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原子荧光光谱仪-- 原子荧光光谱仪的光源种类、工作原理

2022.1.24

激发光源是原子荧光光谱仪的主要组成部分。在一定条件下荧光强度与激发光源的发射强度成正比,因此一个理想的光源应当具有下列条件:①发射强度高,无自吸②稳定性好,噪声小③发射的谱线窄且纯度高:④价格便宜且有足够长的使用寿命,⑤操作简便,不需复杂的电源,③适用于各种元素分析,即能制造出各种元素的同类型的灯。以下是几种重要激发光源的介绍;

一、空心阴极灯

空心阴极灯是目前在原子荧光光谱仪中应用最广泛的一种辐射光源。空心阴极灯是依靠阳极和空心阴极之间的放电激发的一种特殊的低压辉光放电灯。通过阳极和阴极之间的放电作用,引起阴极溅射而产生原子蒸气,同时也提供产生原子光谱的激发能量,激发蒸气中的部分原子而产生原子光谱的,即整个光谱产生过程分两步进行:溅射产生原子蒸气和激发蒸气中的原子。这种灯的优点是结构简单,使用方便。缺点是上述两种过程不能分开控制,改变如放电电流等一些放电参数,将同时对两种过程产生影响。如增大供电电流,虽能增加特征共振光谱辐射的输出,但同时也导致了特征共振光辐射的自吸收增大和共振变宽,输出的谱线轮廓变坏;反之,如减小供电电流,虽减少了谱线自吸收和共振变宽,特征共振光辐射的谱线轮廓得到改善,但同时也减小了特征共振辐射的输出。

二、高强度空心阴极灯

为了改进上述普通空心阴极灯存在的发光强度受限制的缺点,研制出了带有辅助放电的高强度空心阴板灯其基本结构就是在普通空心阴极灯中增加了一对辅助电极,这种灯的特点是试样两个独立的放电,一个是空心阴极放电,另一个就是辅助电极间的低压大电流电弧放电(二次放电),部分未被激发的原子蒸气与辅助电极放电所形成的等离子区的粒子相互碰撞而被激发。这种二次独立放电激发的方式改进了普通空心阴极灯遇到的制约因素,大大提高了空心阴极灯的总辐射强度。

三、微波无极放电灯

 在早期的原子荧光光谱仪器研究中,无极放电灯是被广泛采用的一种光源,这是由于无极放电灯辐射强度更高,自吸收小,寿命长,特别适用于那些在短波长区域内有共振线的易挥发元素分析。而高强度空心阴极灯在对这些元素进行分析时,必须在很低的电流下工作,否则灯的寿命太短,而低电流发射的光谱强度又太弱,无法满足实际测量的要求。

微波无极放电灯的工作原理为:将无极放电灯置入微波谐振腔内,在微波电场的作用下首先将灯中充填气体加热,形成高温等离子区,然后含有待测元素的原子或其化合物(卤化物)的填料也被加热蒸发进入等离子区,这些填料在高温等离子区中被原子化并被激发而发射出含有待测元素的特征原子谱线的光辐射。虽然微波无极放电灯曾被广泛应用于原子荧光光谱分析中,但是这种灯也存在着许多缺点,主要有稳定性与操作人员水平密切相关,无极放电灯在谐振腔内的位置只能凭经验调节,不易掌握;微波辐射对操作人员身体可能造成损害等。随着新型光源的开发应用,这种灯在原子荧光的商品仪器中已不再使用。

四、激光光源

由于激光具有单色性好、相干性强、方向集中和功率密度高等优点,尤其是各种倍频技术的出现,使得激光输出波长迅速向紫外区延伸。激光作为原子荧光光源的最主要的一个优点。就是可实现饱和激发。在通常情况下(在低浓度和低光源强度下),原子荧光强度与激发光源强度成正比,即激发光源越强,所得光强度信号越大,因此信号的稳定性与激发光源的稳定性有关。由于激光的功率密度很高,用激光作原子荧光的激发光源,其输出的高强度特定波长的光能量可以将原子蒸气中的待测元素的原子全部激发到预定的激发态而实现饱和激发。所得的荧光强度信号与光源的稳定性无关。这一点是激光作为原子荧光光源的最理想的特点。另一个优点,就是降低了似器的检出限,扩大了仪器的动态测量范围。由于激发光源很强。加上现在用于原子荧光的波长可调的激光光源都是脉冲输出,配合以适当的时间门电路,可以使得只有荧光发射期间的光信号进入检测系统而避免荧光发射期间以外的杂散光对测定的影响,提高了仪器的信噪比,降低了检出限,扩大了工作曲线的低端测量范围。

但激发光源也有其不足之处,如不能多元素同时测量,削弱了原子荧光可以进行多元素同测的能力;结构复杂、价格昂贵,因此到目前为止还没有商品仪器。但随着激光技术的快速发展,上述问题有望得到解决。

其次,一个稳定而强的连续光源,是原子荧光光谱分析的一种理想光源。它不仅可应用于多道仪器的多元素同时测定,而且与线光源相比,还可以精密测量激发线邻近的散射光。如果仅用一个线光源,识别假信号和荧光信号往往是十分困难的。用线光源直角射火焰槽,则所得的工作曲线在某一确定的浓度上呈现一个敏锐的极大值,此后荧光强度发生急剧下降。而在用连续光源的理想排列情况下,只有在高含量时才发生一个平顶峰。从分析观点来看,这是一个很明显的优点。使用连续光源的一个主要缺点是一定要用单色器,因为这是现在分离谱线的唯一方法。常用的连续光源是氙弧灯,常用的锐线光源是高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光等。连续光源稳定,操作简便,寿命长,能用于多元素同时分析,但检出限较差。锐线光源辐射强度高,稳定,可得到更好的检出限。遗憾的是到目前为止,在实际应用上,线光源与连续光源比较还是前者领先,其原因是现代连续光源的强度较低。


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