第七章 原子荧光光谱法 §1 概述 §2 原子荧光光谱法的基本原理 §3 仪器装置 §4 原子荧光分析中的干扰和消除 §5 原子荧光分析方法 第七章 原子荧光光谱法 §1 概述 §2 原子荧光光谱法的基本原理 §3 仪器装置 §4 原子荧光分析中的干扰和消除 §5 原子荧光分析方法 §6 原子荧光光谱法的应用

§ 1 概述 原子荧光光谱法（atomic fluorescence spectrometry, AFS）是基于待测物质的基态原子蒸气吸收激发光源发出的特征波长的辐射而被激发，由激发态回到基态或较低能态时所发射的荧光强度进行分析的方法。 1964年Winefordner等创建了原子荧光光谱分析技术以来，这种方法才得到实际应用。 氢化物发生原子荧光光谱（hydride generation atomic fluorescence spectrometry，HGAFS）分析技术

原子荧光光谱与原子荧光分析 分析物质的基态原子蒸气，吸收激发光源发出的一定波长的辐射后，原子的外层电子从基态跃迁至激发态，由激发态回到基态或较低能态，同时发射出与激发光波长相同或不同的光（释放能量），称为原子荧光。原子荧光是一种光致发光现象。 各种元素的原子结构不同导致发射的荧光波长不同，故每种元素都有特征原子荧光光谱。 在一定条件下原子荧光的强度与该元素的原子蒸气浓度成正比，通过测量荧光强度即可求得待测元素的含量。

原子荧光光谱法优点： ⒈有较低的检出限，灵敏度高。特别是Cd可达0.001 ng/mL、Zn为0.04 ng/mL 。现已有20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。 ⒉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。 ⒊校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。 ⒋由于原子荧光是向空间各个方向发射的，因而能实现多元素同时测定。

原子荧光光谱法的不足之处： 1.适用分析的元素范围有限，有些元素的灵敏度低、线性范围窄； 2.原子荧光转换效率低，因而荧光强度较弱，给信号的接收和检测带来一定困难。 3.散射光对原子荧光分析影响较大，但采用共振荧光线作分析线，可有效降低散射光的影响。

§2、原子荧光光谱法的基本原理 一、原子荧光的类型 根据激发能源的性质和荧光产生的机理和频率，可将原子荧光分成： 共振荧光 非共振荧光 敏化荧光

共振荧光 当原子吸收的激发光与发射的荧光波长相同时，所产生的荧光叫做共振荧光(resonance fluorescence)。 由于相应于原子激发态和基态之间共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，共振跃迁产生的谱线强度最大，所以共振线是元素最灵敏的分析线。

原子蒸气中的某些原子，由于吸收热能被激发而处于稍高于基态的亚稳态能级时，则共振荧光可以从亚稳态能级产生，即处于亚稳态能级的原子，通过吸收激发光源的某一非共振线后进一步激发到较高能级，然后再返回亚稳态，发射出相同波长的荧光，这种荧光称为热助共振荧光（thermally assisted fiuorescence）。

非共振荧光（non resonance fluorescence） 当原子吸收的激发光和发射的荧光波长不同时，所产生的荧光叫做非共振荧光，包括斯托克斯荧光和反斯托克斯荧光两类。 斯托克斯荧光（Stokes fluorescence） 当发射的荧光波长比激发光的波长更长时称作斯托克斯荧光。根据发射荧光的机理不同，又可分为直跃线荧光（direct-line fluorescence和阶跃线荧光（stepwise-line fluorescenc）

直跃线荧光 原子吸收光能被激发到高能态后，再由高能态返回至比基态能级稍高的亚稳态时，所发出的荧光称为直跃线荧光。 其特点是荧光线和激发线起止于共同的高能级，但荧光波长比激发光波长要长一些。例如基态Pb吸收283.31nm辐射后，发射出405.78nm直跃线荧光。 还有通过热助起源于亚稳态的直跃线荧光，这种荧光叫热助直跃线荧光，它产生于基态是多重结构的原子。

阶跃线荧光 原子吸收光能激发到高能态，回到基态时分两步去活化，首先由于非弹性碰撞损失部分能量，产生无辐射跃迁到一较低激发态，然后再跃迁到基态而发射荧光，称为阶跃线荧光，如Na吸收330.3nm幅射后，发射588.99nm的阶跃线荧光。 通过热助使激发态原子进一步激发到更高的能级上，然后跃迁到第一激发态发射的荧光，叫热助阶跃线荧光 。

反斯托克荧光 激发光的能量不足时，通常由原子化器提供热能补充，基态原子蒸气受热激发处于激发态或亚稳态，再吸收激发光的能量而跃迁至更高能级的激发态，随后直接返回基态，并发射出荧光，也可称为“热助荧光” 。 荧光波长比激发光波长短。 如铟原子吸收热能后处于一个较低态能级，在该能级上铟原子吸收451.18 nm的辐射而被进一步激发，当其跃迁回基态时发射410.18 nm的荧光。

敏化荧光（sensitized fluorescence） 待测原子M（接受体）不是直接吸收光被激发，而是通过碰撞吸收已被光源激发的另一个原子A（给予体）去活化而释放的能量而激发，处于激发态的待测原子通过辐射去活化而发射出荧光。 其过程可表示如下： A + hν　 A* A* + M A + M* M * M + hν

二、原子荧光光谱定量分析的依据 若一束强度为Io的平行光投射到原子蒸气时，若原子蒸气中被测元素的浓度为N，忽略自吸收，则产生的原子荧光强度I F为 式中为原子荧光效率，等于原子发射荧光的光量子数与吸收激发光的光量子数之比；Ia是吸收光的强度。根据朗伯-比尔定律，当待测元素的浓度N很低时 式中Kυ为吸收系数，L为吸收光程。

当实验条件一定时，由于原子蒸气中被测元素的浓度与试样溶液中该元素的浓度成正比，即N=ac，因此 在固定实验条件下，上式可简化为 原子荧光强度与试样中被测元素浓度成线性关系，原子荧光定量分析的基本关系式，此式适用于低浓度的原子荧光分析，随着原子浓度的增加，由于谱线变宽、自吸收、散射等因素的影响，将使工作曲线弯曲偏离线性。

三、饱和荧光﹝saturated fluorescence﹞ 可以使用增加激发光强度来提高原子荧光强度，以降低检测限。 上述关系只是在一定的激发光源强度范围内适用，当激发光强度足够大并达到一定值后，共振荧光的低能级和高能级之间跃迁原子数达到动态平衡，这时，分布在激发态和基态的原子数的比值，仅与相应能级的统计权重比值有关，不再随激发光强度增大而增加，对激发光的吸收达到饱和进而出现原子荧光的饱和状态。 应用饱和荧光分析，可以达到极低的检测限，且荧光强度不受光源强度波动的影响。

四、荧光猝灭 （quenching of fluorescence） 激发态原子在去活化过程中，存在着两种可能： 一是跃迁回到基态或其它较低的能级产生荧光； 二是与原子化器中其它原子、分子、电子等由于非弹性碰撞失去能量，或其它无辐射去活化现象。 在这种情况下，荧光将减弱或完全不发生，这种由于条件变化使待测原子荧光效率降低现象称为荧光猝灭。为了衡量荧光猝灭的程度，提出了荧光量子效率的概念，即原子发射的荧光光量子数与吸收激发光光量子数之比

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，所以量子效率一般都小于1。 受激原子和其他粒子碰撞，把一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过程，这种现象称为荧光猝灭。荧光的猝灭会使荧光的量子效率降低，荧光强度减弱。许多元素在烃类火焰中要比用氩稀释的氢—氧火焰中荧光猝灭大得多，因此原子荧光光谱法，尽量不用烃类火焰，而用氩稀释的氢—氧火焰代替。

§3、仪器装置 原子荧光光谱仪分类： 根据有无色散系统，可分为色散型原子荧光光谱仪和非色散型原子荧光光谱仪； 根据波道数又可分为单道原子荧光光谱仪和多道原子荧光光谱仪，前者适用于单元素分析，后者可作多元素分析。

一、原子荧光光谱仪的基本结构 原子荧光光谱仪由激发光源、原子化器、分光系统、检测和数据处理系统等组成。

激发光源

高强度空心阴极灯（HCL） 高强度空心阴极灯是在普通空心阴极灯中加了一对辅助电极，辐射强度比普通空心阴极灯强几倍到十几倍，稳定性好，不足之处是灯的寿命较短，适于制作的元素有限。

2. 无极放电灯（electrodeless-discharge-lamp EDL） 由于这种灯没有电极，必须将放电管放在谐振腔中用微波来激发。在石英管中，放入少量被测元素的卤化物，并充入惰性气体，制成放电管。将放电管置于微波发生器的同步空腔谐振器中，微波将管内的惰性气体原子激发，放电管内温度升高，使金属卤化物蒸发和解离，待测元素原子与被激发载气原子发生碰撞后被激发，发射出待测元素的特征光谱辐射。 无极放电灯的辐射强度高出高强度空心阴级灯约10倍，光谱纯度好，信噪比高，寿命长，特别适用于共振线在紫外光区的易挥发元素的测定。目前已制成As、Bi、Cd、Cs、Se、Pb、Ni等几十种元素的无极放电灯。

3. 激光光源 原子荧光分析所用分析线的波长范围非常宽，激光光源是原子荧光分析的极佳光源，除强度高、光谱纯度好外，波长可以调节。 目前激光光源多用可调波长的染料激光，如脉冲染料调谐激光器，配合倍频，可在180~800 nm波段范围提供极强辐射的激发源，而且光谱带宽也可以调节，但价格昂贵、操作烦琐。激光光源还有一个重要的优越性是饱和荧光的利用，此时荧光的自吸明显减少，而使方法的线性范围增宽，并且减少光源波动对荧光信号的影响，提高分析精密度。

4. 连续光源 连续光源具有很高的辐射强度和稳定性，是原子荧光分析理想通用的光源，可满足多元素同时分析的需要。 目前常用的连续光源是高压氙灯，氙灯适用于波长大于250 nm的波长段，不能在全波段满足强度要求，目前还没有在全波长范围内、提供足够强度以满足原子荧光需要的连续光源。

5. 等离子体光源 用于原子荧光分析的等离子体光源主要是电感耦合等离子体（inductively coupled plasma ICP）光源。 ICP光源的特点是激发能量高、稳定性好、化学和电离干扰少，此外ICP辐射源可供选择的谱线丰富，适用于多元素分析，是一种很好的激发光源。

原子化器 原子荧光对原子化器的要求：

火焰原子化器 原子荧光分析中火焰截面呈圆形或方形，以提高辐射的强度和稳定性。 原子荧光分析中常用氢火焰，如Ar-H2，N2-H2等，背景发射低，紫外区透明度高，猝灭物少，荧光效率高，但火焰温度不高，主要用于砷、硒、锌、钠等元素的分析； 空气-乙炔、氧化亚氮-乙炔火焰温度高，可用于难原子化的元素分析，但背景信号和噪音增加，影响原子荧光法的检测限。 火焰燃烧时产生大量的气体分子，将引起原子荧光猝灭和分子荧光的发生，导致原子荧光强度降低和干扰信号加大，火焰成分的猝灭特性顺序为Ar＜H2＜H2O＜N2＜CO＜O2＜CO2。

火焰原子化器操作简便、价格低廉、稳定性好，在原子荧光分析中被广泛采用，但由于火焰背景和热辐射信号在400 nm光谱区很强，火焰原子化器只适用于分析共振线波长小于400 nm的元素，特别适于共振线小于270 nm、在火焰中易于原子化的元素，如砷、铋、镉、汞、硒、锌等

2.电热原子化器 电热原子化器包括石墨炉、石墨杯等原子化装置，其特点与原子吸收分析相似，如取样少，原子化效率高，检出限很低，背景辐射和热辐射弱，猝灭效应也小，不足之处是基体干扰和背景吸收较大，精密度不如火焰原子化器。

3. 电感耦合等离子体（ICP） 原子化器 ICP作为原子化器的优点是温度高、稳定性好、化学干扰和光㪚射小，是一种高效的原子化器。适合于复杂试样的多元素分析，尤其是对难熔元素的原子化更为有利。

4. 氢化物发生原子化器 氢化物发生原子化法基本原理是在强还原剂作用下被测元素被还原为挥发性共价氢化物，然后借助载气导入氩氢焰原子化成为自由原子。氢化物发生原子化器由氢化物发生器和电加热石英管组成。 近年来这种方法得到了较快的发展，是一种具有重要实用价值的分析技术，对于易生成氢化物的元素如As、Se、Sb、Te、Sn、Bi、Pb等元素的测定更能体现出原子荧光法的特点和优越性。

分光系统 由于只有吸收激发光之后，才产生荧光，因此原子荧光的谱线仅限于那些强度较大的共振线，其谱线数目比原子吸收线更少，原子荧光光谱比较简单，但光强度较弱，因此，对单色器分辬率的要求不高，单色器设计上重点是提高集光效果，增大原子荧光辐射强度，以获得较大的信噪比，一般通过缩短单色器焦距，增大色散元件的通光孔径来提高集光能力。根据有无色散系统将分光系统分为色散型和非色散型两类。

电源 光

色散型分光系统用光栅分光，检测器用光电倍增管，具有可选择的谱线多、波段范围广、光谱干扰和杂散光少等特点，适于多元素的测定。 非色散型分光系统没有光栅单色器，通过滤光片和日盲光电倍增管配合组装而成。这种分光系统结构简单、价格低廉、光谱通带宽、荧光信号强，能得到较低检测限；但光谱干扰大，散射光的影响也较大，对光谱的纯度要求高。

检测和数据处理系统 原子荧光光谱仪的检测系统主要由光电转换和放大读数两部分组成，检测器是以光电倍增管为主，无色散型光谱仪必须采用日盲光电倍增管，光电转换所得信号经放大后显示。目前的原子荧光光谱仪多与计算机联用，由计算机记录、处理荧光强度等数据，使得检测更加便捷。

二、多道原子荧光光谱仪 多道原子荧光分析仪分为色散型和非色散型两类。 共同特点：可同时测定多种元素，自动化程度高，分析速度快。 非色散多道原子荧光光谱仪设备简单，照明立体角大，光谱通带宽，荧光信号强，不存在波长漂移现象，检测限较低，但受到光电倍增管的限制，同时测定的元素数目较少，且受散射光影响较大。 色散型多道原子荧光光谱仪波长范围较宽，杂散光较少，光谱干扰少，信噪比高，但有波长漂移现象，仪器成本高，操作也比较繁杂。

原子荧光法同时分析多种元素的仪器示意图

§4、原子荧光分析中的干扰和消除 干扰类型： 光谱干扰 原子荧光的猝灭 化学干扰 物理干扰

一、光谱干扰 光谱干扰是由于分析的荧光信号与进入检测器的其它辐射不能完全分开而产生。如干扰元素与待测元素的荧光谱线重叠、火焰的热辐射及散射光的干扰，前两类干扰可用消除干扰和扣除方法解决。散射光的干扰对原子荧光分析的影响显著，且不能用上述方法解决。

散射光由原子化器中未挥发的气溶胶颗粒产生，与单位体积内未挥发颗粒的大小和数量有关。 要减少散射光干扰，应减少散射微粒，如使用预混合火焰、增加火焰观测高度和火焰温度，或使用高挥发性溶剂等从而增加气溶胶微粒的挥发性减少散射微粒；尽可能选择灵敏度高、干扰小的直跃线荧光或阶跃线荧光进行测定，可滤掉光源发射的与待测荧光波长相同的谱线，但其局限性是许多元素缺少这种具有足够强度的荧光线。 散射光干扰严重时，可用空白溶液予以校正，或测量分析线附近合适非荧光线的散射光来校正。

二、原子荧光的猝灭 原子荧光的猝灭作用，降低荧光量子效率，导致荧光强度显著降低。火焰中许多气体分子如CO2、N2、H2O、CO等都是猝灭剂，这些分子的振动能级接近待测元素（激发态）的能级，激发态原子与这些分子碰撞时，可将它的激发能转移到这些分子振动能级中去，导致荧光猝灭。 减少火焰中猝灭剂浓度，可使荧光猝灭很快减小。惰性气体原子或分子具有原子荧光保护作用，可减少荧光猝灭，如氩气。

三、化学干扰 原子荧光分析的化学干扰是由待测元素与试样中共存元素或火焰成分发生化学反应，生成稳定难挥发、难离解的化合物，使待测元素的原子化效率降低而引起的。 消除化学干扰的方法：通常采用加入释放剂（如镧盐或锶盐）或保护剂（如EDTA）等办法加以消除，必要时需采用分离的办法以除去干扰物的影响。

四、物理干扰 物理干扰是由于试样溶液的粘度、表面张力、溶剂的蒸气压等物理性质与标准溶液不一致，引起溶液的雾化、溶剂蒸发或溶质挥发过程发生变化，导致溶液的提升率、雾化效率、分解速度及原子化效率等发生变化而造成的干扰。 在实际分析工作中，应尽量使标准溶液与试样基体溶液浓度和组成一致，以消除这类干扰。

§5、原子荧光分析方法 一、氢化物发生原子荧光光谱法 As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素的共振线大都在紫外光区间，常规原子光谱分析方法测定这些元素，灵敏度低、背景干扰大、信噪比差。但这些元素的氢化物具有挥发性，常温下为气态，可借助于载气将其导入原子荧光光谱仪中，用氢化物发生原子荧光分析进行测定，这种方法灵敏度高、干扰小、简便易行。

氢化物发生法原理 在强还原剂作用下，被测元素还原生成挥发性共价氢化物，然后在控制条件下分解成气态原子，实施原子荧光分析。 氢化物发生反应多采用硼氢化钠做还原剂，根据其反应介质不同可分硼氢化钠-酸还原体系、碱性模式还原及非水介质氢化物发生等，其中硼氢化钠-酸体系应用最广泛，其反应如下：

NaBH4 + 3H2O + HCl→H3BO3 + NaCl + 8H· Em+ EHn↑+H2↑ 上述反应式中，E是被测元素，H·是氢自由基；EHn是生成的氢化物；m可以等于或不等于n。该反应具有反应迅速、氢化物生成效率高、适应范围广等特点。

氢化物发生原子荧光光谱法的原样品、还原剂及氩气Ar进入反应器，化学反应产生氢化物和氢气，经气液分离器分离，去水后的氢化物和氢气由氩气导入原子荧光光谱仪的原子化器，燃烧产生氩-氢焰使待测元素原子化并进行测定。

氢化物发生原子荧光分析的条件选择 样品预处理 氢化物发生原子荧光法主要用于As、Sb、Bi等11种元素分析，一般用HCl处理样品，但应注意相应元素氯化物的挥发性，同时由于方法灵敏度高，要注意扣除试剂空白。为了消除基体或其它元素干扰，可以采用萃取、共沉淀、巯基棉富集等方法分离富集。

2. 反应介质选择 反应酸度的选择影响分析灵敏度和元素的不同价态分析。 以硼氢化钠为还原剂的体系，用酸性样品溶液与硼氢化钠作用生成氢化物，即硼氢化钠-酸体系； 采用碱性模式（在碱性溶液中发生氢化物）可以消除或减少共存元素的干扰，提高氢化反应的选择性； 非水介质氢化物发生法可将待测元素萃取分离后，直接在有机相中测定。如用溶剂萃取-非水介质氢化物发生法测定饮用水中痕量As，在NaBH4乙醇溶液-APDC-MIBK有机相中发生氢化物，然后进行原子荧光测定，检测限为2.810-9g。

3. 干扰及消除 液相干扰发生在氢化物形成或形成的氢化物从样品溶液中逸出的过程，主要是Cu、Co、Ni、Fe等元素易生成沉淀，吸附氢化物，可形成氢化物元素之间的竞争反应产生干扰，一般采用络合剂或基体改进剂来减少这种干扰。 气相干扰主要发生在氢化物的传输过程或在原子化器中，将影响原子荧光的产率和猝灭，控制原子化器的蒸气成分可减少这种干扰。

4. 线性范围（工作曲线） 原子荧光分析是一种痕量分析方法，其工作曲线的线性范围一般在0.0014~1.0 ng/ml浓度区间，过高的分析浓度将严重影响到工作曲线的线性。

氢化物发生原子荧光分析的特点 分析元素与基体分离，光谱和化学干扰少。 灵敏度高，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，进样效率高。 可控制条件，用于价态分析，宜于实现自动化。 主要适用于As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te、Hg、Zn、Cd等元素分析。

二、激光诱导原子荧光光谱法（laser induced atomic fluorescence spectrometry ， LIAFS） 激光强度高、单色性好、方向集中，其中可调谐染料激光器为激发光源应用比较广泛。 LIAFS法用于痕量和超痕量元素分析灵敏度高、检测限低、准确度和精密度较好，样品用量也少。许多元素的LIAFS分析检测限为ng/ml级，有些元素甚至达pg/ml级。 将激光饱和激发和非共振荧光检测相结合的饱和光学非共振荧光光光谱法，为单原子检测提供了一种灵敏方法。

§6、原子荧光光谱法的应用 一、在环境样品分析中的应用 在环境样品（水、空气、土壤及固体废弃物等）多种元素的分析中，原子荧光光谱法得到了广泛应用。 原子荧光光谱法被确定为饮用水中As、Se、Hg、Sb的标准检验方法； 空气中砷、大气颗粒物中汞的测定，用氢化物发生原子荧光法检测限可达ng级； 土壤、固体废弃物样品中重金属元素的测定，用氢化物发生原子荧光光谱法分析取得了满意的结果。方法的检测限，As为1.73 ng/ml，Sb为1.90 ng/ml，Se为1.60 ng/ml。

二、在食品检验中的应用 食品中的微量元素含量很低，但与人体健康有密切关系，目前氢化物发生原子荧光光谱法在食品检验中占有重要地位。 食品中砷、铅、汞、硒、锡、镉、锗和锑等微量元素的氢化物发生原子荧光法测定，已作为国家颁布的标准分析方法。

三、在生物样品分析中的应用 生物样品种类繁多，样品前处理比较复杂，大部分金属元素在生物样品中含量很低，且干扰大。利用原子荧光分析法测定人体液、组织、头发等生物样品中Hg、As、Se、Sb、Bi、Pb、Ga等都得到了满意的结果。

元素 波长/nm Ag 328.1 Mg 285.2 As 193.7 Mn 279.5 Au 249.7,267.6 Mo 313.3 Ba 455.4 Na 589.0 Be 234.0 Ni 232.0 Bi 302.5,306.8 Pb 283.3 Ca 422.7 Rh 369.2 Co 240.7 Sb 217.6,233.1 Cr 357.9 Se 196.0 Cu 324.8 Sr 460.7 Fe 248.3,372.0 Te 214.3 Ge 265.2 Tl 377.6 Hg 253.7 Zn 213.9 In 410.5  

思考题 1、简述原子荧光光谱法的基本原理，并从原理上比较原子荧光光谱法与原子吸收分光光度法的异同点和优缺点。 2、原子荧光光谱仪与原子吸收分光光度计在仪器结构上有何异同点。 3、简述原子荧光分析中的干扰类型和特点。 4、简述氢化物发生原子荧光光谱法的基本原理、特点及应用范围。