1、培训资源1水环境监测工技术员培训-原子荧光国家高等职业教育环境监测与治理技术专业教学资源库培训资源11/5/2022 1 光学分析法的概念及其分类光学分析法的概念及其分类 1.1 概念：主要根据物质对电磁辐射的发射、吸收作用概念：主要根据物质对电磁辐射的发射、吸收作用等来进行分析的一类分析法。等来进行分析的一类分析法。1.2 分类：分类：紫外紫外-可见分光光度法；可见分光光度法；红外及拉曼光谱法；红外及拉曼光谱法；原子发射与原子吸收光谱法；原子发射与原子吸收光谱法；原子和分子荧光光谱法；原子和分子荧光光谱法；核磁共振波谱法；核磁共振波谱法；质谱法等质谱法等第三部分第三部分 原子荧光分析原子荧光
2、分析培训资源11/5/2022利用物质的荧光光谱特性来进行分析方法。一般所说的荧光分析，是指以利用物质的荧光光谱特性来进行分析方法。一般所说的荧光分析，是指以紫外或可见光作为激发光源，所发射的荧光波长较激发光波长要长的分子紫外或可见光作为激发光源，所发射的荧光波长较激发光波长要长的分子荧光分析法。荧光分析法。2.1 原子荧光分析的概念原子荧光分析的概念 又称原子荧光光谱分析（又称原子荧光光谱分析（atomic fluorescence spectrometry，AFS），），是通过测量被测元素的基态原子蒸气，在辐射能激发下产生的荧光强度，是通过测量被测元素的基态原子蒸气，在辐射能激发下产生的荧
3、光强度，进行定量分析的方法。进行定量分析的方法。1996年以来，人们在研究原子荧光分析法的原理和年以来，人们在研究原子荧光分析法的原理和应用方面作了大量的工作。应用方面作了大量的工作。该法具有灵敏度高、光谱简单等优点。该法具有灵敏度高、光谱简单等优点。2 荧光分析法荧光分析法图图1 原子荧光光谱仪原子荧光光谱仪培训资源11/5/2022 原子荧光分析在测定如原子荧光分析在测定如Zn（0.04ng/ml）、）、Cd（0.001ng/ml）等，）等，其检出限相当低，优于原子吸收法和原子发射光谱法。其检出限相当低，优于原子吸收法和原子发射光谱法。在低浓度范围内，线性范围通常为在低浓度范围内，线性范围
4、通常为35个数量级。个数量级。便于制作多道仪器以进行多元素同时测定。便于制作多道仪器以进行多元素同时测定。2.2 原子荧光光谱的产生原子荧光光谱的产生 气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级态，同时发射出与原较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级态，同时发射出与原激发光波长相同或不同的发射光，即原子荧光。激发光波长相同或不同的发射光，即原子荧光。原子荧光是光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射之原子荧光是光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射之后，再发射过程立即停止。后，再发射过
5、程立即停止。图图2 原子荧光光谱的产生原子荧光光谱的产生培训资源11/5/2022 原子荧光可分共振荧光、非共振荧光与敏化荧光原子荧光可分共振荧光、非共振荧光与敏化荧光等三种类型。等三种类型。3.1 共振荧光共振荧光 气态原子吸收共振线被激发后，再发射与原吸收线气态原子吸收共振线被激发后，再发射与原吸收线波长相同的荧光即是共振荧光。波长相同的荧光即是共振荧光。如锌原子吸收如锌原子吸收213.86nm的光，它发射荧光的波的光，它发射荧光的波长也为长也为213.861 nm。3.2 非共振荧光非共振荧光 当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧当荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光。非共振
6、荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、光。非共振荧光又分为直跃线荧光、阶跃线荧光、反斯托克斯（反斯托克斯（anti-Stokes）荧光。）荧光。3 原子荧光的类型原子荧光的类型培训资源11/5/2022图图3 原子荧光的类型原子荧光的类型培训资源11/5/2022 3.2.1 直跃线荧光直跃线荧光 激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所激发态原子跃迁回至高于基态的亚稳态时所发射的荧光称为直跃线荧光。发射的荧光称为直跃线荧光。由于荧光的能级间隔小于激发线的能级间隔，由于荧光的能级间隔小于激发线的能级间隔，所以荧光的波长大于激发线的波长。如铅原子所以荧光的波长大于激发线的波长。如铅原子吸收吸收283.
7、31nm的光，而发射的光，而发射405.78nm的荧光。的荧光。它是激发线和荧光线具有相同的高能级，而低它是激发线和荧光线具有相同的高能级，而低能级不同。能级不同。如果荧光线激发能大于荧光能，即荧光线的如果荧光线激发能大于荧光能，即荧光线的波长大于激发线的波长称为波长大于激发线的波长称为Stokes荧光；反之，荧光；反之，称为称为anti-Stokes荧光。荧光。直跃线荧光为直跃线荧光为Stokes荧光。荧光。培训资源11/5/2022 3.2.2 阶跃线荧光阶跃线荧光 阶跃线荧光也是阶跃线荧光也是Stokes荧光。有两种情况。荧光。有两种情况。正常阶跃荧光是被光照激发的原子以非辐射形式去正常
8、阶跃荧光是被光照激发的原子以非辐射形式去激发返回到较低能级，再以发射形式返回基态而发射激发返回到较低能级，再以发射形式返回基态而发射的荧光；非正常阶跃荧光则是发射时回到亚稳基态。的荧光；非正常阶跃荧光则是发射时回到亚稳基态。显然，阶跃线荧光波长大于激发线波长（能量损显然，阶跃线荧光波长大于激发线波长（能量损失）。例钠原子吸收失）。例钠原子吸收330.30nm光，发射出光，发射出588.99nm的的荧光。非辐射形式为在原子化器中原子与其他粒子碰荧光。非辐射形式为在原子化器中原子与其他粒子碰撞的去激发过程。热助阶跃荧光为被光照射激发的原撞的去激发过程。热助阶跃荧光为被光照射激发的原子，跃迁至中间能
9、级，又发生热激发至高能级，然后子，跃迁至中间能级，又发生热激发至高能级，然后返回至低能级发射的荧光。例如铬原子被返回至低能级发射的荧光。例如铬原子被359.35nm的的光激发后，会产生很强的光激发后，会产生很强的357.87nm荧光。荧光。培训资源11/5/2022 3.2.3 反斯托克斯荧光（反斯托克斯荧光（anti-Stokes）当自由原子跃迁至某一能级，其获得的能量一部分是当自由原子跃迁至某一能级，其获得的能量一部分是由光源激发能供给，另一部分是热能供给，然后返回由光源激发能供给，另一部分是热能供给，然后返回低能级所发射的荧光为低能级所发射的荧光为anti-Stokes荧光。其荧光能大于
10、荧光。其荧光能大于激发能，荧光波长小于激发线波长。激发能，荧光波长小于激发线波长。例如铟吸收热能后处于一较低的亚稳能级，再吸收例如铟吸收热能后处于一较低的亚稳能级，再吸收451.13nm的光后，发射的光后，发射410.18nm的荧光。的荧光。3.3 敏化荧光敏化荧光 受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一种原子使其激发，后者再以发射形式去激发而给另一种原子使其激发，后者再以发射形式去激发而发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏发射荧光即为敏化荧光。火焰原子化器中观察不到敏化荧光，在非火焰原子化器中才能观察到。在以上各化荧光，在
11、非火焰原子化器中才能观察到。在以上各种类型的原子荧光中，共振荧光强度最大，最为常用。种类型的原子荧光中，共振荧光强度最大，最为常用。培训资源11/5/2022 3.4 量子化效率与荧光猝灭量子化效率与荧光猝灭 3.4.1 量子化效率量子化效率：发射的光子数比上吸收的光子数，称：发射的光子数比上吸收的光子数，称为量子化效率。为量子化效率。受光激发的原子，可能发射共振荧光，也可能发射非共振受光激发的原子，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，所以量子化效率一般荧光，还可能无辐射跃迁至低能级，所以量子化效率一般小于小于1。3.4.2 荧光猝灭：受激原子和其他粒子碰撞，把一
12、部分能量荧光猝灭：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。过程，这种现象称为荧光猝灭。荧光猝灭会使荧光的量子化效率降低，荧光强度减弱。许荧光猝灭会使荧光的量子化效率降低，荧光强度减弱。许多元素在烃类火焰中要比用氩稀释的氢多元素在烃类火焰中要比用氩稀释的氢氧火焰中荧光猝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，而用氩稀释的氢用氩稀释的氢氧火焰代替。氧火焰代替。=发射的光子数吸收的光子数培训资源11/5/2
13、022 3.4.3 元素的原子谱线与灵敏线元素的原子谱线与灵敏线 产生原子荧光的光源一般是各种无极放电灯和空心阴产生原子荧光的光源一般是各种无极放电灯和空心阴极灯，这些等产生原子发射光谱。原子发射光谱是原极灯，这些等产生原子发射光谱。原子发射光谱是原子结构的反映，结构越复杂，光谱也越复杂，谱线就子结构的反映，结构越复杂，光谱也越复杂，谱线就越多。最简单元素氢的原子谱线也不少，过渡元素、越多。最简单元素氢的原子谱线也不少，过渡元素、稀土元素光谱就很复杂，其光谱有上千条谱线。同一稀土元素光谱就很复杂，其光谱有上千条谱线。同一元素的这些谱线，由于激光能、跃迁几率等各方面的元素的这些谱线，由于激光能、
14、跃迁几率等各方面的原因，其强度是不同的，也就是灵敏度是不一样的。原因，其强度是不同的，也就是灵敏度是不一样的。在进行定性分析时，不可能也不需要对某一元素的所在进行定性分析时，不可能也不需要对某一元素的所有谱线进行鉴别，而只需检出几条合适的谱线就可以有谱线进行鉴别，而只需检出几条合适的谱线就可以了。一般说来，若要确定试样中某元素的存在，只需了。一般说来，若要确定试样中某元素的存在，只需找出该元素二条以上的灵敏线或最后线。找出该元素二条以上的灵敏线或最后线。培训资源11/5/2022 元素的灵敏线一般是指一些激发电元素的灵敏线一般是指一些激发电位低、强度大的谱线，多是共振线。位低、强度大的谱线，多
15、是共振线。元素谱线的强度随其含量的降低而元素谱线的强度随其含量的降低而减弱，当样品中元素的含量逐渐减减弱，当样品中元素的含量逐渐减少，一些较不灵敏的谱线必然因灵少，一些较不灵敏的谱线必然因灵敏度不够而逐渐消失，当元素含量敏度不够而逐渐消失，当元素含量减至很小，最后仍然观察到的少数减至很小，最后仍然观察到的少数几条谱线，称为元素的最后线。最几条谱线，称为元素的最后线。最后线一般是最灵敏线。光谱定性分后线一般是最灵敏线。光谱定性分析就是根据灵敏线或最后线来判断析就是根据灵敏线或最后线来判断元素的存在，所以它们还称为分析元素的存在，所以它们还称为分析线。原子荧光分析中使用的激发光，线。原子荧光分析中
16、使用的激发光，一般都是待测物质的无极放电灯或一般都是待测物质的无极放电灯或空心阴极灯。空心阴极灯。图图4 空心阴极灯空心阴极灯培训资源11/5/2022 4 原子荧光分析仪原子荧光分析仪 原子荧光分析法所用的仪器为原子荧光光谱仪或原子原子荧光分析法所用的仪器为原子荧光光谱仪或原子荧光分光光度计，主要包括三部分，即激发光源（辐荧光分光光度计，主要包括三部分，即激发光源（辐射源）、原子化系统及分光与检测系统。为了避免激射源）、原子化系统及分光与检测系统。为了避免激发光源的辐射被检测，光源与检测器成直角配置。其发光源的辐射被检测，光源与检测器成直角配置。其结构如图结构如图322所示。所示。图图5 原
17、子荧光光度计结构示意图原子荧光光度计结构示意图培训资源11/5/20224.1 激发光源激发光源 激发光源是原子荧光光谱仪的主要组成部分，其作用是提供激发激发光源是原子荧光光谱仪的主要组成部分，其作用是提供激发待测元素原子的辐射能。激发光源可以是连续光源，也可以是锐待测元素原子的辐射能。激发光源可以是连续光源，也可以是锐线光源。线光源。常用的光源有：空心阴极灯、无极放电灯、金属蒸气放电灯，电常用的光源有：空心阴极灯、无极放电灯、金属蒸气放电灯，电感耦合等离子体、氙弧灯和二极管激光等。感耦合等离子体、氙弧灯和二极管激光等。在原子荧光光谱仪中广泛应用的光源是无极放电灯，通常它产生在原子荧光光谱仪中
18、广泛应用的光源是无极放电灯，通常它产生的辐射强度比空心阴极灯大的辐射强度比空心阴极灯大l2个数量级。遗憾的是，目前对许多个数量级。遗憾的是，目前对许多元素还不能获得这种类型的灯。元素还不能获得这种类型的灯。激光具有高强度及窄带宽度的特点，是一种理想的原子荧光光源，激光具有高强度及窄带宽度的特点，是一种理想的原子荧光光源，但因其价格高而限制了常规分析中的广泛应用。但因其价格高而限制了常规分析中的广泛应用。4.2 原子化器原子化器原子化器是提供待测原子蒸气的装置，主要可分为火焰原子化器原子化器是提供待测原子蒸气的装置，主要可分为火焰原子化器和电热原子化器两大类，如火焰原子化器，高频电感耦合等离子和
19、电热原子化器两大类，如火焰原子化器，高频电感耦合等离子焰（焰（ICP）石墨炉、汞及可形成氢化物元素原子化器等。）石墨炉、汞及可形成氢化物元素原子化器等。培训资源11/5/20224.3 分光系统分光系统原子荧光的光谱简单，谱线少，故常常无需高分辨能力的单色器，原子荧光的光谱简单，谱线少，故常常无需高分辨能力的单色器，在选用无极放电灯或空心阴极灯作为激发光源时，可以不要单色在选用无极放电灯或空心阴极灯作为激发光源时，可以不要单色器。器。非色散原子荧光测量系统仅由光源、原子化器和检测器组成，这非色散原子荧光测量系统仅由光源、原子化器和检测器组成，这种系统有如下优点：种系统有如下优点：仪器简单，价格
20、低；仪器简单，价格低；适宜分析多元素；适宜分析多元素；能量损失少，灵敏度高，能量损失少，灵敏度高，从多谱线中同时收集能量，能增加灵敏度。从多谱线中同时收集能量，能增加灵敏度。4.4 检测系统检测系统在原子荧光光谱仪中，目前普遍使用的检测器仍以光电倍增管为在原子荧光光谱仪中，目前普遍使用的检测器仍以光电倍增管为主，对于无色散系统的仪器来说，为消除日光的影响，必须采用主，对于无色散系统的仪器来说，为消除日光的影响，必须采用日盲光电倍增管。不过日盲光电倍增管只对日盲光电倍增管。不过日盲光电倍增管只对320nm以下波长有响以下波长有响应，因此待测物必须能发射波长短于应，因此待测物必须能发射波长短于32
21、0nm的谱线。的谱线。培训资源11/5/2022 4.5 记录显示系统记录显示系统 光电转换所得的电信号经过放大器放大后显示出来。光电转换所得的电信号经过放大器放大后显示出来。由于近年来计算机技术的迅速发展，绝大多数的仪器由于近年来计算机技术的迅速发展，绝大多数的仪器均采用计算机来处理数据，基本上具有实时图像显示，均采用计算机来处理数据，基本上具有实时图像显示，曲线拟合，打印结果等自动功能，使分析工作更为方曲线拟合，打印结果等自动功能，使分析工作更为方便快捷。便快捷。目前，大多数原子荧光测量是使用改装的原子吸收目前，大多数原子荧光测量是使用改装的原子吸收火焰发射分光计，由于原子吸收、原子发射和
22、原了火焰发射分光计，由于原子吸收、原子发射和原了荧光分光度计的相似性，只要将商品分光光度计加以荧光分光度计的相似性，只要将商品分光光度计加以改装，就可供原子荧光测量用。改装，就可供原子荧光测量用。培训资源11/5/2022 5 原子荧光法测定水中的砷原子荧光法测定水中的砷 5.1 砷的来源和危害：砷的来源和危害：地表水中的砷污染，主要来源于含砷矿石及制革、燃料工地表水中的砷污染，主要来源于含砷矿石及制革、燃料工业和农药废水。业和农药废水。砷对人的毒性很大。特别是三价砷、五价砷化合物随饮水砷对人的毒性很大。特别是三价砷、五价砷化合物随饮水进入人体后，易为肠胃粘膜吸收而进入血液，扩散到所有进入人体
23、后，易为肠胃粘膜吸收而进入血液，扩散到所有的器官与组织中，并产生积聚起来。砷盐中，以三价砷的的器官与组织中，并产生积聚起来。砷盐中，以三价砷的毒性作用最大，当饮水中砷的浓度为毒性作用最大，当饮水中砷的浓度为0.31mg/L长期进入长期进入人体内时，可引起人体慢性中毒。人体内时，可引起人体慢性中毒。元素砷毒性极低，而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物元素砷毒性极低，而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比其他砷化合物毒性更强。砷化合物容易在人体内积累，比其他砷化合物毒性更强。砷化合物容易在人体内积累，造成急性或慢性中毒。砷污染主要来源于采矿、冶金、化造成急性或慢性中毒。砷污染主要来源于采矿、冶金、化工
24、、化学制药、农药生产、玻璃、制革等工业废水。工、化学制药、农药生产、玻璃、制革等工业废水。培训资源11/5/2022 地表水环境质量（砷）标准限制值地表水环境质量（砷）标准限制值分类分类三价砷标准值（单位：三价砷标准值（单位：mg/L）I0.05II0.05III0.05IV0.1V0.1培训资源11/5/2022 5.2 砷的测定方法砷的测定方法 测定水中砷的方法有新银盐分光光度法、二乙氨基二测定水中砷的方法有新银盐分光光度法、二乙氨基二硫代甲酸银分光光度法、原子吸收分光光度法、原子硫代甲酸银分光光度法、原子吸收分光光度法、原子荧光法、荧光法、ICP-AES法。法。本项目选择原子荧光法。本项
25、目选择原子荧光法。5.3 原子荧光法测定砷的原理原子荧光法测定砷的原理 将待测试样在一定条件下经硼氢化钠还原为砷化氢，将待测试样在一定条件下经硼氢化钠还原为砷化氢，由载气由载气(氩气氩气)带入石英原子化器，受热分解为原子态砷。带入石英原子化器，受热分解为原子态砷。在特制砷空心阴极灯的照射下，基态砷原子被激发至在特制砷空心阴极灯的照射下，基态砷原子被激发至高能态，在去活化回到基态时，发射出特征波长的荧高能态，在去活化回到基态时，发射出特征波长的荧光光,在一定的浓度范围内，其荧光强度与砷含量成正比，在一定的浓度范围内，其荧光强度与砷含量成正比，可与标准系列比较定量。可与标准系列比较定量。培训资源1
26、1/5/2022 5.4 原子荧光分析方法原子荧光分析方法（1）分析方法）分析方法 在一定试验条件下，当原子浓度十分稀薄、激发源强在一定试验条件下，当原子浓度十分稀薄、激发源强度一定时，荧光强度度一定时，荧光强度F与溶液中待测元素的浓度与溶液中待测元素的浓度c成正成正比，即：比，即：F=Kc （K为常数）为常数）此式即为原于荧光定量分析的基本关系式。原子荧光此式即为原于荧光定量分析的基本关系式。原子荧光分析的定量测量，一般采用标准曲线法和标准加入法，分析的定量测量，一般采用标准曲线法和标准加入法，标准曲线法最为常用。即配制一系列标准溶液测量其标准曲线法最为常用。即配制一系列标准溶液测量其相对荧
27、光强度，以相对荧光强度为纵坐标，以浓度为相对荧光强度，以相对荧光强度为纵坐标，以浓度为横坐标绘制标准曲线，即作横坐标绘制标准曲线，即作F c标准曲线，然后在相同标准曲线，然后在相同的条件下，测量试液的相对荧光强度，由标准曲线上的条件下，测量试液的相对荧光强度，由标准曲线上查得试液的浓度。查得试液的浓度。培训资源11/5/2022（2）干扰）干扰 原子荧光光谱法与原子吸收光谱法中所遇到的干扰类原子荧光光谱法与原子吸收光谱法中所遇到的干扰类型相同，大小相近。型相同，大小相近。（3）应用）应用 原子荧光光谱法作为一种新的痕量分析方法，已广泛原子荧光光谱法作为一种新的痕量分析方法，已广泛应用于冶金、地
28、质、石化、环保、农业、医学等各个应用于冶金、地质、石化、环保、农业、医学等各个领域。例如润滑油中的银、铜、铁和镁；铜中痕量的领域。例如润滑油中的银、铜、铁和镁；铜中痕量的锌；土壤中的钙、铜、镁、锰、钾、锌和金属铝。近锌；土壤中的钙、铜、镁、锰、钾、锌和金属铝。近些年来，随着激光技术的发展，各种激光光源应用于些年来，随着激光技术的发展，各种激光光源应用于原子荧光光谱分析中，进一步提高了原子荧光分析法原子荧光光谱分析中，进一步提高了原子荧光分析法的灵敏度，降低了元素的检出限。的灵敏度，降低了元素的检出限。培训资源61环境监测与治理技术专业教学资源库环境监测与治理技术专业教学资源库感谢您学习感谢您学习环境监测与治理技术环境监测与治理技术专业教学资源库内容，敬请专业教学资源库内容，敬请批评指正！批评指正！
