熒光光譜的相關(guān)概念

1、實驗14 熒光譜測量 發(fā)布時間：2008-06-23 實驗14 熒光譜測量某些物質(zhì)受到電磁輻射而激發(fā)時，它們能重新發(fā)射出相同或較長波長的光。這種現(xiàn)象稱為光致發(fā)光，熒光是光致發(fā)光現(xiàn)象中最常見的類型。如果停止照射，則熒光很快（<10-6s）地消失。通常所觀察到的熒光現(xiàn)象是指物質(zhì)吸收了波長較短的紫外光后發(fā)出波長較長的可見熒光。實際上，熒光現(xiàn)象并不限于上述情況。有些物質(zhì)吸收了紫外光，仍然發(fā)出波長稍長的紫外熒光。有些物質(zhì)吸收了比紫外光波長短得多的X射線，然后發(fā)出波長比所吸收的X射線的波長稍長的X射線熒光，據(jù)此而建立了X射線熒光分析法。通過測量熒光的強度，可用于定量測定許多無機和有機物質(zhì)，它已成為一

2、種很有用的分析方法，特別在生物化學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用。通過實驗學(xué)習(xí)和掌握熒光光度計測定物質(zhì)熒光光譜的原理和方法；熟悉熒光分光光度計的結(jié)構(gòu)及使用方法；測量物質(zhì)的熒光光譜一、實驗原理發(fā)光物質(zhì)因引起發(fā)光的原因不同可分為：熱致發(fā)光、光致發(fā)光、電場致發(fā)光、陰極射線發(fā)光、高能粒子發(fā)光及生物發(fā)光等多種發(fā)光方式。光致發(fā)光的原理是分子在吸收了光能后，從基能態(tài)躍遷到高能態(tài)，在它們再從高能態(tài)返回基能態(tài)時，以光能的形式向外釋放之前吸收的外來能量，即光致發(fā)光所發(fā)生的光。（一）熒光的產(chǎn)生    物質(zhì)吸收光能后所產(chǎn)生的光輻射稱之為熒光和磷光單重態(tài)和三重態(tài)。分子中的電子運動包括分子軌道運動和分子

3、自旋運動，分子中的電子自旋狀態(tài)，可以用多重態(tài)2S+1描述，S為總自旋量子數(shù)。若分子中沒有未配對的電子，即S=0，則2S+11，稱為單重態(tài)；若分子中有兩個自旋方向平行的未配對電子，即S=1，則2S+13，稱為三重態(tài)。大多數(shù)分子在室溫時均處在電子基態(tài)的最低振動能級，當(dāng)物質(zhì)分子吸收了與它所具有的特征頻率相一致的光子時，由原來的能級躍遷至第一電子激發(fā)態(tài)或第二電子激發(fā)態(tài)中各個不同振動能級，其后，大多數(shù)分子常迅速降落至第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級，在這一過程中它們和周圍的同類分子或其他分子撞擊而消耗了能量，因而不發(fā)射光。過程如圖141所示。   處在第一激發(fā)單重態(tài)的電子躍回基態(tài)各振動能

4、級時，將產(chǎn)生熒光，在這一過程中除了熒光還有磷光，以及延遲熒光等，本次實驗我們主要討論熒光。熒光的產(chǎn)生在10-710-9S內(nèi)完成。熒光和磷光的根本區(qū)別：熒光是由激發(fā)單重態(tài)最低振動能層至基態(tài)各振動能層之間的躍遷產(chǎn)生的；而磷光是由激發(fā)三重態(tài)最低振動能層至基態(tài)各振動能層之間的躍遷產(chǎn)生的。       圖141 熒光光譜能級躍遷示意圖產(chǎn)生熒光的第一個必要條件是該物質(zhì)的分子必須具有能吸收激發(fā)光的結(jié)構(gòu)，通常是共軛雙鍵結(jié)構(gòu)；第二個條件是該分子必須具有一定程度的熒光效率。所謂熒光效率是熒光物質(zhì)吸光后所發(fā)射的熒光量子數(shù)與吸收的激發(fā)光的量子數(shù)的比值。 （二

5、）熒光光譜熒光光譜：熒光光譜包括激發(fā)譜和發(fā)射譜兩種。激發(fā)譜是熒光物質(zhì)在不同波長的激發(fā)光作用下測得的某一波長處的熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發(fā)光的相對效率；發(fā)射譜則是某一固定波長的激發(fā)光作用下熒光強度在不同波長處的分布情況，也就是熒光中不同波長的光成分的相對強度。既然然激發(fā)譜是表示某種熒光物質(zhì)在不同波長的激發(fā)光作用下所測得的同一波長下熒光強度的變化，而熒光的產(chǎn)生又與吸收有關(guān)，因此激發(fā)譜和吸收譜極為相似。但是激發(fā)光譜和吸收光譜不同，后者只說明材料的吸收，至于吸收后是否發(fā)完，就不一定了，因此將激發(fā)光譜與吸收光譜進行比較，可以判斷哪種吸收對發(fā)光有用。由于激發(fā)態(tài)和基態(tài)有相似的振動能級分布，而且

6、從基態(tài)的最低振動能級躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)各振動能級的幾率與由第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級躍遷到基態(tài)各振動能級的幾率也相近，因此吸收譜與發(fā)射譜呈鏡象對稱關(guān)系。  （三）有稀土離子的激光晶體的熒光譜稀土離子激活的發(fā)光晶體在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。許多發(fā)光粉、上轉(zhuǎn)換材料及激光材料就是摻稀土離子的。三價自由稀土離子的4f組態(tài)的電子波函數(shù)具有相同的宇稱，沒有電偶極輻射和吸收。當(dāng)三價稀土離子進入晶體后，看到了發(fā)光。對此有人解釋為：靜態(tài)晶體場引起相反宇稱的組態(tài)混雜，并由此觀點出發(fā)推導(dǎo)了躍遷幾率表達式。因為，躍遷幾率決定光譜線的強度，兩個能級之間的躍遷幾率，躍遷截面（吸收或發(fā)射截面），輻射壽命

7、，熒光強度，熒光分支比，量子效率等，這些標(biāo)志強度的參數(shù)都是十分重要的發(fā)光參數(shù)。但是它們的實際測量有時候不是很容易。如果能夠計算出躍遷幾率，這些參數(shù)就可以得到了?，F(xiàn)在以能級壽命為例進行簡單的演繹說明。設(shè)能級E2上的離子數(shù)為N2，由于自發(fā)輻射N2將隨著時間減少。設(shè)時間dt內(nèi)N2的改變量為dN2，則：  dN2= -A21N2dt   或 dN2/N2-A21dt                 

8、60;     （141）積分后：N2=N20exp(-A21t )                                  （142）       

9、                 N20為t=0時候的N2值。上式表明N2減少的快慢與幾率系數(shù)A21的大小有關(guān)，A21越大，則N2減少越快。A21具有時間倒數(shù)的量綱，它的倒數(shù)為： 所以上式可以改寫為：            （143）       反映了粒子平

10、均來說在能級E2上停留時間的長短，它叫做粒子在該能級上的平均壽命，也可理解為在能級E2上的粒子數(shù)減少到開始的1/e,所經(jīng)歷的時間。各種原子的各個能級的壽命與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般激發(fā)態(tài)能級的壽命數(shù)據(jù)級別為108S，也有一些激發(fā)態(tài)的能級壽命特別長的，可達到103S甚至1S，這種壽命特別長的叫做亞穩(wěn)態(tài)。在激光晶體中，壓穩(wěn)態(tài)在激光的產(chǎn)生過程中起著特殊的作用。以上所講只是與自發(fā)躍遷過程中對應(yīng)的壽命，更確切的講應(yīng)叫能級的自然壽命。實際上由于原子間的碰撞或者其它外界干擾。都會使原子的躍遷幾率大大增加，從而能級的實際壽命一般比自然壽命小幾個數(shù)量級。 二、 實驗配置進行分子熒光光譜分析的儀器

11、稱熒光分光光度計。它由5  部分組成：光源；單色器；樣品池；檢測器；顯示裝置。WGY10型熒光分光光度計的光路圖如圖142所示：光源：熒光分光光度計多采用氙燈作為光源，因它具有從短波紫外線到近紅外線的基本上連續(xù)的光譜，以及性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點。近年來激光熒光分析應(yīng)用日廣，它采用激光器作為光源。單色器：是從復(fù)合光色散出窄波帶寬度光束的裝置，由狹縫、鏡子和色散元件組成。色散元件包括棱鏡和光柵。熒光分光光度計有兩個單色器：激發(fā)單色器和發(fā)射單色器。       圖142  熒光分光光度計的光路圖試樣容器：也稱樣

12、品池，用于放置樣品。光源、試樣容器和探測器通常排成直角形，對于不透明的固體試樣，則排成銳角形。 檢測器：通常采用光電倍增管作為檢測器。顯示裝置：熒光分光光度計大多配有微處理機，其信號經(jīng)處理后在屏上顯示，并輸給記錄器記錄。某些型號的熒光分光光度計，按下電鍵即可得出三維熒光光譜。    熒光分光光度計可分為單光束與雙光束兩種。在單光束熒光分光光度計中，光源發(fā)出的光經(jīng)激發(fā)單色器單色化的光只有一束，照射在樣品池上，樣品發(fā)出的熒光經(jīng)過發(fā)射單色器色散后照射在光電倍增管上。三、實驗內(nèi)容與步驟（一）實驗步驟  1、將熒光分光光度開機，預(yù)熱10分鐘左右，將樣品放入樣品池中

13、，測量激發(fā)譜。（具體軟件操作見說明書）  2、根據(jù)測得的激發(fā)譜，確定樣品的激發(fā)波長，用此波長測量樣品的發(fā)射譜。（二）實驗內(nèi)容 1、利用下面給定的公式，結(jié)合熒光發(fā)射譜，對下圖中的幾條輻射進行相關(guān)計算。                （144）                

14、;                         （145）                         

15、0;   圖143 實際釹離子系統(tǒng)的躍遷能級示意圖                                         （146）            &#