醫(yī)學(xué)教學(xué)課件：第3章 原子熒光光譜法

第3章原子熒光光譜法現(xiàn)代儀器分析-AFS技術(shù)AtomicFluorescenceSpectrometry(AFS)

NJMU2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂2主要內(nèi)容基本原理及概念氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法原子熒光光譜儀AFS的應(yīng)用一、基本原理及概念Basicprinciplesandconcepts

重點掌握內(nèi)容

NJMU2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂4原子熒光基態(tài)的原子蒸氣吸收合適的特定頻率的輻射而被激發(fā)到高能態(tài)，然后激發(fā)態(tài)原子在去活化回到較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)時，以光輻射的形式發(fā)射出特征波長的熒光。E2E1E02023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂5原子熒光的特點屬光致發(fā)光，二次發(fā)光；激發(fā)光源停止后，熒光立即消失；發(fā)射的熒光強度與照射的光強有關(guān)；不同元素的熒光波長不同；濃度很低時，強度與蒸氣中該元素的密度成正比，定量依據(jù)(適用于微量或痕量分析)。對激發(fā)光的依賴性元素的定性分析2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂6原子發(fā)射光譜（AES）/原子熒光光譜（AFS）AES：原子或離子受熱能或電能作用時，外層電子得到能量向高能態(tài)躍遷；經(jīng)短暫停留后回到較低能態(tài)時，能量以光的形式釋放出來，形成光譜線。光譜線強度與元素濃度有關(guān)。AFS：待測物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光源發(fā)出的特征波長的輻射而被激發(fā)，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或低能態(tài)時所發(fā)射的熒光強度進行分析。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂7UVAASAESAFSUV/AAS/AES/AFS2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂8共振熒光和非共振熒光共振熒光：熒光線的波長與激發(fā)線的波長相同。A,C和B,D。非共振熒光：熒光線的波長與激發(fā)線的波長不相同，大多數(shù)是熒光線的波長比激發(fā)線的波長為長。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂9

abcd直躍線熒光（Stokes熒光）：躍回到高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)時所發(fā)射的熒光；熒光波長大于激發(fā)線波長。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂10熒光猝滅quenchingofluminescence處于激發(fā)態(tài)的原子，隨時可能在原子化器中與其他分子、原子或電子發(fā)生非彈性碰撞而喪失其能量，熒光將減弱或完全不產(chǎn)生的現(xiàn)象。熒光猝滅的程度與被測元素以及猝滅劑的種類有關(guān)。猝滅劑：火焰燃燒的產(chǎn)物最嚴(yán)重。

待測原子熒光效率降低或完全消失的現(xiàn)象。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂11熒光強度與濃度的關(guān)系

原子熒光強度與分析物濃度以及激發(fā)光的輻射強度等參數(shù)存在以下函數(shù)關(guān)系：

If=

I

（1）根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)N很低時：

I=I0[1-e–KLN]

（2）

If=

I0[1-e–KLN]

（3）其中：

：原子熒光量子效率

I

：被吸收的光強

L：吸收光程

I0

：光源輻射強度

K：峰值吸收系數(shù)N：單位長度內(nèi)基態(tài)原子數(shù)2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂12

將(3)式按泰勒級數(shù)展開，并考慮當(dāng)N很小時，

If=

I0[KLN-（KLN）2/2！+（KLN）3/3！-……）忽略高次項，則原子熒光強度If表達式簡化為：

If=

I0KLN（4）當(dāng)實驗條件固定時，原子熒光強度與能吸收輻射線的原子密度成正比。當(dāng)原子化效率固定時，If

便與試樣濃度C成正比。即：

If=

C（5）

為常數(shù)。(5)式的線性關(guān)系，只在低濃度時成立。當(dāng)濃度增加時，(4)式帶二次項、三次項…，If與C的關(guān)系為曲線關(guān)系。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂13原子熒光儀器原子熒光儀器由四部分組成：激發(fā)光源、原子化器、分光系統(tǒng)、檢測電路。

激發(fā)光源

原子化器

檢測電路（含分光部分）2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂14①激發(fā)光源高輻射強度、高穩(wěn)定性；應(yīng)用波長范圍廣，連續(xù)可調(diào)，適于多元素分析；光譜純度好、背景低、耐用、壽命長。高強度空心陰極燈：Hollowcathodelamp,HCL，壽命短。無極放電燈：Electrodeless-discharge-lamp,EDL，較常用。激光光源：較佳，但價格高，操作煩瑣。連續(xù)光源：高壓氙燈。多元素同時測定。等離子體光源：已有ICP-AFS出售。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂15②原子化器要求高原子化效率，穩(wěn)定性好，背景輻射低，熒光猝滅少。火焰原子化器：常用氫火焰。適于共振線小于270nm元素檢測。電熱原子化器：精密度較低。ICP原子化器：高效、多元素分析。氫化物發(fā)生原子化器：由氫化物發(fā)生器和電熱石英管組成。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂16③檢測系統(tǒng)：包括光路及電路兩部分光路：分有色散系統(tǒng)和非色散系統(tǒng)。電路：高可靠性，高信噪比。二、

氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法Hydridegeneration-atomicfluorescencespectrometry,HG-AFS

NJMU要求熟悉的內(nèi)容2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂18氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法

As、Sb、Bi、Se、Te、Pb、Sn、Ge8個元素可形成氣態(tài)氫化物，Cd、Zn形成氣態(tài)組分，Hg形成原子蒸氣。氣態(tài)氫化物、氣態(tài)組分通過原子化器原子化形成基態(tài)原子，基態(tài)原子蒸氣被激發(fā)而產(chǎn)生原子熒光。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂19低溫原子化原子化溫度700-900゜C；以砷為例：

AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2

將待測試樣在專門的氫化物生成器中產(chǎn)生氫化物，送入原子化器中檢測。特點：原子化溫度低；靈敏度高（對砷、硒可達10-9g）；基體干擾和化學(xué)干擾?。?023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂20Hg元素冷原子化將試樣中的汞離子用SnCl2或鹽酸羥胺完全還原為金屬汞后，用氣流將汞蒸氣帶入具有石英窗的氣體測量管中進行吸光度測量。特點：常溫測量；靈敏度、準(zhǔn)確度較高（可達10-8g汞）。低溫原子化方法（一般700-900゜C）。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂21氫化物反應(yīng)的種類金屬-酸還原體系（Marsh反應(yīng)）、硼氫化物-酸還原體系、電解法。硼氫化物-酸還原體系酸化樣品溶液中的砷、鉛、銻、硒等元素與還原劑(一般為硼氫化鉀或鈉)反應(yīng)在氫化物發(fā)生系統(tǒng)中生成氫化物：

BH-+3H2O+H+=H3BO3+Na++8H*+Em+=EHn+H2

式中Em+代表待測元素，EHn為氣態(tài)氫化物（m可以等于或不等于n）。使用適當(dāng)催化劑，在上述反應(yīng)中還可以得到了鎘和鋅的氣態(tài)組分。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂22氫化物元素的價態(tài)元素價態(tài)As3+Sb3+Bi3+Se2+

、4+Te4+Ge4+Pb4+Sn4+2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂23干擾與消除游離基效率↓↓動力學(xué)原子化干擾傳輸過程發(fā)生效率↓氫化物發(fā)生氣相干擾分類液相干擾測定元素↓Sn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Zn2+、Fe2+、Cu2+

黑（黃）色↓2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂24液相干擾絡(luò)合掩蔽（K2[Fe(CN)6]、KCNs）、分離（沉淀、萃?。?、加入抗干擾元素、改變酸度（oxine、EDTA、硫脲）、改變還原劑的濃度、緩沖劑（KI-硫脲、鄰菲羅啉）、改變干擾元素的價態(tài)等。氣相干擾分離（吸收、改變傳輸速度）、改善傳輸管道。散射干擾清潔原子化室、煙囪、排氣罩。干擾的消除2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂25氫化物發(fā)生法的主要優(yōu)點分析元素能夠與可能引起干擾的樣品基體分離,消除了部分干擾。與溶液直接噴霧進樣相比,氫化物法能將待測元素充分預(yù)富集,進樣效率近乎100%。連續(xù)氫化物發(fā)生裝置宜于實現(xiàn)自動化。不同價態(tài)的元素氫化物發(fā)生實現(xiàn)的條件不同,可進行價態(tài)分析。三、原子熒光光譜儀Atomicfluorescencespectrometer

NJMU要求了解的內(nèi)容2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂27結(jié)構(gòu)組成原子熒光光譜儀的原理圖（以AFS系列為例）2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂281.氣路系統(tǒng) 2.氫化物發(fā)生系統(tǒng) 3.原子化器 4.激發(fā)光源 5.光電倍增管6.前放7.負高壓 8.燈電源9.爐溫控制 10.控制及數(shù)據(jù)處理系11.打印機 A.光學(xué)系統(tǒng)部件說明2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂29AFS-820原子熒光光度計2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂30AFS-830原子熒光光度計2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂31AFS-930原子熒光光度計2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂32影響儀器測量靈敏度的主要因素負高壓：光路燈電流：進樣反應(yīng)系統(tǒng)載氣、屏蔽氣流量：反應(yīng)條件原子化器高度：環(huán)境溫、濕度2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂33熒光強度If與儀器條件之負高壓HV的關(guān)系負高壓的改變不影響儀器的信噪比；熒光強度If與負高壓成指數(shù)關(guān)系；一般選擇260V~340V即可。注意：光電倍增管的放大倍

If

數(shù)差異較大，這可以通過改

變負高壓來彌補。負高壓的設(shè)置要根據(jù)HV實際情況

2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂34熒光強度If與儀器條件之燈電流的關(guān)系燈電流大小決定激發(fā)光源的強弱

If與燈電流在某一范圍內(nèi)成線性關(guān)系；不同的燈其電流范圍不一樣。雙陰極燈的主、輔陰極的配比影響其激發(fā)強度燈電流不能太大-自吸IF2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂35熒光強度If與儀器條件之原子化器高度的關(guān)系2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂36熒光強度If與儀器條件之載氣、屏蔽氣流量關(guān)系通過試驗設(shè)置最佳流量。一般情況下，載氣、屏蔽氣流量越大，穩(wěn)定性越好，但靈敏度越低。通常情況:載氣：200-500；屏蔽氣：600-1000ml/min;Cd：載氣：400-600；屏蔽氣：1000ml/min。載氣、屏蔽氣流量的大小也影響火焰觀測高度,三者要綜合考慮。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂37測量條件的選擇根據(jù)樣品的要求確定工作曲線的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液濃度根據(jù)工作曲線的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液濃度確定測量條件（負高壓、燈電流、氣流量、時間、進樣速度等）2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂38氫化物-無色散原子熒光測量原理將被測元素的酸性溶液引入氫化物發(fā)生器中，加入還原劑后即發(fā)生氫化反應(yīng)并生成被測元素的氫化物；元素氫化物進入原子化器后即解離成被測元素的原子；原子受特征光源的照射后產(chǎn)生熒光；熒光信號被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由檢測系統(tǒng)檢出。四、AFS分析法的應(yīng)用TheapplicationofAFSmethod

NJMU要求熟悉的內(nèi)容2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂40

測定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。應(yīng)用范圍和可靠性2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂412023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂42主要特點光譜干擾少；基體影響影響易于消除；通過氫化物發(fā)生達到分離和富集的目的；根據(jù)所測元素的還原性質(zhì)不同，可進行價態(tài)分析；

氣相干擾少；線性范圍寬，測汞可達三個數(shù)量級；靈敏度遠遠高于冷原子吸收法。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂43測定過程中的注意事項(1)小的光電倍增管電壓，可減少噪聲水平；觀測高度直接影響測量靈敏度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，建議使用6-8mm（不同儀器標(biāo)尺可能不同）；載氣及流量：原子熒光法只能使用Ar氣，這點與冷原子熒光法不同，Ar氣純度很重要，達到1%時，會導(dǎo)致Hg（As、Bi、Se、Sb、Te、Ge）靈敏度降低約5%；載氣流量過大會沖稀測定成分的濃度，過小不能迅速將測定成分帶入石英爐，一般以0.4-0.6L/min為宜；2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂44屏蔽氣體：屏蔽氣體可防止周圍空氣進入火焰產(chǎn)生熒光猝滅，一般在0.6-1.6L/min范圍選擇；儀器都有峰高和峰面積測量的功能，用峰高好；還原劑：NaBH4是強還原劑，必須避光保存（溶液也應(yīng)避光），如發(fā)現(xiàn)渾濁，須經(jīng)熱酸浸泡并洗凈的玻璃砂過濾（注意承接濾液瓶的洗凈）。NaBH4（或KBH4）一般在含NaOH（KOH）0.5-1%的介質(zhì)中才能穩(wěn)定；NaBH4（或KBH4）在酸介質(zhì)中才能起到還原作用，因此，測定水樣（溶液）的酸性必須足以中和NaBH4（或KBH4）溶液中的堿后還應(yīng)保持至少1mol/L的酸性；NaBH4（或KBH4）濃度對汞的測量結(jié)果影響很大，測汞時以0.4%左右為最佳；

測定過程中的注意事項(2)2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂45石英爐溫度對測汞的靈敏度和精度影響較為明顯，800-900℃記憶效應(yīng)小，精度高，但靈敏度下降約5倍，而350℃靈敏度較高。下表是推薦使用的原子熒光法測汞的條件。原子熒光法測汞條件測定過程中的注意事項(3)2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂46相關(guān)元素的國內(nèi)、國際飲用水標(biāo)準(zhǔn)（mg/l）氫化物的沸點、檢出限及適用濃度范圍2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂47重金屬元素的應(yīng)用-As測總砷時，預(yù)還原（用硫脲和抗壞血酸）；采用硝酸和硫酸濕消化較好；不同價態(tài)形成氫化物的條件不同（如pH=5.6-6.0時，測定三價砷），可進行形態(tài)測定。最靈敏，最好的方法之一。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂48重金屬元素的應(yīng)用-PbLOD：0.4ng/mL。對氫化物發(fā)生的條件十分苛刻，酸度要求以保持反應(yīng)后廢液pH8-9之間為好。KBH4濃度也非常重要，以2.0%為佳。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂49重金屬元素的應(yīng)用-HgLOD：0.06ng/mL。Hg2+在溶液中不穩(wěn)定，要加保護劑（鉻酸鉀等）。KBH4濃度不宜過高，以0.05-0.3g/L為宜。用硫脲作為掩蔽劑，防其它重金屬干擾。

AFS系列儀器常見故障2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂511、通信失敗2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂52（1）、主機電源開關(guān)未打開（2）、開機順序不對正確順序為：微機-主機-從機（3）、主機電路不正常（4）、通訊接口（RS232電纜線、微機串口）有問題（5）、軟件有問題

(6)、自動進樣器、順序注射兩者或二者之一不能復(fù)位-相對900、9000系列通訊失敗的原因有以下幾種可能2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂53（1）打開電源開關(guān);（2）重新復(fù)位，即按正確順序重新開啟微機、主機;（3）檢查接口是否正確、電纜是否正常、插頭接觸良好否;（4）重新安裝操作軟件;（5）維修電路、自動進樣器、順序注射.可以通過以下方法解決2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂542、氣路保護裝置的維修當(dāng)開始測量而儀器不運轉(zhuǎn)并有錯誤提示“無載氣”時，可能是由以下幾種情況引起的。（1）未開氬氣瓶，或次級壓力表的壓力不在（0.2~0.4）MPa的范圍內(nèi)。（2）機內(nèi)穩(wěn)壓閥的壓力表的壓力不是0.2MPa；氣路保護裝置出現(xiàn)故障。（3）儀器電路部分出故障。請廠家維修。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂552023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂56氣路保護裝置的維修把儀器后面氣路箱的四個螺釘取下，向外小心拉出氣路系統(tǒng)，如圖：A為氣路保護裝置，B為氣路保護插頭，C為穩(wěn)壓裝置及內(nèi)部壓力表D為氣路保護裝置調(diào)節(jié)螺絲。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂57C有一定的壓力時（約0.2MP），A-氣路保護裝置引出的兩根線處于短接狀態(tài)，通過B-氣路保護插頭與儀器控制系統(tǒng)相連給出有載氣的信號，儀器才工作；如果未處于短接狀態(tài)，則儀器不工作，提示無載氣。如果C的壓力正常，而不工作，可通過調(diào)節(jié)A氣路保護裝置上的螺絲旋鈕D，使氣路保護正常。原理2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂58830、8130系列自動進樣器故障開機時不復(fù)位原因：a：自動進樣器與間歇泵之間的電纜線未接好；b：電路故障自動進樣器的進樣頭升起時發(fā)出嗡嗡聲，抖動，不升起解決方法：關(guān)掉間歇泵電源，把自動進樣器的進樣頭用手按到底。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂59自動進樣器的進樣頭升起后發(fā)出嗡嗡聲，抖動原因：擋光片未插入光敏對的檢測區(qū)2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂60

原理示意圖當(dāng)打開蠕動泵電源開關(guān)后，進樣針擋光片2回到零位置，即擋光片2進入光敏對1的凹槽中擋光，自動進樣器正常。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂61自動進樣改為手動進樣當(dāng)自動進樣器發(fā)生故障時,可以臨時改為手動進樣的方式繼續(xù)使用。方法：（1）在元素?zé)舸翱诟淖詣訛槭謩?。?）在關(guān)機狀態(tài)下拔掉進樣器與間歇泵（注塞泵）之間的電纜線。（3）把進樣針上的毛細管拔下來，用它按程序操作。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂62儀器的維護開機時必須打開氬氣，調(diào)好減壓表的壓力（0.3MP)測量時注意反應(yīng)產(chǎn)生的液體不要噴到原子化器中，水封中水不要加多（1/3高度為宜）測量結(jié)束后一定要用水多次清洗，并擦干外部測量結(jié)束后儀器及工作臺上的試劑用完要拿走。測量結(jié)束后實驗室要注意通風(fēng)。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂633、測量誤差產(chǎn)生的原因（1）樣品處理的原因樣品處理過程中由于方法不當(dāng)造成測量元素的損失，導(dǎo)致回收率偏低。樣品處理過程中由于環(huán)境和器皿污染，導(dǎo)致回收率偏高。樣品處理過程中所用試劑含有較高的被測元素。樣品空白處理不好。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂64測量誤差的原因（2）測量溶液的介質(zhì)條件與標(biāo)準(zhǔn)溶液的介質(zhì)條件不一致：由于介質(zhì)不一樣，氫化物的產(chǎn)生效率也就不一樣。未知樣品中干擾元素的存在，可能產(chǎn)生正干擾或負干擾，導(dǎo)致測量偏差。（3）儲備液保存不當(dāng)使含量偏低。標(biāo)準(zhǔn)溶液配置有誤。標(biāo)準(zhǔn)溶液受污染.2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂65測量誤差的原因（4）工作曲線不好

測量溶液中未知元素的濃度不在工作曲線的范圍內(nèi)；或測量溶液中未知元素的濃度雖在工作曲線的范圍內(nèi)，但標(biāo)準(zhǔn)系列的范圍太大，曲線擬合后低（或高）濃度點的偏差較大，如果測量溶液中未知元素的濃度在低（或高）濃度點的附近，就很容易造成測量誤差偏大。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂66（5）燈漂移長時間工作由于燈會產(chǎn)生漂移，使空白和工作曲線發(fā)生變化，產(chǎn)生測量偏差。（6）測量時穩(wěn)定性差測量誤差的原因2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂674、測量無信號（1）（1）儀器電路故障判斷方法：在儀器條件窗口用鼠標(biāo)雙擊顯示燈能量處，用一反射桿在石英爐芯的上面反射，觀察顯示燈能量有無燈能量帶變化，如下圖，若有變化，說明儀器檢測電路正常。否則，儀器電路不正常，維修。2023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂682023/9/16現(xiàn)代儀器分析講堂69（2）反應(yīng)系統(tǒng)

管道堵、漏，水封無水、未進或進不足樣品和還原