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原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用
來(lái)源:本站 時(shí)間:2020-08-21 13:40:45 瀏覽:13365次



1、原子熒光光譜法概述

原子熒光光譜法Atomic Fluorescence Spectroscopy,AFS)是1964年以后發(fā)展起來(lái)的分析方法。原子熒光光譜法是以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。所用儀器與原子吸收光譜法相近。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.1

1.1 原子熒光的發(fā)展史

1959年Kirchhoof開始原子熒光理論的研究;

1902年Wood等首先觀測(cè)到了鈉的原子熒光;

1934年Mitchll和Zemansky對(duì)早期原子熒光研究進(jìn)行概括性總結(jié);

1962年Alkemade介紹了原子熒光量子效率的測(cè)量方法,并預(yù)言該方法可能用于元素分析;

1964年導(dǎo)出了原子熒光的基本方程式,開展了Hg、Zn和Cd的原子熒光分析;

20世紀(jì)70年代我國(guó)首批專家致力于原子熒光的理論和應(yīng)用研究,開創(chuàng)了氫化物發(fā)生和原子熒光的聯(lián)用技術(shù)(HG-AFS)。

1.2 原子熒光光譜法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

1)有較低的檢出限、靈敏度高。

2)對(duì)Cd、Zn等元素檢出限很低,20多種元素的檢出限優(yōu)于原子吸收光譜。

3)譜線簡(jiǎn)單、光譜干擾較少;

4)線性范圍寬(可達(dá)4~7個(gè)數(shù)量級(jí));

5)可實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)測(cè)定;

缺點(diǎn):

   存在熒光猝滅效應(yīng)、散射光干擾等問(wèn)題;

 

2、原子熒光光譜法的基本原理

2.1 原子熒光光譜的產(chǎn)生

當(dāng)氣態(tài)原子受到強(qiáng)特征輻射時(shí),由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),約在10-8 s后,再由激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài),輻射出與吸收波長(zhǎng)相同或不同的熒光。

2.2 原子熒光光譜的類型

三種類型:共振熒光、非共振熒光與敏化熒光

1)共振熒光(resonance fluorescence):當(dāng)氣態(tài)原子吸收共振線被激發(fā)后,激發(fā)態(tài)原子再發(fā)射出與共振線波長(zhǎng)相同的熒光;

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.2

2)非共振熒光:當(dāng)熒光與激發(fā)光的波長(zhǎng)不相同時(shí),產(chǎn)生非共振熒光。分為直躍線熒光、階躍線熒光、反斯托克斯熒光三種。

a)直躍線熒光(direct line fluorescence):激發(fā)態(tài)原子遷躍回至高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)時(shí)所發(fā)射的熒光稱為直躍線熒光。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.3

b)階躍線熒光(Stepwise line fluorescence):光照激發(fā)的原子,以非輻射的方式釋放部分能量后,再發(fā)射熒光返回基態(tài)。非輻射形式為在原子化器中原子與其他粒子碰撞的去激發(fā)過(guò)程。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.4

c)反斯托克斯熒光(anti-Stokes fluorescence):熒光波長(zhǎng)小于激發(fā)線波長(zhǎng);先熱激發(fā)再光照激發(fā)(或反之),再發(fā)射熒光返回至基態(tài)或較低能級(jí);

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.5

3)敏化熒光(Sensitised fluorescence)

       受光激發(fā)的原子與另一種原子碰撞時(shí),把激發(fā)能傳遞給另一個(gè)原子使其激發(fā),后者再以輻射形式去激發(fā)而發(fā)射的熒光即為敏化熒光。敏化熒光發(fā)射過(guò)程如下:

 

 

        以上各類熒光中共振熒光的強(qiáng)度最大,也最為常用。

 

2.3 熒光強(qiáng)度與濃度的關(guān)系

當(dāng)光源強(qiáng)度穩(wěn)定、輻射光平行、自吸可忽略,發(fā)射熒光的強(qiáng)度If正比于基態(tài)原子對(duì)特定頻率吸收光的吸收強(qiáng)度Ia;

 原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖0.6

3、原子熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)與類型

3.1 原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀主要區(qū)別

原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀在許多組件上是相同的。如原子化器(火焰和石墨爐);用切光器及交流放大器來(lái)消除原子化器中直流發(fā)射信號(hào)的干擾;檢測(cè)器為光電倍增管。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖1

1. 原子熒光光譜結(jié)構(gòu)示意圖

l 下面討論原子熒光光譜儀與原子吸收光譜儀的主要區(qū)別:

l 光源

l 原子熒光光譜儀中,需要采用高強(qiáng)度空心陰極燈、無(wú)極放電燈、激光和等離子體等。

l a. 高強(qiáng)度空心陰極燈:高強(qiáng)度空心陰極燈是在普通空心陰極燈中,加上一對(duì)輔助電極。輔助電極的作用是產(chǎn)生第二次放電,從而大大提高金屬元素的共振強(qiáng)度

l    (對(duì)其他譜線的強(qiáng)度增加不大)

 

b. 無(wú)極放電燈:無(wú)極放電燈比高強(qiáng)度空心陰極燈的亮度高,自吸小、壽命長(zhǎng)。特別適用于在短波區(qū)內(nèi)有共振線的易揮發(fā)元素的測(cè)定。

2.  光路

在原子熒光中,為了檢測(cè)熒光信號(hào),避免激發(fā)光源進(jìn)入單色器,要求光源、原子化器和檢測(cè)器三者處于直角狀態(tài)。而在原子吸收光譜儀中,這三者是處于一條直線上。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖2

2. 原子熒光光譜儀圖示

3.2 儀器類型

單通道:每次分析一個(gè)元素

多通道:每次可分析多個(gè)元素

色散性:帶分光系統(tǒng);

非色散系統(tǒng):采用濾光器分離分析線和鄰近線;

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖3

3. 非色散型(a)和色散性(b)原子熒光光譜結(jié)構(gòu)示意圖

4、原子熒光光譜樣品要求及應(yīng)用

4.1 樣品制備與要求

1)固體樣品需要0.5~2 g,處理成澄清的酸性溶液狀態(tài)。這里建議用微波消解,一方面揮發(fā)性元素砷、汞可以保留在溶液中,防止揮發(fā)造成結(jié)果的偏差和對(duì)環(huán)境的污染;另一方面通過(guò)溫度、壓力的控制,可以保證消解的質(zhì)量,保證反應(yīng)完全一致的平行和重復(fù)性。

2)液體樣品需要10~20 mL,不含懸浮的固體微粒和膠體或纖維。

4.2 應(yīng)用

原子熒光光譜法(AFS)的靈敏度較原子吸收法高、儀器簡(jiǎn)單、采集和運(yùn)行成本低的常見原子光譜技術(shù)。已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的痕量元素分析。目前主要用于Cd、Zn、Hg、As、Sb、Sn、Pb、Ga和In等元素的測(cè)定。

       臨床:分析血液、尿液、指甲和頭發(fā)中的的Pb、Hg、As、Sb、Bi、Ge和Se;血清和尿液樣品中的Cu、Zn和Pb。

       環(huán)境:測(cè)定 1ng/L級(jí)的Hg含量;As、Se、Sb和Te的檢出限在10-50 ng/L范圍內(nèi)。空氣中的Hg含量檢出限在10 pg。通過(guò)石墨爐激光-AFS測(cè)定樣品中元素飛克(10-5)級(jí)的含量。

       農(nóng)業(yè):分析奶制品、酒、飼料、肉類、煙草等產(chǎn)品中As、Hg、Pb、Sb和Se元素。

       材料:合金中確定某些元素如Cu、Fe、Mg、Mn、Ni和Zn等。

1. 常用元素的原子熒光吸收[1]

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考表1

       Pingyue Hu[2]等開發(fā)了一種無(wú)需色譜分離的新型紫外(UV)原子化原子熒光光譜法(UV-AFS),用于測(cè)定食物樣品中汞(無(wú)機(jī)汞Hg2+和甲基汞MeHg+)的定量形態(tài)分析。使用0.1%(m/v)KBH4作為還原劑,通過(guò)使用非紫外線輻射模式測(cè)量了無(wú)機(jī)汞。在紫外原子化下,由KBH4生成的揮發(fā)性MeHg+氫化物(MeHgH)可以轉(zhuǎn)化為元素汞蒸氣,并且在該UV原子化模式下檢測(cè)到總Hg(MeHg+和Hg2+)。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,Hg2+和MeHg+的檢出限分別為0.015 ng mL-1 和0.081 ng mL-1 。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)(n=11)分別是2.4%和0.4%。

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考圖4

4. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

2. 該測(cè)定方法Hg2+和MeHg+檢出限、精密度和校準(zhǔn)函數(shù)

原子熒光光譜(AFS) 基本原理與應(yīng)用演示參考表2

[1] Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry, Editor, F.Settle, Low Price Edition, Pearson Education Inc, New Delhi, 2004.

[2] Hu, Pingyue, Wang, Xiu, Yang, Li, Yang, Haiyan, Tang, Yuyi, Luo, Hong, Xiong, Xiaoli, Jiang, Xue, Huang, Ke. Speciation of mercury by hydride generation ultraviolet atomization-atomic fluorescence spectrometry without chromatographic separation[J]. Microchemical Journal, 2018, 143, 228-233.

 


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