原子荧光光谱仪

光谱分析设备

原子荧光光度计利用惰性气体氩气作载气，将气态氢化物和过量氢气与载气混合后，导入加热的原子化装置，氢气和氩气在特制火焰装置中燃烧加热，氢化物受热以后迅速分解，被测元素离解为基态原子蒸气，其基态原子的量比单纯加热砷、锑、铋、锡、硒、碲、铅、锗等元素生成的基态原子高几个数量级。

基本介绍

利用原子荧光谱线的波长和强度进行物质的定性与定量分析的方法。原子蒸气吸收特征波长的辐射之后，原子激发到高能级，激发态原子接着以辐射方式去活化，由高能级跃迁到较低能级的过程中所发射的光称为原子荧光。当激发光源停止照射之后，发射荧光的过程随即停止。　原子荧光可分为 3类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，其中以共振原子荧光最强，在分析中应用最广。共振荧光是所发射的荧光和吸收的辐射波长相同。只有当基态是单一态，不存在中间能级，才能产生共振荧光。非共振荧光是激发态原子发射的荧光波长和吸收的辐射波长不相同。非共振荧光又可分为直跃线荧光、阶跃线荧光和反斯托克斯荧光。直跃线荧光是激发态原子由高能级跃迁到高于基态的亚稳能级所产生的荧光。阶跃线荧光是激发态原子先以非辐射方式去活化损失部分能量，回到较低的激发态，再以辐射方式去活化跃迁到基态所发射的荧光。直跃线和阶跃线荧光的波长都是比吸收辐射的波长要长。反斯托克斯荧光的特点是荧光波长比吸收光辐射的波长要短。敏化原子荧光是激发态原子通过碰撞将激发能转移给另一个原子使其激发，后者再以辐射方式去活化而发射的荧光。

根据荧光谱线的波长可以进行定性分析。在一定实验条件下，荧光强度与被测元素的浓度成正比。据此可以进行定量分析。　原子荧光光谱仪分为色散型和非色散型两类。两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散仪器不用单色器。色散型仪器由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光。可用连续光源或锐线光源，常用的连续光源是氙弧灯，可用的锐线光源有高强度空心阴极灯、无极放电灯及可控温度梯度原子光谱灯和激光。单色器用来选择所需要的荧光谱线，排除其他光谱线的干扰。原子化器用来将被测元素转化为原子蒸气，有火焰、电热、和电感耦合等离子焰原子化器。检测器用来检测光信号，并转换为电信号，常用的检测器是光电倍增管。显示和记录装置用来显示和记录测量结果，可用电表、数字表、记录仪等。　原子荧光光谱分析法具有设备简单、灵敏度高、光谱干扰少、工作曲线线性范围宽、可以进行多元素测定等优点。在地质、冶金、石油、生物医学、地球化学、材料和环境科学等各个领域内获得了广泛的应用。

基本原理

原子荧光光谱法是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。

气态自由原子吸收特征波长辐射后，原子的外层电子从基态或低能级跃迁到高能级经过约10-8s，又跃迁至基态或低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。原子荧光分为共振荧光、直跃荧光、阶跃荧光等。

发射的荧光强度和原子化器中单位体积该元素基态原子数成正比，式中：I f为荧光强度；φ为荧光量子效率，表示单位时间内发射荧光光子数与吸收激发光光子数的比值，一般小于1；Io为激发光强度；A为荧光照射在检测器上的有效面积；L为吸收光程长度；ε为峰值摩尔吸光系数；N为单位体积内的基态原子数。

原子荧光发射中，由于部分能量转变成热能或其他形式能量，使荧光强度减少甚至消失，该现象称为荧光猝灭。

分析方法

物质吸收电磁辐射后受到激发，受激原子或分子以辐射去活化，再发射波长与激发辐射波长相同或不同的辐射。当激发光源停止辐照试样之后，再发射过程立即停止，这种再发射的光称为荧光；若激发光源停止辐照试样之后，再发射过程还延续一段时间，这种再发射的光称为磷光。荧光和磷光都是光致发光。

原子荧光光谱分析法具有很高的灵敏度，校正曲线的线性范围宽，能进行多元素同时测定。这些优点使得它在冶金、地质、石油、农业、生物医学、地球化学、材料科学、环境科学等各个领域内获得了相当广泛的应用。

仪器构造

原子荧光分析仪分非色散型原子荧光分析仪与色散型原子荧光分析仪。这两类仪器的结构基本相似，差别在于单色器部分。两类仪器的光路图如右图所示：

激发光源

可用连续光源或锐线光源。常用的连续光源是氙弧灯，常用的锐线光源是高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光等。连续光源稳定，操作简便，寿命长，能用于多元素同时分析，但检出限较差。锐线光源辐射强度高，稳定，可得到更好的检出限。

原子化器

原子荧光分析仪对原子化器的要求与原子吸收光谱仪基本相同。

光学系统

光学系统的作用是充分利用激发光源的能量和接收有用的荧光信号，减少和除去杂散光。色散系统对分辨能力要求不高，但要求有较大的集光本领，常用的色散元件是光栅。非色散型仪器的滤光器用来分离分析线和邻近谱线，降低背景。非色散型仪器的优点是照明立体角大，光谱通带宽，集光本领大，荧光信号强度大，仪器结构简单，操作方便。缺点是散射光的影响大。

检测器

常用的是光电倍增管，在多元素原子荧光分析仪中，也用光导摄象管、析象管做检测器。检测器与激发光束成直角配置，以避免激发光源对检测原子荧光信号的影响。

产生及类型

当自由原子吸收了特征波长的辐射之后被激发到较高能态，接着又以辐射形式去活化，就可以观察到原子荧光。原子荧光可分为三类：共振原子荧光、非共振原子荧光与敏化原子荧光。

共振原子荧光

原子吸收辐射受激后再发射相同波长的辐射，产生共振原子荧光。若原子经热激发处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，然后再发射相同波长的共振荧光，此种共振原子荧光称为热助共振原子荧光。如In451.13nm就是这类荧光的例子。只有当基态是单一态，不存在中间能级，没有其它类型的荧光同时从同一激发态产生，才能产生共振原子荧光。

非共振原子荧光

当激发原子的辐射波长与受激原子发射的荧光波长不相同时，产生非共振原子荧光。非共振原子荧光包括直跃线荧光、阶跃线荧光与反斯托克斯荧光，

直跃线荧光是激发态原子直接跃迁到高于基态的亚稳态时所发射的荧光，如Pb405.78nm。只有基态是多重态时，才能产生直跃线荧光。阶跃线荧光是激发态原子先以非辐射形式去活化方式回到较低的激发态，再以辐射形式去活化回到基态而发射的荧光；或者是原子受辐射激发到中间能态，再经热激发到高能态，然后通过辐射方式去活化回到低能态而发射的荧光。前一种阶跃线荧光称为正常阶跃线荧光，如Na589.6nm，后一种阶跃线荧光称为热助阶跃线荧光，如Bi293.8nm。反斯托克斯荧光是发射的荧光波长比激发辐射的波长短，如In 410.18nm。

敏化原子荧光

激发原子通过碰撞将其激发能转移给另一个原子使其激发，后者再以辐射方式去活化而发射荧光，此种荧光称为敏化原子荧光。火焰原子化器中的原子浓度很低，主要以非辐射方式去活化，因此观察不到敏化原子荧光。

优点

有较低的检出限，灵敏度高。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。现已有2O多种元素低于原子吸收光谱法的检出限。由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，采用新的高强度光源可进一步降低其检出限。

干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。

分析校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。

由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。

光度计结构

原子荧光光度计分为色散型和非色散型两类。两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散仪器不用单色器。色散型仪器由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成，非色散仪器没有单色器。荧光仪与原子吸收仪相似，但光源与检测部件不在一条直线上，而是90°直角，而避免激发光源发射的辐射对原子荧光检测信号的影响。

非色散原子荧光光度计的结构方框图如图1所示。

图1 非色散原子荧光光度计的结构方框图

仪器由下述五部分组成：

激发光源

用来激发原子使其产生原子荧光。光源分连续光源和锐线光源。连续光源一般采用高压氙灯，功率可高达数百瓦。这种灯测定的灵敏度较低，光谱干扰较大，但是采用一个灯即可激发出各元素的荧光。常用的锐线光源为脉冲供电的高强度空心阴极灯、无电极放电灯及70年代中期提出的可控温度梯度原子光谱灯。采用线光源时，测定某种元素需要配备该元素的光谱灯。由公式 ⑵ 可以看出，原子荧光的强度If与激发光源辐射强度I0成比例，因此原子荧光光度计都采用新的高强度光源提高激发光源辐射强度，I0提高1~2个数量级，进一步降低仪器的检出限。

单色器

产生高纯单色光的装置，其作用为选出所需要测量的荧光谱线，排除其他光谱线的干扰。单色器有狭缝、色散元件（光栅或棱镜）和若干个反射镜或透镜所组成，色散系统对分辨能力要求不高，但要求有较大的集光本领。使用单色器的仪器称为色散原子荧光光度计；非色散原子荧光分析仪没有单色器，一般仅配置滤光器用来分离分析线和邻近谱线，降低背景。非色散型仪器的滤光器非色散型仪器的优点是照明立体角大，光谱通带宽，荧光信号强度大，仪器结构简单，操作方便，价格便宜。缺点是散射光的影响大。

原子化器

将被测元素转化为原子蒸气的装置。可分为火焰原子化器和电热原子化器。火焰原子化器是利用火焰使元素的化合物分解并生成原子蒸气的装置。所用的火焰为空气－乙炔焰、氩氢焰等。用氩气稀释加热火焰，可以减小火焰中其他粒子，从而减小荧光猝灭(受激发原子与其它粒子碰撞，部分能量变成热运动与其他形式的能量，因而发生无辐射的去激发，使荧光强度减少甚至消失，该现象称为荧光猝灭)现象。电热原子化器是利用电能来产生原子蒸气的装置。电感耦合等离子焰也可作为原子化器，它具有散射干扰少、荧光效率高的特点。

检测系统

常用的检测器为光电倍增管。在多元素原子荧光分析仪中，也用光导摄象管、析象管做检测器。检测器与激发光束成直角配置，以避免激发光源对检测原子荧光信号的影响。

显示装置

显示测量结果的装置。可以是电表、数字表、记录仪等。

仪器测量系统根据检测元素的数量可分为单道、双道、多道等类型。

原子荧光光谱法具有设备简单、各元素相互之间的光谱干扰少，检出限低，灵敏度高，(对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd可达0．001 ng·cm-3、Zn可达0.04 ng·cm-3)、工作曲线线性范围宽(可达3~5个数量级)和多元素可以同时测定等优点，是一种极有潜力的痕量分析方法。今后的任务是发展新的光源和寻找更理想的原子化器。实用新型原子荧光光度计，包括原子化器和光电倍增管以及位于原子化器和光电倍增管之间的短焦不等距光路系统，该光路系统由透镜室及其前盖和位于透镜室中的透镜及透镜后部的定位圈组成，原子化器位于透镜的前焦点上，透镜室的后部与光电倍增管外罩通过螺纹连接在一起，并将光电倍增管固定在透镜的后焦点以内的位置上，透镜室设有固定圈，透镜室通过固定圈固定安装在镜架板上。实用新型原子荧光光度计的优点在于：减小了原子化器与光电倍增管之间的距离，增大了原子荧光信号接收的立体角，接收到较强的原子荧光信号，减少了原子荧光光度计的荧光猝灭现象。

联用技术

离子色谱-蒸气发生/原子荧光及高效液相色谱-蒸气发生/原子荧光联用技术应用于砷、汞元素形态分析的新进展。

国际上对食品和环境科学中有毒、有害有机污染物高度重视，且在有机污染物的监测分析有了很大发展。人们已越来越认识到砷、汞、硒、铅、镉等元素不同化合物的形态其作用和毒性存在巨大的差异。例如砷是一种有毒元素，其毒性与砷的存在形态密切相关，不同形态的毒性相差甚远。无机砷包括三价砷和五价砷，具有强烈的毒性，甲基砷如一甲基砷、二甲基砷的毒性相对较弱。而广泛存在于水生生物体内的砷甜菜碱（AsB）、砷胆碱（AsC）、砷糖（AsS）和砷脂（AsL）等则被认为毒性很低或是无毒；以及汞元素的化学形态间甲基汞（MMC）、乙基汞（EMC）、苯基汞（PMC）和无机汞（MC），甲基汞的毒性要比无机汞的毒性大得多。因此，对某些元素已不再是总量分析，而是进行各种化合物的形态分析成为一种发展趋势。

元素形态分析的主要手段是联用技术，即将不同的元素形态分离系统与灵敏的检测器结合为一体，实现样品中元素不同形态的在线分离与测定。目前国外采用联用技术主要的有高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）[16,17]和离子色谱-电感耦合等离子体质谱（IC-ICP-MS）[18]为主。蒸气发生/原子荧光光谱法（VG/AFS）最大的优点是测定砷、汞、硒、铅和镉等元素有较高的检测灵敏度，且选择性好，又具有多元素检测能力的独特优势，而色谱分离（离子色谱或高效液相色谱）对这些元素是一种极为有效的手段。因此，两者结合的联用技术具有无可比拟的最佳效果。

色谱分离与原子荧光光谱仪联用可获得高灵敏度优势外，原子荧光光谱仪采用非色散光学系统，仪器结构简单，制造成本低，仪器价格比AAS、ICP-AES、ICP-MS便宜。且原子荧光已具备有蒸气发生系统的专用仪器。因此，简化了仪器接口技术，以及消耗气体量较少，分析成本

低，易于推广。我们研制成功离子色谱-蒸气发生/原子荧光光谱（IC-VG/AFS）和高效液相色谱-蒸气发生/原子荧光光谱（HPLC-VG/AFS）联用技术应用于砷、汞、硒元素形态分析发挥了重要作用。北京瑞利分析仪器公司与中国科学院生态环境研究中心合作开发了高效液相色谱-蒸气发生/原子荧光光谱（HPLC-VG/AFS）联用分析技术系统装置（见图9）。

图8 离子色谱-原子荧光光谱联用技术四种As化合物的分离色谱图

图9 原子荧光光谱仪与高效液相色谱联用技术

图8 离子色谱-原子荧光光谱联用技术四种As化合物的分离色谱图

图9 高液液相色谱-原子荧光光谱联用技术系统装置

5.2.1仪器主要配置及测试条件

AF-610D联用技术原子荧光光谱仪。配置有高效紫外光（UV）接口；联用技术色谱工作站（北京瑞利分析仪器公司）。

LC-10Atvp高效液相色谱泵（Shimadzu.Japan）；

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

仪器工作条件以50%甲醇/水作流动相，含10mMTBA和0.1M NaCI，流速为1.2mL/min，进样体积20μL。

高强度Hg空心阴极灯的灯电流为40 mA；负高压280V；氩气流速200 mL/min。四种汞化合物无机汞（MC）、甲基汞（MMC）、乙基汞（EMC）、苯基汞（PMC），在15min内实现了很好分离，色谱分离如图10所示。

图10 高液液相色谱-原子荧光光谱联用技术三种Hg化合物的分离色谱图

5.2.2工作曲线及检出限