发射光谱技术激光诱导荧光光谱技术时间分辨荧光

1、第五章 发射光谱技术,1,Laser spectroscopy and its application,Laser spectroscopy and its application,2,在激光光谱中，激光诱导荧光光谱(LIF)是经常采用的、非常灵敏的检测技术，可用于测量原子与分子的浓度、能态布居数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。,第一节 激光诱导荧光光谱技术,3,Laser spectroscopy and its application,原子或分子可通过吸收光子而被激发到能量较高的能态，但处于激发态的原子是不稳定的，它要通过辐射的或非辐射的方式释放出能量而返回到基态。原子或分子通过自发发射返回基态所发射的光称为荧光。,1 原子或分子的荧光发射,Laser spectroscopy and its application,4,谱线强度为：,Nk为能级k的布居数，而频率ki满足hki=k-i。在k和i之间是否存在辐射跃迁或荧光发射，决定于跃迁偶极矩阵元，如果为零，就没有荧光发射。,5,Laser spectroscopy and its application,原子在能级ki间的自

2、发发射系数Aki为,跃迁偶极矩阵元,荧光发射有两个重要特征： 荧光发射是各向同性的，因为自发发射几率与跃迁偶极矩阵元的平方成正比，与偶极矩方向无关； 荧光发射和发射频率的三次方成正比，即随发射频率的增加，自发发射几率快速的增加，说明属于电子跃迁的可见和紫外的短波段，有强的荧光发射，而属于分子的振动或转动跃迁的红外长波段，荧光一般很弱。因此荧光检测方法只适合高频光谱区。,6,Laser spectroscopy and its application,根据具体的能级结构的不同，荧光类型有：,7,Laser spectroscopy and its application,共振荧光,Stokes荧光 红移,Anti-Stokes荧光 蓝移,碰撞辅助Stokes荧光,碰撞辅助双共振荧光, 共振荧光,Laser spectroscopy and its application,8,原子从激发光中吸收光子后从基态上升到激发态，再从激发态通过发射与入射频率相同的光子返回到基态，发射光子的波长与激发光子的波长相同，称为共振荧光。特征：荧光频率与激发光频率相同，在检测中共振荧光容易受到激发光的散射光干

3、扰，接收噪声很大，所以在高灵敏度测量中通常不采用共振荧光。,斯托克斯荧光是波长大于激发光波长的荧光发射。有两种情况：, 斯托克斯(Stokes)荧光,Laser spectroscopy and its application,9,产生反斯托克斯荧光的条件：第一激发态的基态与能级靠得很近，且能级简并度又比基态高，在较高温度下就会出现第一激发态的布居会大于基态布居。在入射光激发下，原子的激发从第一激发态出发，当对基态发射荧光时，荧光波长短于激发光波长。反斯托克斯荧光检测比斯托克斯荧光检测具有更高的灵敏度和更好的信噪比。, 反斯托克斯(anti-Stokes)荧光,Laser spectroscopy and its application,10,用两束激光相继地与原子的两个跃迁发生共振，将原子分两步激发到较高的能态。但是，双共振荧光的测量比较复杂，通常只在以下两种情况时采用：采用其它的检测方式会遇到很强的背景辐射或散射光干扰；除共振荧光外没有可用的一步激发方式。, 碰撞辅助双共振荧光,Laser spectroscopy and its application,11,镉原子的两步激发荧光

4、检测,12,Laser spectroscopy and its application,2.1 二能级速率方程 在研究LIF中经常采用速率方程以计算相关能级的布居数与光子数变化。 对一个可用作LIF检测的能级体系，应有足够大的自发发射系数A21，而碰撞弛豫速率k21很小。为简化计算，忽略其它能级对荧光的影响。,2 荧光的速率方程理论,Laser spectroscopy and its application,13,14,Laser spectroscopy and its application,一个最简单的二能级系统，假设激发光的能量密度为。忽略热碰撞激发速率k12，两能级布居数随时间的变化可以写为,k12,原子发射的荧光光子数Nf是在激光激发后的发射时间内的积分：,假定激光脉冲是一个矩形脉冲，则：,15,Laser spectroscopy and its application,稳态下的定性的荧光发射情况：,16,Laser spectroscopy and its application,稳态下布居数不再随时间变化，此项为0,考虑到能级可能存在简并情况，g1,g2为分别它们

5、的简并度，稳态可得,Nf与实验条件有关： 线性情况：B12(k21+A21),17,Laser spectroscopy and its application,受激吸收几率,碰撞弛豫几率,B12(k21+A21)，激发光强很弱，这时荧光为：,结论：荧光信号比例于激发光的能量密度(线性)。根据量子产额定义，由于碰撞消激发的存在，量子产额1，增强荧光的方法是减少碰撞速率。, 线性情况,Laser spectroscopy and its application,18,量子效率或量子产额,碰撞消激发速率,B12 (k21+A21) ，强光激发，这时荧光为：,结论：可见这时荧光信号与碰撞速率无关，并能达到最大的可能值。如继续增强激发激光强度，荧光强度不会再增加，所以称饱和情况。, 饱和情况,Laser spectroscopy and its application,19,碰撞速率k12、k13可以忽略时，三能级系统的粒子数变化为可写为：,2.2 三能级速率方程,Laser spectroscopy and its application,20,k12,k13,图5-4 LIF的三能级模型,

6、21,Laser spectroscopy and its application,共振荧光,斯托克斯荧光,在稳态情况下, 共振荧光,Laser spectroscopy and its application,22,与受激跃迁速率有关,假设能级2和3的布居比：,入射光很弱时：,23,Laser spectroscopy and its application,荧光强度：,得弱入射光时得荧光光子数,结论：荧光光子数与入射光强成正比(线性)。具有与二能级系统相同的形式。,24,Laser spectroscopy and its application,量子产额,强入射光时，受激跃迁速率远大于各种辐射的与非辐射的消激发过程，发射荧光可写成：,25,Laser spectroscopy and its application,Laser spectroscopy and its application,26,结论：荧光光子数与入射光强无关(饱和)。如果B12=B21，则有,因为布居比与碰撞参数有关，所以在三能级情况下饱和荧光光子数也与碰撞参数有关。, 斯托克斯荧光,Laser spectr

7、oscopy and its application,27,在原子激光诱导荧光检测中，多数情况是检测斯托克斯非共振荧光。发射的荧光光子数为,图5-5 铊原子荧光检测的三能级模型,28,Laser spectroscopy and its application,与共振荧光相比，斯托克斯荧光要复杂得多，原因在于能级3的布居情况对荧光发射有很大的影响，而能级3布居情况直接与它的碰撞消激发速率有关。,3 分子荧光光谱,Laser spectroscopy and its application,29,分子荧光发射过程比较复杂：一个分子的激发态包括它的电子态、振动态和转动态，假定电子激发态的振动-转动能级(vk，Jk)被选择性激发，布居数密度为Nk在平均寿命之内，分子要通过跃迁定则允许的所有低能级(vj，Jj)发射荧光。一条kj荧光线的强度Ikj为,跃迁几率Akj比例于跃迁矩阵元的平方,在玻恩-奥本海默近似下，一个分子能态的总波函数可以写成电子分量、振动分量和转动分量的乘积,于是跃迁几率Akj也可分为三个因子：,30,Laser spectroscopy and its application

8、,电子态之间的耦合,夫兰克-康登(Frank-Condon)因子,荷恩尔-伦敦(Honl-London)因子,对于转动跃迁，选择定则为J=Jk-Jj=0,1，一组振动光谱最多可有三支转动谱线：P支(J=-1 )、Q支(J=0)和R支(J=+1)线。 由于分子具有一定的对称性，某些谱线可能不一定会出现。例如，对于同核双原子分子，若激发态是态，则间的跃迁，或者只存在Q支，或者只存在P支和R支谱线；而对ug的跃迁，只出现P支和R支谱线。,31,Laser spectroscopy and its application,研究分子的荧光有两种方法：,32,Laser spectroscopy and its application,Laser spectroscopy and its application,33,激发光谱是荧光强度以激发波长为函数的光谱。保持光强度不变，连续地调谐激发光的波长，测量在某波长上分子发射的荧光强度变化。如测量波长选择在发射强度的峰值处，则所测量得的发射光谱强度最大。通常发射光谱的形状与吸收光谱的形状很相象，且发射峰的位置也相同，因为分子的吸收过程也是它的激发过程。

9、,Laser spectroscopy and its application,34,荧光光谱是荧光在发射波长上的强度分布。测量荧光光谱时，激发光的波长和强度均保持不变，用单色仪对记录的荧光光谱进行波长扫描，记录在不同波长上的荧光强度就得荧光光谱。荧光光谱反映了分子在不同波长上发射荧光的相对强度。,分子的荧光发射的特征：,Laser spectroscopy and its application,35,相对吸收光谱，荧光光谱向长波长方向移动(红移)，称为斯托克斯(Stokes)位移。从能量的观点来看，斯托克斯位移反映了激发光和发射光之间存在一定的能量损失。这种能量的流失是激发态的部分能量通过非辐射弛豫变为分子的振动能。在溶液情况下，溶剂分子与受激分子之间的碰撞也会引起能量的流失。,（1）斯托克斯位移,Laser spectroscopy and its application,36,不论用何种波长激发，荧光光谱不会发生变化。不同的激发光波长进行激发时，分子激发到它的几个不同的电子激发态，具有很高的内转换和振动弛豫，不管起初激发到了那个电子态，以及其中的那个振动态及转动态，它们都将迅速地弛豫到第一电子激发态的基振动态，然后从第一电子激发态的基振动态对基电子态的跃迁。,（2） 荧光光谱与激发波长无关,Laser spectroscopy and its application,37,荧光光谱和它的吸收光谱之间存在着镜象关系,（3） 镜象关系,Laser spectroscopy and its application,38,Laser spectroscopy and its application,39,蒽的苯溶液的吸收光谱（实线）和荧光光谱（虚线）,Laser spectroscopy and its application,40,镜象关系来源： 基电子态中各振动能级的分布与第一电子态的各振动能级分布相类似； 基电子态的基振动态对与第一电子态的基振动态的00跃迁激发波长，与第一电子态基振动能级对基电子态的基振动态的00发射波长相距最小，而基电子态的基振动态对与第一电子态的最高振动态的激发跃迁波长，与第一电子态基振动能级对基电

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