AFS原子荧光光度计讲义.ppt

AFS系列双道原子荧光光度计,基本原理,前言,光谱是按波长顺序排列的电磁辐射，主要有以下几类:：1、按波长和测定方法分为射线、X射线、光学光谱和微波，而光学光谱又分为紫外、近紫外、可见、近红外和远红外。2、按外形分为连续光谱、带光谱和线光谱。3、按电磁辐射本质分为分子光谱、原子光谱、X射线能谱和r射线能谱。4、原子光谱主要分为发射光谱、吸收光谱和荧光光谱。,分光光度法,原子吸收法,等离子发射光谱法,原子荧光,原子荧光法,1、原子荧光法原理,a）原子发射光谱AES有多种类型，从激发光源的类别分为火花、电弧、直流等离子体（DCP）、微波等离子体（MWP）、和电感耦合等离子体（ICP）以及激光等b）原子吸收AAS光源有无极放电灯、空心阴极灯，目前还有连续光源，从原子化器上分为火焰和无火焰，从扣背景方式上有塞曼、氘灯、自吸；c）原子荧光AFS光源主要是无极放电灯、空心阴极灯，主要分为色散和无色散两种类型；,仪器原理,基态原子吸收一定波长的辐射而被激发至高能态而后激发态原子在去激发的过程中，以光辐射的形式发射出特征波长的荧光，并根据所产生特征荧光的强度进行分析.在分析条件条件固定不变的情况下：If=I0KC即荧光辐射强度与试样中目标元素的浓度在一定条件下呈线性关系,原子荧光的类型,原子荧光是激发态的原子以光辐射的形式放出能量的过程，根据荧光产生机理的不同，原子荧光的类型达到十余种，但在实际分析中主要有:共振荧光直跃线荧光阶跃线荧光热助阶跃线荧光敏化荧光,共振原子荧光,处于基态或低能态的原子,吸收光源中的共振辐射跃迁到高能态,处于高能态的原子在返回基态或相同低能态的过程中,发射出与激发光源辐射相同波长的荧光,这种荧光称为共振荧光.,E0,E1,E2,F,直跃线荧光,当处于基态的价电子受激跃迁至高能态（E2），处于高能态的激发态电子在跃迁到低能态（E1）（但不是基态）所发射出的荧光被称为直跃线荧光。,E0,E1,E2,F,阶跃线荧光,当价电子从基态跃迁至高能态(E2)后,由于受激碰撞损失部分能量而降至较低的能态(E1)。从较低能态（E1）回到基态（E0）时所发出的荧光称为阶跃线荧光,E0,E1,E2,F,热助阶跃线荧光,基态原子通过吸收光辐射跃迁至高能态(E2),处于高能态的价电子在热能的作用下进一步激发,电子跃迁至与能级E2相近的更高能态E3。当去激发至低能态（E1）（不是基态）时所发出的次级光被称为热助阶跃线荧光.,E0,E1,E2,F,E3,敏化荧光,当受激的第一种原子与第二种原子发生非弹性碰撞时,可能把能量传给第二种原子,从而使第二个原子被激发,受激的第二种原子去激发过程中所产生的荧光叫敏化荧光.,E0,E1,F,E0,E1,荧光猝灭的基本概念,在原子荧光光谱分析中,高温原子蒸气在受激发出次级荧光的同时,激发态原子的能量也会以其他形式释放,例如与周围环境中的原子或分子发生非弹性碰撞失去能量,另外也可与原子化器碰撞发生无辐射去活化，使原子荧光效率降低。这种在原子化器中发生的物理化学变化过程是十分复杂的，并且随着分析条件以及试样组份的不同而不同。这种由于条件变化使原子荧光量子化效率降低的现象称之为荧光猝灭.,影响原子荧光光谱分析的因素荧光猝灭效应,荧光猝灭的类型,激发态原子与自由原子碰撞M*+X=M+X*激发态原子与分子碰撞M*+AB=M+AB*与电子碰撞M*+e=M+e*与自由原子发生碰撞后，形成不同的激发态M*+X=M*+X*与分子碰撞后，形成不同的激发态M*+AB=M*+AB*化学猝灭反应M*+AB=M+A+B,1、AFS基本原理,1.1理论概述AAS、AES、AFS的基本原理概述AFS三大突破a）新型光源高强度空心阴极灯b）氢化物反应体系，低温原子化器c）断续流动-进样系统,1.2荧光类型a）共振荧光-原子吸收的逆过程，吸收的能量和释放的能量相等。E=hv=hc/b）非共振荧光-能量不相等，非共振荧光线1.3荧光猝灭使用氩气做载气和屏蔽气氩气的作用：a）载气（内气：包括产生的氢化物蒸汽、氢气）b）屏蔽气（防止氢化物被氧化、抑制荧光猝灭、稳定原子化环境）,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。,2、AFS方法的特点,测定Hg、As、Bi、Se、Sb、Be、Te、Ge(Sn、Pb、Cu)等最可靠、最有前途的方法。不使用SnCl2作还原剂，而使用NaBH4（KBH4）作还原剂。,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，目前只能测量11种元素As、Sb、Bi、Hg、Ge、Se、Sn、Te、Pb、Zn、Cd,2.仪器的构成-AAS是一条线结构，也就是其光电检测器和主光路是一条线，而AFS的光电检测器则不能在和主光路在一条线上，结构也可以分成四部分：1、光源；2、氢化物发生（断续流动和自动进样、氢化物反应系统）；3、原子化系统；4、检测系统。,仪器的简单结构,2.1光源-高强度空心阴极灯纯度高、不自吸、发光稳定、无光谱干扰、寿命长（3000mAh），仪器灯电流是峰值。2.2光路-三个透镜，无色散元件2.3原子化器-电热屏蔽式石英炉，氩氢火焰2.3.1炉芯结构内气-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。2.3.3氢化物发生和反应体系还原反应：氩气-氢气火焰提供原子化温度；金属-酸体系；氯化亚锡-酸；硼氢化物-酸；后者反应速度快，性能稳定，适合大多数元素。,几种常见激发光源,空心阴极灯-工作原理,空心阴极灯是一种特殊的低压放电现象，在阴阳两极之间加以300500V的电压，这样两极之间形成一个电场，电子在电场中运动，并与周围充入的惰性气体分子发生碰撞,使这些惰性气体电离。气体中的正离子高速移向阴极，阴极在高速离子碰撞的过程中溅射出阴极元素的基态原子，这些基态原子与周围的的离子发生碰撞被激发到激发态，这些被激发的高能态原子在返回基态的过程中会发射出该元素的特征谱线.,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3000mAh,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.,空心阴极灯的维护,选取适当大小的灯电流;低熔点元素的灯在使用过程中不能有较大的震动，使用完毕后必须待灯管冷却后才能取下，以防阴极填充物被倒出或空心阴极变形;激活处理.如果灯不经常使用，则最好每隔一定时间在额定工作电流下点燃30min;注意不要沾污发射线出射窗口，也不要有手指直接触摸出射窗口;,2.3.4氢化物发生的主要特点没有基体干扰原子化效率高氢化物蒸汽易于原子化，共价氢化物易于解离成自由原子，不需要高温原子化不同价态的元素发生氢化物反应的条件不同，因此可以做价态分析易于富集,2.4进样方式,2.4.1间断,2.4.2连续流动,2.4.3流动注射,2.4.4断续流动,断续流动进样系统是海光公司的专利设计，实现了在线清洗，节省样品消耗，安全可靠，不存在转换阀的密封、漏液、腐蚀等问题,2.4.5反应系统和氢化物通路,使用中此部分最容易出问题，比如漏气或气路不通,维修时特别注意此部分,原子化器,原子化器是原子荧光光谱分析的重要组成部分，它的作用是产生基态原子。被测物质在原子化器中发生一系列物理化学变化,主要有引入气溶胶的去溶蒸发、蒸气分子的解离、电离等，这些过程的均严重影响元素分析的灵敏度和干扰程度。,原子化器性能主要考虑的因素,原子化效率高。低的辐射背景和背景闪烁。原子荧光猝灭效应低。被测元素的原子在光路中有较长的停留时间。原子化效率稳定，记忆效应小，操作简单使用成本低。,原子化器的主要类型,火焰原子化器电热原子化器电感耦合等离子体石英管原子化器微波等离子体辉光放电等离子体,石英管原子化器,特点:结构简单;抗腐蚀能力强;记忆效应小;使用寿命长;制作加工方便廉价等特点.,石英炉原子化器是一种适合于低温火焰的简单原子化器.,石英炉的结构,高温石英炉和低温石英炉,炉芯结构示意图在更换或清洗炉芯时要注意不要打碎，另外气管不要接错，载气接内管。炉丝要尽量和外管平齐,炉丝,低温石英炉和高温石英炉对8个元素测定的检出限(ng/mL),检测器-用于光信号的检测,光电池二极管阵列光电倍增管固态检测器A:电荷耦合检测器(CCD)B:电荷注入检测器(CID),检测器-日盲光电倍增管,光阴极材料Cs-Te；波长范围：160320nm；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。b）气相-氢化物传输过程或原子化过程中的干扰，消耗氢基，降低被测元素的原子化效率，因为在氢化物的解离过程中需要大量氢基参与反应。元素价态、共存的离子、样品介质和酸度、还原剂类型及用量等都可能带来干扰。主要有介质酸度干扰、氧化还原体系干扰、重金属干扰和易形成氢化物元素的干扰。,2.5.2干扰机理a）形成固态氢化物，如砷当酸度不合适，As浓度较高易形成固态As2H2、As2H2，Sb更明显；b）形成难溶化合物，和样品中的金属离子结合，例如硒化铜难溶，而砷化铜则溶于酸，因此铜离子对硒的干扰比对砷要大，因此样品中要加掩蔽剂消除干扰离子；c）样品中的Cu、Co、Fe、Ni等离子在还原剂中被还原，析出金属沉淀吸附氢化物，减少氢化物的释放，对硒影响很大，因此要加大酸度以提高金属沉淀的溶解度；d）产生氧化性气体，能用盐酸则不用硝酸，硝酸有可能被样品基体还原成亚硝酸根强氧化剂，抑制氢化物释放；e）价态效应，氢化物的产生和被测元素的价态有很大关系，因此必须要考虑到这一点。,2.5.3干扰消除：a）选择合适介质和酸度，防止产生氧化性气体和固态氢化物或难溶的化合物，有些元素对酸度要求很苛刻，例如锡和铅、锗，过高过低都影响氢化物的产生；b）选择还原剂用量，减少金属离子被还原；c）加入掩蔽剂，例如硫脲、碘化钾、草酸等，对共存的干扰离子进行掩蔽，防止生成难溶化合物；d）预还原或氧化，氢化物的发生效率与价态有关，加入抗坏血酸可使5价砷还原成3价，测量Pb时加入铁氰化钾则是先把2价氧化成4价，提高氢化物的产生效率；还有一些其它方法，应根据样品基体来选择合适的办法。,2.5.4常规元素参考介质条件1、Hg没有氢化物，不需要氢基参与原子化，还原剂浓度和酸度可以降低很多，适当加入重铬酸钾有好处；2、As、Sb按推荐条件，在硫脲抗坏血酸体系中先还原成3价，因为5价很难形成氢化物；3、Se、Te首先要在还原性酸中加热把6价还原成4价，根据实际样品酸度可加大到30%，可减少生成难溶物质；4、Pb在铁氰化钾草酸中先把2价氧化成4价，要求废液的PH值严格控制在89之间；5、Sn最好是硫酸介质，废液的PH值严格控制在89之间Ge最好在磷酸介质中，酸度范围宽，干扰小；6、除Sn、Ge外，最好用盐酸，硝酸有氧化性，有可能降低氢化物产生效率，有的劣质盐酸含As比较高。,2.5.5根据元素特点和样品来源选择不同条件：1、对于存在不同价态的元素要首先把它们变成适宜产生氢化物的价态，以提高氢化物产生效率；2、对于酸度范围较宽的元素，如果样品基体很简单可适当降低酸度，如果基体复杂，则必须要保证或加大酸度，以减少共存离子的干扰，或者加入掩蔽剂；3、除Pb、Sn外，酸度稍微大一些有好处，我们推荐的还原剂浓度和酸度都稍微有点过量，适当降低还原剂浓度可减少金属析出、降低干扰，一般在0.5%-2%之间。由于原子荧光用于痕量或超痕量分析，因此试剂和氩气的纯度必须要保证，还要注意试剂、器皿以及环境污染。,2.6气路,自动控制，分成两路，一路是载气，一路是屏蔽气；载气流量每分钟300-1000毫升，三个电磁阀控制；屏蔽气流量每分钟500-1200毫升，三个电磁阀控制；压力开关保护；AFS-3000系列气路改进，随时关气；气流量的选择,2.7检测和信号处理,和其它光谱仪器相同，包括光电转换、信号放大、采样和计算机处理、显示打印等；电路控制：主机内主要有三块电路板：a）前放-电流电压转换，信号放大；b）主控板-提供信号控制和采样处理；c）灯电源板-点亮阴极灯。,2.8其它进样量1.0-1.5毫升；炉高调节-手动，数值是反方向；预热灯电流。2.9发展双道四灯和四道，开发新元素的测量方法，重点放在系统管路的优化和样品污染，现在已取得很大成效，开始投入使用。,由于灵敏度很高，防止试剂、器皿的沾污和扣除空白是实验成败的关键之一（这点比其他方法更为重要）。（1）小的光电倍增管电压，可减少噪声水平；（2）观测高度直接影响测量灵敏度和数据的稳定性，建议使用68mm（不同仪器标尺可能不同）；（3）载气及流量：原子荧光法只能使用Ar气，这与冷原子荧光法不同，Ar气纯度很重要，达到1%时，会导致Hg（