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实验室光谱仪器--原子荧光光谱仪原子化器的种类及原理

2022.1.24
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zhaoqisun

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原子化器是原子荧光光谱仪中一个直接影响元素分析的灵敏度和检出限的关键部件,其主要作用是将被测元素(化合物)原子化形成基态原子蒸气。在国外的原子荧光发展过程中曾经使用过的原子化器有火焰原子化器、无火焰原子化器(电热原子化器、阴极溅射室)和等离子体原子化器等;在我国的氢化物发生-无色散原子荧光商品仪器中主要采用电热石英管氩氢火焰原子化器。无论哪种原子化器都不可能同时满足所有要求,在实际使用中各有其优缺点。下面对上述几种原子化器作一些简单介绍。

一、火焰原子化器

火焰原子化器是早期的原子荧光光谱分析中最常用的一种原子化器,其主要原因一方面是这类原子化器装置简单,操作简便;另一方面是由于早期的原子荧光仪器装置都是由原子吸收仪器改装而来,而火焰原子化器是原子吸收光谱仪中最通用的原子化器,因此也就很自然地成了早期原子荧光仪器首选的原子化器。但在以后的原子荧光商品仪器的发展中却很少采用带燃气和助燃气的火焰原子化器,其主要原因是该类原子化器除了存在易发生荧光猝灭现象,试样在火焰中被气体成万倍地稀释等缺点外,还有试样在雾化器中的雾化效率和传输效率也不高,导致了原子化率和荧光量子效率不高,从而影响了仪器检出限的进一步改进。

二、无火焰原子化器

原子荧光仪器曾经使用过的无火焰原子化器主要是电热原子化器,包括石墨炉、石墨杯或石墨棒和以钽、铂、钨等金属材料制成的金属炉、金属丝或金属舟等,其中用得最多的是石墨炉原子化器。在原子荧光光谱分析中尽管无火焰原子化器相比于火焰原子化器有更多的优越性,但是到目前为止,还未曾在商品仪器中得到应用。但在有关激光原子荧光(LEAFS)光谱法的实验研究中,由于无火焰原子化器的原子化效率高而且背景信号较低,一直都是首选的原子化器,如清华大学世权等研制的激光激发原子荧光光谱谐仪,就使用石墨棒作原子化器。现在应用于原子吸收光谱仪中的无火焰原子化器(如石墨炉原子化器)的技术已经非常成熟,随着我国原子荧光仪器技术的不断发展,如扩大元素测量范围、固体直接进样等,无火焰原子化器有可能会得到推广应用。

三、等离子体原子化器

曾作为原子荧光原子化器的等离子体有电感耦合等离子体(ICP)、微波诱导等离子体(MIP)和微波等离子体炬(MPT)下面简要地介绍一下这三种等离子体作为原子荧光原子化器的优缺点。

用ICP作为原子荧光的原子化器具有下列优点由于ICP原子化器温度很高(大于3000K),因此大大减少了化学干、电高干扰及散射干扰,且可以将一些难熔的金属氧化物原子化;②ICP具有很强的激发能力,其发射的谱线中含有丰富的原子线和离子线可供测量选择;③在氩气气氛中的ICP原子化器具有较高的荧光量子效率,提高了测量灵敏度,降低了检出限;④ICP在时间和空间上都具有很高的稳定性,因此具有较好的测量精度量级;⑤用ICP作原子化器的原子荧光其线性动态范围可达4~6个量级。

相对于ICP原子化器,微波等离子体所用的功率较低,因此其背景辐射较小,即背景和散射干扰较小,即使对那些高浓度的难熔元素所消耗的气体量也少得多,因此使用和护费用较低。缺点是对外界干扰的承载能力很低;易电离元素的基体影响较大,化学干扰也较严重;对水蒸气的承受能力也很低,许多情况下需要加复杂的去溶装置。

MPT具有作为原子荧光的原子化器所需的许多特点:原子化效率较高,原子在等离子体中的维持时间较长,较低的背景辐射,操作简单,维护费用低等。主要缺点就是基体效应较大;相比于ICP,抗外界干扰的能力也较差,尽管可以使湿气溶胶直接进入等离子体而不至于使等离子体熄灭,但等离子体的稳定性要变差,因此在样品进入等离子体之前最好先进行去溶。

四、石英管原子化器

应用于原子荧光光谱仪中的石英管原子化器主要用于氢化物的原子化。无论是哪种石英管原子化器,其形成的氩-氢火焰温度都在650~700℃之间,而且纯净的氩一氢火焰应该是无色透明的,因此其背景辐射很低。经研究目前能检测的11种易形成氢化物或冷蒸气的元素As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Sn、Ge、Pb、Zn和Cd,其最佳火焰观察高度基本处于8~10mm范围内,因此这种原子化器也能满足多元素同时测量的要求。

氢化物氩-氢火焰石英管原子化器的一个重要特点是直接利用氢化反应过程中产生的氢气,不需要外加可燃气体,因此结构简单,操作安全方便、同时形成的氩-氢火焰原子化效率较高、紫外区骨景辐射较纸、物理和化学干扰小、重现性好,另外传输效力也较高。


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