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測試表征系列 | 原子熒光光譜（AFS）基本原理與應用

來源：科學10分鐘時間：2022-11-02 16:58:54 瀏覽：2366次

01

1 原子熒光光譜法概述

原子熒光光譜法（Atomic Fluorescence Spectroscopy，AFS）是1964年以后發(fā)展起來的分析方法。原子熒光光譜法是以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強度進行定量分析的發(fā)射光譜分析法。所用儀器與原子吸收光譜法相近。

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1.1

原子熒光的發(fā)展史

1959年Kirchhoof開始原子熒光理論的研究；

1902年Wood等首先觀測到了鈉的原子熒光；

1934年Mitchll和Zemansky對早期原子熒光研究進行概括性總結；

1962年Alkemade介紹了原子熒光量子效率的測量方法，并預言該方法可能用于元素分析；

1964年導出了原子熒光的基本方程式，開展了Hg、Zn和Cd的原子熒光分析；

20世紀70年代我國首批專家致力于原子熒光的理論和應用研究，開創(chuàng)了氫化物發(fā)生和原子熒光的聯(lián)用技術（HG-AFS）。

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1.2

原子熒光光譜法的特點

優(yōu)點：

（1）有較低的檢出限、靈敏度高。

（2）對Cd、Zn等元素檢出限很低，20多種元素的檢出限優(yōu)于原子吸收光譜。

（3）譜線簡單、光譜干擾較少；

（4）線性范圍寬（可達4~7個數(shù)量級）；

（5）可實現(xiàn)多元素同時測定；

缺點：

存在熒光猝滅效應、散射光干擾等問題；

02

2 原子熒光光譜法的基本原理

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2.1

原子熒光光譜的產(chǎn)生

當氣態(tài)原子受到強特征輻射時，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，約在10-8 s后，再由激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，輻射出與吸收波長相同或不同的熒光。

×

2.2

原子熒光光譜的類型

三種類型：共振熒光、非共振熒光與敏化熒光

（1）共振熒光（resonance fluorescence）：當氣態(tài)原子吸收共振線被激發(fā)后，激發(fā)態(tài)原子再發(fā)射出與共振線波長相同的熒光；

（2）非共振熒光：當熒光與激發(fā)光的波長不相同時，產(chǎn)生非共振熒光。分為直躍線熒光、階躍線熒光、反斯托克斯熒光三種。

（a）直躍線熒光（direct line fluorescence）：激發(fā)態(tài)原子遷躍回至高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)時所發(fā)射的熒光稱為直躍線熒光。

（b）階躍線熒光（Stepwise line fluorescence）：光照激發(fā)的原子，以非輻射的方式釋放部分能量后，再發(fā)射熒光返回基態(tài)。非輻射形式為在原子化器中原子與其他粒子碰撞的去激發(fā)過程。

（c）反斯托克斯熒光（anti-Stokes fluorescence）：熒光波長小于激發(fā)線波長；先熱激發(fā)再光照激發(fā)（或反之），再發(fā)射熒光返回至基態(tài)或較低能級；

（3）敏化熒光（Sensitised fluorescence）

受光激發(fā)的原子與另一種原子碰撞時，把激發(fā)能傳遞給另一個原子使其激發(fā)，后者再以輻射形式去激發(fā)而發(fā)射的熒光即為敏化熒光。敏化熒光發(fā)射過程如下：

以上各類熒光中共振熒光的強度最大，也最為常用。

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2.3

熒光強度與濃度的關系

當光源強度穩(wěn)定、輻射光平行、自吸可忽略，發(fā)射熒光的強度If正比于基態(tài)原子對特定頻率吸收光的吸收強度Ia；

I_f=Φ·I_a

I_a=I₀A(1?e^?εlN)

I_f=ΦAI₀(1?e^?εlN)

展開方程，忽略高次，可得I_f=KC

I₀原子化火焰單位面積受到的光源強度；A為受光照射在檢測器中觀察到的有效面積；K為峰值吸收系數(shù)；l為吸收光程；N為單位體積內(nèi)的基態(tài)原子數(shù)；

03

3 原子熒光光譜儀的結構與類型

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3.1

原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀主要區(qū)別

原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀在許多組件上是相同的。如原子化器（火焰和石墨爐）；用切光器及交流放大器來消除原子化器中直流發(fā)射信號的干擾；檢測器為光電倍增管。

圖1. 原子熒光光譜結構示意圖

下面討論原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀的主要區(qū)別：

1、光源

原子熒光光譜儀中，需要采用高強度空心陰極燈、無極放電燈、激光和等離子體等。

a. 高強度空心陰極燈：高強度空心陰極燈是在普通空心陰極燈中，加上一對輔助電極。輔助電極的作用是產(chǎn)生第二次放電，從而大大提高金屬元素的共振強度（對其他譜線的強度增加不大）

b. 無極放電燈：無極放電燈比高強度空心陰極燈的亮度高，自吸小、壽命長。特別適用于在短波區(qū)內(nèi)有共振線的易揮發(fā)元素的測定。

2、光路

在原子熒光中，為了檢測熒光信號，避免激發(fā)光源進入單色器，要求光源、原子化器和檢測器三者處于直角狀態(tài)。而在原子吸收光譜儀中，這三者是處于一條直線上。

圖2. 原子熒光光譜儀圖示

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3.2

儀器類型

單通道：每次分析一個元素

多通道：每次可分析多個元素

色散性：帶分光系統(tǒng)；

非色散系統(tǒng)：采用濾光器分離分析線和鄰近線；

圖3. 非色散型（a）和色散性（b）原子熒光光譜結構示意圖

04

4 原子熒光光譜樣品要求及應用

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4.1

樣品制備與要求

（1）固體樣品需要0.5~2 g，處理成澄清的酸性溶液狀態(tài)。這里建議用微波消解，一方面揮發(fā)性元素砷、汞可以保留在溶液中，防止揮發(fā)造成結果的偏差和對環(huán)境的污染；另一方面通過溫度、壓力的控制，可以保證消解的質(zhì)量，保證反應完全一致的平行和重復性。

（2）液體樣品需要10~20 mL，不含懸浮的固體微粒和膠體或纖維。

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4.2 應用

原子熒光光譜法（AFS）的靈敏度較原子吸收法高、儀器簡單、采集和運行成本低的常見原子光譜技術。已廣泛應用于各領域的痕量元素分析。目前主要用于Cd、Zn、Hg、As、Sb、Sn、Pb、Ga和In等元素的測定。

臨床：分析血液、尿液、指甲和頭發(fā)中的的Pb、Hg、As、Sb、Bi、Ge和Se；血清和尿液樣品中的Cu、Zn和Pb。

環(huán)境：測定 1ng/L級的Hg含量；As、Se、Sb和Te的檢出限在10-50 ng/L范圍內(nèi)?？諝庵械腍g含量檢出限在10 pg。通過石墨爐激光-AFS測定樣品中元素飛克（10-5）級的含量。

農(nóng)業(yè)：分析奶制品、酒、飼料、肉類、煙草等產(chǎn)品中As、Hg、Pb、Sb和Se元素。

材料：合金中確定某些元素如Cu、Fe、Mg、Mn、Ni和Zn等。

表1. 常用元素的原子熒光吸收^[1]

Pingyue Hu^[2]等開發(fā)了一種無需色譜分離的新型紫外（UV）原子化原子熒光光譜法（UV-AFS），用于測定食物樣品中汞（無機汞Hg²⁺和甲基汞MeHg⁺）的定量形態(tài)分析。使用0.1％（m/v）KBH₄作為還原劑，通過使用非紫外線輻射模式測量了無機汞。在紫外原子化下，由KBH₄生成的揮發(fā)性MeHg+氫化物（MeHgH）可以轉化為元素汞蒸氣，并且在該UV原子化模式下檢測到總Hg（MeHg⁺和Hg²⁺）。在優(yōu)化的實驗參數(shù)條件下，Hg²⁺和MeHg⁺的檢出限分別為0.015 ng mL^-1和0.081 ng mL^-1。相對標準偏差（RSD）（n=11）分別是2.4%和0.4%。

圖4. 實驗過程示意圖

表2. 該測定方法Hg²⁺和MeHg⁺檢出限、精密度和校準函數(shù)

參考文獻

[1] Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry, Editor, F.Settle, Low Price Edition, Pearson Education Inc, New Delhi, 2004.

[2] Hu, Pingyue, Wang, Xiu, Yang, Li, Yang, Haiyan, Tang, Yuyi, Luo, Hong, Xiong, Xiaoli, Jiang, Xue, Huang, Ke. Speciation of mercury by hydride generation ultraviolet atomization-atomic fluorescence spectrometry without chromatographic separation[J]. Microchemical Journal, 2018, 143, 228-233.

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