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Lexikon der Chemie: Atomfluoreszenzspektrometrie

Atomfluoreszenzspektrometrie, AFS, Methode der Atomspektroskopie, die das Fluoreszenzvermögen freier Atome zu ihrer quantitativen Bestimmung ausnutzt. Das Prinzip der Methode ist am Blockschema eines Atomfluoreszenzspektrometers erkennbar (Abb. 1).



Atomfluoreszenzspektrometrie. Abb. 1: Blockschema eines Atomfluoreszenzspektrometers.

Intensive monochromatische Anregungsstrahlung, wie sie von Farbstofflasern oder elektrodenlosen Entladungslampen geliefert wird, wird auf ein Plasma fokussiert, das wie in der Atomabsorptionsspektrometrie durch untergrundarme Flammen oder durch elektrothermische Anregung erzeugt wird. In diesem Plasma liegt die Probe in Form freier Atome vor, die sich ganz überwiegend im Grundzustand befinden. Die Frequenz ν der Anregungsstrahlung wird so gewählt, daß ihre Energie entsprechend der Beziehung ΔE = h·ν gerade der Anregungsenergie ΔE der zu untersuchenden Atome entspricht (h ist das Plancksche Wirkungsquantum). Durch Absorption dieser Strahlung gehen die Atome in einen angeregten Zustand über. In diesem Zustand verbleiben sie nur kurze Zeit (≈ 10-8 s). Unter Emission der Anregungsenergie oder Teilen davon in Form von Fluoreszenzlicht kehren die Atome in den Grundzustand oder einen niedrigeren Anregungszustand zurück. Das emittierte Fluoreszenzlicht wird im rechten Winkel zur Anregungsstrahlung – um deren direkten Einfall zu vermeiden – von einem Monochromator zerlegt und die Intensität mit einem geeigneten Detektor (z. B. einem Sekundärelektronenvervielfacher) gemessen. Da das Fluoreszenzlicht Licht verschiedener Wellenlängen sowie Streulicht enthalten kann, ist es notwendig, mit Hilfe eines Monochromators die zur Analyse benutzte Fluoereszenzlinie auszusondern. Um die störende Eigenemission der Flamme zu eliminieren, moduliert man die Anregungsstrahlung, so daß nur das durch diese hervorgerufene Fluoreszenzlicht vom Detektor registriert wird.



Atomfluoreszenzspektrometrie. Abb. 2: Direktlininenfluoreszenz des Thalliums.

Man unterscheidet vier verschiedene Arten von Fluoreszenz: 1) Resonanzfluoreszenz, die dann auftritt, wenn die Fluoreszenzstrahlung die gleiche Wellenlänge wie die absorbierte Strahlung hat. Ihre Verwendung bietet die empfindlichste Nachweismöglichkeit. 2) Direktlinienfluoreszenz. Sie erfolgt bei größeren Wellenlängen, als es der absorbierten Strahlung entspricht, da durch die Fluoreszenz nicht wieder der Grundzustand, sondern ein anderer Zustand erreicht wird (Abb. 2). 3) Stufenweise Fluoreszenz liegt vor, wenn das in einem höheren Zustand angeregte Atom zunächst durch Desaktivierung in den ersten angeregten Zustand und anschließend unter Emission der Resonanzlinie in den Grundzustand übergeht (Abb. 3). 4) Sensibilisierte Fluoreszenz, die dann auftritt, wenn die Anregungsenergie durch Zusammenstöße mit einem vorher angeregten Atom eines anderen Elementes übertragen wird. So sendet ein Plasma, das gleichzeitig Hg- und Tl-Atome enthält, bei der Bestrahlung mit der Hg-Linie bei 253,7 nm die beiden Tl-Linien bei 377,6 und 535,0 nm aus.



Atomfluoreszenzspektrometrie. Abb. 3: Stufenweise Fluoreszenz des Natriumatoms.

Die Intensität der Fluoreszenz hängt von der Intensität der Anregungsstrahlung, vom Anteil der von den Atomen absorbierten Strahlung, von der Quantenausbeute der Fluoreszenz und vom Anteil der Fluoreszenzstrahlung, die von anderen Atomen reabsorbiert wird (Selbstlöschung), ab. Für praktische Belange ist wesentlich, daß die Fluoreszenzstrahlung der Intensität der Anregungsstrahlung sowie der Anzahl der Atome im Absorptionsplasma proportional ist. Ist die Quantenausbeute der Fluoreszenz hoch, so kann daraus ein außerordentlich hohes Nachweisvermögen für bestimmte Elemente resultieren, was die A. zur Spurenanalyse besonders geeignet macht.

Die Auswertung der Fluoreszenzmessungen erfolgt mit Hilfe von Kalibrierkurven, die vielfach eine in weiten Bereichen lineare Abhängigkeit von Fluoreszenzintensität und Konzentration zeigen. Allerdings existieren zahlreiche Faktoren, die die Richtigkeit der Analyse beeinträchtigen können und bisher eine weite Verbreitung der A. verhindert haben.

Die A. ist vornehmlich zur Spurenanalyse solcher Metalle wie Zn, Cd, Hg, Tl, Cu, Ag, Au, Pb, Mg eingesetzt worden, was auf der gegenwärtig noch dominierenden Technik der Anregung mit elektrodenlosen Entladungslampen beruht. Mit dem stärkeren Einsatz von Farbstofflasern wird sich diese Auswahl verändern.

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