(精品)AFS原子荧光光度计讲义.ppt
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1、 AFS系列双道系列双道 原子荧光光度计原子荧光光度计 基基 本本 原原 理理前前 言言光光谱谱是是按按波波长长顺顺序序排排列列的的电电磁磁辐辐射射,主主要要有有以以下下几几类类::1 1、按按波波长长和和测测定定方方法法分分为为射射线线、X X射射线线、光光学学光光谱谱和和微微波波,而而光光学学光光谱谱又又分分为为紫紫外外、近近紫紫外外、可可见见、近近红红外外和远红外。和远红外。2 2、按外形分为连续光谱、带光谱和线光谱。、按外形分为连续光谱、带光谱和线光谱。3 3、按按电电磁磁辐辐射射本本质质分分为为分分子子光光谱谱、原原子子光光谱谱、X X射射线线能能谱和谱和r r射线能谱。射线能谱。4
2、 4、原子光谱主要分为发射光谱、吸收光谱和荧光光谱。、原子光谱主要分为发射光谱、吸收光谱和荧光光谱。分光光度法分光光度法原子吸收法原子吸收法等离子发射光谱法等离子发射光谱法原子荧光原子荧光原子荧光法1、原子荧光法原理、原子荧光法原理a a)原子发射光谱)原子发射光谱AESAES 有有多多种种类类型型,从从激激发发光光源源的的类类别别分分为为火火花花、电电弧弧、直直流流等等离离子子体体(DCPDCP)、微微波波等等离离子子体体(MWPMWP)、和和电电感感耦耦合合等等离离子子体体(ICPICP)以及激光等)以及激光等b b)原子吸收)原子吸收AASAAS 光光源源有有无无极极放放电电灯灯、空空心
3、心阴阴极极灯灯,目目前前还还有有连连续续光光源源,从从原原子子化化器器上上分分为为火火焰焰和和无无火火焰焰,从从扣扣背背景景方方式式上上有有塞塞曼曼、氘氘灯灯、自吸;自吸;c c)原子荧光)原子荧光AFSAFS 光光源源主主要要是是无无极极放放电电灯灯、空空心心阴阴极极灯灯,主主要要分分为为色色散散和和无无色散两种类型;色散两种类型;仪器原理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,以后激发态原子在去激发的过程中,以光辐射的光辐射的形式形式发射出特征波长的荧光,并根据所产生特征荧光的发射出特征波长的荧光,并根据
4、所产生特征荧光的强度进行分析强度进行分析.在分析条件条件固定不变的情况下: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一定条件下呈线性关系 原原子子荧荧光光的的类类型型 原子荧光是激发态的原子以光辐射的形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,但在实际同,原子荧光的类型达到十余种,但在实际分析中主要有分析中主要有:共振荧光共振荧光 直跃线荧光直跃线荧光 阶跃线荧光阶跃线荧光 热助阶跃线荧光热助阶跃
5、线荧光 敏化荧光敏化荧光共振原子荧光共振原子荧光 处于基态或低能处于基态或低能态的原子态的原子,吸收光源吸收光源中的共振辐射跃迁到中的共振辐射跃迁到高能态高能态,处于高能态处于高能态的原子在的原子在返回基态或返回基态或相同低能态相同低能态的过程中的过程中,发射出与激发光源辐发射出与激发光源辐射射相同波长的荧光相同波长的荧光,这种荧光称为共振荧这种荧光称为共振荧光光.E0E1E2F直跃线荧光直跃线荧光 当当处处于于基基态态的的价价电电子子受受激激跃跃迁迁至至高高能能态态(E E2 2),处处于于高高能能态态的的激激发发态态电电子子在在跃跃迁迁到到低低能能态态(E E1 1)(但但不不是是基基态态
6、)所所发发射射出出的的荧荧光光 被被 称称 为为 直直 跃跃 线线 荧光。荧光。E0E1E2F阶跃线荧光阶跃线荧光 当价电子从基态当价电子从基态跃迁至高能态跃迁至高能态(E(E2 2)后后,由于受激碰撞由于受激碰撞损失部分能量而降损失部分能量而降至较低的能态至较低的能态(E(E1 1)。从较低能态(从较低能态(E E1 1)回到基态(回到基态(E E0 0)时时所发出的荧光称为所发出的荧光称为阶跃线荧光阶跃线荧光 E0E1E2F热助阶跃线荧光热助阶跃线荧光 基态原子通过吸基态原子通过吸收光辐射跃迁至高能收光辐射跃迁至高能态态(E(E2 2),),处于高能态处于高能态的价电子在热能的作的价电子在
7、热能的作用下进一步激发用下进一步激发,电电子跃迁至与能级子跃迁至与能级E E2 2相相近的更高能态近的更高能态E E3 3。当当去激发至低能态(去激发至低能态(E E1 1)()(不是基态)时所不是基态)时所发出的次级光被称为发出的次级光被称为热助阶跃线荧光热助阶跃线荧光.E0E1E2FE3敏化荧光敏化荧光 当受激的第一当受激的第一种原子与第二种种原子与第二种原子发生非弹性原子发生非弹性碰撞时碰撞时,可能把可能把能量传给第二种能量传给第二种原子原子,从而使第从而使第二个原子被激发二个原子被激发,受激的第二种原受激的第二种原子去激发过程中子去激发过程中所产生的荧光叫所产生的荧光叫敏化荧光敏化荧光
8、.E0E1FE0E1荧光猝灭的基本概念荧光猝灭的基本概念 在原子荧光光谱分析中在原子荧光光谱分析中,高温原子蒸气在受激发出高温原子蒸气在受激发出次级荧光的同时次级荧光的同时,激发态原子的能量也会以其他形激发态原子的能量也会以其他形式释放式释放,例如与周围环境中的原子或分子发生非弹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性碰撞失去能量,另外也可与原子化器碰撞发生无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。辐射去活化,使原子荧光效率降低。这种在原子化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
9、份的不同而不同。这种由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为荧光猝灭.影响原子荧光光谱分析的因素影响原子荧光光谱分析的因素荧光猝灭效应荧光猝灭效应荧光猝灭的类型荧光猝灭的类型 激发态原子与自由原子碰撞激发态原子与自由原子碰撞 M*+X=M+X*M*+X=M+X*激发态原子与分子碰撞激发态原子与分子碰撞 M*+AB=M+AB*M*+AB=M+AB*与电子碰撞与电子碰撞 M*+e=M+e*M*+e=M+e*与自由原子发生碰撞后,形成不同的激发态与自由原子发生碰撞后,形成不同的激发态 M*+X=
10、M*+X*M*+X=M*+X*与分子碰撞后,形成不同的激发态与分子碰撞后,形成不同的激发态 M*+AB=M*+AB*M*+AB=M*+AB*化学猝灭反应化学猝灭反应 M*+AB=M+A+BM*+AB=M+A+B 1、AFS基本原理基本原理1.1 理论概述理论概述 AAS、AES、AFS的基本原理概述的基本原理概述 AFS三大突破三大突破 a)新型光源新型光源高强度空心阴极灯高强度空心阴极灯 b)氢化物反应体系,低温原子化器氢化物反应体系,低温原子化器 c)断续流动断续流动-进样系统进样系统 1.2 1.2 荧光类型荧光类型 a a)共振荧光共振荧光-原子吸收的逆过程,原子吸收的逆过程,吸收的能
11、吸收的能量和释放的能量相等。量和释放的能量相等。E=E=hvhv=hc/hc/b b)非共振荧光非共振荧光-能量不相等,非共振荧光线能量不相等,非共振荧光线1.3 1.3 荧光猝灭荧光猝灭 使用氩气做载气和屏蔽气使用氩气做载气和屏蔽气 氩气的作用:氩气的作用:a a)载气(内气:包括产生的氢化物蒸汽、氢气)载气(内气:包括产生的氢化物蒸汽、氢气)b b)屏蔽气(防止氢化物被氧化、抑制荧光猝灭、屏蔽气(防止氢化物被氧化、抑制荧光猝灭、稳定原子化环境)稳定原子化环境)主要特点:主要特点:(1)光谱干扰少;光谱干扰少;(2)基体影响影响易于消除;基体影响影响易于消除;(3)通过氢化物发生达到分离和富
12、集的目的;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;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;气相干扰少;(6)线性范围宽,测汞可达三个数量级;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。)灵敏度远远高于冷原子吸收法。2、AFS方法的特点方法的特点 测定测定Hg、As、Bi、Se、Sb、Be、Te、Ge(Sn、Pb、Cu)等等最可靠、最有前途的方法。不使用最可靠、最有前途的方法。不使用SnCl2作还原剂,而使用作还原剂,而使用NaBH4(KBH4)作还原剂。作还原剂。3、AFS方法的缺点方法的缺点必须使用高强
13、度激发光源,特制元素灯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,目前只能测受氢化物反应限制和元素的特性限制,目前只能测量量11种种元素元素 As、Sb、Bi、Hg、Ge、Se、Sn、Te、Pb、Zn、Cd2.仪器的构成仪器的构成 -AAS是一条线结构,也就是其光电检测器和是一条线结构,也就是其光电检测器和主光路是一条线,而主光路是一条线,而AFS的光电检测器则不能在和的光电检测器则不能在和 主主光路在一条线上,结构也可以分成四部分:光路在一条线上,结构也可以分成四部分:1、光源;、光源;2、氢化物发生(断续流动和
14、自动进样、氢化物发生(断续流动和自动进样、氢化物反应系统氢化物反应系统););3、原子化系统;、原子化系统;4、检测系统。、检测系统。HCL原子化器原子化器 PMT数据处理数据处理反应系统反应系统自动进样自动进样断续流动断续流动仪器的简单结构仪器的简单结构2.1 2.1 光源光源-高强度空心阴极灯高强度空心阴极灯 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。),仪器灯电流是峰值。2.2 2.2 光路光路-三个透镜,无色散元件三个透镜,无色散元件2.3 2.3 2.3 2.3 原子化器原子化器原子化器原子化器-电热
15、屏蔽式石英炉,氩氢火焰电热屏蔽式石英炉,氩氢火焰电热屏蔽式石英炉,氩氢火焰电热屏蔽式石英炉,氩氢火焰2.3.1 炉芯结构炉芯结构 内气内气-氢化物蒸汽、氩气、氢气氢化物蒸汽、氩气、氢气 外气外气-氩气,作用如下:氩气,作用如下:a)防止氢化物被氧化,提高原子化效率防止氢化物被氧化,提高原子化效率 b)防止荧光猝灭防止荧光猝灭 c)保持原子化环境的相对稳定)保持原子化环境的相对稳定2.3.2 特点特点 a)原子化效率高,尽可能多产生基态原子;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;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
16、;)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;)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;)低温原子化,温度不可调;f)记忆效应小。)记忆效应小。2.3.3 氢化物发生和反应体系氢化物发生和反应体系 还原反应:氩气还原反应:氩气-氢气火焰提供原子化温度;氢气火焰提供原子化温度;金属金属-酸体系;氯化亚锡酸体系;氯化亚锡-酸;硼氢化物酸;硼氢化物-酸;酸;后者反应速度快,性能稳定,适合大多数元素。后者反应速度快,性能稳定,适合大多数元素。几种常见激发光源几种常见激发光源 空心阴极灯空心阴极灯-工作原理工作原理 空心阴极灯是一种特殊的低压放
17、电现象,在阴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阳两极之间加以300500V的电压,这样两极之间形的电压,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惰性气体分子发生碰撞,使这些惰性气体电离。气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
18、基态的过程中会发射出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该元素的特征谱线.空心阴极灯空心阴极灯特点特点灯结构简单、空心阴极灯制作工艺成熟灯结构简单、空心阴极灯制作工艺成熟;工作性能稳定工作性能稳定 ,寿命一般可以大于寿命一般可以大于3000mAh,3000mAh,发光发光稳定性稳定性1 1小时漂移在小时漂移在2%2%以内以内 发射强度基本可以满足发射强度基本可以满足常规分析要求常规分析要求;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辅助设施;价格便宜价格便宜.HCLHCL作作为为原原子子荧荧光光的的激激发发光光源
19、源也也有有其其美美中中不不足足的的地地方方,主主要要是是辐辐射射能能量量偏偏低低,限限制制了了原原子子荧荧光光分分析析检检出出下限的进一步降低下限的进一步降低 .空心阴极灯的维护空心阴极灯的维护 选取适当大小的灯电流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下,以防阴极填充物被倒出或空心阴极变形;激活处理激活处理.如果灯不经常使用,则最好每隔一如果灯不经常使用,则最好每隔一定时间在额定工作电流下点燃定时间在额定工作电流下点燃3
20、0min;30min;注意不要沾污发射线出射窗口,也不要有手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指直接触摸出射窗口;2.3.4 氢化物发生的主要特点氢化物发生的主要特点 没有基体干扰没有基体干扰 原子化效率高原子化效率高氢化物蒸汽易于原子化氢化物蒸汽易于原子化 ,共价氢化物易于解离成,共价氢化物易于解离成自由原子,不需要高温原子化自由原子,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可以做价态分析易于富集易于富集 2.4 2.4 进样方式进样方式气液气液分离分离泵泵样品样品还原剂还原剂 反反应应块块
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