原子荧光光谱法
原子荧光光谱法
Fluorescence analysis
4.1 原子荧光光谱概述
❖ 原子荧光光谱分析(atomic fluorescence spectrometry, AFS)法是通过测定待测原子蒸气在辐射能激发下发 射的荧光强度来进行定量分析的方法。
❖ 从原理来看该方法属原子发射光谱范畴，发光机制 属光致发光，但所用仪器与原子吸收仪相近。
❖ 原子荧光分析中，样品先被转变为原子蒸气，原子 蒸气吸收一定波长的辐射而被激发，然后回到较低 激发态或基态时便发射出一定波长的辐射--原子荧 光。
❖ 把氢化物发生和原子荧光光谱法结合起来，我国科 学工作者研创了实用的氢化物--原子荧光光谱仪商 品仪器。此后，原子荧光分析迅速普及并发展成为
原子发射和吸收光谱法的有力补充。
4.2.4待测原子的浓度与荧光强度
原子荧光光谱强度由原子吸收与原子发射过程共同决定。当 光源强度稳定、辐射光平行及自吸可忽略时，发射荧光的强 度If正比于基态原子对特定频率光的吸收强度Ia。
在理想情况下：
If Ia
I f I0 A K0 L N
在实际工作中，仪器参数和实验测试条件保持不变，即
原子荧光光谱优点和局限性
❖ 原子荧光光谱分析法具有谱线简单、检出限低、可 同时进行多元素分析、可以用连续光源、校准曲线 的线性范围宽等优点。
❖ 原子荧光也存在一定的局限性：在较高浓度时会产 生自吸，导致非线性的校正曲线；在火焰样品池中 的反应和原子吸收的相似，也能引起化学干扰；存 在荧光猝灭效应及散射光的干扰等问题。
➢ 原子荧光是光致发光，属二次发光。当激发光源停 止辐射后，跃迁停止，荧光立即消失，不同元素的 荧光波长不同。
4.2.2 原子荧光光谱的类型
原子荧光光谱精讲
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
【材料研究与测试方法】原子荧光光谱法1
苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。
22
4）pH值：红移或蓝移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸
收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和 287nm（p共轭）.
5）溶剂效应：红移或蓝移
由n-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成 H 键 的能力增加，发生蓝移；由-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂
起源于亚稳态的 直跃线荧光
热助 阶跃线荧光
起源基态 阶跃激发荧光
Stores荧光:直跃线荧光、阶跃线荧光
Anti-stores荧光： 阶跃激发荧光2
3. 敏化荧光：受激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一 个原子使其激发，后者再从辐射形式去激发而发射荧光即 为敏化荧光。
A* + B = A + B *→ A + B +hυ
工作波 段 190～ 900nm
光源 单色器 吸收池
分子吸收 带状光谱
检测器
锐线光源
原子化器 单色器
原子吸收
检测器 线状光谱
连续光 源（钨 灯、氘 灯）
锐线光 源（空 心阴极 灯）
光源→ 单色器→
吸收池→ 检测器
锐线光源
→原子化 器→单色 器→检测 器
10
5-1 分子吸收光谱
一、分子吸收光谱的产生
为什么呈现带状光谱？ 5
分子振动能级跃迁所需的能量比电子能级小10倍； 分子转动能级跃迁的能量变化比振动能级小10至100 倍，因此在分子的电子能级跃迁时，必然伴随着振动 能级跃迁和转动能级的跃迁，亦即在一个电子能级跃 迁中可以包含着许许多多的振动能级和转动能级的跃 迁。
原子荧光光谱法的优缺点
原子荧光光谱法的优缺点
原子荧光光谱法的优点主要包括：
1.检测限低、灵敏度高：该方法可以检测到较低浓度的元素，因
为荧光信号与元素浓度成正比。
2.谱线简单、干扰小：原子荧光光谱法产生的光谱线较为简单，
干扰较小，因此能够准确地进行定量分析。
3.分析速度快：该方法可以同时对多个元素进行检测，并且分析
速度较快，适用于大量样品的快速分析。
4.准确度高：原子荧光光谱法具有较高的准确度，其相对误差一
般在1%以下。
然而，原子荧光光谱法也存在一些缺点：
1.受激发光源限制：该方法需要使用高强度光源，因此可能会受
到光源的限制。
2.散射光干扰：原子荧光光谱法容易受到散射光的干扰，可能会
影响分析结果的准确性。
3.仪器昂贵、维护困难：原子荧光光谱仪较为昂贵，并且需要定
期进行维护和校准，增加了使用成本。
4.无法进行定性分析：原子荧光光谱法只能进行定量分析，无法
进行定性分析，限制了该方法的应用范围。
总体来说，原子荧光光谱法具有灵敏度高、干扰小、分析速度快等优点，但也存在一些缺点，如需要高强度光源、容易受到散射光干扰等。
在实际应用中，可以根据具体情况选择是否采用该方法进行元素检测。
原子荧光光谱法
原子荧光光谱法原子荧光谱（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，它的基本原理就是：基态原子（一般蒸气状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。
一、原子荧光光谱法原理1．1原子荧光的类型以及荧光猝灭（1）共振荧光当原子受到波长为入A的光能照射时，处于基态E0（或处于E0邻近的亚稳态E1）的电子跃迁到激发态E2,被激发的原子由E2回到基态E0（或亚稳态E1）时，它就放出波长入F的荧光。
这一类荧光称为共振荧光。
（2）直跃线荧光荧光辐射一般发生在二个激发态之间，处于基态E0的电子被激发到E2能级，当电子回到E1能级时，放出直跃荧光。
（3）阶跃线荧光当处于激发态E2的电子在放出荧光之前，由于受激碰撞损失部分能量而至E1回到基态时，放出阶跃线荧光。
（4）热助阶跃线荧光原子通过吸收光辐射由基态E0激发至E2能级，由于受到热能的进一步激发，电子可能跃迁至E2相近的较高能级E3,当其E3跃迁至较低的能级E1（不是基态E0）时所发射的荧光称为热助阶跃荧光。
小于光源波长称为反stoke效应。
（5）热助反stokes荧光（略）某一元素的荧光光谱可包括具有不同波长的数条谱线。
一般来说，共振线是最灵敏的谱线。
处于激发态的原子寿命是十分短暂的。
当它从高能级阶跃到低能级时原子将发出荧光。
M*TM+hr除上述以外，处于激发态的原子也可能在原子化器中与其他分子、原子或电子发生非弹性碰撞而丧失其能量。
在这种情况下，荧光将减弱或完全不产生，这种现象称为荧光的猝灭。
荧光猝灭有下列几类型：1）与自由原子碰撞M*+X=M+XM*T激发原子X、MT中性原子2）与分子碰撞M*+AB=M+AB这是形成荧光猝灭的主要原因。
AB可能是火焰的燃烧产物；3）与电子碰撞M*+e-=M+E-此反应主要发生在离子焰中4）与自由原子碰撞后，形成不同激发态M*+A=M x+AM*、M x为原子M的不同激发态5）与分子碰撞后，形成不同的激发态M*+AB=M x+AB6）化学猝灭反应M*+AB=M+A+BA、B为火焰中存在的分子或稳定的游离基2．荧光强度与分析物浓度间关系原子荧光强度I f与试样浓度C以及激发态光源的辐射强度I0存在以下函数关系I f二①I根据比尔一朗伯定律厅叫口•e-KLN]式中：①-原子荧光量子效率I-被吸收的光强I0-光源辐射强度K一峰值吸收系数L一吸收光程N一单位长度内基态原子数按泰勒级数展开，当N很小，则原子荧光强度I f表达式可简化为：I f二①I0KIN当所有实验条件固定时，原子荧光强度与能吸收辐射线的原子密度成正比，当原子化效率固定时，I f与试样浓度C成正比，即I=aC f上式线性关系，只在浓度低时成立。
原子荧光光谱法原理
原子荧光光谱法原理
原子荧光光谱法( AFS) 因化学蒸气分离、非色散光学系统等特性，是测定微量砷、锑、铋、汞、硒、碲、锗等元素最成功的分析方法之一。
原子荧光光谱法（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。
原子荧光光谱法原理：基态原子（一般蒸汽状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。
测量待测元素的原子蒸气在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的方法。
原子荧光的波长在紫外、可见光区。
气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8秒，又跃迁至基态或低能态，同时发射出荧光。
若原子荧光的波长与吸收线波长相同，称为共振荧光；若不同，则称为非共振荧光。
共振荧光强度大，分析中应用最多。
在一定条件下，共振荧光强度与样品中某元素浓度成正比。
该法的优点是灵敏度高，目前已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法和原子发射光谱法；谱线简单；在低浓度时校准曲线的线性范围宽达3~5个数量级，特别是用激光做激发光源时更佳。
主要用于金属元素的测定，在环境科学、高纯物质、矿物、水质监控、生物制品和医学分析等方面有广泛的应用。
原子荧光光谱分析法具有很高的灵敏度，校正曲线的线性范围宽，能进行多元素同时测定。
这些优点使得它在冶金、地质、石油、农业、生物医学、地球化学、材料科学、环境科学等各个领域内获得了相当广泛的应用。
原子荧光光谱法的原理
原子荧光光谱法原理原子荧光光谱法（AFS）是一种用于测定痕量元素的方法，其原理基于原子在特定波长的辐射激发下产生的荧光发射。
这种方法具有高灵敏度、高精度和低检测限的优点，因此在环境监测、食品分析、地质学等领域得到广泛应用。
以下是原子荧光光谱法的原理的详细介绍：1. 原子荧光的产生原子荧光产生的过程可以分为两个主要阶段：激发和发射。
在激发阶段，原子吸收特定波长的辐射（通常是紫外光或可见光），使电子从基态跃迁至激发态。
这些激发态的原子不稳定，经过一段时间后会回到基态。
在返回过程中，会释放出光子，形成荧光。
每种元素都有其独特的荧光发射波长，这使得可以通过测量荧光波长来确定元素的种类。
2. 荧光信号的检测荧光信号的检测是原子荧光光谱法的核心步骤。
当原子发射出的荧光通过特定波长的滤光片后，可以将其聚焦到光电倍增管（PMT）上。
光电倍增管能够将光信号转化为电信号，进一步放大后传输到数据采集系统。
通过测量电信号的强度，可以推算出原子的荧光发射率，从而确定元素的浓度。
3. 校准和定量分析为了准确测定元素的浓度，需要进行校准和定量分析。
在校准过程中，使用已知浓度的标准溶液对仪器进行校准，建立荧光信号与元素浓度的关系。
通过这种方法，可以确定仪器对目标元素的响应因子。
在定量分析中，将未知浓度的样品通过仪器进行分析，根据已知的响应因子计算出元素的浓度。
总之，原子荧光光谱法通过测量原子在特定波长辐射激发下产生的荧光发射，实现了对痕量元素的测定。
该方法具有高灵敏度、高精度和低检测限的优点，可广泛应用于各种领域中的元素分析。
通过校准和定量分析，能够准确地测定元素的浓度，为相关研究和应用提供可靠的数据支持。
原子荧光光谱分析法
阶跃线荧光：
光照激发，非辐射方式释放部分能量后，再发射荧光返回基态；荧光波长小于激发线波长（荧光能量间隔大于激发线能量间隔）；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 ；
Cr原子：吸收线359.35nm；再热激发，荧光发射线357.87nm，图(c)B、D
01
If = Ia 在理想情况下：
02
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；
03
*
三、原子荧光光度计
1．仪器类型
单通道：每次分析一个元素； 多通道：每次可分析多个元素； 色散型：带分光系统； 非色散型：采用滤光器分离分析线和邻近线；
a b c d
*
anti-Stokes荧光：
a b c ห้องสมุดไป่ตู้ d
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) ； 铟原子：先热激发，再吸收光跃迁451.13nm；发射荧光410.18nm， 图(d)A、C ；
*
直跃线荧光（Stokes荧光）
Pb原子：吸收线283.13 nm；荧光线407.78nm； 同时存在两种形式：
铊原子：吸收线337.6 nm；共振荧光线337.6nm； 直跃线荧光535.0nm；
a b c d
特点：
光源与检测器成一定角度；
*
多道原子荧光仪
多个空心阴极灯同时照射，可同时分析多个元素
*
2．主要部件
光源：高强度空心阴极灯、无极放电灯、可调频激光器； 可调频激光器：高光强、窄谱线； 原子化装置：与原子吸收法相同； 色散系统：光栅、滤光器； 检测系统：
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3）碱性体系： 在碱性试样底液中引入NaBH4和酸进行氢化反应. 在NaOH强碱性介质中氢化元素形成可溶性含氧酸 盐，可消除铁、铂、铜族元素的化学干扰。
4）电化学方法 在5%KOH碱性介质中，用电解法在铂电极上还原
砷和锡，优点是空白低，选择性好
氢化物反应干扰
1、种类
液相干扰（化学干扰）-----氢化反应过程中
原子荧光仪器结构
通道
单道、双道、三道、四道 优势： 多元素同时测定；单道增强
多通道设计
原子荧光仪器结构
检测器
日盲光电倍增管
检测波长范围： 160nm~320nm
原子荧光仪器结构
外观
PF6多道全自动原 子荧光光度计
原子荧光仪器结构
模块化设计
原子荧光仪器结构
五、原子荧光的应用
1.氢化法在原子荧光光谱法中的应用
A--检测器有小照光面积
ε-- 峰值吸收系数
N--单位长度内基态原子数
φ = φf/φA
φf-单位时间时内发射的荧光光子数 φ --- 一般小于1。 φA-单位时间内吸收激发光的光子数
B. 荧光猝灭 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:
A* + B = A + B + ΔH 可用氩气来稀释火焰，减小猝灭现象。
➢ 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）金属酸还原体系（Marsh反应） Zn+2HCL----- ZnCl2+2H· nH·+Mm+-----MHn+H2↑
缺点：能发生氢化物的元素较少；反应速度慢大 约需要10分钟；干扰较为严重。
气相干扰（物理干扰）-----传输过程中、原子化过程中
2、干扰的消除 液相干扰：络合掩蔽、分离（沉淀、萃取）、
加入抗干扰元素、改变酸度、改变还原剂的 浓度等。
气相干扰：分离、选择最佳原子化环境
氢化物(蒸气)发生-原子荧光光谱仪
氢化物（蒸气）发生—无色散原子荧光光谱仪 仪器装置由六大部分组成： A 进样系统 B 氢化物（蒸气）发生系统 C 光源系统 D 光学系统 E 原子化系统 F 检测系统
氢化物反应
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， 然后借助载气流将其导入原子光谱分析系 统进行测量。
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%。
起源于亚稳态 阶跃激发荧光
热助 共振荧光
起源于亚稳态的 直跃线荧光
热助 阶跃线荧光
起源基态 阶跃激发荧光
Stores荧光:直跃线荧光、阶跃线荧光 Anti-stores荧光： 阶跃激发荧光
（3）敏化荧光：受激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给 另一个原子使其激发，后者再从辐射形式去激发而发射荧 光即为敏化荧光。
三．原子荧光光谱仪
原子荧光仪分为两类，色散型和非色散型。 荧光仪与原子吸收仪相 似，但光源与其他部件不在一条直线上，而是900 直角，而避免激发光 源发射的辐射对原子荧光检测信号的影响。
滤光片 非色散型
激发光源：空心阴极灯或 氙弧灯
原子化器：与原子吸收法相同
色散系统：色散型-光栅 非色散型-滤光片
检测系统：光电倍增管
色散型
数据处理和仪器控制系统 氢化物发生系统
氢化物（蒸气）发生 原子荧光法
原理
As、Sb、Bi、Se、Te、Pb、Sn、Ge 8个 元素可形成气态氢化物，Cd、Zn形成气态 组分，Hg形成原子蒸气。
气态氢化物、气态组分通过原子化器原子 化形成基态原子，基态原子蒸气被激发而 产生原子荧光
A* + B = A + B *→ A + B +hυ
以上各类荧光中共振荧光的强度最大，也最为常用。
3.原子荧光强度
（1）原子荧光强度与基态原子数的关系
If I0Akl N
If KC
（2）量子效率与荧光猝灭 A. 量子效率
If -- 荧光强度 Φ --荧光量子效率
I0 -- 入射光强度 l---吸收光程
完全具有自主知识产权的分析仪器产业。
2.原子荧光的发光类型
（1）共振荧光 发射与吸收线波
长相同的荧光
（2）非共振荧光 荧光的波长与激发光不同时
E2
E3
F
A F E2
F
F
Aห้องสมุดไป่ตู้
E1
E1
A
E0
E0
起源于基态的 共振荧光
起源于基态的 直跃线荧光
E3
E3
E2
E2
F
A E1
F
A
FA
E1
E0
E0
F A
正常的 阶跃线荧光
制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。
(6) 缺点 存在荧光淬灭效应、散射光干扰等问题；
二、基本原理
1.原子荧光光谱的产生 原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法。
原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度 进行定量分析的发射光谱分析法。所用仪器与原子吸收光 谱法相近。
原子荧光为光致发光，二次发光，激发光源停止时，再 发射过程立即停止。
氢化物发生装置
连
氢
续
化
流
物
动
进
样
系
流
统
动
注
射
断
续
氢
流
化
动
物
进
样
系
顺
统
序
注
射
气 气液分离器
液
分 离
膜分离
原子荧光仪器结构
光源
要求： 要有足够的辐射强度 光谱纯度高，背景低 辐射能量稳定性好 使用寿命长，操作和维护方便
原子荧光仪器结构
石英管原子化器
普通
屏蔽
原子荧光仪器结构
光学系统
简化结构；光程短； 增强荧光信号强度
2）硼氢化钠酸还原体系
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）
式中Em+代表待测元素，EHn为气态氢化物
该体系克服或大大减少了金属-酸还原体系的缺点，在 还原能力、反应速度、自动化操作、抗干扰程度以及 适用的元素数目等诸多方面表现出极大的优越性。
原子荧光光谱法
Atomic Fluorescence Spectrometry(AFS)
一、概述
原子荧光光谱法的特点
(1) 有较低的检出限，灵敏度高。 (2) 干扰较少，谱线比较简单。 (3) 仪器结构简单，价格便宜。 (4) 分析校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。 (5) 由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易