現(xiàn)代儀器分析-熒光光譜儀部分

1、穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀Steady state fluorescence spectrometer2提提 綱綱熒光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象l熒光現(xiàn)象、分類及生活中的熒光熒光現(xiàn)象、分類及生活中的熒光l光致發(fā)光現(xiàn)象及其應用光致發(fā)光現(xiàn)象及其應用光譜儀簡介光譜儀簡介l結(jié)構(gòu)組成及測試原理結(jié)構(gòu)組成及測試原理1.光柵分光原理光柵分光原理2.步進電機的工作原理步進電機的工作原理3.光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理4.時間相關單光子技術原理（熒光壽命測試）時間相關單光子技術原理（熒光壽命測試） l光譜儀的性能參數(shù)光譜儀的性能參數(shù)l使用注意事項使用注意事項穩(wěn)態(tài)熒光穩(wěn)態(tài)熒光l基本分析方法基本分析方法l應用實例應用實例熒光及熒光

2、過程熒光及熒光過程熒光： 物質(zhì)中的電子吸收光的能量由低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軤顟B(tài)，再回到低能狀態(tài)時釋放出的光。 吸收吸收發(fā)射發(fā)射無輻射躍遷無輻射躍遷激發(fā)過程：發(fā)光材料從外界吸收能量，將發(fā)光中心從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)；輻射躍遷過程：發(fā)光中心從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，多余的能量以光子的形式釋放出來；無輻射躍遷過程：發(fā)光中心從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，多余的能量以聲子的形式釋放到晶格中，導致材料溫度的升高；能量傳輸過程：激發(fā)能在基質(zhì)與發(fā)光中心間、發(fā)光中心與發(fā)光中心間進行傳遞。光波長的劃分：光波長的劃分：按照發(fā)光時間長短 熒光：物質(zhì)在受激發(fā)時的發(fā)光 磷光：激發(fā)停止后的發(fā)光按照激發(fā)方式光致發(fā)光（電磁輻射）電致發(fā)光（電場能）陰極

3、射線發(fā)光（電子束的動能）X射線發(fā)光及高能粒子發(fā)光化學發(fā)光（化學能-光能：燃燒）生物發(fā)光熒光生活中的熒光現(xiàn)象生活中的熒光現(xiàn)象光致發(fā)光光致發(fā)光玻璃基板玻璃基板玻璃基板玻璃基板 高亮度高亮度 無污染無污染Plasma Display Panel (PDP)無汞熒光燈無汞熒光燈大畫面大畫面超薄、超輕超薄、超輕視角廣闊視角廣闊4505005506006507007500.00.20.40.60.81.0 4505005506006507007500.00.20.40.60.81.0 4505005506006507007500.00.20.40.60.81.0 450500550600650700750

4、0.00.20.40.60.81.0 4505005506006507007500.00.20.40.60.81.0 Blue chip + YUV chip +RGB固態(tài)照明IlluminationSignalsAutomotiveSigns and DisplaysMobile ApplianceOther Indicators, small displays amusement, misc. other顯示、景觀室外照明：道路、停車場，室內(nèi)照明背光源特殊照明：礦井、醫(yī)院、博物館、冰柜、倉庫、情景照明汽車照明和商用照明Near UV Near IRRemove the source熱熱緊急

5、照明緊急照明標示標示白白天天夜夜晚晚工藝品工藝品 節(jié)能環(huán)保節(jié)能環(huán)保 頻率光電信號光光信號光源光源 斬波斬波器器 單色單色儀儀 樣品樣品室室 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡卡 鎖相放大器鎖相放大器 電腦電腦 并口高壓高壓 電流輸出模式儀器結(jié)構(gòu)組成儀器結(jié)構(gòu)組成光柵單色儀光柵單色儀光源光源接收單元接收單元PMTA/D變換計算機計算機入射狹縫入射狹縫掃描機構(gòu)掃描機構(gòu)壽命測試壽命測試光柵分光的原理光柵分光的原理當入射光與光柵面的法線N的方向的夾角為時，光柵的閃耀角為b，對于入射角為，而衍射角為時，滿足光柵方程：d(sin sin)=m時，光強將出現(xiàn)極大。d為光柵常數(shù)，m1，2，3，為干涉級，是出現(xiàn)極大值的波長。當入

6、射線與衍射線在光柵法線同側(cè)時，公式取正號，異側(cè)取負號。光學教程姚啟鈞（第三版）高等教育出版社，P125-137.分光：與三棱鏡相比，具有色散均勻、分辨率高、光譜范圍寬等優(yōu)點?？芍谕患壐缮鏄O大上，不同波長的光將散開，波長越長，衍射角越大?？芍谕患壐缮鏄O大上，不同波長的光將散開，波長越長，衍射角越大。當入射光為復合光時，光柵的這種色散作用可用來進行光譜分析。（波長）當入射光為復合光時，光柵的這種色散作用可用來進行光譜分析。（波長） 當光柵位于某一個角度時（一定）， 衍射角與波長成正比。 d(sin sin)=m由光柵方程由光柵方程 譜線強度受單縫衍射光強分布曲線調(diào)制，光柵縫數(shù)越多，譜線越細

7、、越亮。（強度） 光譜分析的精度與光柵的下列參數(shù)有關：光譜分析的精度與光柵的下列參數(shù)有關： 色散率色散率; 色分辨本領色分辨本領; 自由光譜程自由光譜程. 1. (角角)色散率色散率 dd1cosdkDdd由光柵方程由光柵方程 kdsin 光柵周期光柵周期d越小，色散率越大；越小，色散率越大； 光柵周期光柵周期d確定時，確定時，k 或或 越大，色散率越大；越大，色散率越大； 顯然顯然因為受衍射因子的作用，因為受衍射因子的作用，k 越大，強度越小，所以通常越大，強度越小，所以通常 k=1 或或 k=2.但是但是光柵的色散光柵的色散 2. 色分辨本領色分辨本領 由于干涉條紋有一定寬度，因此當兩個波

8、長相差很小時，兩條紋由于干涉條紋有一定寬度，因此當兩個波長相差很小時，兩條紋會重疊，以至不可分辨。會重疊，以至不可分辨。 表征儀器分開兩條極為靠近的光譜線的能力計算條紋的寬度：計算條紋的寬度： 主極大位置主極大位置 kdksin0sinNNk1 Nkk 主極大兩側(cè)極小的位置主極大兩側(cè)極小的位置 22220sinsinsinNIIPsindNkdksinNkddkksincoscossin1cos通常光柵的縫數(shù)通常光柵的縫數(shù) N 很大很大 很小很小 NdkcosNdkcos條紋的角半寬度：條紋的角半寬度：sin 單縫衍單縫衍射因子射因子多縫干涉因多縫干涉因子子光強極小光強極小Rayleigh判據(jù)

9、：判據(jù)：+ 的主極大與的主極大與的極小重合時的極小重合時,兩條紋剛剛能分辨兩條紋剛剛能分辨 光柵的色散及光柵的色散及Rayleigh判據(jù)判據(jù)由色散率公式由色散率公式 cos1kdddkN可分辨的最小波長差可分辨的最小波長差 kN定義色分辨本領定義色分辨本領 波長相差波長相差的條紋角間距的條紋角間距cos1kdNdcos條紋的角半寬度：條紋的角半寬度：Rayleigh判據(jù)判據(jù). 自由光譜區(qū)（色散范圍）自由光譜區(qū)（色散范圍） 如果在如果在 和和 +中有其它波長，或為連續(xù)波長時，各波長的中有其它波長，或為連續(xù)波長時，各波長的干涉極大條紋將介于干涉極大條紋將介于和和 +的條紋之間，使條紋模糊。的條紋之

10、間，使條紋模糊。 能允許的最大波長范圍（自由光譜程）：能允許的最大波長范圍（自由光譜程）： kFSRkkd1sin即即時，干涉條紋消失時，干涉條紋消失 當當?shù)牡?k+1 級干涉極大和級干涉極大和 +的的 k 級干涉極大重合時，干涉級干涉極大重合時，干涉條紋將完全不可見。條紋將完全不可見。掃描機構(gòu)：正弦機構(gòu)掃描機構(gòu)：正弦機構(gòu) 利用步進電機控制正弦機構(gòu)中絲杠的轉(zhuǎn)動，進而控制光柵轉(zhuǎn)動。光柵絲杠入射狹縫出射狹縫光柵轉(zhuǎn)動，出射狹縫光波長改變a nm光電倍增管由兩部分組成：將入射光子轉(zhuǎn)化為電子的光陰極，增大電子數(shù)目的倍增極。 光電倍增管的外殼由玻璃或石英制成，內(nèi)部抽成真空。光陰極上涂有能發(fā)射電子的光敏物質(zhì)

11、，在陰極和陽極之間聯(lián)有一系列次級電子發(fā)射極，即電子倍增極。陽極和陰極之間加以約1000V的直流電壓。在每兩個相鄰電極之間，都有50100V的電位差。當光照射在陰極上時，光敏物質(zhì)發(fā)射的電子，首先被電場加速，落在第一個倍增極上，并擊出二次電子。這些二次電子又被電場加速，落在第二個倍增極上，擊出更多的二次電子，依此類推。由此可見，光電倍增管不僅起了光電轉(zhuǎn)換作用，而且還起著電流放大作用。 光電倍增管具有波長區(qū)域?qū)挘ǔＳ?60900nm）、線性范圍大、放電增益高及噪聲低等很多優(yōu)點。 接收元件：接收元件：PMT 作用：是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，還可將電流信號放

12、大； 使用注意：由于PMT具有極高的積分靈敏度，因此入射光能量過大時，容易降低使用壽命和損壞探測器。時間相關單光子計數(shù)原理時間相關單光子計數(shù)原理 優(yōu)點：靈敏度高、測定結(jié)果準確、系統(tǒng)誤差小，目前最流行的熒光壽命測定方法。用一窄光脈沖激發(fā)樣品，檢測樣品所發(fā)射的第一個熒光光子到達接收器的時間；將此時間成比例的轉(zhuǎn)換為電壓脈沖A/D轉(zhuǎn)換到多通道分析器，脈沖進入各自通道累加存儲，得到直方圖；光子幾率與強度成正比，熒光強度衰變圖。光譜儀的性能參數(shù)光譜儀的性能參數(shù) 波長范圍：240-1700 nm（光電倍增管） 波長精度：5000:1 （光路系統(tǒng)） 光譜分辨率：150 nm/s （光路系統(tǒng)） 波長重復性：0.

13、3 nm （光路系統(tǒng)）使用注意事項使用注意事項送樣前需清楚測試項目及大致測試條件（激發(fā)波長及監(jiān)控波長，掃描范圍等）。粉末樣品；薄膜樣品；液體樣品。樣品如屬有毒物質(zhì)，請向操作人員提前說明，以便做好防護措施。實驗過程若有樣品灑落時，一定要及時清理，并避免樣品污染光路。實驗人員需保持實驗室內(nèi)整潔和衛(wèi)生。實驗結(jié)束后，務必將物品擺放整齊，清理實驗產(chǎn)生的垃圾，并帶走自己的樣品。操作結(jié)束后必須如實填寫儀器使用記錄，出現(xiàn)故障務必如實記錄，便于日后維修。分析方法：穩(wěn)態(tài)分析方法：穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光瞬態(tài)熒光相對亮度：在規(guī)定激發(fā)條件下，試樣與參比樣品的亮度之比；激發(fā)光譜：指材料在不同波長光的激發(fā)下，其發(fā)射譜線和譜帶的強度

14、的關系；發(fā)射光譜：指試樣在某一特定激發(fā)波長光的激發(fā)下，所發(fā)射的不同波長光的強度或能量分布，發(fā)射光譜中強度最大的波長稱為主峰；吸收光譜：試樣的吸收系數(shù)隨入射光波長的變化（lambert-Beer定律）；外量子效率：熒光粉在一定波長的光激發(fā)下，發(fā)射的熒光光子數(shù)與激發(fā)光的光子數(shù)之比。當一束光照射到熒光粉時，一部分被反射、散射，一部分透射，其他的被吸收。只有被吸收的這部分光才能對熒光粉的發(fā)光起作用，但不是所有被吸收的各種波長光都能對發(fā)光有貢獻；溫度特性：表示熒光粉的發(fā)射特性與溫度的關系，包括發(fā)光亮度、激發(fā)波長、發(fā)射主峰及色品坐標等；斯托克斯(stokes)位移：斯托克斯位移為最大熒光波長與最大激發(fā)波長

15、之差；熒光壽命：當一束光激發(fā)熒光物質(zhì)時，熒光物質(zhì)的分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)，再以輻射的形式發(fā)出熒光回到基態(tài)，激發(fā)停止時，分子的熒光強度降低到激發(fā)時最大強度的1/e時所需的時間為熒光壽命，粒子在激發(fā)態(tài)的平均時間。 應用舉例：應用舉例： 白光的評價 環(huán)境領域的應用 發(fā)光顏色及強度評價 熒光功能化應用 光電領域 生物領域 光熱領域白光的品質(zhì)白光的品質(zhì)色坐標在RGB三原色系統(tǒng)中，三原色光亮度并不相同，其光亮度之比為RGB=14.59070.0601。在三色系統(tǒng)中，任何一種顏色的色刺激可用適當數(shù)量的三個原色的色刺激相匹配，每一原色的刺激量與三原色刺激總量的比稱為該色的色品坐標，簡稱色坐標在C

16、IE1931的xyz表色系統(tǒng)中的色坐標為x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z)由于x+y+z=1，故由一對色品坐標(x，y)就可以表示一種顏色 由普朗克公式可得不同色溫黑體的光譜能量分布曲線，按照三刺激值計算它們的色坐標x，y值，將這些x，y值繪制在x，y的色品圖上，各點連成一條曲線，其形狀如圖所示，這條曲線就稱為黑體軌跡。用這個黑體的溫度來表示該光源的顏色溫度，稱為色溫(Tc)。由圖可知，當黑體的溫度較低時，光色呈橙黃色。光色隨溫度升高逐漸接近白色，繼續(xù)升高黑體的發(fā)光就略顯藍色。 光源在照射物體后所引起的顏色效果就稱為光源的顯色性。它是一個主觀的定性的概念。國際照

17、明委員會(CIE)推薦用一個色溫接近于待測光源的普朗克輻射體作參照光源，并將其顯示指數(shù)定為100，用8個孟塞爾(Munsel)色片做測試樣品，Ei評定待測光源的顯色指數(shù)，CIE規(guī)定光源顯色指數(shù)由公式Ri=100-4.6Ei確定，單塊色片的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)Ri，光源的特殊顯色指數(shù)的算術平均值稱為一般顯色指數(shù)Ra，光源的顯色指數(shù)越高，其顯色性越好。0min20min120min450500550600Abs Wavelength / nm1110102030405060(a)熒光在環(huán)境中的應用熒光在環(huán)境中的應用物質(zhì)對光的吸收具有選擇性I0IdxI-dI透光度：T=I/I0吸光度：A=-lo

18、gI/I0=-logTdI/dx=-AI通過測定被測物質(zhì)對不同波長的光的吸收強度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖，得到A-吸收曲線熒光發(fā)射光譜熒光發(fā)射光譜: Host: ActivatedUV-lightBlue-lightExcitationEmission35/40格位環(huán)境評估格位環(huán)境評估熒光材料的功能化應用：熒光材料的功能化應用：光光電電聲聲磁磁 熱熱力力化學化學生物醫(yī)學生物醫(yī)學光電領域光電領域 優(yōu)點：對生物組織無損傷、無背景熒光、優(yōu)點：對生物組織無損傷、無背景熒光、信噪比高、發(fā)光穩(wěn)定性好、抗光漂白特性信噪比高、發(fā)光穩(wěn)定性好、抗光漂白特性強、光化降解特性低、毒性低、發(fā)光強度強、光化降解特性低、毒性低、發(fā)光強度高、高、StokesStokes位移大、光散射低等位移大、光散射低等 。要求：小尺寸、單分散、具有水溶性、發(fā)要求：小尺寸、單分散、具有水溶性、發(fā)光效率高、單色性好、有較好的化學穩(wěn)定光效率高、單色性好、有較好的化學穩(wěn)定性和光化學穩(wěn)定性。性和光化學穩(wěn)定性。生物領域生物領域Fe3O4nSiO2mSiO2NaY