化学激光荧光光谱分析

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对于共振荧光，影响信噪比的噪音主要是瑞利散射发射噪音，而对于非共振荧光，影 响探测极限的噪音有暗电流噪音、放大器噪音、火焰背景发射噪音和分子荧光背景噪音。
由于并非所有的元素都有足够的非共振荧光，所以作为一具较好的分析装置，应该尽
可能设计成对于共振荧光和非共振荧光都能获得最佳的信号，以满足分析需求。由于激光 的光谱带宽极窄，典型的例子如图4所示，用激光扫描观察到钠在589.0nm和589.6nm处， 荧光发射线的半宽度仅为0.03nm，而用单色仪扫描观察到的半线宽度1.6nm，两者竟差50 倍，再加上使用门探测电路，因此可以用较大口径的光学系统，以得到大的信号。
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图1 各种类型荧光的跃迁能级简图
a共振荧光 A共振跃迁 B“热助”共振跃迁 b直跃线荧光 A起源于原子基态 B起源于亚稳态 c阶跃线荧光 A正常阶跃线荧光 B“热助”阶跃线荧光 d“热助”反斯托克斯荧光 e敏化荧光 f双光子荧光
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原子荧光光谱分析是一种新的微量分析方法。它的灵敏度非常高。对于很多化合物，它的检 测下限为10E-6到10E-9，因而特别适用于痕量分析。要得到最好的检测极限，通常要有大的激发 辐射，透射到检测器上的散射光应该尽可能的小，火焰有做够高的温度，检测荧光的分光计要有 大的聚光本领。
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作为激光光源的激光器可以是脉冲染料激光器（泵浦源为倍频红宝石激光器，倍频掺铷 YAG激光，氮分子激光或用闪光灯泵浦），或者连续波染料激光器。用连续波染料激光器作 为激发源对钠和钡进行研究，已经得到很好的探测极限，但是这种激光器可以用的波长范围， 迄今还限于520nm以上的比较长的可见光区域，用闪光灯泵浦的倍频染料激光器研究了镁 （在285.2nm）和铅（283.3nm）,也有很好的探测极限。但是它们都要有比较大容积的染料 溶液。到现在为止用于激光原子荧光最有效的激光器，是脉冲氮分子激光倍频泵浦的可调谐 染料激光器，主要是它有高的峰值和宽的可用波长范围（大约220nm到950nm）。
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图4 钠D线的荧光激发线和发射轮廓图
左边是扫描激光器观察到的轮廓图 右边是单色仪观察到的轮廓图
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图5是Weeks等人用来做激光激发原子荧光火焰光谱分析法的装置的系统组合简图。 他们用这个系统做了大量的研究，表1是他们所用的激光染料，表2是他们汇总的激光激 发原子荧光火焰光谱分析法的探测极限，特转载于此。
激光激发原子荧光的探测系统通常由光电倍增管和采样示波器或者Boxcar积分器耦合 组成。用高的光谱辐射的脉冲光源和门探测电路结合起来，是一种接近于最佳的分析系统。 它可以使信噪比大大提高。因为探测器仅在激光工作的那个时刻“打开”或者有一个很短的 延时，因此背景噪音仅在“打开”的短时间内起作用。也就是说脉冲激发和门探测电路的组 合的优点是是提高了峰值功率和低的占空因数的组合结果。
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图6 激光原子荧光测量装置原理图
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激光原子吸收光谱分析
一、分析原理
作为元素分析方法的原子吸收光谱分析法最早是由澳大利亚学者瓦尔许在1953年提出来 的。1955年开始提出实验装置。它与火焰发射光谱法不同的是，火焰发射光谱法是通过燃烧 火焰的热能将火焰中的待测物质的原子激发到高于基态的高能态上，然后处于高能态的原子跃 迁回到基态而发出特征光，并根据发射光的强度来测定待测物质的含量。这对于碱金属，在火 焰的燃烧温度中处于较高能态的原子数比较大，因而跃迁回到基态时发射的光能比较多，而在 光谱中出现亮线，是很好的分析方法。但是其他的金属例如铁、锌等，即使在火焰燃烧温度中 处于高能态的原子数也不多，因此用火焰发射光谱法可能测得的光非常弱，因此这种方法不准 确了。
化学激光荧光光谱分 析
荧光分析中最重要的一类方法是原子荧光分析。原子荧光是一种辐射的去活化过程。其机理是 原子受到某一合适的波长的辐射(能量)的激发，接着辐射去活化而发出辐射——荧光。荧光的波长 可以和激发的波长相同，也可以不同。不同时多为荧光波长比激发波长长。荧光波长比激发波长短 的情况极少。荧光波长和激发波长相同的荧光称为共振荧光。荧光波长和激发波长不同的称为非共 振荧光。
此外还有一种荧光称为“敏化荧光”。它的产生是被外部光源激发的原子或分子通过碰撞把自 己的激发能转给待测原子，然后待测原子通过辐射去活化而发出原子荧光。当两个或多个原子激发 同一原子，此原子跃迁到较高的激发态，然后去活化而跃迁回到基态，这时产生的荧光称为多光子 荧光。最常产生的是双光子荧光，其波长是激发波长的二分之一。图1用能级图表示了共振荧光与 非共振荧光的简单原理。
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对这些元素如果以一定频率的光照射其处于基态的原子，使之向较高能级态跃迁，测出被吸
收的光强，并用来计算样品中的原子数，从而得到该元素的含量，这就比火焰发射光谱法准确。 这就是原子吸收光谱分析法。原子吸收光谱分析法同样需要把待分析物质做成溶液喷射到燃烧的 火焰中，它的作用是由于火焰的温度而使溶液汽化成原子状态，如图7是原子吸收光谱分析法的 原理图
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染料激光器在相当宽的波长范围内可以连续调谐，而且谱线的半宽度可以做到很 窄，例如，现在以可以做到的最小线宽约为7MHz,也就是对6000埃的谱线，其线宽约 为810e-5埃，激光的亮度也比空心阴极灯要高。因此，用可调谐染料激光器作为原子 吸收光谱分析的光源，可以提高分析灵敏度，波长连续可调，便于进行定性和定量分 析。1967年的国际量子电子学会议上展出了第一台染料激光原子吸收分光光度计。
一系列的研究表明如果用扩展的或不扩散的光束，使原子蒸汽激发到近饱和的状态，
荧光信号则将随着被辐射的体积而成正比，这也可以得到大的探测信号和有比较大的线性 动态范围。从上面的分析可以看到不管在什么情况下，源载发射噪音都应大大限制，因此 采用扩展光束，减少散射，用专用的光收集器和挡光板等措施，将大大减少噪音，而改善 分析的品质因素。
利用激光作为激发光源可以获得更高的检测灵敏度，较高的信号功率并可以实现选择激发。 例如，用非发射的均匀气体介质代替火焰，1972年Jenhings和Keller用一台连续的染料激光器测 定了2*10e6个钠原子/cm2。而同年Hansch和Schawlow甚至测定了1*10e2个钠原子/cm2。这相 当于4*10e-15ug/ml。特别是使用了脉冲可调谐染料激光器，由于提高了信噪比，检测灵敏度大 大提高。
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图2 MPF-4型荧光分光光度计光学系统图
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图3 激光原子荧光分析装置系统组合图
1激光电源 2氮原子激光器 3染料激光器 4火焰原子化器 5聚光镜 6透镜 7单色器 8光电倍增管 9Boxcar积分器 10记录器 11光电倍增管电源
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样品室实际上就是一个原子化器，它与分析原子吸收光谱所用的原子化器相同，主要可分 为火焰法和电热装置两种，前者有空气、乙炔、一氧化二氮、乙炔火焰等，后者包括石墨管与 碳棒等。在探测时采用何种原子化器为好，根据实际情况。值得指出的是，虽然众多的激光原 子荧光分析采用火焰作为原子化器，但是由于激光光源的稳定性至今还不能做到和光学荧光分 析仪中所用的空心阴极灯和无极放电灯那样稳定，加上火焰法产生的荧光背景很强，因而影响 可激光荧光火焰光度法德分析灵敏度的提高。而采用石墨原子化技术，则可以进一步提高其分 析灵敏度，而且还可以直接分析固体样品。
用激光激发原子荧光火焰光谱分析法分析过的几乎所有的元素的线性动态范围大约
是5到7个数量级，和采用ICP（电感耦合等离子体）得到的差不多4到7个数量级，比用 普通光源的原子荧光光谱分析和原子发射光谱分析所得到的要大1到2个数量级
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图5 激光激发原子荧光测量装置
1氮分子激光器 2染料激光器 3染料激光控制装置 4真空泵 5氮分子激光器电源 6触发源 7光束扩展束 8薄板 9光阑 10燃烧器/汽化器 11光收集器 12光收集器 13光阑 14挡光板和透镜 15单色仪 16光电倍增管检测器 17记录器 18Boxcar积分器 19光电倍增管电源
在采用激光作为激发光源之前，光源大都采用氙气、空心阴极灯、无极放电灯和金属蒸汽灯
等。要得到单色辐射还要经过一个单色器，因此光谱能量不高，而且光谱宽度较宽。用可调谐染 料激光器作为激发光源，不仅不需要激发单色仪，而且因为它具有很高的峰值功率和很窄的线宽， 特别是在采用脉冲可调谐染料激光器时，脉宽窄，可以具有很低的占空因子，而大大提高了信噪 比。虽然到现在还没找到波长低于300nm的高效率的激光染料，但是利用ADP，KDP，KB5等倍 频晶体可以得到波长约为211nm的紫外激光，这完全可以满足激发光源的要求。
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二、检测激光原子荧光的装置
图2为现在国内使用最多的MPF-4型光学荧光光度计的光学系统图。由图中可看到原子荧 光检测装置一般需要光源、激光单色器、样品室、发射单色器和探测记录系统等部分组成。
图3是一台激光原子荧光检测装置的各部分示意图，从这两图的对比中可以看到：激光原 子检测装置与光学原子荧光检测装置的不同，只在于前者用可调谐染料激光器代替了后者的 光源的激发单色器，其他样品室、发射单色器和荧光检测系统仍然需要。
图7 原子吸收光谱分析装置方框图
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图中可以看到，作为一个原子吸收分析装置必须有光源、雾化器、燃气系统、分光计、 检测和现实系统。由于原子的谱线很窄，例如多普勒线宽为0.02埃，因此分光计要有很高 的分辨率。激发光源的线宽必须小于原子线宽才能有效的测定。过去原子吸收分光计的发 展主要是三方面：（1）改进原子汽化的加热炉；（2）提高激光光源的强度和减小其线宽； （3）设计制造高分辨率的光栅分光器。在使用激光器作为激发光源之前，空心阴极灯有自 吸收现象，因此使分析灵敏度降低。使用空心阴极灯还有一个缺点，就是对多种元素的分 析，要相应的变换用不同元素的灯。而且，由于砷、硒等元素的共振线位于远紫外区，在 这些区域，空心阴极灯不能给出足够的亮度，而多采用无级放电灯。
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表1 Weeks等采用的激光染料
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表 汇 总 的 激 光 激 发 原 子 荧 光 火 焰 光 谱 分 析 法 的 探 测 极 限
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为了提高探测极限，Epstein等人用闪光灯泵浦的倍频染料激光器研究铁的反斯托克 斯跃线荧光。图6是他们研究所采用的装置简图。激光染料为若丹明6G，每秒10个脉冲， 每个脉冲约15J，探测器为1P28光电倍增管，并和Boxcar积分器组合，门宽1us，积分时 间常数0.01ms，观察时间常数为0.8或8s，采用的分析单色仪焦距是0.1m，相对孔径f/3.5， 线色散倒数8nm/mm。采用1200线/mm的全息光栅作为色散元件，缝宽2mm。缝高 10mm，激发波长为296.7nm，荧光波长为373.5nm。探测极限高达0.06ng/ml。
此外，N.Omentto等人还将激光和ICP联用，对ICP（电感耦合等离子体）中的原子 进行荧光探测。它具有很高的空间分辨率和优良的信噪比。
虽然，迄今为止作为商用仪器的激光激发原子荧光光谱分析装置还没有出现，但是，
随着这种方法的大量研究和使用，它必将逐渐的变为一种有效的痕量分析的新方法，因 而也必将跟着有成熟的商品仪器问世。
由于相应于原子的激发态和基态之间的共振跃迁的几率一般比其他跃迁的几率大得多，所以这 种共振跃迁产生的谱线是对分析最有用的共振荧光光线。也有人建议吧这类荧光称为“激发态共振 荧光”。原子也可以处在由热激发产生的较低的亚稳态级。共振荧光也可以亚稳态能级上产生。这 种荧光称为“热助”共振荧光。
非共振荧光的两个主要类型是直越线荧光和阶跃线荧光。一个原子受光辐照而被激发（通常从 基态）到较高的激发电子态，然后直接跃迁到高于基态的亚稳态，这时发射的荧光称为直越线荧光。 而当激发线和发射线的高能级有差异时，就产生阶跃线荧光。当荧光的波长比激发波长短时就成为 反斯托克斯荧光。这时光子能量的不足通常由热能补充，所以这种荧光也是一种“热助”荧光。