原子熒光分析儀的結(jié)構(gòu)和原理
原子熒光光譜法是一種發(fā)射光譜法,它定量分析原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強度。根據(jù)熒光產(chǎn)生機制的不同,原子熒光有十余種,但在實際分析中,主要有:
共振熒光
處于基態(tài)或低能態(tài)的原子,吸收光源中的共振輻射并躍遷到高能態(tài),在返回基態(tài)或同樣的低能態(tài)的過程中,處于高能態(tài)的原子態(tài)發(fā)射與激發(fā)光源波長相同的熒光,這種熒光稱為共振熒光。
直線熒光
當基態(tài)的價電子被激發(fā)躍遷到高能態(tài)(E2)時,高能態(tài)躍遷到低能態(tài)(E1)(而不是基態(tài))的受激電子發(fā)出的熒光為稱為直線。
階梯線熒光
當價電子從基態(tài)躍遷到高能態(tài) (E2) 時,由于受激碰撞會損失一些能量,它們會下降到低能態(tài) (E1)。從低能態(tài)(E1)發(fā)射回基態(tài)(E0)的熒光稱為階梯線熒光。
熱輔助階梯線熒光
基態(tài)原子通過吸收光輻射躍遷到高能態(tài)(E2),處于高能態(tài)的價電子在熱能的作用下被進一步激發(fā),電子躍遷到類似于能級的更高能態(tài)E2 E3。當去激發(fā)到較低能態(tài)(E1)(不是基態(tài))時發(fā)出的二次光稱為熱輔助階梯線熒光。
敏化熒光
當被激發(fā)的第y個原子與第2個原子發(fā)生非彈性碰撞時,能量可能會傳遞給第2個原子,從而使第2個原子被激發(fā),被激發(fā)的第2個原子去激發(fā)時產(chǎn)生的熒光稱為敏化熒光。
原子吸收和原子熒光在結(jié)構(gòu)上相似,也可以分為四部分:激發(fā)光源、原子化器、光學系統(tǒng)和檢測器。
1、激發(fā)光源:
可以使用連續(xù)光源或銳線光源。常用的連續(xù)光源為氙弧燈,常用的尖線光源為高強度空心陰極燈、無極放電燈、激光等。連續(xù)光源穩(wěn)定、操作方便、使用壽命長生活??捎糜诙喾N元素的同時分析,但檢出限較差。銳利光源的輻射強度高,穩(wěn)定,可以更良好的檢測限。
空心陰極燈工作原理
空心陰極燈是一種特殊的低壓放電現(xiàn)象,在陽極和陰極之間施加300~500V的電壓,使兩極之間形成電場,電子在電場中運動,與周圍的惰性氣體分子相互碰撞,使這些惰性氣體電離。氣體中的正離子高速向陰極移動,在高速離子碰撞過程中陰極濺射出陰極元素的基態(tài)原子。這些基態(tài)原子與周圍的離子碰撞并被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。在返回基態(tài)的過程中,會發(fā)射出元素的特征譜線。
空心陰極燈-特點
• 燈管結(jié)構(gòu)簡單,空心陰極燈制造工藝成熟;
• 工作性能穩(wěn)定,壽命一般可大于3000mA•h,1小時內(nèi)發(fā)光穩(wěn)定性漂移在±2%以內(nèi)。發(fā)射強度基本能滿足常規(guī)分析要求;
• 儀器光源部分的電源無特殊要求,無需其他輔助設(shè)施;
• 價格便宜。
HCL作為原子熒光的激發(fā)光源也有其不足之處,主要是輻射能量低,限制了原子熒光分析檢測限的進一步降低。
空心陰極燈的維護
選擇合適大小的燈電流;
低熔點元素的燈具在使用過程中不應有較大的振動。使用后,燈管必須冷卻后再取出,以防陰極填料倒出或空心陰極變形;
活化處理。如果燈泡不經(jīng)常使用,最好每隔一定時間以額定工作電流點亮 30 分鐘;
注意不要污染發(fā)射線出射窗,不要用手指直接接觸出射窗;
2.霧化器:
原子熒光分析儀對原子化器的要求與原子吸收光譜儀基本相同。但使用的火焰與AAS不同,主要是在通常的AAS火焰中,熒光被嚴重猝滅,火焰必須用Ar稀釋。當使用氫化物生成法時,直接在Ar氣氛中使用石英加熱法進行原子化。
原子設(shè)備性能的主要考慮因素
霧化效率高。
低輻射背景和背景閃爍。
低原子熒光猝滅效應。
分析物的原子在光路中的停留時間更長。
霧化效率穩(wěn)定,記憶效應小,操作簡單
使用成本低。
霧化器的主要類型
火焰霧化器
電熱霧化器
電感耦合等離子體
石英管霧化器
微波等離子
輝光放電等離子體
石英爐原子霧化器是一種適用于低溫火焰的簡易霧化器。主要特點:
結(jié)構(gòu)簡單;
抗腐蝕能力強;
記憶效應小;
使用壽命長;
方便廉價的生產(chǎn)加工等。
爐芯結(jié)構(gòu)
內(nèi)氣----氫化物蒸氣、氬氣、氫氣
外氣----氬氣,作用如下:
(1)防止氫化物被氧化,提高霧化效率
(2) 防止熒光猝滅
(3)保持霧化環(huán)境相對穩(wěn)定
更換或清洗爐芯時注意不要弄壞爐芯。另外,氣管不要接錯,載氣接在內(nèi)管上。爐絲應盡可能與外管齊平
3、光學系統(tǒng):
光學系統(tǒng)的作用是充分利用激發(fā)光源的能量,接收有用的熒光信號,減少和去除雜散光。色散系統(tǒng)對分辨能力要求不高,但需要較大的聚光能力,常用的色散元件是光柵。非色散儀器中的濾光片用于將分析線與相鄰光譜線分開,從而降低背景。非色散儀器的優(yōu)點是照射立體角大,光譜通過帶寬大,集光能力大,熒光信號強度大,儀器結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。缺點是散射光的影響大。
4、探測器:
常用的是光電倍增管。在多元素原子熒光分析儀中,光電導體管和分辨管也用作檢測器。檢測器與激發(fā)光束成直角布置,避免激發(fā)光源對原子熒光信號檢測的影響。
對于光信號的檢測,主要有:
光電管
二極管陣列
光電倍增管管子
固態(tài)探測器
A:電荷耦合探測器(CCD)
B:電荷注入檢測器(CID)
日盲光電倍增管
光陰極材料——Cs-Te;
波長范圍:160~320nm;
靈敏響應波長:254nm;
表體材質(zhì):石英。
5種原子熒光注入方式:
*連續(xù)流動法:樣品和還原劑都以不同的速度在管中流動,并在混合器中混合以產(chǎn)生氫化物。
優(yōu)點:提供的信號是連續(xù)的信號 缺點:樣品和還原劑的嚴重浪費
*流動注射法:與連續(xù)流動法類似,樣品通過取樣閥在“取樣"和“注射"之間切換,由于樣品是間歇性輸送到反應器中的,因此產(chǎn)生的信號是類峰信號.
優(yōu)點:定量進樣,相對于連續(xù)流動節(jié)省試劑;分析速度快
缺點:結(jié)構(gòu)復雜;國產(chǎn)電磁閥容易泄漏;容易產(chǎn)生交叉污染,記憶效應
*間歇流法:介于前一種兩種方法之間的采樣方式,利用計算機控制蠕動泵的速度和時間,定時定量采樣進行測量。
優(yōu)點:定量進樣,節(jié)省試劑;小記憶效應
缺點:泵管容易老化損壞,導致噴射精度差,脈動效應,氫化物損失。
另外兩種是間歇泵法和順序噴射法。
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