4.2 原子荧光光谱法的基本原理
4.2.1 原子荧光光谱的产生
当气态自由原子受到强的特征辐射时，原子的外层电子被激发由基态或较低能态跃迁到高能态，约在10-8s后，在由激发态跃迁返回到基态或较低能级时，同时发射出与照射光波长相同或不同的荧光，即为原子荧光。原子荧光是光致发光，属于二次发光。当激发光源停止辐射后，跃迁停止，荧光立即消失，不同元素的荧光波长不同。
4.2.2 原子荧光光谱的类型
依据激发与发射过程的不同，原子荧光可分为共振荧光、非共振荧光、敏化荧光和多光子荧光四种类型。
4.2.2.1 共振荧光
气态原子吸收共振线被激发后，激发态原子回到基态过程中再发射出与共振线波长相同的荧光，即为共振荧光，如图4-1（a）中的A、C过程。若原子受热激发已处于亚稳态，再吸收辐射进一步激发，在回到亚稳态过程中发射出与激发光相同波长的共振荧光，称为热共振荧光，如图4-1（a）中的B、D过程。
图4-1 原子荧光产生的过程
共振跃迁概率大，因而共振荧光强度最大。
4.2.2.2 非共振荧光
当产生的荧光与激发光的波长不相同时，产生非共振荧光，即跃迁前后的能级发生了变化。非共振荧光又可分为直跃线荧光、阶跃线荧光、反斯托克斯荧光三种。
（1）直跃线荧光（斯托克斯荧光） 直跃线荧光是指激发态原子跃回到高于激发前所处的能级时所发射的荧光，如图4-1（b）所示的两种过程。激发线与荧光线具有相同的高能级，而低能级却不同，荧光能量间隔小于激发线能量间隔，所以荧光波长大于激发线波长。如铅原子吸收283.31nm的光，发射波长为407.78nm的荧光；而铊原子则同时存在着两种荧光形式，如吸收337.6nm的光，发射337.6nm的共振荧光和535.0nm的直跃线荧光。
（2）阶跃线荧光 阶跃线荧光有两种情况。正常阶跃荧光为被光照激发的原子，先以非辐射方式释放部分能量到较低能量的激发态，再以辐射形式返回低能级而发射的荧光。很显然，荧光波长大于激发线波长。非辐射释放能量的方式有碰撞、放热等。例如，钠原子吸收330.30nm的光，发射出波长为588.99nm的荧光，即属于这种情况。热助阶跃线荧光为被光照激发的原子，跃迁至中间能级，又发生热激发至高能级，然后返回至低能级发射的荧光。两种过程如图4-1（c）所示。这时所发出的荧光波长大于激发线波长（荧光能量间隔小于激发能量间隔）。
（3）反斯托克斯荧光 当自由原子跃迁至某一能级时，其激发能一部分是光源激发能，另一部分是热能，即先热激发再光照激发或先光照激发再热激发使之到达某激发态，之后返回基态时发射的荧光。如图4-1（d）所示，荧光能量间隔大于激发能量间隔，荧光波长小于激发线波长。例如铟原子，先热激发，再吸收451.13nm的光跃迁，发射410.18nm的荧光。
4.2.2.3 敏化荧光
受光激发的原子与另一种原子碰撞时，把激发能传递给另一个原子使其激发，后者再以辐射形式去激发而发射的荧光称为敏化荧光。例如，光激发某种原子A使之成为激发态原子A*，然后激发态原子A*与另一种原子B（待测原子）碰撞时，将能量转移给B原子使之成为激发态原子B*，然后激发态原子B*返回基态或低能态时发射敏化原子荧光，这一过程可用下式表示：
A+hν1
A*
A*+B A+B*+ΔE
B* B+hν2
例如，铊与高浓度汞蒸气混合，汞原子首先被253.65nm的激发光激发成Hg*，然后被激发的Hg*再与铊原子碰撞，将吸收的辐射能传递给铊原子。铊原子被激发再发射出377.57nm和535.05nm的敏化原子荧光。产生这类荧光要求A原子的浓度很高，因此在火焰原子化器中难以实现，在非火焰原子化器中才可以得到。
4.2.2.4 多光子荧光
吸收两种以上不同波长能量的光子跃迁至激发态，返回至基态时发射出的荧光，如图4-2所示。
图4-2 多光子荧光
若高能态和低能态均属激发态，由这种过程产生的荧光称为激发态荧光。若激发过程先涉及辐射激发，随后再热激发，由这种过程产生的荧光称为热助荧光。
以上所有类型中，共振荧光强度最大，最为有用。
4.2.3 荧光猝灭与荧光量子效率
在产生荧光的过程中，同时也存在着非辐射去激发的现象。当受激发原子与其他原子碰撞，能量以热或其他非荧光发射方式给出后回到基态，产生非荧光去激发过程，使荧光减弱或完全不发生的现象称为荧光猝灭。荧光的猝灭会使荧光的量子效率降低，荧光强度减弱。因此存在着如何衡量荧光效率的问题，通常定义荧光量子效率为：
（4-1）
式中，Ff为发射荧光的光量子数；Fa为吸收的光量子数。
因为受激发的原子，可能发射共振荧光，也可能发射非共振荧光，还可能发生无辐射跃迁至低能级，所以通常荧光量子效率小于1。
荧光猝灭的程度与原子化气氛有关，氩气气氛中荧光猝灭程度最小。许多元素在烃类火焰（如燃气为乙炔的火焰）中要比在用氩气稀释的氢气-氧气火焰中荧光猝灭大得多，因此原子荧光光谱法尽量不用烃类火焰而用氩气稀释的氢气-氧气火焰代替。使用烃类火焰时，应使用较强的光源，以弥补荧光猝灭的损失。
4.2.4 待测原子浓度与荧光的强度
原子荧光定性的依据是荧光的最大激发波长和所发射的共振荧光波长。
共振荧光的强度由原子吸收与原子发射过程共同决定。当光源强度稳定、辐射光平行及自吸可忽略时，发射荧光的强度If正比于基态原子对特定频率光的吸收强度Ia：
If=ΦIa （4-2）
在理想情况下：
If=ΦI0AK0LN （4-3）
式中，Φ为荧光量子效率，表示发射荧光光量子数与吸收激发光光量子数之比；I0为原子化器内单位面积上接受入射光的强度；A为受光源照射后在检测系统中观察到的有效面积；K0为峰值吸收系数；L为吸收光程长度；N为能够吸收辐射的基态原子浓度。
当仪器操作条件一定时，除N外，其余几项均为常数，N与试样中被测元素浓度c成正比，故：
If=Kc （4-4）
式中，K为常数。上式表明，在实验条件一定时，原子荧光强度与待测元素浓度成正比，这是原子荧光光谱法定量分析的基础。
4.2.5 干扰及消除
原子荧光的主要干扰是猝灭效应，一般可采用减小溶液中其他干扰粒子的浓度来避免。
其他干扰因素如光谱干扰、化学干扰、物理干扰等与原子吸收法相似，此处不再讨论。应该指出的是，在原子荧光法中，由于光源的强度比荧光强度高几个数量级，因此散射光可产生较大的正干扰，要减少散射干扰，主要是要减少散射微粒。采用预混火焰，增高火焰观测高度和火焰温度，或使用高挥发性的溶剂等，均可减少散射微粒。也可采用扣除散射光背景的方法来消除其干扰。