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原子荧光光谱分析技术-蒸气发生进样技术篇

2019-08-12 海光仪器

1. 基本原理

蒸气发生-非色散原子荧光光谱法(VG-AFS)将蒸气发生法与非色散原子荧光光谱仪相结合的联用分析技术。作为原子荧光光谱分析法中的一个重要分支,同时也是目前原子荧光光谱法中唯一成功的商品化仪器,现已成为常规的原子光谱法中测定痕量或超痕量元素的分析方法之一。

蒸气发生-原子荧光光谱法是利用蒸气发生技术将还原剂(KBH4 NaBH4)与酸性样品溶液产生化学反应,将生成的共价氢化物元素AsSbBiSeTePbSnGe等、蒸气态Hg原子、挥发性化合物元素ZnCd,以及产生的氢气由载气(Ar)导入原子荧光光谱仪的低温石英炉原子化器形成的氩氢火焰中原子化,由氩氢火焰离解成被测元素的原子,受到激发光源特征光谱照射后,受激发至高能态而后去激发回到基态时辐射出原子荧光。这些不同波长的原子荧光信号,通过光电倍增管将光信号被转换为电信号,检测出被测样品中元素的含量。

该技术集中了蒸气发生法和非色散原子荧光光谱仪两者在分析技术上的优点:在蒸气发生过程中分析元素与基体分离并得到富集,一般不受原试样中存在的基体干扰,以及由于气体进样,因此进样效率很高;而氩氢火焰本身具有很高的荧光效率和较低的背景辐射,且待测元素的荧光谱线均位于紫外波段,而非色散原子荧光光谱仪的检测器对紫外波段(190310nm)范围内最为灵敏,由于这些因素的结合能获得很好的信噪比和很高的分析灵敏度。

2. 应用范围

蒸气发生-原子荧光光谱法的可测元素的应用范围包括:

1)蒸气发生法中的待测元素必须能够生成气态共价氢化物或挥发性化合物,且生成物的稳定性必须满足导入原子化器,且能在原子化器中原子化;

2)采用非色散原子荧光光谱仪进行检测的要求是,被测元素产生的荧光谱线必须落在日盲光电倍增管检测器的紫外波段(160nm320nm)范围内。

根据氢化物的物理性质,A、ⅡA族元素生成离子型氢化物,沸点高、无挥发性、生成热为负值、难以分解;而ⅦA族元素虽能生成低沸点的挥发性共价氢化物,但其氢化物生成热为负值、较为稳定,难以被氩氢火焰原子化,所以不能用于蒸气发生-原子荧光光谱法的检测。

周期表中 A、ⅤA、ⅥA族较多元素AsSbBiSeTePbSnGe可以生成挥发性共价氢化物,这些氢化物的生成热为正值,非常适用由载气(Ar)将其导入低温石英炉原子化器氩氢火焰中原子化;ⅡB族的Hg能生成气态汞原子,ZnCd能生成气态挥发性化合物,这些元素产生的荧光谱线都落在非色散原子荧光光谱仪检测器的紫外波段内。因此,上述元素非常适合于蒸气发生-原子荧光光谱法的测量。HgCd也可采用低温蒸气(无火焰)原子荧光光谱法进行测定,可获得很高的分析灵敏度。

3. 基本方法

3.1氢化物发生法

1969Holak首次利用经典的Marsh反应发生砷化氢,捕集在液氮冷阱中,然后再将其加热,用氮气流将挥发出的砷化氢引入空气-乙炔火焰中进行原子吸收测量,开创了氢化物发生-原子吸收光谱分析技术的先河。随后,许多化学工作者致力于研究不同的还原体系和反应条件,不同类型的氢化物发生装置和捕集器、原子化器,以及干扰机理和消除方法等,使该项技术不断得到改进和完善。

碳族、氮族、氧族元素的氢化物是共价化合物,其中AsSbBiSeTePbSnGe8种元素的氢化物具有挥发性,通常情况下为气态。当利用某些能产生初生态氢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,然后借助载气将其导入原子化器中原子化,进行原子荧光光谱法的测量。

周期表中的元素与H生成的氢化物种类较多,目前还没有统一的分类。但是有人从元素与氢之间的离子键或共价键,同时考虑有关物理性质将氢化物分为三类。

第一类为成盐氢化物。元素与H之间主要以离子键相结合,主要包括IA和ⅡA族的碱金属和碱土金属。

第二类为过渡金属氢化物,这一类包括大部分元素。

第三类为挥发性氢化物,主要包括A族的BAl元素,以及 A、ⅤA、ⅥA、和ⅦA族中的主要元素,对于利用氢化物发生技术进行分析的主要元素就属于此类,而且是共价氢化物。可测元素有 As(AsH3)Sb(SbH3)Bi(BiH3)Se(H2Se)Te(H2Te)Pb(PbH4)Sn(SnH4)Ge(GeH4)

共价氢化物显著的特点是熔点、沸点大部分均在℃以下,在常温、常压下均为气态,且具有较低的分解温度。如果将这些元素转化为氢化物,在常温下即可由基体溶液中将其迅速分离出来,而且无须特殊高温,即可使其在瞬间原子化。

氢化物发生是一个氧化还原的反应过程,在反应过程中必须产生新生态氢。尽管氢化物发生方法较多,根据所利用的氧化-还原反应体系不同,氢化物发生的体系可归纳为,金属-酸还原和硼氢化钾()-酸还原体系两类。

1)金属-酸还原体系

早期氢化物发生的方法利用金属-酸还原体系,最常用的金属锌,它与盐酸反应产生新生态氢,而将分析物质还原成氢化物,反应如下:

 

该反应只能发生AsH3,而且反应速度很慢,需要10min之久,必须将生成的氢化物储存或收集在适当容器中才能用于分析测试。随后,HCl-Zn-SnCl2-KI还原体系,被用于发生AsH3SbH3 H2Se,先将酸化过的样品溶液与KISnCl2接触,使As(V)Sb(V)Se()分别还原成As()Sb()Se(),然后加锌粒生成氢化物和氢气。

2 硼氢化物-酸还原体系

1972Braman等首先报导用NaBH4代替金属作还原剂生成了AsH3SbH3Schmidt等采用NaBH4作为还原剂去生成AsBiSbSe的氢化物在氩氢火焰进行测定。Femandez等分别采用NaBH4-酸反应体系又扩大到用于GeSnTePb的氢化物发生,并相继用于VG-AFSHG-AAS等原子光谱分析方法中,从而实现对这类元素的高灵敏度的测定,开辟了新的分析途径。

从金属-酸还原法过渡到硼氢化钾()-酸还原法是一个很大的发展。以硼氢化钠为还原剂的氢化物发生化学反应可用下式表示:

 

R为形成氢化物的元素,m可以等于或不等于n

该化学反应可以在很短的时间内完成。硼氢化物-酸还原体系优点是:

a. 能有效地用于所有氢化发生元素的测定;

b. 被测元素与基体分离并得到富集;

c. 气体进样效率很高可接近100%,从而提高了分析灵敏度;

d. 发生氢化物反应速度快,大多数情况反应时间仅在1020μs

e. 大多数元素可以在较宽的酸度范围内发生氢化物;

f. 在某些情况下可以分析元素的形态; 

g. 采用连续氢化物发生系统,有利于实现自动化。

氢化物发生的速度和效率直接依赖于被测元素的价态。只有As()Bi()Se()Te()有效地发生它们相应的氢化物。Sb()的荧光强度只有Sb()荧光强度的一半甚至更低,用KI还原Sb()Sb(),加入硫脲溶液可以加速还原。不同价态砷化合物的AsH3发生效率不同,As()的效率最高,在pH=5 时,As()发生AsH3;在pH3.0 As()不发生AsH3,在5mol/LHClAs()As()都发生AsH3,可测定总砷。As()As()发生氢化物的速度快,得到的信号强度大1.5倍。在低酸度和室温下L半胱氨酸还原As()As()的速度很慢,可以在As()存在下测定As()。如果预先将As()还原为As(),可以提高信号强度。

反应体系的酸度显著影响被测元素由高价态到低价态的还原及氢化物的生成,不同元素氢化物发生反应需在不同的酸度条件下进行。在HCl介质中用NaBH4还原生成氢化物AsSbBi的荧光信号随酸度变化几乎没有影响。酸的浓度对硒和碲的测定有影响,需要在较高的酸度下进行测定。而锗、锡、铅的氢化物发生都必须要求在较为严格的酸度下进行测定。锡的测定要求是0.2mol/L,酸度偏高偏低都会抑止氢化物的发生。锗和铅的氢化物生成也要求在较低的酸度下进行。对于铅的测定必须先加入氧化剂,常用的氧化剂有K3[Fe(CN)6],将Pb()氧化为Pb(),再转化为PbH4可提高转化率产生增敏效应。

3.2 汞蒸气发生法 

汞蒸气发生法是将Hg化合物还原为金属汞蒸气,或者将Hg化合物转化为易于气化的形态Hg蒸气,且在室温时其蒸气压很高 (20℃时约为0.0016mbar),基于这一独特性质汞,可以很容易被载气导入石英炉原子化器进行蒸气发生-原子荧光光谱法测定。汞的空心阴极灯作为激发光源,可辐射出很强汞的253.65nm荧光特征谱线,是非色散原子荧光光谱仪检测器的最灵敏区。

3.3挥发性化合物发生法

挥发性化合物发生法通过化学反应将InTlZnCdAuAgCoNi等转化为易分解的挥发性化合物,再导入石英炉原子化器进行原子化和检测。1982Busheina等人发现用硼氢化钠(钾)作还原剂发生In氢化物是一种新的尝试,测定In的灵敏度为0.3μg,将挥发性的化合物元素扩展到第三主族取得了很好的效果。这一研究成果突破了过去蒸气发生测定元素周期表上第Ⅳ、V、Ⅵ族中的主族元素AsSbBiPbSnGeSeTe8个元素的局限。基于利用化学反应使待测物形成挥发的气体化合物是提高分析方法的灵敏度与选择性的有效途径,也是一种特殊进样技术。这种进样技术已成为当今分析化学中重要研究方向之一。

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