原子荧光光谱分析进展

原子荧光光谱法是一种新的痕量分析技术，从发光机理来看，属于发射光谱分析法，但与原子吸收分析也有许多相似之处，可以说原子荧光光谱法是原子发射光谱和原子吸收分析的综合发展。

19 年，威博尼尔首次将原子荧光应用于分析化学，他利用火焰原子荧光光谱法进行了锌镉和汞的原子荧光分析。此后，1974年 Tsujii 和 Kuga把氢化物发生进样技术与无色散原子荧光分析技术相结合,首次实现了氢化物发生-无色散原子光谱分析，并应用于砷的测定。氢化物发生原子光谱法具有灵敏度高，干扰少的优点，适用范围广，成为环保、食品、生物、冶金、地质、化工样品中痕量元素分析的主要方法之一。为了不断提高测定的灵敏度，近年来有很多改进和发展，使得氢化物发生法应用更为广泛。本部分将对氢化物发生的历史和最新进展加以评述，以推动氢化物发生原子荧光光谱法的发展。

一 氢化物发生法

1.1提出

氢化物发生法是测定在一定条件下将待测元素化合物转化成挥发性氢化物并与基体分离，通过测定生成的氢化物来求得试样中待测元素含量的一种方法。早在100多年前，氢化物发生法就被用来鉴定砷，及众所周知的“马氏试砷法”[1],但氢化物的真正发展还是从现代光谱分析开始的。1951年Kingsley 等[2] 用HCl-KI-SnCl2-Zn 发生砷化氢，并将其导入碘溶液吸收，然后用砷钼兰比色测定砷。1952 年Vasak 等[3]让产生的砷化氢与二乙基二硫代甲酸银的吡啶氯仿液反应，借生成的红色胶态银以分光光度法测定砷含量。1969 年Holak[4] 用液氮冷凝收集产生的砷化氢，在室温下用氮气将收集的砷化氢导入空气-乙炔火焰中首次将氢化物发生法应用于原子吸收光谱测定以来,该技术得到了很大发展。1974年 Tsujii 和 Kuga把氢化物发生进样技术与无色散原子荧光分析技术相结合,首次实现了氢化物发生-无色散原子光谱分析，并应用于砷的测定。

氢化物发生法的主要特点是实现了气体进样,使得进样效率由气动雾化的<5%提高到几乎100%,气相的氢化物的易解离性使得原子化效率也大大提高,从

而极大地改善了测定的检出限与精密度。并使被测元素生成氢化物与大量基体元素相分离,检测时几乎无基体光谱干扰。随着新的更为有效氢化物发生手段,以及与其它分离富集技术的联用,氢化物发生法已在原子吸收,原子发射及原子荧光等原子光谱分析中得到广泛的应用[5-6]。早期采用碘化钾溶液和氯化亚锡锌或糊状铝还原产生氢化物[7-10]。由于金属- 慢,可发生的氢化物种类少,见报道的只有AsH3, SeH2 和SbH3,且还原反应受基体的干扰非常严重,很难用于实际样品分析。1972 年, Braman 等报道的使用NaBH4 还原体系可以说是氢化物发生技术发展的里程碑[11]。由于硼氢化钠(钾)还原体系还原速度快,可发生氢化物的元素多,易于各种检测方法联用等优点,

1.2 氢化物的生成

十九世纪以来，一致认为是金属或类金属的还原反应，普遍接受的观点是砷、锑、铋、锡、硒、碲、铅、锗等元素，当与合适的还原剂（硼氢化物或锌）发生反应时，可形成气态氢化物：

NaBH4+3H2O+H+=H3BO3+Na++8H*+Em+=EHn+H2（气体）

式中Em+代表待测元素，EHn为气态氢化物（m可以等于或不等于n）。氢化物发生原子荧光法就是是利用某些能产生初生态的还原剂或者化学反应，将样品溶液中的分析元素还原为挥发性共价氢化物，然后借助载气流将其导入原子光谱分析系统进行测量的方式。

1.3仪器装置与工作原理

如图1所示，仪器的自动进样器采集的样品，经蠕动泵的转动，被载流推入氢化物发生装置，并于还原剂充分混合，生成的气态氢化物或气态组分被载气引入原子化器进行原子化，气态原子被激发光源激发，随后去激发出荧光信号，经光电倍增管放大后，进入数据处理系统。在仪器工作过程中，两个空心阴极灯被分别以短脉冲调制并加以不同大小的工作电流。由于两灯交替点亮，从而交替激发不同的原子荧光信号，达到双道同时测定的目的。本仪器采用断续流动氢化物发生方法，克服了连续流动进样浪费试液，流动注射装置复杂等缺点。

1.4 发生氢化物的方法

传统氢化物发生进样方式采用一次性氢化物发生进样模式和捕集法，随着计算机技术的发展，氢化物发生及进样技术有了较大的发展。目前，连续流动法[12]、流动注射法[13]、断续流动法[14-15]在氢化物发生原子荧光法分析中得到了广泛应用。

1.5 氢化物的原子化

生成的氢化物必须进行原子化阶段才能产生荧光谱线，进行原子荧光光谱分析。当前原子化手段可分为火焰原子化和无火焰原子化两大类：

(1)火焰原子化 火焰原子化器是原子荧光分析中最早使用的.火焰原子化的主要过程如下：首先将分析液进行雾化，形成潮湿的气溶胶，气溶胶进入火焰之前，要经过脱溶剂而变成干燥的气溶胶。当送入原子化器时它吸收火焰中的热能后，经过熔融或升华成为分子蒸气，然后其中一部分解离为自由原子，再经激发和去激发的过程而发射出原子荧光。氢－氩焰原子化器在目前商品AFS仪器中广泛应用， 它具有较低的火焰发射和火焰闪变噪声，氩的存在也降低了火焰气体的猝灭、改善了荧光产额，但火焰与原子化的缺点是易出淬火现象、对某些元素的原子化效率很低且试样在火焰中被气体成万倍稀释而不宜得到较好的检出限等使分析效果受到一定,亦不适合小体样品分析。

（2）近年来发展了各种无火焰技术则在一定程度克服了上述缺点。一般大都在石墨管中进行。原子化过程分为干燥、灰化、原子化、除残等四个阶段。无火焰原子化的原子化器有两类：高温原子化器：碳针、石墨棒、钽舟、石墨管炉等。

低温原子化器有测汞仪、测砷的原子化器和氢化物石英管原子化器等。电热原子化（ETA）、辉光放电（GD）、空心阴极灯（HCL）和电感耦合等离子体（ICP）以及新兴的激光器等。

1.6 氢化物发生原子荧光光谱法的应用

氢化物原子荧光测定法发展迅速，应用范围日益扩大，已广泛应用于环保、以冶金、生物、化工、地质等样品中微量元素的分析，现将部分应用列于表1

表 1 原子荧光法在分析中的应用

元素 As

方法

NaBH4-乙醇 APDC-MIBK体系 间接法HNO3-K2Cr2O7作汞的保

护剂

抗坏血酸-硫脲还原As 5%碘化钾-5%硫脲-5%抗坏血

酸做预还原剂

10%聚乙烯氧化吡啶-10%甘油滤纸采样, 预还原剂: 5%硫脲-5%抗坏血酸,并消除干扰. Sb

抗坏血酸-硫脲还原Sb，浓盐酸煮沸还原Se6+,Fe3+消除离

子对Se的干扰 5%碘化钾-5%硫脲-5%抗坏血

酸做预还原剂

预还原剂:硫脲-抗坏血酸-碘

化钾 流动注射法

Se

浓盐酸煮沸还原Se6+,Fe3+消

除离子对Se的干扰 连续流动法，高氯酸硝化，氢

0.39g/L

0.2ng/g

2.3 ng/g

0.08g/L 0.24g/L

10ng/g 检出限 2.8 ng

试样 饮用水

文献 41 42 43 44 45 43 44 46 47 43 48 49

1.3g/L 土壤 太湖底泥

1.2 ng

中草药 粮食 空气 中草药 粮食 土壤 地质样品 中草药 煤浸取液 红细胞膜结合

氧化镧共沉淀分离，消除干扰 0.7 ng

分子筛琼脂糖凝胶分离制红

细胞

Bi

硫脲-抗坏血酸,Fe3+加速As

Sb还原.

Hg Cd

抗坏血酸-硫脲还原

0.44g/L 0.05ppm

硒

地质样品 50

中草药 水溶液

43 17

硫脲还原，Co离子做增敏剂 8 pg/ml

二 氢化物发生原子荧光光谱法的新进展

氢化物原子吸收光谱分析自70年代初到现在已有大量的文献报道，成为一种较成熟的方法，为了提高测定灵敏度、拓展氢化物原子荧光法的应用元素形态和种类范围，分析工作者进行了多方面的工作：一、不断地改进传统AFS系统的光源和原子化系统或使用增敏剂进一步提高分析方法的灵敏度。二、扩展氢化物发生法的元素应用范围和扩大元素的形态分析以及AFS的应用领域。现今就氢化物原子荧光法中的增敏效应和元素形态分析做一简单介绍。 2.1增敏效应氢化物原子荧光光谱法分析

砷、锑、 硒、碲、铅、汞、镉等都是环境分析的重要元素，长期以来如何提高这些元素的蒸气发生效率一直是该领域的一个重要研究方向。镉的氢化物原子荧光光谱法分析起步时采用的是DMF-NaBH4体系或四乙基硼化钠体系，条件较为苛刻。郭小伟[16]对镉的蒸气发生进行了详细的研究，指出一些有机试剂的引入可以提高镉挥发性化合物的发生效率，并在水相中用KBH4还原体系进行了测定；郭小伟等[17-18]在研究工作中也发现，一些金属离子的存在可以大幅度地提高某些元素氢化物的生成效率。他们利用硫脲和钴离子极大地提高了镉氢化物的生成效率，克服了以前文献[19-22]报道中方法检出限不能满足实际样品中痕量镉测定的不足。喻昕等[23]据试验推断，Co和硫脲对Cd信号增敏作用主要有两方面：一方面，硫脲改善了溶液的物理性质（如粘度、表面张力等）；另一方面与其中的化学反应有关，硫脲与Cd2＋形成π配键配合物，它与NaBH4释放出的带有一未成对电子的活性氢发生反应形成CdH2，Co的加入催化了络合物分解。此外，硫脲的存在改善了CdH2的生成速率及传输速率。Aizpún Fernández等[24]以连续

流动和间断HG-AAS法比较了砷在不同表面活性剂（CTAB，DDAB，SDS和TX-100）中的氢化物发生，综合考虑选择了DDAB作为AsH3的发生介质，并应用于HG-ICP-AES中。相对于水溶液介质， 在DDAB介质中HG-ICP-AES法测定砷的灵敏度提高了1倍、检出限降低了1.2倍，精密度和抗干扰能力也得到很好的改善。他们认为，表面活性剂通过“有序化”把反应物有选择地聚集在一个有利于反应的“微环境”里，使反应物处于“分子水平”，从而改变了氢化物发生的动力学反应过程，促进了氢化物的生成。而Bonilla等[25]发现少量过渡元素镍、钴、锰的存在使HG-AFS中铅的灵敏度明显增加，并将此应用于生物样品中微量铅的测定。Bonilla等认为，镍对铅氢化物信号的这种影响可能是由于极不稳定的镍的氢化物瞬时地参加反应，从而促进了铅氢化物的生成。然而对于有机试剂、表面活性剂、过渡金属离子等的增敏机理研究还比较薄弱，它们在蒸气发生效率方面的研究前景潜力很大。本实验室在大量试验的基础上，建立了十二烷基磺酸钠对锡增敏效应的新方法。

2.2元素的形态与价态分析

“形态分析”最早是由URE[26]提出来的，它是分析化学的一个重要领域，它对揭示微量元素在环境中的迁移转化规律及其生物化学作用具有重要意义。不同元素形态具有不同的环境化学和生物行为，元素毒性也与其存在形态有关。Stemmer[27]等首先指出无机锑的毒性大于有机锑，三价锑的毒性是五价锑的 10 倍。此后，文献[28]指出海洋中锑的形态主要是甲基锑；文献[29]指出海产品中砷的存在形式主要是砷甜菜碱（AsB arsenobetaine）和砷胆碱(AsC

arsenocholine)形式存在。Poison[30] 和Zhang[31]进一步指出无机砷的毒性最大，甲基砷的毒性较小，而 AsB 和AsC常被认为是无毒的。Dodd[32]等则研究了水生物中锑的形态；Burlo[33] 和 Car，bonell-Barrachina[34]报道了不同形态的砷化合物对农作物生长及产量有明显的影响；进一步拓展了有害金属元素在环境中的应用。Agget和 Aspel[35]对不同价态的砷发生氢化物的机理进行了解释，指出由于三价砷和五价砷被NaBH4还原的速率不同，导致了不同的氢化物发生条件，Andreae[36]等则认为氢化物发生的效率依赖于一定的pH值，三价砷锑和五价砷锑还原反应的发生是在一定的pH值范围内，在适当的酸度范围内三价和五价砷锑均可发生反应，也可以有选择性的进行反应。另外研究还表明，选用不

同的介质也可以有选择性的进行形态分析，Yamamoto[37]等采用柠檬酸介质、Campbell和 Howard[38]采用醋酸-醋酸钠介质、Nakahara 和 Kikui[39]采用苹果酸和酒石酸介质各自进行了锑的形态分析；在柠檬酸、苹果酸、醋酸等介质中进行砷的形态分析亦有报道。Rondon[40]等进一步指出在无机酸介质中，三价砷的信号随酸度的降低迅速降低，而在有机酸介质中，随酸浓度的降低三价砷的信号下降幅度不大。

所有这些研究表明对有害金属元素的形态分析已取得较大进展，但是仍有一些问题亟待解决：缺少标准物质是元素形态分析的一个共同问题；其次对于环境样品，尤其是固体样品一些元素的提取率偏低，因此进一步提高各形态的蒸气发生效率和研究在氢化物发生前的预富集和提取技术显得非常迫切。本实验室分别采用索氏萃取技术和超声波辅助提取技术实现了对五种中草药中的砷锑价态及分布特征以及枸杞子中的砷、硒形态分析。