原子荧光光谱仪知识详解（二）

原子荧光光谱仪（AFS）又称为原子荧光光度计，是上世纪60年代中期提出并迅速发展起来的新型光谱技术。原子荧光光谱法(AFS)是原子光谱法中的一个重要分支，是介于原子发射(AES)和原子吸收(AAS)之间的光谱分析技术。原子蒸气吸收特定波长的光辐射的能量而被激发，受激原子在去激发过程中发射出一定波长的光辐射称为原子荧光，利用原子在辐射激发下发射的荧光强度来定量分析的方法,即为原子荧光光谱分析法。

3.原子荧光的类型

3.1共振荧光

即激发波长与产生的荧光波长相同时，这种荧光称为共振荧光，是原子荧光分析中最常用的一种荧光，如锌原子吸收213.86nm的光，它发射荧光的波长也为213.86nm。

3.2非共振荧光

当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光。非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、anti-Stokes（反斯托克斯）荧光。

直跃线荧光：即激发波长大于产生的荧光波长时，这种荧光称为直跃线荧光；

阶跃线荧光：即激发波长小于产生的荧光波长时，这种荧光称为阶跃线荧光；

热助阶跃线荧光：既原子吸收能量由基态EO激发至E2能级时，由于受到热能的进一步激发，电子可能跃迁至E2相近的较高能级E3，当其由E3跃迁到较低能级E1时所发射的荧光，称为热助阶跃线荧光；

热助反Stokes荧光：即电子从基态EO邻近的E2能级激发至E3能级时，其荧光辐射过程可能是由E3回到EO所发出的荧光成为热助反Stokes荧光。

3.3敏化荧光

受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再以发射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏化荧光，在非火焰原子化器中才能观察到。

在以上各种类型的原子荧光中，共振荧光强度最大，最为常用。各种原子荧光类型见图1。表1则给出了一些具体的例子。

对于共振荧光(图1(a和b)，在激发和去激发过程中涉及的上能级和下能级相同，因此吸收和发射波长相同。当涉及激发和发射的上能级相同时，会产生直跃线荧光(图1(c)～(0)；而对于阶跃线荧光(图1(g)～(1)，所涉及的激发-去活化过程的能级是不同的。直跃线荧光和阶跃线荧光都可归入非共振荧光类。当通过吸收光子而被激发的给体组分将能量转移给受体原子，而后者发生辐射去活化时便产生敏化荧光(图1(m)。最后当由两个以上的光子将一个原子激发到激发态而后发射一个光子时，便形成了多光子荧光(图1(n)。中间能级可以是虚的或实的，且激发光子的能量可以相同或不同。

可对不同类型的共振荧光、直跃线荧光和阶跃线荧光加以区分。若涉及的上下能态均为激发态，则该荧光过程被称作激发态荧光(图1(b)、(d)、(f)、(h）、（j）和(1)。Stokes和反Stokes分别表示激发波长大于或小于发射波长。若激发过程为先辐射激发，后发生热激发，则此过程为热助过程(图1(k)和(1)。

图1原子荧光跃迁的类型

(注:原子能级间的间隔并不表示任何具体原子的能量大小)

(a)共振荧光(两种过程)；(b）激发态共振荧光；(c)Stokes直跃线荧光；(d)激发态Stokes直跃线荧光；(e)反Stokes直跃线荧光；(f)激发态反Stokes直跃线荧光；(g)Stokes阶跃线荧光；(h)激发态Stokes阶跃线荧光；(i)反Stokes阶跃线荧光；(j）激发态反Stokes阶跃线荧光；(k)热助Stokes或反Stokes阶跃线荧光(视吸收辐射波长比荧光辐射波长短或长而定)；(1)激发态热助Stokes或反Stokes阶跃线荧光(视吸收辐射波长比荧光辐射波长短或长而定)；(m）敏化荧光：D为给体，D*为激发态给体；A为受体，A*为激发态受体；hvE为激发辐射，hvF为荧光辐射)；(n)激发双光子荧光( 涉及两个以上光子的多电子过程比双光子过程有更少的概率)。

大多数分析工作涉及共振荧光，因为其跃迁概率最大且用普通线光源即可获得相当高的辐射密度。敏化荧光和多光子荧光很少用于分析，因为产生的荧光辐射密度低。用非共振荧光时，可用波长选择办法分辩开散射光与荧光，因为此时的激发和发射波长是不同的。

表1 不同荧光类型实例

4.荧光淬灭及荧光量子效率

4.1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，氩气和氦气中荧光的猝灭最小。

4.2荧光猝灭的类型

与自由原子碰撞、分子碰撞、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，形成不同的激发态的化学猝灭反应。

4.3荧光量子效率

激发态的S₁荧光强度与基态S₀吸收光强度的比值。原子荧光的猝灭主要影响荧光量子效率，降低原子荧光的强度。

5.仪器基本组成

目前，国内外使用的原子荧光光度计普遍都是蒸气发生–非色散原子荧光光度计，所以，主要介绍蒸气发生–非色散原子荧光度计的结构。这种仪器主要由激发光源、原子化器、蒸气发生系统（进样系统和气液分离器）、光学系统、数据检测系统构成。

5.1激发光源

激发光源是原子荧光光度计的一个重要组成部分，原子荧光光谱分析的发展历程中激发光源从来都是一个重要的研究方向。从本质上说，原子荧光光谱分析就是一种光激发光谱的技术，在某种固定条件下，原子荧光强度与激发光源的发射强度成正比关系。在发展过程中激发光源使用的种类有：空心阴极灯、高性能（双阴极）空心阴极灯、汞的空心阴极灯、无极放电灯和激光光源。现在使用较多的是高性能空心阴极灯和汞的空心阴极灯。高性能空心阴极灯主要由阳极、阴极和辅助电极构成，它的优点是特征谱线强度高、分析灵敏度高、检出限低、预热时间短、稳定性好和结构简单，As、Sb、Bi、Ge、Se等主要使用这种灯。Hg使用的灯不同，汞的空心阴极灯具有蒸气放电灯和空心阴极灯的特点。同样汞灯发光现象与其它元素灯也不同，属于特别的汞线光谱光源。

光源的作用是使待测元素的原子激发而发射荧光。原子荧光分析对激发光源的主要要求是:(1)强度大，荧光强度与激发光源强度成正比关系，采用高强度的光源可提高测量灵敏度。⑵)稳定，保证分析的精密度高。光源发射线宽度对原子荧光不重要。为消除因待测元素热激发产生的发射光谱的影响，必须对光源进行调制。

5.2原子化器

把样品中待测元素转化为基态原子（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。目前，普遍使用的原子化器都是低温石英炉原子化器。低温石英炉原子化器只要在石英炉管口安装一圈低温炉丝就可，反应产生的待测元素的氢化物和氢气被带入到石英炉管口时就可自动点燃形成氩氢火焰。

由于汞元素的特殊性，测定汞元素的时候，不用点燃低温电炉丝，采用红外加热方式，将石英炉原子化器加热到100℃，然后使用低浓度的硼氢化钠（钾）与酸性介质的样品溶液反应产生气态汞原子，在没有氩氢火焰的状态下进行检测。

5.3蒸气发生反应系统

蒸气发生反应系统是现在原子荧光光谱仪主要应用的反应系统，它由进样系统和气液分离系统组成。其基本原理是运用蒸气发生技术使还原剂（NaBH₄或KBH₄）与酸性介质下的样品的溶液发生化学反应，使之生成的共价氢化物元素As、Bi、Ge、Pb、Sb、Se、Sn、Te 等、挥发性化合物元素Cd和Zn、蒸气态Hg原子，在这个过程中产生的氢气都经载气（Ar）通入到原子荧光光谱仪的原子化器中，在形成的氩氢火焰中进行原子化，经氩氢火焰离解成待测元素的原子，然后受到激发光源获得特征光谱照射后，受到激发到高能态后再回到基态时发射出原子荧光。这些不同波长的原子荧光的光信号，经过光电倍增管把光信号转变成电信号，经检测系统、数据处理，最终检测出待测样品中待测元素的含量。

蒸气发生法包含汞蒸气发生法、氢化物发生法和挥发物发生法。其中汞蒸气发生法中化学还原–低温蒸气法测定汞元素是国内外公认的并使用的方法，其优点是化学干扰少，干扰离子在低浓度还原剂条件下不产生干扰和分析灵敏度高，样品重现性较好。氢化物发生法中的硼氢化物--酸还原体系的应用给原子荧光光谱分析中As、Bi、Ge、Pb、Sb、Se、Sn和Te元素的检测开辟了新途径。主要的应用范围是周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族的As、Bi、Ge、Pb、Sb、Se、Sn和Te元素；ⅡB族的Hg、Cd和Zn元素非常适合蒸气发生–原子荧光光谱法的分析测定。Hg和Cd亦可以应用低温蒸气（无火焰）原子荧光光谱法进行分析检测。

5.4光学系统

原子荧光光度计可同时测量多种元素与它的光学系统有关。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。其差别在于单色器部分，非色散型仪器不使用单色器。

5.5数据检测系统

检测系统由光电倍增管和检测电路等组成。光电倍增管（PMT）由光电阴极、倍增极和阳极三部分组成。光电阴极由半导体光电材料制成，入射光在上面打出光电子，由倍增极将其加上电压，阳极再收集电子，外电路形成电流输出光电倍增管，通过前置放大器、主放大、同步解调以及积分器等系列信号接收、处理而将光信号转换为电信号，然后用计算机对数据进行分析、处理、计算。

关于原子荧光光谱仪的原理及构成就介绍到这里了，如果有更多想要了解的，欢迎欢迎联系艾塔科仪，咨询电话：400-002-7510，13006194365。