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(yīng)用光致發(fā)光現(xiàn)象及其應(yīng)用光譜儀簡(jiǎn)介光譜儀簡(jiǎn)介l結(jié)構(gòu)組成及測(cè)試原理結(jié)構(gòu)組成及測(cè)試原理1.光柵分光原理光柵分光原理2.步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)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(shí)間相關(guān)單光子技術(shù)原理（熒光壽命測(cè)試）時(shí)間相關(guān)單光子技術(shù)原理（熒光壽命測(cè)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(xiàng)使用注意事項(xiàng)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(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)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(shí)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(dǎo)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(jìn)行傳遞。光波長(zhǎng)的劃分：光波長(zhǎng)的劃分：按照發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)短 熒光：物質(zhì)在受激發(fā)時(shí)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(chǎng)能）陰極

3、射線發(fā)光（電子束的動(dòng)能）X射線發(fā)光及高能粒子發(fā)光化學(xué)發(fā)光（化學(xué)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(chǎng)，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(biāo)示標(biāo)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(hào)光光信號(hào)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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)入射狹縫入射狹縫掃描機(jī)構(gòu)掃描機(jī)構(gòu)壽命測(cè)試壽命測(cè)試光柵分光的原理光柵分光的原理當(dāng)入射光與光柵面的法線N的方向的夾角為時(shí)，光柵的閃耀角為b，對(duì)于入射角為，而衍射角為時(shí)，滿足光柵方程：d(sin sin)=m時(shí)，光強(qiáng)將出現(xiàn)極大。d為光柵常數(shù)，m1，2，3，為干涉級(jí)，是出現(xiàn)極大值的波長(zhǎng)。當(dāng)入

6、射線與衍射線在光柵法線同側(cè)時(shí)，公式取正號(hào)，異側(cè)取負(fù)號(hào)。光學(xué)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(diǎn)。可知在同一級(jí)干涉極大上，不同波長(zhǎng)的光將散開，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射角越大?？芍谕患?jí)干涉極大上，不同波長(zhǎng)的光將散開，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射角越大。當(dāng)入射光為復(fù)合光時(shí)，光柵的這種色散作用可用來進(jìn)行光譜分析。（波長(zhǎng)）當(dāng)入射光為復(fù)合光時(shí)，光柵的這種色散作用可用來進(jìn)行光譜分析。（波長(zhǎng)） 當(dāng)光柵位于某一個(gè)角度時(shí)（一定）， 衍射角與波長(zhǎng)成正比。 d(sin sin)=m由光柵方程由光柵方程 譜線強(qiáng)度受單縫衍射光強(qiáng)分布曲線調(diào)制，光柵縫數(shù)越多，譜線越細(xì)

7、、越亮。（強(qiáng)度） 光譜分析的精度與光柵的下列參數(shù)有關(guān)：光譜分析的精度與光柵的下列參數(shù)有關(guān)： 色散率色散率; 色分辨本領(lǐng)色分辨本領(lǐng); 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(shí)，確定時(shí)，k 或或 越大，色散率越大；越大，色散率越大； 顯然顯然因?yàn)槭苎苌湟蜃拥淖饔茫驗(yàn)槭苎苌湟蜃拥淖饔?，k 越大，強(qiáng)度越小，所以通常越大，強(qiáng)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(lǐng)色分辨本領(lǐng) 由于干涉條紋有一定寬度，因此當(dāng)兩個(gè)波

8、長(zhǎng)相差很小時(shí)，兩條紋由于干涉條紋有一定寬度，因此當(dāng)兩個(gè)波長(zhǎng)相差很小時(shí)，兩條紋會(huì)重疊，以至不可分辨。會(huì)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(jì)算條紋的寬度：計(jì)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(qiáng)極小光強(qiáng)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(shí)的極小重合時(shí),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(zhǎng)差可分辨的最小波長(zhǎng)差 kN定義色分辨本領(lǐng)定義色分辨本領(lǐng) 波長(zhǎng)相差波長(zhǎng)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(zhǎng)，或?yàn)檫B續(xù)波長(zhǎng)時(shí)，各波長(zhǎng)的中有其它波長(zhǎng)，或?yàn)檫B續(xù)波長(zhǎng)時(shí)，各波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍（自由光譜程）：能允許的最大波長(zhǎng)范圍（自由光譜程）： kFSRkkd1sin即即時(shí)，干涉條紋消失時(shí)，干涉條紋消失 當(dāng)當(dāng)?shù)牡?k+1 級(jí)干涉極大和級(jí)干涉極大和 +的的 k 級(jí)干涉極大重合時(shí)，干涉級(jí)干涉極大重合時(shí)，干涉條紋將完全不可見。條紋將完全不可見。掃描機(jī)構(gòu)：正弦機(jī)構(gòu)掃描機(jī)構(gòu)：正弦機(jī)構(gòu) 利用步進(jìn)電機(jī)控制正弦機(jī)構(gòu)中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵絲杠入射狹縫出射狹縫光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，出射狹縫光波長(zhǎng)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(jí)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?jī)蓚€(gè)相鄰電極之間，都有50100V的電位差。當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，光敏物質(zhì)發(fā)射的電子，首先被電場(chǎng)加速，落在第一個(gè)倍增極上，并擊出二次電子。這些二次電子又被電場(chǎng)加速，落在第二個(gè)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(zhǎng)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(diǎn)。 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(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，還可將電流信號(hào)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(shí)，容易降低使用壽命和損壞探測(cè)器。時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)原理時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)原理 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、系統(tǒng)誤差小，目前最流行的熒光壽命測(cè)定方法。用一窄光脈沖激發(fā)樣品，檢測(cè)樣品所發(fā)射的第一個(gè)熒光光子到達(dá)接收器的時(shí)間；將此時(shí)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(jìn)入各自通道累加存儲(chǔ)，得到直方圖；光子幾率與強(qiáng)度成正比，熒光強(qiáng)度衰變圖。光譜儀的性能參數(shù)光譜儀的性能參數(shù) 波長(zhǎng)范圍：240-1700 nm（光電倍增管） 波長(zhǎng)精度：5000:1 （光路系統(tǒng)） 光譜分辨率：150 nm/s （光路系統(tǒng)） 波長(zhǎng)重復(fù)性：0.

13、3 nm （光路系統(tǒng)）使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng)送樣前需清楚測(cè)試項(xiàng)目及大致測(cè)試條件（激發(fā)波長(zhǎng)及監(jiān)控波長(zhǎng)，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(qǐng)向操作人員提前說明，以便做好防護(hù)措施。實(shí)驗(yàn)過程若有樣品灑落時(shí)，一定要及時(shí)清理，并避免樣品污染光路。實(shí)驗(yàn)人員需保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整潔和衛(wèi)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，務(wù)必將物品擺放整齊，清理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的垃圾，并帶走自己的樣品。操作結(jié)束后必須如實(shí)填寫儀器使用記錄，出現(xiàn)故障務(wù)必如實(shí)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(duì)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(zhǎng)光的激發(fā)下，其發(fā)射譜線和譜帶的強(qiáng)度

14、的關(guān)系；發(fā)射光譜：指試樣在某一特定激發(fā)波長(zhǎng)光的激發(fā)下，所發(fā)射的不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度或能量分布，發(fā)射光譜中強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)稱為主峰；吸收光譜：試樣的吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)的變化（lambert-Beer定律）；外量子效率：熒光粉在一定波長(zhǎng)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(dāng)一束光照射到熒光粉時(shí)，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(duì)熒光粉的發(fā)光起作用，但不是所有被吸收的各種波長(zhǎng)光都能對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)；溫度特性：表示熒光粉的發(fā)射特性與溫度的關(guān)系，包括發(fā)光亮度、激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射主峰及色品坐標(biāo)等；斯托克斯(stokes)位移：斯托克斯位移為最大熒光波長(zhǎng)與最大激發(fā)波長(zhǎng)

15、之差；熒光壽命：當(dāng)一束光激發(fā)熒光物質(zhì)時(shí)，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(shí)，分子的熒光強(qiáng)度降低到激發(fā)時(shí)最大強(qiáng)度的1/e時(shí)所需的時(shí)間為熒光壽命，粒子在激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間。 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 白光的評(píng)價(jià) 環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用 發(fā)光顏色及強(qiáng)度評(píng)價(jià) 熒光功能化應(yīng)用 光電領(lǐng)域 生物領(lǐng)域 光熱領(lǐng)域白光的品質(zhì)白光的品質(zhì)色坐標(biāo)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(dāng)數(shù)量的三個(gè)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(biāo)，簡(jiǎn)稱色坐標(biāo)在C

16、IE1931的xyz表色系統(tǒng)中的色坐標(biāo)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(duì)色品坐標(biāo)(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(jì)算它們的色坐標(biāo)x，y值，將這些x，y值繪制在x，y的色品圖上，各點(diǎn)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(gè)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(dāng)黑體的溫度較低時(shí)，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(lán)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(gè)主觀的定性的概念。國(guó)際照

17、明委員會(huì)(CIE)推薦用一個(gè)色溫接近于待測(cè)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(gè)孟塞爾(Munsel)色片做測(cè)試樣品，Ei評(píng)定待測(cè)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(shù)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(yīng)用熒光在環(huán)境中的應(yīng)用物質(zhì)對(duì)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(cè)定被測(cè)物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收強(qiáng)度，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)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(píng)估格位環(huán)境評(píng)估熒光材料的功能化應(yīng)用：熒光材料的功能化應(yīng)用：光光電電聲聲磁磁 熱熱力力化學(xué)化學(xué)生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)光電領(lǐng)域光電領(lǐng)域 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)生物組織無損傷、無背景熒光、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)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(qiáng)、光化降解特性低、毒性低、發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)、光化降解特性低、毒性低、發(fā)光強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定光效率高、單色性好、有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性。性和光化學(xué)穩(wěn)定性。生物領(lǐng)域生物領(lǐng)域Fe3O4nSiO2mSiO2NaY