl作為介質(zhì)，NaBH₄為還原劑，加H₂C₂O₄和K₃Fe(CN)₆作為基體改進劑，還原生成的鉛化氫被氬氣和反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣載入石英管中，受熱分解為原子態(tài)鉛，進行原子熒光分析。

三、在生物樣品分析中的應(yīng)用

生物樣品種類繁多，樣品前處理比較復(fù)雜，大部分金屬元素在生物樣品中含量很低，而且干擾大，在測定方法的選擇上受到一定的限制。利用原子熒光分析法測定人體液、組織、頭發(fā)等生物樣品中Hg、As、Se、Sb、Bi、Pb、Ga等都得到了滿意的結(jié)果。硒是人體必須的微量元素，是人體谷胱甘肽氧化酶的組成成分，硒缺乏會引起有關(guān)代謝阻斷，導(dǎo)致各種疾病。硒的抗癌作用已受到人們的重視，但硒攝入過多也會導(dǎo)致硒中毒，硒的測定以前大多采用分子熒光法，此法操作繁瑣，所用試劑二氨基萘有致癌性。用氫化物發(fā)生原子熒光法測定人發(fā)、血液及組織中的硒、分析步驟大大簡化，檢測限可達ng級。下面簡介血液中硒的測定方法，取血樣（肝素鈉抗凝)，用濃HNO₃和HClO₄消化后，在鹽酸介質(zhì)中，將Se(VI)還原成Se(IV)，加鐵氰化鉀掩蔽干擾離子，用NaBH₄作還原劑，還原生成的硒化氫由載氣（氬氣)導(dǎo)入原子化器中原子化并進行原子熒光分析。

   （鄒學(xué)賢   楊葉梅)