AFS原子熒光光度計(jì)講義.ppt

AFS系列雙道原子熒光光度計(jì),基本原理,前言,光譜是按波長(zhǎng)順序排列的電磁輻射，主要有以下幾類:：1、按波長(zhǎng)和測(cè)定方法分為射線、X射線、光學(xué)光譜和微波，而光學(xué)光譜又分為紫外、近紫外、可見、近紅外和遠(yuǎn)紅外。2、按外形分為連續(xù)光譜、帶光譜和線光譜。3、按電磁輻射本質(zhì)分為分子光譜、原子光譜、X射線能譜和r射線能譜。4、原子光譜主要分為發(fā)射光譜、吸收光譜和熒光光譜。,分光光度法,原子吸收法,等離子發(fā)射光譜法,原子熒光,原子熒光法,1、原子熒光法原理,a）原子發(fā)射光譜AES有多種類型，從激發(fā)光源的類別分為火花、電弧、直流等離子體（DCP）、微波等離子體（MWP）、和電感耦合等離子體（ICP）以及激光等b）原子吸收AAS光源有無極放電燈、空心陰極燈，目前還有連續(xù)光源，從原子化器上分為火焰和無火焰，從扣背景方式上有塞曼、氘燈、自吸；c）原子熒光AFS光源主要是無極放電燈、空心陰極燈，主要分為色散和無色散兩種類型；,儀器原理,基態(tài)原子吸收一定波長(zhǎng)的輻射而被激發(fā)至高能態(tài)而后激發(fā)態(tài)原子在去激發(fā)的過程中，以光輻射的形式發(fā)射出特征波長(zhǎng)的熒光，并根據(jù)所產(chǎn)生特征熒光的強(qiáng)度進(jìn)行分析.在分析條件條件固定不變的情況下：If=I0KC即熒光輻射強(qiáng)度與試樣中目標(biāo)元素的濃度在一定條件下呈線性關(guān)系,原子熒光的類型,原子熒光是激發(fā)態(tài)的原子以光輻射的形式放出能量的過程，根據(jù)熒光產(chǎn)生機(jī)理的不同，原子熒光的類型達(dá)到十余種，但在實(shí)際分析中主要有:共振熒光直躍線熒光階躍線熒光熱助階躍線熒光敏化熒光,共振原子熒光,處于基態(tài)或低能態(tài)的原子,吸收光源中的共振輻射躍遷到高能態(tài),處于高能態(tài)的原子在返回基態(tài)或相同低能態(tài)的過程中,發(fā)射出與激發(fā)光源輻射相同波長(zhǎng)的熒光,這種熒光稱為共振熒光.,E0,E1,E2,F,直躍線熒光,當(dāng)處于基態(tài)的價(jià)電子受激躍遷至高能態(tài)（E2），處于高能態(tài)的激發(fā)態(tài)電子在躍遷到低能態(tài)（E1）（但不是基態(tài)）所發(fā)射出的熒光被稱為直躍線熒光。,E0,E1,E2,F,階躍線熒光,當(dāng)價(jià)電子從基態(tài)躍遷至高能態(tài)(E2)后,由于受激碰撞損失部分能量而降至較低的能態(tài)(E1)。從較低能態(tài)（E1）回到基態(tài)（E0）時(shí)所發(fā)出的熒光稱為階躍線熒光,E0,E1,E2,F,熱助階躍線熒光,基態(tài)原子通過吸收光輻射躍遷至高能態(tài)(E2),處于高能態(tài)的價(jià)電子在熱能的作用下進(jìn)一步激發(fā),電子躍遷至與能級(jí)E2相近的更高能態(tài)E3。當(dāng)去激發(fā)至低能態(tài)（E1）（不是基態(tài)）時(shí)所發(fā)出的次級(jí)光被稱為熱助階躍線熒光.,E0,E1,E2,F,E3,敏化熒光,當(dāng)受激的第一種原子與第二種原子發(fā)生非彈性碰撞時(shí),可能把能量傳給第二種原子,從而使第二個(gè)原子被激發(fā),受激的第二種原子去激發(fā)過程中所產(chǎn)生的熒光叫敏化熒光.,E0,E1,F,E0,E1,熒光猝滅的基本概念,在原子熒光光譜分析中,高溫原子蒸氣在受激發(fā)出次級(jí)熒光的同時(shí),激發(fā)態(tài)原子的能量也會(huì)以其他形式釋放,例如與周圍環(huán)境中的原子或分子發(fā)生非彈性碰撞失去能量,另外也可與原子化器碰撞發(fā)生無輻射去活化，使原子熒光效率降低。這種在原子化器中發(fā)生的物理化學(xué)變化過程是十分復(fù)雜的，并且隨著分析條件以及試樣組份的不同而不同。這種由于條件變化使原子熒光量子化效率降低的現(xiàn)象稱之為熒光猝滅.,影響原子熒光光譜分析的因素?zé)晒忖缧?yīng),熒光猝滅的類型,激發(fā)態(tài)原子與自由原子碰撞M*+X=M+X*激發(fā)態(tài)原子與分子碰撞M*+AB=M+AB*與電子碰撞M*+e=M+e*與自由原子發(fā)生碰撞后，形成不同的激發(fā)態(tài)M*+X=M*+X*與分子碰撞后，形成不同的激發(fā)態(tài)M*+AB=M*+AB*化學(xué)猝滅反應(yīng)M*+AB=M+A+B,1、AFS基本原理,1.1理論概述AAS、AES、AFS的基本原理概述AFS三大突破a）新型光源高強(qiáng)度空心陰極燈b）氫化物反應(yīng)體系，低溫原子化器c）斷續(xù)流動(dòng)-進(jìn)樣系統(tǒng),1.2熒光類型a）共振熒光-原子吸收的逆過程，吸收的能量和釋放的能量相等。E=hv=hc/b）非共振熒光-能量不相等，非共振熒光線1.3熒光猝滅使用氬氣做載氣和屏蔽氣氬氣的作用：a）載氣（內(nèi)氣：包括產(chǎn)生的氫化物蒸汽、氫氣）b）屏蔽氣（防止氫化物被氧化、抑制熒光猝滅、穩(wěn)定原子化環(huán)境）,主要特點(diǎn)：（1）光譜干擾少；（2）基體影響影響易于消除；（3）通過氫化物發(fā)生達(dá)到分離和富集的目的；（4）根據(jù)所測(cè)元素的還原性質(zhì)不同，可進(jìn)行價(jià)態(tài)分析；（5）氣相干擾少；（6）線性范圍寬，測(cè)汞可達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)；（7）靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷原子吸收法。,2、AFS方法的特點(diǎn),測(cè)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作還原劑，而使用NaBH4（KBH4）作還原劑。,3、AFS方法的缺點(diǎn),必須使用高強(qiáng)度激發(fā)光源，特制元素?zé)魺o色散系統(tǒng)，要求避光性能要好受氫化物反應(yīng)限制和元素的特性限制，目前只能測(cè)量11種元素As、Sb、Bi、Hg、Ge、Se、Sn、Te、Pb、Zn、Cd,2.儀器的構(gòu)成-AAS是一條線結(jié)構(gòu)，也就是其光電檢測(cè)器和主光路是一條線，而AFS的光電檢測(cè)器則不能在和主光路在一條線上，結(jié)構(gòu)也可以分成四部分：1、光源；2、氫化物發(fā)生（斷續(xù)流動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)樣、氫化物反應(yīng)系統(tǒng)）；3、原子化系統(tǒng)；4、檢測(cè)系統(tǒng)。,儀器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),2.1光源-高強(qiáng)度空心陰極燈純度高、不自吸、發(fā)光穩(wěn)定、無光譜干擾、壽命長(zhǎng)（3000mAh），儀器燈電流是峰值。2.2光路-三個(gè)透鏡，無色散元件2.3原子化器-電熱屏蔽式石英爐，氬氫火焰2.3.1爐芯結(jié)構(gòu)內(nèi)氣-氫化物蒸汽、氬氣、氫氣外氣-氬氣，作用如下：a）防止氫化物被氧化，提高原子化效率b）防止熒光猝滅c）保持原子化環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定,2.3.2特點(diǎn)a）原子化效率高，盡可能多產(chǎn)生基態(tài)原子；b）采用氬氫焰，紫外透射好，減少光強(qiáng)損失；c）沒有背景發(fā)射，幾乎無粒子散射，干擾??；d）穩(wěn)定性好，只需要?dú)鍤?，無須額外燃?xì)猓籩）低溫原子化，溫度不可調(diào)；f）記憶效應(yīng)小。2.3.3氫化物發(fā)生和反應(yīng)體系還原反應(yīng)：氬氣-氫氣火焰提供原子化溫度；金屬-酸體系；氯化亞錫-酸；硼氫化物-酸；后者反應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，適合大多數(shù)元素。,幾種常見激發(fā)光源,空心陰極燈-工作原理,空心陰極燈是一種特殊的低壓放電現(xiàn)象，在陰陽兩極之間加以300500V的電壓，這樣兩極之間形成一個(gè)電場(chǎng)，電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，并與周圍充入的惰性氣體分子發(fā)生碰撞,使這些惰性氣體電離。氣體中的正離子高速移向陰極，陰極在高速離子碰撞的過程中濺射出陰極元素的基態(tài)原子，這些基態(tài)原子與周圍的的離子發(fā)生碰撞被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，這些被激發(fā)的高能態(tài)原子在返回基態(tài)的過程中會(huì)發(fā)射出該元素的特征譜線.,空心陰極燈特點(diǎn),燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空心陰極燈制作工藝成熟;工作性能穩(wěn)定,壽命一般可以大于3000mAh,發(fā)光穩(wěn)定性1小時(shí)漂移在2%以內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度基本可以滿足常規(guī)分析要求;對(duì)儀器的光源部分的電源無特別要求，也不需要其他輔助設(shè)施;價(jià)格便宜.HCL作為原子熒光的激發(fā)光源也有其美中不足的地方，主要是輻射能量偏低，限制了原子熒光分析檢出下限的進(jìn)一步降低.,空心陰極燈的維護(hù),選取適當(dāng)大小的燈電流;低熔點(diǎn)元素的燈在使用過程中不能有較大的震動(dòng)，使用完畢后必須待燈管冷卻后才能取下，以防陰極填充物被倒出或空心陰極變形;激活處理.如果燈不經(jīng)常使用，則最好每隔一定時(shí)間在額定工作電流下點(diǎn)燃30min;注意不要沾污發(fā)射線出射窗口，也不要有手指直接觸摸出射窗口;,2.3.4氫化物發(fā)生的主要特點(diǎn)沒有基體干擾原子化效率高氫化物蒸汽易于原子化，共價(jià)氫化物易于解離成自由原子，不需要高溫原子化不同價(jià)態(tài)的元素發(fā)生氫化物反應(yīng)的條件不同，因此可以做價(jià)態(tài)分析易于富集,2.4進(jìn)樣方式,2.4.1間斷,2.4.2連續(xù)流動(dòng),2.4.3流動(dòng)注射,2.4.4斷續(xù)流動(dòng),斷續(xù)流動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)是海光公司的專利設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在線清洗，節(jié)省樣品消耗，安全可靠，不存在轉(zhuǎn)換閥的密封、漏液、腐蝕等問題,2.4.5反應(yīng)系統(tǒng)和氫化物通路,使用中此部分最容易出問題，比如漏氣或氣路不通,維修時(shí)特別注意此部分,原子化器,原子化器是原子熒光光譜分析的重要組成部分，它的作用是產(chǎn)生基態(tài)原子。被測(cè)物質(zhì)在原子化器中發(fā)生一系列物理化學(xué)變化,主要有引入氣溶膠的去溶蒸發(fā)、蒸氣分子的解離、電離等，這些過程的均嚴(yán)重影響元素分析的靈敏度和干擾程度。,原子化器性能主要考慮的因素,原子化效率高。低的輻射背景和背景閃爍。原子熒光猝滅效應(yīng)低。被測(cè)元素的原子在光路中有較長(zhǎng)的停留時(shí)間。原子化效率穩(wěn)定，記憶效應(yīng)小，操作簡(jiǎn)單使用成本低。,原子化器的主要類型,火焰原子化器電熱原子化器電感耦合等離子體石英管原子化器微波等離子體輝光放電等離子體,石英管原子化器,特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;抗腐蝕能力強(qiáng);記憶效應(yīng)小;使用壽命長(zhǎng);制作加工方便廉價(jià)等特點(diǎn).,石英爐原子化器是一種適合于低溫火焰的簡(jiǎn)單原子化器.,石英爐的結(jié)構(gòu),高溫石英爐和低溫石英爐,爐芯結(jié)構(gòu)示意圖在更換或清洗爐芯時(shí)要注意不要打碎，另外氣管不要接錯(cuò)，載氣接內(nèi)管。爐絲要盡量和外管平齊,爐絲,低溫石英爐和高溫石英爐對(duì)8個(gè)元素測(cè)定的檢出限(ng/mL),檢測(cè)器-用于光信號(hào)的檢測(cè),光電池二極管陣列光電倍增管固態(tài)檢測(cè)器A:電荷耦合檢測(cè)器(CCD)B:電荷注入檢測(cè)器(CID),檢測(cè)器-日盲光電倍增管,光陰極材料Cs-Te；波長(zhǎng)范圍：160320nm；最靈敏響應(yīng)波長(zhǎng)：254nm；窗體材料：石英。,2.5干擾2.5.1氫化物原子熒光的干擾主要是：a）液相發(fā)生在氫化物產(chǎn)生過程中，樣品溶液中干擾元素優(yōu)先反應(yīng)，或形成絡(luò)合物以及金屬吸附被測(cè)元素的氫化物，消耗還原劑。b）氣相-氫化物傳輸過程或原子化過程中的干擾，消耗氫基，降低被測(cè)元素的原子化效率，因?yàn)樵跉浠锏慕怆x過程中需要大量氫基參與反應(yīng)。元素價(jià)態(tài)、共存的離子、樣品介質(zhì)和酸度、還原劑類型及用量等都可能帶來干擾。主要有介質(zhì)酸度干擾、氧化還原體系干擾、重金屬干擾和易形成氫化物元素的干擾。,2.5.2干擾機(jī)理a）形成固態(tài)氫化物，如砷當(dāng)酸度不合適，As濃度較高易形成固態(tài)As2H2、As2H2，Sb更明顯；b）形成難溶化合物，和樣品中的金屬離子結(jié)合，例如硒化銅難溶，而砷化銅則溶于酸，因此銅離子對(duì)硒的干擾比對(duì)砷要大，因此樣品中要加掩蔽劑消除干擾離子；c）樣品中的Cu、Co、Fe、Ni等離子在還原劑中被還原，析出金屬沉淀吸附氫化物，減少氫化物的釋放，對(duì)硒影響很大，因此要加大酸度以提高金屬沉淀的溶解度；d）產(chǎn)生氧化性氣體，能用鹽酸則不用硝酸，硝酸有可能被樣品基體還原成亞硝酸根強(qiáng)氧化劑，抑制氫化物釋放；e）價(jià)態(tài)效應(yīng)，氫化物的產(chǎn)生和被測(cè)元素的價(jià)態(tài)有很大關(guān)系，因此必須要考慮到這一點(diǎn)。,2.5.3干擾消除：a）選擇合適介質(zhì)和酸度，防止產(chǎn)生氧化性氣體和固態(tài)氫化物或難溶的化合物，有些元素對(duì)酸度要求很苛刻，例如錫和鉛、鍺，過高過低都影響氫化物的產(chǎn)生；b）選擇還原劑用量，減少金屬離子被還原；c）加入掩蔽劑，例如硫脲、碘化鉀、草酸等，對(duì)共存的干擾離子進(jìn)行掩蔽，防止生成難溶化合物；d）預(yù)還原或氧化，氫化物的發(fā)生效率與價(jià)態(tài)有關(guān)，加入抗壞血酸可使5價(jià)砷還原成3價(jià)，測(cè)量Pb時(shí)加入鐵氰化鉀則是先把2價(jià)氧化成4價(jià)，提高氫化物的產(chǎn)生效率；還有一些其它方法，應(yīng)根據(jù)樣品基體來選擇合適的辦法。,2.5.4常規(guī)元素參考介質(zhì)條件1、Hg沒有氫化物，不需要?dú)浠鶇⑴c原子化，還原劑濃度和酸度可以降低很多，適當(dāng)加入重鉻酸鉀有好處；2、As、Sb按推薦條件，在硫脲抗壞血酸體系中先還原成3價(jià)，因?yàn)?價(jià)很難形成氫化物；3、Se、Te首先要在還原性酸中加熱把6價(jià)還原成4價(jià)，根據(jù)實(shí)際樣品酸度可加大到30%，可減少生成難溶物質(zhì)；4、Pb在鐵氰化鉀草酸中先把2價(jià)氧化成4價(jià)，要求廢液的PH值嚴(yán)格控制在89之間；5、Sn最好是硫酸介質(zhì)，廢液的PH值嚴(yán)格控制在89之間Ge最好在磷酸介質(zhì)中，酸度范圍寬，干擾?。?、除Sn、Ge外，最好用鹽酸，硝酸有氧化性，有可能降低氫化物產(chǎn)生效率，有的劣質(zhì)鹽酸含As比較高。,2.5.5根據(jù)元素特點(diǎn)和樣品來源選擇不同條件：1、對(duì)于存在不同價(jià)態(tài)的元素要首先把它們變成適宜產(chǎn)生氫化物的價(jià)態(tài)，以提高氫化物產(chǎn)生效率；2、對(duì)于酸度范圍較寬的元素，如果樣品基體很簡(jiǎn)單可適當(dāng)降低酸度，如果基體復(fù)雜，則必須要保證或加大酸度，以減少共存離子的干擾，或者加入掩蔽劑；3、除Pb、Sn外，酸度稍微大一些有好處，我們推薦的還原劑濃度和酸度都稍微有點(diǎn)過量，適當(dāng)降低還原劑濃度可減少金屬析出、降低干擾，一般在0.5%-2%之間。由于原子熒光用于痕量或超痕量分析，因此試劑和氬氣的純度必須要保證，還要注意試劑、器皿以及環(huán)境污染。,2.6氣路,自動(dòng)控制，分成兩路，一路是載氣，一路是屏蔽氣；載氣流量每分鐘300-1000毫升，三個(gè)電磁閥控制；屏蔽氣流量每分鐘500-1200毫升，三個(gè)電磁閥控制；壓力開關(guān)保護(hù)；AFS-3000系列氣路改進(jìn)，隨時(shí)關(guān)氣；氣流量的選擇,2.7檢測(cè)和信號(hào)處理,和其它光譜儀器相同，包括光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、采樣和計(jì)算機(jī)處理、顯示打印等；電路控制：主機(jī)內(nèi)主要有三塊電路板：a）前放-電流電壓轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大；b）主控板-提供信號(hào)控制和采樣處理；c）燈電源板-點(diǎn)亮陰極燈。,2.8其它進(jìn)樣量1.0-1.5毫升；爐高調(diào)節(jié)-手動(dòng)，數(shù)值是反方向；預(yù)熱燈電流。2.9發(fā)展雙道四燈和四道，開發(fā)新元素的測(cè)量方法，重點(diǎn)放在系統(tǒng)管路的優(yōu)化和樣品污染，現(xiàn)在已取得很大成效，開始投入使用。,由于靈敏度很高，防止試劑、器皿的沾污和扣除空白是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵之一（這點(diǎn)比其他方法更為重要）。（1）小的光電倍增管電壓，可減少噪聲水平；（2）觀測(cè)高度直接影響測(cè)量靈敏度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，建議使用68mm（不同儀器標(biāo)尺可能不同）；（3）載氣及流量：原子熒光法只能使用Ar氣，這與冷原子熒光法不同，Ar氣純度很重要，達(dá)到1%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Hg（