原子螢光光譜儀

原子螢光光度計利用惰性氣體氬氣作載氣，將氣態氫化物和過量氫氣與載氣混合後，導入加熱的原子化裝置，氫氣和氬氣在特製火焰裝置中燃燒加熱，氫化物受熱以後迅速分解，被測元素離解為基態原子蒸氣，其基態原子的量比單純加熱砷、銻、鉍、錫、硒、碲、鉛、鍺等元素生成的基態原子高几個數量級。

基本介紹

• 中文名：原子螢光光譜儀
• 外文名：Atomic fluorescence spectrometer
• 屬性：儀器
• 特點：根據波長可以進行定性分析
• 用途：地質、石油、農業、生物醫學等

基本介紹

利用原子螢光譜線的波長和強度進行物質的定性與定量分析的方法。原子蒸氣吸收特徵波長的輻射之後，原子激發到高能級，激發態原子接著以輻射方式去活化，由高能級躍遷到較低能級的過程中所發射的光稱為原子螢光。當激發光源停止照射之後，發射螢光的過程隨即停止。　原子螢光可分為 3類：即共振螢光、非共振螢光和敏化螢光，其中以共振原子螢光最強，在分析中套用最廣。共振螢光是所發射的螢光和吸收的輻射波長相同。只有當基態是單一態，不存在中間能級，才能產生共振螢光。非共振螢光是激發態原子發射的螢光波長和吸收的輻射波長不相同。非共振螢光又可分為直躍線螢光、階躍線螢光和反斯托克斯螢光。直躍線螢光是激發態原子由高能級躍遷到高於基態的亞穩能級所產生的螢光。階躍線螢光是激發態原子先以非輻射方式去活化損失部分能量，回到較低的激發態，再以輻射方式去活化躍遷到基態所發射的螢光。直躍線和階躍線螢光的波長都是比吸收輻射的波長要長。反斯托克斯螢光的特點是螢光波長比吸收光輻射的波長要短。敏化原子螢光是激發態原子通過碰撞將激發能轉移給另一個原子使其激發，後者再以輻射方式去活化而發射的螢光。

根據螢光譜線的波長可以進行定性分析。在一定實驗條件下，螢光強度與被測元素的濃度成正比。據此可以進行定量分析。　原子螢光光譜儀分為色散型和非色散型兩類。兩類儀器的結構基本相似，差別在於非色散儀器不用單色器。色散型儀器由輻射光源、單色器、原子化器、檢測器、顯示和記錄裝置組成。輻射光源用來激發原子使其產生原子螢光。可用連續光源或銳線光源，常用的連續光源是氙弧燈，可用的銳線光源有高強度空心陰極燈、無極放電燈及可控溫度梯度原子光譜燈和雷射。單色器用來選擇所需要的螢光譜線，排除其他光譜線的干擾。原子化器用來將被測元素轉化為原子蒸氣，有火焰、電熱、和電感耦合等離子焰原子化器。檢測器用來檢測光信號，並轉換為電信號，常用的檢測器是光電倍增管。顯示和記錄裝置用來顯示和記錄測量結果，可用電錶、數字表、記錄儀等。　原子螢光光譜分析法具有設備簡單、靈敏度高、光譜干擾少、工作曲線線性範圍寬、可以進行多元素測定等優點。在地質、冶金、石油、生物醫學、地球化學、材料和環境科學等各個領域內獲得了廣泛的套用。

原子螢光光譜儀

基本原理

原子螢光光譜法是通過測量待測元素的原子蒸氣在輻射能激發下產生的螢光發射強度，來確定待測元素含量的方法。

氣態自由原子吸收特徵波長輻射後，原子的外層電子從基態或低能級躍遷到高能級經過約10^-8s，又躍遷至基態或低能級，同時發射出與原激發波長相同或不同的輻射，稱為原子螢光。原子螢光分為共振螢光、直躍螢光、階躍螢光等。

發射的螢光強度和原子化器中單位體積該元素基態原子數成正比，式中：I f為螢光強度；φ為螢光量子效率，表示單位時間內發射螢光光子數與吸收激發光光子數的比值，一般小於1；Io為激發光強度；A為螢光照射在檢測器上的有效面積；L為吸收光程長度；ε為峰值摩爾吸光係數；N為單位體積內的基態原子數。

原子螢光發射中，由於部分能量轉變成熱能或其他形式能量，使螢光強度減少甚至消失，該現象稱為螢光猝滅。

分析方法

物質吸收電磁輻射後受到激發，受激原子或分子以輻射去活化，再發射波長與激發輻射波長相同或不同的輻射。當激發光源停止輻照試樣之後，再發射過程立即停止，這種再發射的光稱為螢光；若激發光源停止輻照試樣之後，再發射過程還延續一段時間，這種再發射的光稱為磷光。螢光和磷光都是光致發光。

原子螢光光譜分析法具有很高的靈敏度，校正曲線的線性範圍寬，能進行多元素同時測定。這些優點使得它在冶金、地質、石油、農業、生物醫學、地球化學、材料科學、環境科學等各個領域內獲得了相當廣泛的套用。

儀器構造

原子螢光分析儀分非色散型原子螢光分析儀與色散型原子螢光分析儀。這兩類儀器的結構基本相似，差別在於單色器部分。兩類儀器的光路圖如右圖所示：

原子螢光光譜儀儀器構造原理圖

激發光源

可用連續光源或銳線光源。常用的連續光源是氙弧燈，常用的銳線光源是高強度空心陰極燈、無極放電燈、雷射等。連續光源穩定，操作簡便，壽命長，能用於多元素同時分析，但檢出限較差。銳線光源輻射強度高，穩定，可得到更好的檢出限。

原子化器

原子螢光分析儀對原子化器的要求與原子吸收光譜儀基本相同。

光學系統

光學系統的作用是充分利用激發光源的能量和接收有用的螢光信號，減少和除去雜散光。色散系統對分辨能力要求不高，但要求有較大的集光本領，常用的色散元件是光柵。非色散型儀器的濾光器用來分離分析線和鄰近譜線，降低背景。非色散型儀器的優點是照明立體角大，光譜通頻寬，集光本領大，螢光信號強度大，儀器結構簡單，操作方便。缺點是散射光的影響大。

檢測器

常用的是光電倍增管，在多元素原子螢光分析儀中，也用光導攝象管、析象管做檢測器。檢測器與激發光束成直 角配置，以避免激發光源對檢測原子螢光信號的影響。

產生及類型

當自由原子吸收了特徵波長的輻射之後被激發到較高能態，接著又以輻射形式去活化，就可以觀察到原子螢光。原子螢光可分為三類：共振原子螢光、非共振原子螢光與敏化原子螢光。

共振原子螢光

原子吸收輻射受激後再發射相同波長的輻射，產生共振原子螢光。若原子經熱激發處於亞穩態，再吸收輻射進一步激發，然後再發射相同波長的共振螢光，此種共振原子螢光稱為熱助共振原子螢光。如In451.13nm就是這類螢光的例子。只有當基態是單一態，不存在中間能級，沒有其它類型的螢光同時從同一激發態產生，才能產生共振原子螢光。

非共振原子螢光

當激發原子的輻射波長與受激原子發射的螢光波長不相同時，產生非共振原子螢光。非共振原子螢光包括直躍線螢光、階躍線螢光與反斯托克斯螢光，

直躍線螢光是激發態原子直接躍遷到高於基態的亞穩態時所發射的螢光，如Pb405.78nm。只有基態是多重態時，才能產生直躍線螢光。階躍線螢光是激發態原子先以非輻射形式去活化方式回到較低的激發態，再以輻射形式去活化回到基態而發射的螢光；或者是原子受輻射激發到中間能態，再經熱激發到高能態，然後通過輻射方式去活化回到低能態而發射的螢光。前一種階躍線螢光稱為正常階躍線螢光，如Na589.6nm，後一種階躍線螢光稱為熱助階躍線螢光，如Bi293.8nm。反斯托克斯螢光是發射的螢光波長比激發輻射的波長短，如In 410.18nm。

敏化原子螢光

原子螢光光譜儀

激發原子通過碰撞將其激發能轉移給另一個原子使其激發，後者再以輻射方式去活化而發射螢光，此種螢光稱為敏化原子螢光。火焰原子化器中的原子濃度很低，主要以非輻射方式去活化，因此觀察不到敏化原子螢光。

優點

有較低的檢出限，靈敏度高。特別對Cd、Zn等元素有相當低的檢出限，Cd可達0．001ng·cm-3、Zn為0.04ng·cm-3。現已有2O多種元素低於原子吸收光譜法的檢出限。由於原子螢光的輻射強度與激發光源成比例，採用新的高強度光源可進一步降低其檢出限。

干擾較少，譜線比較簡單，採用一些裝置，可以製成非色散原子螢光分析儀。這種儀器結構簡單，價格便宜。

分析校準曲線線性範圍寬，可達3～5個數量級。

由於原子螢光是向空間各個方向發射的，比較容易製作多道儀器，因而能實現多元素同時測定。

光度計結構

原子螢光光度計分為色散型和非色散型兩類。兩類儀器的結構基本相似，差別在於非色散儀器不用單色器。色散型儀器由輻射光源、單色器、原子化器、檢測器、顯示和記錄裝置組成，非色散儀器沒有單色器。螢光儀與原子吸收儀相似，但光源與檢測部件不在一條直線上，而是90°直角，而避免激發光源發射的輻射對原子螢光檢測信號的影響。

非色散原子螢光光度計的結構方框圖如圖1所示。

圖1 非色散原子螢光光度計的結構方框圖

激發光源		氣化、原子化器		檢測系統		顯示裝置

儀器由下述五部分組成：

激發光源

用來激發原子使其產生原子螢光。光源分連續光源和銳線光源。連續光源一般採用高壓氙燈，功率可高達數百瓦。這種燈測定的靈敏度較低，光譜干擾較大，但是採用一個燈即可激發出各元素的螢光。常用的銳線光源為脈衝供電的高強度空心陰極燈、無電極放電燈及70年代中期提出的可控溫度梯度原子光譜燈。採用線光源時，測定某種元素需要配備該元素的光譜燈。由公式 ⑵ 可以看出，原子螢光的強度If與激發光源輻射強度I0成比例，因此原子螢光光度計都採用新的高強度光源提高激發光源輻射強度，I0提高1~2個數量級，進一步降低儀器的檢出限。

單色器

產生高純單色光的裝置，其作用為選出所需要測量的螢光譜線，排除其他光譜線的干擾。單色器有狹縫、色散元件（光柵或稜鏡）和若干個反射鏡或透鏡所組成，色散系統對分辨能力要求不高，但要求有較大的集光本領。使用單色器的儀器稱為色散原子螢光光度計；非色散原子螢光分析儀沒有單色器，一般僅配置濾光器用來分離分析線和鄰近譜線，降低背景。非色散型儀器的濾光器非色散型儀器的優點是照明立體角大，光譜通頻寬，螢光信號強度大，儀器結構簡單，操作方便，價格便宜。缺點是散射光的影響大。

原子化器

將被測元素轉化為原子蒸氣的裝置。可分為火焰原子化器和電熱原子化器。火焰原子化器是利用火焰使元素的化合物分解並生成原子蒸氣的裝置。所用的火焰為空氣－乙炔焰、氬氫焰等。用氬氣稀釋加熱火焰，可以減小火焰中其他粒子，從而減小螢光猝滅(受激發原子與其它粒子碰撞，部分能量變成熱運動與其他形式的能量，因而發生無輻射的去激發，使螢光強度減少甚至消失，該現象稱為螢光猝滅)現象。電熱原子化器是利用電能來產生原子蒸氣的裝置。電感耦合等離子焰也可作為原子化器，它具有散射干擾少、螢光效率高的特點。

檢測系統

常用的檢測器為光電倍增管。在多元素原子螢光分析儀中，也用光導攝象管、析象管做檢測器。檢測器與激發光束成直角配置，以避免激發光源對檢測原子螢光信號的影響。

顯示裝置

顯示測量結果的裝置。可以是電錶、數字表、記錄儀等。

儀器測量系統根據檢測元素的數量可分為單道、雙道、多道等類型。

原子螢光光譜法具有設備簡單、各元素相互之間的光譜干擾少，檢出限低，靈敏度高，(對Cd、Zn等元素有相當低的檢出限，Cd可達0．001 ng·cm-3、Zn可達0.04 ng·cm-3)、工作曲線線性範圍寬(可達3~5個數量級)和多元素可以同時測定等優點，是一種極有潛力的痕量分析方法。今後的任務是發展新的光源和尋找更理想的原子化器。實用新型原子螢光光度計，包括原子化器和光電倍增管以及位於原子化器和光電倍增管之間的短焦不等距光路系統，該光路系統由透鏡室及其前蓋和位於透鏡室中的透鏡及透鏡後部的定位圈組成，原子化器位於透鏡的前焦點上，透鏡室的後部與光電倍增管外罩通過螺紋連線在一起，並將光電倍增管固定在透鏡的後焦點以內的位置上，透鏡室設有固定圈，透鏡室通過固定圈固定安裝在鏡架板上。實用新型原子螢光光度計的優點在於：減小了原子化器與光電倍增管之間的距離，增大了原子螢光信號接收的立體角，接收到較強的原子螢光信號，減少了原子螢光光度計的螢光猝滅現象。

聯用技術

離子色譜-蒸氣發生/原子螢光及高效液相色譜-蒸氣發生/原子螢光聯用技術套用於砷、汞元素形態分析的新進展。

國際上對食品和環境科學中有毒、有害有機污染物高度重視，且在有機污染物的監測分析有了很大發展。人們已越來越認識到砷、汞、硒、鉛、鎘等元素不同化合物的形態其作用和毒性存在巨大的差異。例如砷是一種有毒元素，其毒性與砷的存在形態密切相關，不同形態的毒性相差甚遠。無機砷包括三價砷和五價砷，具有強烈的毒性，甲基砷如一甲基砷、二甲基砷的毒性相對較弱。而廣泛存在於水生生物體內的砷甜菜鹼（AsB）、砷膽鹼（AsC）、砷糖（AsS）和砷脂（AsL）等則被認為毒性很低或是無毒；以及汞元素的化學形態間甲基汞（MMC）、乙基汞（EMC）、苯基汞（PMC）和無機汞（MC），甲基汞的毒性要比無機汞的毒性大得多。因此，對某些元素已不再是總量分析，而是進行各種化合物的形態分析成為一種發展趨勢。

元素形態分析的主要手段是聯用技術，即將不同的元素形態分離系統與靈敏的檢測器結合為一體，實現樣品中元素不同形態的線上分離與測定。目前國外採用聯用技術主要的有高效液相色譜-電感耦合電漿質譜（HPLC-ICP-MS）[16,17]和離子色譜-電感耦合電漿質譜（IC-ICP-MS）[18]為主。蒸氣發生/原子螢光光譜法（VG/AFS）最大的優點是測定砷、汞、硒、鉛和鎘等元素有較高的檢測靈敏度，且選擇性好，又具有多元素檢測能力的獨特優勢，而色譜分離（離子色譜或高效液相色譜）對這些元素是一種極為有效的手段。因此，兩者結合的聯用技術具有無可比擬的最佳效果。

分離色譜圖

色譜分離與原子螢光光譜儀聯用可獲得高靈敏度優勢外，原子螢光光譜儀採用非色散光學系統，儀器結構簡單，製造成本低，儀器價格比AAS、ICP-AES、ICP-MS便宜。且原子螢光已具備有蒸氣發生系統的專用儀器。因此，簡化了儀器接口技術，以及消耗氣體量較少，分析成本

低，易於推廣。我們研製成功離子色譜-蒸氣發生/原子螢光光譜（IC-VG/AFS）和高效液相色譜-蒸氣發生/原子螢光光譜（HPLC-VG/AFS）聯用技術套用於砷、汞、硒元素形態分析發揮了重要作用。北京瑞利分析儀器公司與中國科學院生態環境研究中心合作開發了高效液相色譜-蒸氣發生/原子螢光光譜（HPLC-VG/AFS）聯用分析技術系統裝置（見圖9）。

原子螢光光譜儀與高效液相色譜聯用技術

圖8 離子色譜-原子螢光光譜聯用技術四種As化合物的分離色譜圖

圖9 原子螢光光譜儀與高效液相色譜聯用技術

圖8 離子色譜-原子螢光光譜聯用技術四種As化合物的分離色譜圖

圖9 高液液相色譜-原子螢光光譜聯用技術系統裝置

5.2.1儀器主要配置及測試條件

AF-610D聯用技術原子螢光光譜儀。配置有高效紫外光（UV）接口；聯用技術色譜工作站（北京瑞利分析儀器公司）。

LC-10Atvp高效液相色譜泵（Shimadzu.Japan）；

CLC-ODS柱：150×6 mm i.d，10μm填料（Shim-pack,Japan）。

儀器工作條件以50%甲醇/水作流動相，含10mMTBA和0.1M NaCI，流速為1.2mL/min，進樣體積20μL。

高強度Hg空心陰極燈的燈電流為40 mA；負高壓280V；氬氣流速200 mL/min。四種汞化合物無機汞（MC）、甲基汞（MMC）、乙基汞（EMC）、苯基汞（PMC），在15min內實現了很好分離，色譜分離如圖10所示。

圖10 高液液相色譜-原子螢光光譜聯用技術三種Hg化合物的分離色譜圖

圖10 高液液相色譜-原子螢光光譜聯用技術三種Hg化合物的分離色譜圖

5.2.2工作曲線及檢出限

根據不同形態的汞化合物其靈敏度不同，在不同的線性範圍內對無機汞和兩種有機汞化合物作了工作曲線。三種化合物均成良好的線性關係（見表8），與高效液相色譜紫外檢測器聯用相比，兩種有機汞化合物的靈敏度提高了1000倍。

表8汞化合物的校準曲線及其檢出限

汞化合物 校準曲線 相關係數 線性範圍（ng） 檢出限（ng）

MC Y=3197X+392.6 0.9985 0.4～100 0.09

MMC Y=3972.2X+2129.9 0.9996 0.4～100 0.20

EMC Y=5022.4X-4338.4 0.9987 0.4～100 0.60