原子荧光光谱仪讲义

1、原子荧光光谱法基本原理
原子荧光是原子蒸气受具有特征波长的光源照射后，其中一 些自由原子被激发跃迁到较高的能态，然后去活化回到某一 能态（常常是基态）而发射出特征光谱的物理现象。
当激发辐射的波长与产生的荧光波长相同时，称为共振荧光， 它是原子荧光分析中最主要的分析线。各元素都有其特定的 原子荧光光谱，根据原子荧光强度的高低可测得试样中待测 元素含量。这就是原子荧光光谱分析。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
一、基本原理
1、原子荧光光谱法基本原理 2、氢化物发生原理
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仪器供电源为（22022）V；频率（501）Hz单相 交流电，应良好接地。
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五、仪器条件
气源要求
仪器使用时要用到氩气（Ar）；纯度应大于 99.99%，同时购置氩气分压表（可用氧气分压 表替代），主压表表头：0～25MPa，分压表表 头：0～3.0MPa，供给仪器的氩气压力为0.20～ 0.26MPa
整机管路安装
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五、仪器条件
环境条件
环境温度5℃～35℃，最适宜温度为15℃～30℃ 。 环境相对湿度不大于80%。 仪器应放置在平稳的工作台上，不得有阳光直射及强 烈电磁干扰。 仪器不应放置于具有强烈腐蚀(强酸,强碱)气体的环境 中。

多元素同时分析技术瓶颈及解决方案探讨
光谱干扰与分离
多元素同时分析时，光谱干扰是 主要的技术瓶颈之一。采用多道 分光系统、光栅或滤光片等方法 ，实现不同元素光谱的分离，降
低干扰。
灵敏度与检出限
多元素同时分析时，各元素的灵 敏度和检出限可能存在差异。通 过优化仪器参数、改进样品处理 方法等方式，提高各元素的检测
原子荧光法具有灵敏度高、线性范围宽、干扰小等特点，是水质监测中重金属元素分析的有效方法。
详细描述
原子荧光法是一种基于原子荧光的分析方法，具有较高的灵敏度和选择性。在水质监测中，原子荧光 法可用于分析铜、锌、铅、镉等重金属元素，以及砷、锑等非金属元素。通过原子荧光法，可以实现 对水样中重金属元素的快速、准确分析，为水质监测提供可靠的数据支持。
以进一步了解大气污染的来源和分布情况，为大气污染治理提供科学依据。
土壤污染状况调查中重金属元素分析
总结词
原子荧光法在土壤污染状况调查中具有广泛的应用， 可实现对土壤中重金属元素的快速、准确分析。
详细描述
土壤污染状况调查中，重金属元素的分析是必不可少 的环节。原子荧光法可以用于分析土壤中的铜、锌、 铅、镉等重金属元素，以及砷、锑等非金属元素。通 过原子荧光法，可以实现对土壤样品的快速、准确分 析，了解土壤的污染状况和分布情况，为土壤污染治 理提供科学依据。同时，原子荧光法还可以用于评估 土壤的生态风险和环境影响，为环境保护工作提供有 力支持。
添加剂监管
对于食品添加剂的监管，除了关注其功能性外，还需要对其 安全性进行评估。通过原子荧光技术对食品添加剂中的荧光 物质进行分析，可以了解其潜在的风险和危害，为食品添加 剂的监管和使用提供科学依据。
食品包装材料中有害物质迁移研究

4.检测器
•
常用的是日盲光电倍增管，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。
5.氢化物发生器 • • • • （1） （2） （3） （4） 间断法 连续流动法 断续流动法 流动注射氢化物技术
4.原子荧光法测定原理 • 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（线性关系，只在低浓度时成立） • 随着原子浓度的增加，由于谱线展宽效应、自吸、散射等 因素的影响会使得曲线出现弯曲
5.氢化物（蒸气）发生原子荧光法 • 1）原理 • 氢化物发生进样方法，是利用某些能产生初生态氢的还原 剂或化学反应，将样品溶液中的待测组分还原为挥发性共 价氢化物，然后借助载气流（氩气）将其导入原子光谱分 析系统进行测量。
2) 谱线简单、干扰小；
3) 线性范围宽（可达 3 ~ 5个数量级）；
4) 易实现多元素同时测定（产生的荧光向各个方向发射）。
缺点 存在荧光淬灭效应、散射光干扰等问题。
二、原子荧光光谱法的基本原理
1.原子荧光的产生过程
＋ e
e
原子荧光
基态的原子蒸气吸收特定波长光辐射的能量而被激发到较高的激发态， 然后受激原子去活化回到较低的激发态或基态时便发射出一定波长的辐射 ———原子荧光
氢化物发生的优点： 分析元素能够与可能引起干扰的样品基体分离，消除了干 扰。 与溶液直接喷雾进样相比，氢化物法能将待测元素充分预 富集，进样效率接近100%。 连续氢化物发生装置易实现自动化。 不同价态的元素氢化物发生的条件不同，可进行价态分析。
氢化物反应种类 • 1）金属酸还原（Marsh反应） • 2）硼氢化物酸还原体系

硼氢化物酸还原体系
酸化过的样品溶液中的砷、铅、锑、硒等 元素与还原剂(一般为硼氢化钾或钠)反应在 氢化物发生系统中生成氢化物： NaBH4+3H2O+H+=H3BO3+Na++8H*+Em+= EHn+H2(气体）
硼氢化物酸还原体系
式中 Em+ 代表待测元素， EHn 为气态氢化物 （m可以等于或不等于n）。 使用适当催化剂，在上述反应中还可以得 到了镉和锌的气态组分。
原子荧光的类型
d）敏化荧光：给予体吸收辐射成为激发态， 该激发态原子与受体碰撞，将能量传给受 体，使之成为激发态并去激发，从而发射 荧光。 • 大多数分析涉及共振荧光，因为其跃迁几 率最大且用普通光源就可以获得相当高辐 射密度。
氢化物反应的种类 1、金属酸还原体系 2、硼氢化物酸还原体系 3、电解法
原子荧光光谱法优点
1、灵敏度较高
2、谱线比较简单 3、原子荧光是向各个方向辐射能 量，可多元素同时测量 4、分析曲线线性好、较宽
原子荧光光谱仪的组成
3.分光系统：非色散型用透镜（荧光光谱简 单）。 4.检测器：色散型荧光仪用光电倍增管；非 色散型用日盲光电管（Solar blind photomultiplier）(Cs-Te材料；160-320 nm)������ • 光源与检测器成90度：防止激发光源发射 的辐射对原子荧光信号测定的影响。
原子荧光光谱仪
• 定义：原子荧光光谱（AFS）是介于原子 发射光谱（AES）和原子吸收光谱（AAS） 之间的光谱分析技术。 • 基本原理：基态的原子蒸气吸收一定波长 的辐射而被激发到较高的激发态，然后去 活化回到较低的激发态或基态时便发射出 一定波长的辐射——原子荧光

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（三）量子效率与荧光猝灭
受光激发的原子，可能发射共振荧光，也 可能发射非共振荧光，还可能无辐射跃迁 至低能级，所以量子效率一般小于1。 受激原子和其它粒子碰撞，把一部分能量 变成热运动与其它形式的能量，因而发生 无辐射的去激发过程，这种现象称为荧光 猝灭。
荧光猝灭会使荧光的量子效率降低，荧光 强度减弱。
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（六）氢化物原子荧光光谱法的特点： （1）高灵敏度、低检出限。
砷汞硒等元素有相当低的检出限，砷可达 0.005ug/L 、汞可达0.001ug/L 、硒可达 0.004ug/L ，完全可在满足目前的检测需要。 （2）谱线简单、干扰少。 （3）分析校准曲线线性范围宽，可达3 ~ 5个 数量级。 （4）可以多元素同时测定
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2、原子荧光法测定农产品中汞 1）前处理：按照GB/T5009.17-2003的方法，取样品0.3-0.5克，
不要超过0.5克。置于微波消解管中，加入5ml硝酸，1ml 过氧化氢，拧紧消解管盖子，放置30-60min，再置于微波 消解仪中，分三步完成消解步骤。第一步让温度升至100 度左右保持10分钟，第二步让温度升至150度保持10分钟， 第三步让温度升至180度保持5分钟。完成消解后，取出冷 却，用0.02%的重铬酸钾溶液转移至25ml比色管中，并用 其定容。摇匀后上机测定。 2）AFS230原子荧光分光光计，灯电流：30mA；负高压： 270V；其它条件都为仪器默认即可；标准曲线浓度为 0,0.1,0.2,0.4,0.8,1.0ug/L，标准曲线用汞保存液定容。其中 汞保存液为0.02%的重铬酸钾和5%的硝酸混合溶液。用5% 的硝酸作载流，0.5%的硼氢化钾作还原剂，进行测定。
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3、原子荧光法测定土壤中砷、汞 1）前处理：按照GB/T22105.1-2008、GB/T22105.2-2008中 的方法，取0.5克左右的样品置于50ml比色管中，加入1+1 的王水10ml，在沸水浴中加热消解2小时，其间摇动两三 次，取下冷却，定容。澄清或过滤后上机测定汞；澄清或 过滤后分取5ml于25ml比色管中，加入2.5ml5%的硫脲和抗 坏血酸的混合溶液，2ml盐酸，定容后30分钟上机测定。 2）仪器条件：砷：AFS230原子荧光分光光度计灯电流： 60mA；负高压：250V；其它条件都为仪器默认即可；标 准曲线浓度为0,8,16,32,64，80.0,ug/L。用5%的盐酸作载流， 1.5%的硼氢化钾作还原剂，进行测定。汞：AFS230原子荧 光分光光计，灯电流：30mA；负高压：240V；其它条件 都为仪器默认即可；标准曲线浓度为 0,0.4,0.8,1.6,3.2,4.0ug/L，标准曲线用汞保存液定容。其中 汞保存液为0.02%的重铬酸钾和5%的硝酸混合溶液。用5% 的硝酸作载流，0.5%的硼氢化钾作还原剂，进行测定。

标准曲线建立
依次测定系列标准溶液的荧光 强度，以荧光强度为纵坐标， 标准溶液浓度为横坐标，绘制 标准曲线。
样品处理
根据样品性质，选择合适的处 理方法，如消解、萃取等。
样品测定
将处理后的样品按照标准曲线 相同的操作条件进行测定，记
录荧光强度。
数据处理、结果表达及质量控制方法
数据处理
将测得的荧光强度代入标准曲线方程，计算样品中待测元 素的浓度。
结果表达
以表格或图形形式呈现测定结果，包括样品名称、测定值 、单位等信息。
质量控制方法
采用平行样测定、加标回收率实验等方法进行质量控制， 确保测定结果的准确性和可靠性。同时，定期对仪器进行
校准和维护，保证仪器处于良好状态。
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常见元素测定方法举例
汞元素测定方法及注意事项
01
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测定方法：冷原子荧光 法。样品经消解后，汞 离子在酸性介质中与还 原剂反应生成原子态汞 ，由载气带入原子化器 中，在特制汞空心阴极 灯照射下产生原子荧光 ，其荧光强度与汞含量 成正比。
问题一
消解不完全或引入干扰物质。解决方案：优化消解条件，如提高消解温度、延长消解时间 等；选择合适的消解剂和添加剂，以减少干扰物质的引入。
问题二
提取效率低下或提取液浑浊。解决方案：优化提取条件，如改变溶剂类型、提高提取温度 等；对提取液进行过滤或离心处理，以去除杂质和颗粒物。
问题三
净化效果不佳或净化剂失效。解决方案：选择合适的净化剂和净化条件；定期更换净化剂 或采用再生方法恢复净化剂的活性；对净化后的溶液进行再次净化处理，以确保净化效果 符合要求。
注意事项
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样品消解要彻底，避免 有机物干扰。
消解液中的残余酸度对 测定有影响，需用碱中 和至中性。

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三、原子荧光定量分析关系式
当光源强度稳定、辐射光平行、自吸可忽略 ，发射
荧光的强度 If 正比于基态原子对特定频率吸收光的
吸收强度 Ia ：
If = Ia
在低浓度时：
I0 ——原子化火焰单位面积接受到的光源强度； A——受光照射在检测器中观察到的有效面积； ε——吸光系数；φ ——荧光量子效率 N——单位体积内的基态原子数； l ——为吸收光程
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热助共振荧光
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元素的原子经热激发后处在较低的亚稳态，通过 吸收激发光源发射的特定的非共振线后，被进一 步激发，然后再发射出相同波长的共振荧光线。
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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。
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优点
（1）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。 （2）干扰较少，谱线比较简单。 （3）分析校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。 （4）能实现光
直跃线 阶跃线 荧光 荧光
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共振荧光
自由原子吸收激发光源的特征波长辐射，成为 激发态原子，并立即发射出相同波长的辐射， 回到原来的能级，所发辐射为共振荧光。
对于多数元素来说其共振荧光线是相应 于原子激发态和基态间的共振跃迁。
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（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；
分为：直跃线荧光、阶跃线荧光、anti-Stokes荧光三种；
直跃线荧光（Stokes荧光）：跃回到高于基态的亚稳态时
所发射的荧光；荧光波长大于激发线波长（荧光能量间隔小
ห้องสมุดไป่ตู้于激发线能量间隔）；
a
b
c
d
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直跃线荧光（Stokes荧光）
量间隔）；非辐射方式释放能量：碰撞，放热；
光照激发，再热激发，返至高于基态的能级，发射荧光，
图(c)B、D ；
a
b
Cr原子：吸收
c
d
线359.35nm；再
热激发，荧光发
射线357.87nm，
图(c)B、D
13:57:58
anti-Stokes荧光：
荧光波长小于激发线波长；先热激发再光照激发(或反
之)，再发射荧光直接返回基态；图(d) ；
荧光量子效率≈1
13:57:58
4.待测原子浓度与荧光的强度
当光源强度稳定、辐射光平行、自吸可忽略 ，发射荧光 的强度 If 正比于基态原子对特定频率吸收光的吸收强度 Ia ；
If = Ia
在理想情况下：
I f Φ I0 A K0 l N K c
I0 原子化火焰单位面积接受到的光源强度；A为受光照射在 检测器中观察到的有效面积；K0为峰值吸收系数；l 为吸收光 程；N为单位体积内的基态原子数；
13:57:58
3.荧光猝灭与荧光量子效率
荧光猝灭： 受激发原子与其他原子碰撞，能量以热或其 他非荧光发射方式给出，产生非荧光去激发过程，使荧光减 弱或完全不发生的现象。
荧光猝灭程度与原子化气氛有关，氩气气氛中荧光猝灭 程度最小。如何恒量荧光猝灭程度？

等离子的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离；
部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统 内，正离子被拉出并按其质荷比分离；
检测器将离子转化为电子脉冲，然后由积分测量线路计数；
电子脉冲的大小与样品中分析离子的浓度有关，通过与已知 的标准或参比物质比较，实现未知样品的痕量元素定量分析。
实例：原子荧光光谱测定化妆品中的汞；食品中总砷含量 的测定
6.ICP-MS简介
6.1概述 1980年第一篇有关ICP-MS的论文发表。 1983年第一台商品化ICP-MS仪器问世。 至今全球范围已安装5000台以上仪器，普遍应用
于环境、地质、冶金、食品、农业、半导体、生 物医学和核应用等领域，成为公认的最强有力的 元素分析技术。 相比其他痕量金属分析技术，具有以下优点：是 金属分析灵敏度最高的仪器、检出限低、动态范 围宽、多元素同时分析、可进行同位素分析等。
尽管AFS有许多优点，但是由于荧光猝灭效应的存在，使 其在测定复杂基体的样品和高含量试样时，尚有一定困难； 另外，由于固有的散射光的干扰，使其对激发光源和原子 化器有较高要求。除氢化物发生AFS在测定砷、硒、锑、 汞、镉等元素具有独特优势外，AFS在其他方面的应用尚 待开拓。因此，AFS不如AAS和AES应用广泛。
半导体: 33% •高纯金属(电极) •高纯试剂(酸,碱,有机) •Si 晶片的超痕量杂质 •光刻胶和清洗剂
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6.2仪器原理
电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS） 是以电感耦合等离子 体作为离子源，以质谱进行检测的无机多元素分析技术。
被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后 进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区；
该方法具有极高的灵敏度,是原子荧光方法 的主体.该方法使用的测量元素主要有第四. 第五.第六主族的As.Sb.Bi.Se.Te.Pb.Sn 中, 目前已发展为10种元素,包括Cd.Zn在内.

主要特点：
（1） 光谱干扰少； （2） 基体影响影响易于消除； （3） 通过氢化物发生达到分离和富集的目的； （4） 根据所测元素的还原性质不同，可进行价态分析； （5） 气相干扰少； （6） 线性范围宽，测汞可达三个数量级； （7）灵敏度远远高于冷原子吸收法。
3、AFS方法的缺点
• 必须使用高强度激发光源，特制元素灯 • 无色散系统，要求避光性能要好 • 受氢化物反应限制和元素的特性限制，目前只能
内气----氢化物蒸汽、氩气、氢气 外气----氩气，作用如下： a）防止氢化物被氧化，提高原子化效率 b）防止荧光猝灭 c）保持原子化环境的相对稳定
2.3.2 特点 a）原子化效率高，尽可能多产生基态原子； b）采用氩氢焰，紫外透射好，减少光强损失； c ）没有背景发射，几乎无粒子散射，干扰小； d）稳定性好，只需要氩气，无须额外燃气； e）低温原子化，温度不可调； f）记忆效应小。
空心阴极灯–特点
• 灯结构简单、空心阴极灯制作工艺成熟; • 工作性能稳定 ,寿命一般可以大于3000mA·h ,发光
稳定性1小时漂移在±2%以内 发射强度基本可以满 足常规分析要求; • 对仪器的光源部分的电源无特别要求，也不需要其他 辅助设施; • 价格便宜.
HCL作为原子荧光的激发光源也有其美中不足的地 方，主要是辐射能量偏低，限制了原子荧光分析检出 下限的进一步降低 .
检测器-日盲光电倍增管
• 光阴极材料—Cs-Te； • 波长范围：160~320nm； • 最灵敏响应波长：254nm； • 窗体材料：石英。
2.5 干扰
2.5.1 氢化物原子荧光的干扰主要是：
a） 液相—发生在氢化物产生过程中，样品溶液中 干扰元素优先反应，或形成络合物以及金属吸附被 测元素的氢化物，消耗还原剂。

• 双击桌面“SpectraManger”，打开测试软件， 双击Spectra Measurement。
• 点击Search Maximun 进行 Ex、Em 的最大波长 扫描（最大波长扫描时 Ex、Em 灯打开）。
PF8500 荧光光谱仪的操作
• 单击“Measure”菜单中“Paramenters”，进 行参数设置，测量Em：固定Ex，起始波长与Ex相 差10-20nm波长，终止波长不作要求；测量Ex： 固定Em，终止波长小于Em，起始波长不作要求； 参数设置好后点ok，设置完毕。
• 仪器的响应速度是指电路样品通道对光电信号反映 的快慢。响应速度关系到波长扫描速度的选择、光 谱峰的尖锐程度以及随机噪声的大小。
PF8500 荧光光谱仪的操作
PF8500 荧光光谱仪的操作
PF8500 荧光光谱仪的操作
PF8500 荧光光谱仪的操作
• 开机：插上电源插头，打开仪器power，再打开电 脑。
• 关闭“Ex”、“Em”，点击“auto zero”进行 调零。
PF8500 荧光光谱仪的操作
• 打开“Ex、Em”，点“S”进行样品测试。 • 点击“File”菜单中“Export”保存“txt”文件
。 • 关机：先关测试软件和电脑，再关仪器。
荧光光谱仪的使用与维护
• 严格按照仪器规定的操作步骤进行操作。 • 电源：电压、电流、电源的稳定须符合仪器规定。
激发光谱：连续改变激发光波长，固定荧光发 射波长，测定不同波长的激发光照射下，物质 溶液发射的荧光强度的变化。
以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作 图，即可得到荧光物质 的激发光谱。 从激发光谱图上可找到 发生荧光强度最强的 激发波长λex。
荧光光谱：用λex作激发光源，并固定强度，测 定不同波长的荧光强度。