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原子/离子荧光光谱理论基础及实验装置
点击次数:351 发布时间:2020-05-09

原子/离子荧光光谱理论基础及实验装置

一、原子/离子荧光光谱理论基础                    -

离子荧光光谱(ionic fluorescence spectrometry, IFS)分析是在原子荧光光谱(atomic fluorescence spectrometry, AFS)分析的基础上发展起来的。理论上讲,原子荧光、离子荧光是原子或离子吸收特定频率的光子后跃迁至高能态,再自发辐射出相同频率(共 振荧光)或不同频率(非共振荧光)的各向同性光子的过程。下面对离子荧光的概念加以叙述。

 

所谓离子荧光,即在原子/离子化器中处于较低能态的离子吸收特定频率的光子后再辐射出各向同性光子的过程。按照产生荧光光子的频率与吸收光子频率相同或不同,也可将离子荧光分为共振荧光和非共振荧光两类。下图所示为离子荧光产生过程示意图。

原子荧光、离子荧光光谱分析中,当实验条件一定时,荧光信号强度(开始饱和前)与激发光源强度成正比。从理论上讲提高激发光源的强度,即可增加原子荧光、离子荧光信号强度,这为提高原子荧光、离子荧光分析的灵敏度提供了一个有希望的途径。但 是,这一特性也将受到荧光饱和效应的限制。与原子荧光信号强度的影响因素一样,离子荧光信号强度与处于离子基态或较低能态上离子的数密度成正比,与高能态上受激发离子的荧光量子产率也有关。离子荧光同样也存在荧光猝灭现象。

二、等离子体原子/离子荧光光谱实验装置

进行等离子体原子荧光、离子荧光光谱分析的实验装置基本一致,仅需更换某些部件即可在同一实验装置上同时进行原子荧光、 离子荧光光谱研究。这样的实验装置主要由激发光源、原子化器/ 离子化器、分光系统、检测系统以及控制和记录系统组成。研究中因使用不同的激发光源和原子化器/离子化器,而使用不同的分光系统和荧光信号测最系统。常见的荧光光谱分析系统如下图所示。

根据原子荧光、离子荧光光谱分析原理,对等离子体原子荧光/离子荧光光谱分析的激发光源有两方面的要求:①发射谱线宽 度较窄;②发射谱线的强度足够高,以降低荧光光谱分析的检出限。对研究者和生产厂家而言,简单、实用的原子荧光/离子荧光光谱分析的激发光源,是发展等离子体荧光光谱的关键。脉冲供电空心阴极灯是较常用的原子荧光光谱分析的激发光源,染料激光器是等离子体离子荧光光谱研究较可行的激发光源,并开展了实验室水平的研究,检出限可达0. 2 ng/mL,但利用这样复杂、 昂贵的光源进行离子荧光光谱仪器的商品化几乎是不可能的。为 此,对简单、实用的 HCL 进行供电方式的改变,使其工作在微秒宽脉冲供电状态,以期发展离子荧光光谱分析技术,成为国内外学者关注的一个重要研究方向。

 

等离子体原子荧光/离子荧光光谱分析中,较常见的原子/离子化器是 ICP。自从 ICP 作为荧光光谱分析的原子化器、离子化器 后,由于其较高的激发温度、样品在等离子体中较长的滞留时间, 一直被认为是 AFS/IFS 研究中较有效的原子化器、离子化器。对微波等离子体用作原子/离子荧光光谱分析研究表明,微波诱导等离子体(microwave induced plasma, MIP)以及微波等离子体炬(microwave plasma torch, MPT) 也可以用作原子荧光、离子荧光光谱的原子/离子化器。

 

等离子体中的原子、离子受激发后产生的荧光具有各向同性的特征,使得本来就弱的荧光信号更难收集,方法的检测灵敏度也往往受到收集荧光信号的立体角限制。在现有的商品仪器或许多实验系统中,荧光信号检测光路的安排一般是将各种反射镜置于等离子体原子/离子化器周围,以提高荧光信号的收集效率。一般地说, 荧光光谱分析中都使用单色仪或光学干涉滤光片作分光装置。由于 荧光光谱分析的激发光源具有选择性激发的特点,产生的荧光光谱较简单,对分光装置的要求可不必像原子发射光谱那样严格,甚至使用光学干涉滤光片仍能等到满意的结果。为提高信噪比,改善分析方法的检出限,通常采用门电路检测装置(如 Boxcar 积分器)或相位放大器进行信号测量。光电转换元件为光电倍增管 (photo multiplier tube, PMT),使用脉冲供电的 PMT 可以克服等离子体光源背景辐射等因素产生的直流信号,从而使 PMT 产生疲劳现象口可,改善 PMT 的线性动态范围,降低等离子体荧光信号观测中的白噪声,有利于荧光分析方法检出限的改善。

 

此外,由计算机对等离子体原子/离子荧光光谱分析仪器的自动控制、信号处理、数据记录等来实施和完成,也是分析仪器自动化的标志。

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