氫化物發生-原子熒光光譜法在本科實驗教學中的應用

李華敏，彭淑女，陳招斌，楊利民

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

儀器分析實驗課不僅是化學專業的必修基礎課程之一，也是材料、生命科學、環境科學、食品、農業等專業的重要課程之一。原子光譜實驗是儀器分析實驗的一個重要組成部分，國內多數高校都開設了原子吸收光譜(AAS)實驗[1]和原子發射光譜(AES)實驗[2]等原子光譜實驗。

汞、砷、銻、鉍、鍺、錫、鉛、硒、碲等元素的含量是環境保護、衛生防疫、城市給排水、地質普査等與國計民生息息相關的部門的重要檢測項目。這些元素的激發譜線大部分在紫外區，用火焰原子吸收分光光度法、石墨爐原子吸收分光光度法甚至電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)測量靈敏度低，測定這些元素有很大的困難，常無法滿足一般樣品分析需求。

氫化物發生‐原子熒光光譜法(HG-AFS)，是利用某些能產生初生態氫的還原劑或通過化學反應，將樣品溶液中的待測元素組分還原為揮發性共價氫化物，然后借助載氣流將其導入原子熒光光譜分析系統進行測量。氫化物發生進樣法可以使分析元素能夠與可能引起干擾的樣品基體分離，消除了基體干擾；與溶液直接噴霧進樣相比，進樣效率幾乎高了 100%，氫化物可以在氬-氫火焰中得到很好的原子化，所以對于砷、銻、鉍、鍺、錫、鉛、硒和碲這8種易形成氣態氫化物的元素以及汞(形成原子)可以得到很好的檢出限，很高的靈敏度。氫化物發生-原子熒光分光光度計因此被專門用于砷、硒和汞等測定[3–6]，成為眾多分析測試實驗室的常規測試分析儀器，得到廣泛推廣和應用，已經建立了衛生防疫、水質分析和環境等系統的國家標準、行業標準和地方標準。然而，該儀器在本科實驗教學中普及程度并不高。

為了讓學生掌握氫化物發生-原子熒光分光光度計的工作原理及其使用方法，掌握氫化物發生-原子熒光光譜法的定量分析方法，了解不同原子光譜法的工作原理及應用領域，本實驗中心于2016年參考國標(GB/T 5750.6–2006)開設了“氫化物發生-原子熒光光譜法測定水樣中砷的含量”教學實驗[7]，作為化學相關專業本科生儀器分析實驗的一個實驗內容，共4個學時。

1 實驗目的

(1) 掌握氫化物發生-原子熒光分光光度計的工作原理及其使用方法。

(2) 掌握氫化物發生-原子熒光光譜法測定砷的定量分析方法。

(3) 理解儀器條件對分析方法的靈敏度和準確度等的影響，掌握最佳實驗條件的選擇方法。

(4) 掌握分析方法學的建立，學會處理和分析數據。

2 實驗原理

原子熒光光譜法是用激發光照射含有一定濃度的待測元素的原子蒸氣，從而使基態原子躍遷到激發態，受激原子在去激發回到較低能態或基態過程中發射出一定波長的光輻射即原子熒光。通過測定所發射的原子熒光的強度即可求得待測元素的含量[8,9]。

若激發光源發射的單色光是平行、均勻的光束且強度穩定，則照射到原子化器上的入射光強度是穩定的，可認為是一常數。假設原子化器產生原子蒸氣是理想氣體，忽略自吸效應。那么，熒光強度與基態原子濃度成正比，即：

式中：Iaf為熒光強度；Ioa為激發光強度；φa為熒光量子效率，它表示單位時間內發射熒光光子數與吸收激發光光子數的比值，一般小于1；A為熒光照射在檢測器上的有效面積；L為吸收光程長度；N為單位長度內的基態原子數；ε為峰值摩爾吸光系數。

當實驗條件固定時，N與試樣溶液中待測元素的濃度c成正比。所以在固定實驗條件下，原子熒光強度與試樣中待測元素濃度成線性關系。即：

式中α為常數。

原子熒光光譜定量分析的基本方程式，僅僅適用于低濃度的原子熒光分析。隨著原子濃度的增加，由于譜線展寬效應(主要是多普勒變寬和勞倫茨變寬)、自吸和散射等因素的影響，使工作曲線出現彎曲偏離線性。

本實驗中，氫化物發生-原子熒光光譜法測定自來水樣中的砷，是先通過硫脲-抗壞血酸將水樣中的砷全部還原成砷(III)，在鹽酸介質中，砷(III)與硼氫化鉀反應生成砷化氫，由載氣(氬氣)將砷化氫帶入石英原子化器中，過量氫氣和氬氣在點火裝置作用下形成氬-氫火焰，砷化氫受熱解離成原子態砷。在特制砷空心陰極燈的照射下，基態砷原子被激發至高能態，在去活化回到基態時，發射出特征波長的熒光，得到的熒光信號被日盲光電倍增管接收，然后經放大，解調再由數據處理系統得到分析結果，如圖1所示。在一定濃度范圍內，其熒光強度與砷含量成正比，通過測量砷熒光強度即可求得砷含量。

圖1 氫化物發生-原子熒光分光光度計結構圖

3 儀器與試劑

儀器：AFS-8230型原子熒光分光光度計(北京吉天儀器有限公司)；高強度砷空心陰極燈(北京吉天儀器有限公司提供)；高純氬氣鋼瓶(99.99%)。

試劑：鹽酸(優級純)，硼氫化鉀(含量> 95%，分析純)，氫氧化鉀(分析純)，硫脲(分析純)，抗壞血酸(分析純)，以上試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。1000 mg?L?1砷標準貯備液購于國家標準物質中心。所用水為去離子水。自來水樣為實驗室現場采集。

4 實驗步驟

4.1 試劑的配制

(1) 還原劑：2% KBH4溶液(0.2% KOH介質)，稱取1.0 g KOH溶于500 mL去離子水中，再加入10.0 g KBH4，溶解后混勻。現用現配。

(2) 載流：5%鹽酸，量取50 mL濃鹽酸，用去離子水定容至1000 mL。

(3) 1 : 1鹽酸，量取100 mL鹽酸與100 mL去離子水混勻。

(4) 硫脲-抗壞血酸溶液，稱取硫脲和抗壞血酸各10 g溶解于100 mL去離子水中。現用現配。

(5) 1.0 mg?L?1砷標準使用溶液，移取 1000 mg?L?1砷標準貯備液 100 μL 于 100 mL 容量瓶中，用去離子水定容并搖勻。

4.2 水樣的采集

打開實驗室中的自來水，先放3–5 min，再用實驗室準備的塑料瓶采集水樣。

4.3 儀器的預熱

按照儀器的使用方法啟動儀器，打開氬氣鋼瓶和儀器操作軟件，調節各實驗參數，點燃原子化器爐絲，預熱20–30 min。儀器實驗參數如表1所示。

表1 儀器測定參數

4.4 標準系列溶液的配制

于5個50 mL容量瓶中，各加入5.0 mL的1 : 1鹽酸和5.0 mL硫脲-抗壞血酸溶液，然后分別加入1.0 mg?L?1砷標準使用液0、0.10、0.20、0.40、0.50 mL，然后用去離子水定容并搖勻。

4.5 水樣試液的配制

于50 mL容量瓶中加入25.00 mL自來水樣，再依次加入5.0 mL 1 : 1鹽酸和5.0 mL硫脲-抗壞血酸溶液，然后用去離子水定容并搖勻。

4.6 原子熒光分光光度計最佳儀器條件的選擇

配制 4.00 μg?L?1砷標準溶液，改變儀器條件的參數，測定不同條件下 4.00 μg?L?1砷標準溶液的熒光強度。

4.7 熒光強度的測定

配制的標準溶液和樣品溶液放置至少10 min以后，按儀器的使用方法逐個測量并記錄各標準系列溶液和試液的熒光強度。繪制砷的標準工作曲線，根據標準工作曲線計算出試液中砷的含量，并計算水樣中砷含量。

4.8 檢出限、定量限和精密度的測定

將儀器測量方法改換成Statistics模式，其余儀器條件不變(注：檢出限、定量限與精密度的測定在設定好的條件下不間斷連續測量完成)。連續測量標準空白溶液15次，取后11次測量的數據儀器自動計算標準偏差SD，測量上述標準系列，做一工作曲線，計算斜率K。連續測定10.00 μg?L?1砷標準溶液15次，根據測量的數據計算相對標準偏差。

4.9 實驗處理與實驗報告

學生利用Origin軟件處理實驗數據，繪制標準工作曲線，計算回歸方程、回歸系數。學生按要求獨立完成一份實驗報告，包括實驗目的、實驗原理、具體的實驗步驟、原始數據、數據處理、結果分析和實驗討論。

5 結果與討論

本文以實驗教師某次準備實驗記錄數據為例，對實驗過程和結果進行如下總結和討論。

5.1 原子熒光分光光度計最佳實驗條件的選擇

在原子熒光分析實驗中，測定條件的選擇直接影響分析的靈敏度、準確度及干擾消除程度，因此正確選擇和嚴格控制實驗條件是很重要的。原子熒光分光光度計的實驗條件包括空心陰極燈燈電流、載氣流量、屏蔽氣流量、光電倍增管負高壓和原子化器高度等很多方面，更改某一參數時，儀器一般需要一定時間進行自動設置，如果每個參數都進行優化的話，會消耗很多時間，難以在規定的學時內完成實驗。為了讓學生了解儀器最佳實驗條件的選擇方法，實驗中考查了載氣流速對熒光強度的影響，以便選擇最佳的載氣流速。

氬氣將氫化物反應生成的砷化氫吹出氣液分離器，帶入原子化器中將砷化氫原子化。氬氣不僅是載氣，還是氬-氫火焰的組成部分。載氣流速太小，不能形成氬-氫火焰，所以載氣流速從300 mL?min?1開始。用 4.00 μg?L?1砷標準溶液，固定其他儀器條件，以不同的載氣流速(300、400、500、600和700 mL?min?1)測定相應的熒光強度。實驗結果如圖2所示，載氣流速為400 mL?min?1時，熒光強度最強。載氣流速過低，難以迅速將砷化氫帶入原子化器，會產生氣相干擾，火焰不穩定。載氣流速過高則稀釋了砷化氫和氫氣，產生的基態砷原子蒸氣在原子化器中停留時間短，熒光強度也會降低。所以本實驗選擇載氣流速設置為400 mL?min?1。

圖2 載氣流速對砷熒光強度的影響

在儀器工作條件選擇環節中，更改參數可直接觀察到測量結果的變化，可啟發學生的學習興趣，引導學生對不同條件下得到的實驗結果進行比較和討論，有利于學生加深對基礎知識、原理的掌握和理解，培養學生的觀察和思維能力。

5.2 分析方法學的測定

5.2.1 標準工作曲線的建立

配制0.00、2.00、4.00、8.00和10.00 μg?L?1砷標準溶液，分別測定熒光強度。以砷濃度為橫坐標，熒光強度為縱坐標，建立標準工作曲線，如圖3所示，在0–10.00 μg?L?1濃度范圍內，熒光強度與砷濃度有線性相關關系，相關系數r為0.9975。

圖3 測定砷的標準工作曲線

5.2.2 檢出限和定量限的測定

在光譜分析中，檢出限(limit of detection，LOD)是指能用該分析方法以給定置信度(通常取置信度99.7%)檢測出被測組分的最小量或最小濃度，通常是以LOD = 3 × SD/K計算，SD是連續測量標準空白溶液足夠多次的標準偏差，K是校正曲線的斜率。定量限(limit of quantitation，LOQ)是指用該分析方法能準確定量被測組分的最小濃度，其測量結果具有一定準確度和精密度，按公示LOQ =10 × SD/K計算。通過連續測量標準空白溶液15次，取后11次測量的數據儀器自動計算標準偏差SD，測量標準溶液系列計算標準工作曲線斜率 K，計算出檢出限為 0.05 μg?L?1，定量限為 0.16 μg?L?1。

5.2.3 精密度的測定

精密度是指多次重復測定同一量時各測定值之間彼此相符合的程度，它反映了分析方法存在的隨機誤差的大小，常用相對標準偏差來表示。連續測定10.00 μg?L?1砷標準溶液15次，根據測量的數據計算相對標準偏差為2.1%。

在儀器分析實驗教學中，增加方法學考查的內容，如線性范圍、檢出限、定量限和精密度等，讓學生學會建立完整的分析方法學，將來學生步入社會之后，才能在以后的工作崗位中任勝分析方面的工作，面對陌生的分析物才能知道如何分析[10]。

5.3 自來水樣的分析

利用建立的標準工作曲線計算出試液中砷的含量，進而計算出原自來水中砷的含量為0.09 μg?L?1，高于方法的檢出限 0.05 μg?L?1，但低于方法的定量限 0.16 μg?L?1，說明該自來水樣中含有砷含量，但濃度< 0.16 μg?L?1。根據國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749–2006)，生活飲用水中砷限量為0.01 mg?L?1，說明本地的自來水中砷含量遠遠小于國家標準中要求的限量值，優于國家標準。

通過對實驗結果的分析，學生了解了檢出限和定量限的意義。在檢測工作中，當樣品測定值低于定量限，高于檢出限時，按“<定量限”出具報告，并給出定量限的量值；當樣品測定值低于方法檢出限的測量值，按“未檢出”出具結論，并給出檢出限的量值。并學會如何通過查找資料，運用所學基礎知識積極思考，去解決學習和生活中遇到的實際問題，培養學以致用的意識。

6 思考題

(1) 在測定砷的含量時，為什么加硫脲-抗壞血酸溶液？

(2) 若試樣中同時含有三價砷和五價砷，怎樣才能分別測出它們各自的含量？

(3) 原子吸收分光光度計和原子熒光分光光度計在構造上有何異同點？

7 實驗教學建議

實驗配制溶液過程中，會用到高濃度鹽酸等腐蝕性溶液，須叮囑學生需要佩戴防護手套等防護用具操作。本實驗所用的玻璃器皿在使用之前均需要用10% HNO3浸泡過夜，再依次用自來水、去離子水洗滌干凈，必須專門專用，謹防被污染。

本實驗自2016年以來已經運行4輪，分成每6人一個大組，2人一個小組共同完成實驗，原子熒光分光光度計有1臺，采用循環模式進行實驗教學，共4個學時。學生在規定的實驗教學時間內自己動手操作，練習了移液、定容等配制溶液相關實驗基本技能，再上機操作實驗。通過本實驗，學生基本掌握了原子熒光光譜法的實驗原理、定量方法以及分析條件的優化，學會了建立完整的分析方法學，包括校正曲線的線性范圍，方法的檢出限、定量限和精密度等，提高了學生的學習興趣和動手能力。在實驗過程中我們也強調了對原子熒光分光光度計的維護和保養，培養學生對大型儀器的維護概念和意識，并初步培養學生的科研意識和能力。

8 結語

本文介紹了將氫化物發生-原子熒光光譜法實驗作為本科儀器分析實驗的一個教學內容，在4年(2016–2019年)的教學實踐中取得了良好的教學效果。通過對自來水樣中元素砷的測定，提高了學生的學習興趣和實驗技能，還可以進一步引導學生完成其他元素的測定和對其他實際樣品的測定，使學生主動去探究和學習原子熒光光譜法在分析檢測中的應用，深入理解體會不同原子光譜方法的特點和應用領域。學生畢業后，不管是繼續深造還是工作，能比較容易地依靠儀器分析實驗所學知識選擇相應的分析方法來滿足實際需求。