第十一章 时间分辨光谱
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时间分辨光谱技术研究亚甲基蓝与小牛胸腺DNA的相互作用
态电荷转移生成 自由基 ， 称为 Ｉ 型反应．当 Ｍ Ｂ的浓度较高时， Ｂ自身就可以作为还原剂 ； Ｍ 在低浓 度 （ ０ ｍ ｌＬ 的 ＭＢ溶液 中 ，ＭＢ对 自身 的 Ｉ型反 应 可 以忽 略 ，同 时在 该浓 度 下 ＭＢ主 要 以单 体 １ ｏ ） Ｘ１ ／ 存 在 ¨ 基 态 ＭＢ分 子与 的 Ⅱ型 （ ； Ｏ 化学猝 灭 ） 自氧 化反 应 可 以忽 略 ．ＭＢ具 有 高 的光 敏 化单 态 氧 量 子产率（ ０５ ， ． ） 本实验采用偏离强吸收带波长 的 ５２ｎ ３ ｍ脉 冲光激发得到 了较强的单态氧发射信
刘 涛等 ：时间分辨光谱技 术研 究亚 甲基蓝与 小牛胸腺 Ｄ Ａ的相互作用 Ｎ
公 司 ） ３ Ｄ １０ Ｐ型长通 滤光 片和 １ ５ ＷＢ ０ ； Ｒ Ｉ０ Ｌ ２ ０ １０型带通 滤光 片 （ 国 Ｏ ｉ 美 ｍｇ 司 ） ａ公 ．
１ ２ 实验 方法 ．
用重水充分溶解 ｃ Ｎ 于 ４ｑ下静置 ２ ． ｔ Ａ， Ｄ Ｃ ４ｈ 将适量的 Ｍ Ｂ晶体溶 于重水 中， 配制成浓度为 １ × １ ｍｏ Ｌ的 ＭＢ溶 液 ．保持 ＭＢ的浓 度为 １×１ ｍ ｌＬ ０ ｌ ／ ０一 ｏ ，配 制 ８份不 同浓 度 比例 的 ｃ Ｎ — ／ ｔ ＡＭＢ混合 Ｄ
Ｔ ９ １ Ｕ ０ 双光束型紫外一 可见分光光度计 （ 北京普析通用仪器有限公司） Ｓｅｔ Ｐｏ ０ ｉ ； ｐｃａｒ ３ ０ 光谱仪 ｒ
（ 国 Ａ ｔｎ 司 ） Ｙ 一０ Ｃ型皮 秒激 光器 （ 国 Ｑ ａｔｍ公 司 ） Ｓ ４ ５型前置 放大 器 和 Ｓ ４０型 多 美 ｃ 公 ｏ ； Ｇ ３０ 法 ｕｎｕ ；Ｒ４ Ｒ３ 通 道信 号平 均器 （ 国 Ｓａｆｒ ｅｅｒｈＳｓ ｍ ） 美 ｔ ｏｄＲ ｓａ ｙｔ ｓ ；Ｈ１３０４ ｎ ｃ ｅ ０ ３－５型 近红 外 光 电倍 增 管 （日本 Ｈａ ｍ ｔ ｍａ ａｓ ｕ
时间分辨光谱学
随着科学技术的不断进步， 对更高时间分辨率的追求将 成为时间分辨光谱学发展的 重要趋势，有望实现阿秒甚 至仄秒级别的时间分辨率。
多维度、多模态 测量技术的发展
未来时间分辨光谱学将更加 注重多维度、多模态测量技 术的发展，如结合空间分辨 、能量分辨等技术，实现更 全面、更深入的物质结构和 动力学信息获取。
研究现状
目前，时间分辨光谱学已经广泛应用于化学、物理、生 物等领域的研究。在化学领域，时间分辨光谱学被用于 研究化学反应动力学、分子结构和化学键等；在物理领 域，时间分辨光谱学被用于研究材料的光学性质、电子 结构和自旋动力学等；在生物领域，时间分辨光谱学被 用于研究生物大分子的结构和功能、细胞代谢和信号传 导等。同时，随着新技术的不断涌现，时间分辨光谱学 的研究方法和手段也在不断更新和完善。
超快过程概述及意义
超快过程定义
发生在极短时间尺度（如飞秒、 皮秒等）内的物理、化学或生物 过程。
研究意义
揭示微观粒子间的相互作用机制 ，理解物质的基本性质和能量转 换过程。
飞秒激光脉冲技术
飞秒激光产生原理
利用锁模技术或克尔透镜锁模技术，实现激光脉冲的极短脉宽输 出。
飞秒激光特点
脉宽极短、峰值功率极高、光谱范围宽。
时间尺度
从纳秒到毫秒，甚至更长 的时间范围。
光谱特性
包括吸收、发射、散射等 光谱现象。
研究目的和意义
揭示物质动态过程
通过研究物质在不同时间尺度上的光谱变化，可以揭示其内部结 构和动力学过程的详细信息。
拓展光谱学应用领域
时间分辨光谱学为化学、物理、生物等领域的研究提供了新的方法 和手段，推动了相关学科的发展。
生物成像
利用磷光材料的长余辉特性，可实现无背景干扰的生物成像，提 高成像对比度和分辨率。
多维度、多模态 测量技术的发展
未来时间分辨光谱学将更加 注重多维度、多模态测量技 术的发展，如结合空间分辨 、能量分辨等技术，实现更 全面、更深入的物质结构和 动力学信息获取。
研究现状
目前，时间分辨光谱学已经广泛应用于化学、物理、生 物等领域的研究。在化学领域，时间分辨光谱学被用于 研究化学反应动力学、分子结构和化学键等；在物理领 域，时间分辨光谱学被用于研究材料的光学性质、电子 结构和自旋动力学等；在生物领域，时间分辨光谱学被 用于研究生物大分子的结构和功能、细胞代谢和信号传 导等。同时，随着新技术的不断涌现，时间分辨光谱学 的研究方法和手段也在不断更新和完善。
超快过程概述及意义
超快过程定义
发生在极短时间尺度（如飞秒、 皮秒等）内的物理、化学或生物 过程。
研究意义
揭示微观粒子间的相互作用机制 ，理解物质的基本性质和能量转 换过程。
飞秒激光脉冲技术
飞秒激光产生原理
利用锁模技术或克尔透镜锁模技术，实现激光脉冲的极短脉宽输 出。
飞秒激光特点
脉宽极短、峰值功率极高、光谱范围宽。
时间尺度
从纳秒到毫秒，甚至更长 的时间范围。
光谱特性
包括吸收、发射、散射等 光谱现象。
研究目的和意义
揭示物质动态过程
通过研究物质在不同时间尺度上的光谱变化，可以揭示其内部结 构和动力学过程的详细信息。
拓展光谱学应用领域
时间分辨光谱学为化学、物理、生物等领域的研究提供了新的方法 和手段，推动了相关学科的发展。
生物成像
利用磷光材料的长余辉特性，可实现无背景干扰的生物成像，提 高成像对比度和分辨率。
时间分辨光谱在光催化和光反应动力学中的应用
Rate models and the determination of the species associated spectra of the intermediate states
The data evaluation on the basis of single spectral traces has a number of disadvantages: – Inferior signal to noise ratio – Effects of spectral diffusion, e.g. caused by solvation or vibrational cooling result in additional non-exponential contributions to the decay signal – Contributions of similar time constants cannot be clearly distinguished – No complete spectral information of intermediate states is obtained
UV/Vis absorption and fluorescence spectra of riboflavin tetraacetate (left). Difference spectrum of the S1 state of riboflavin tetraacetate (bottom) 1 ps after excitation at λ = 480 nm.
Time resolved spectroscopy in photocatalysis
UV/Vis absorption spectroscopy: More than just ε!
临床检验仪器第十一章临床免疫检验仪器习题
第十一章临床免疫检验仪器一、名词解释1.酶免疫分析技术：利用酶的高效催化和放大作用与特异性免疫反应结合而建立的一种标记免疫技术。
2.均相酶免疫分析法：检测过程中抗原抗体反应后，无需分离结合和游离的酶标记物，直接根据反应前后酶活性的改变进行待检物质测定的分析方法。
3.非均相酶免疫分析法：在酶免疫测定中，抗原抗体反应达到平衡后，需分离游离的和与抗原(或抗体)结合形成复合物的酶标记物，然后对经酶催化的底物显色程度进行测定，再推算出样品中待测抗原(或抗体)含量的分析方法。
4.发光免疫分析技术：利用化学发光现象，根据物质发光的不同特征，即辐射光波长、发光的光子数，与产生辐射的物质分子的结构常数、构型、数量等密切相关，通过受激分子发射的光谱、发光衰减常数、发光方向等来判断分子的属性及发光强度进而判断物质的量的免疫分析技术。
5.免疫浊度检测：将液相内的沉淀试验与现代光学仪器和自动分析技术相结合的一项分析技术。
6.放射免疫分析技术：以放射性核素为标记物的标记免疫分析技术。
7.非均相荧光免疫测定法：抗原抗体反应后，先把Ab*Ag 与Ab*分离，然后测定Ab*Ag 或A b*中的标记物的量，从而推算出标本中的A g 量的方法。
8.均相荧光免疫测定法：抗原抗体反应后，Ab*Ag 中的标记物失去荧光特性，不需进行A b*Ag 与A b*的分离直接测定游离的A b*量，从而推算出标本中的A g 量的方法。
9.闪烁体：是将核辐射能激发分子转化成可探测闪光的荧光物质。
常用的有有机闪烁体、无机闪烁体和特殊闪烁体等。
10.时间分辨荧光免疫分析：时间分辨荧光免疫测定是用镧系稀土元素及其螯合物(如 Eu3+螯合物) 作为示踪物标记抗原、抗体、核酸探针等物质，检测标本中的相应抗原或抗体的荧光免疫测定技术。
11.化学发光免疫技术：在检测化学反应中，某些化学基团被氧化后形成激发态，并在返回基态的同时发射一定波长的光子。
仪器利用这种化学基团标记在免疫分析的抗原或抗体上所建立起来的免疫分析为化学发光免疫分析。
时间分辨拉曼光谱
时间分辨拉曼光谱用于声子寿命的测量
K. T. Tsen et al. Applied Physics Letters, 89, 112111, 2006
展望
✓ 时间分辨拉曼光谱的时间分辨率和光谱分辨率进一步 提高: 海森堡不确定原理
✓ 时间分辨拉曼光谱的应用领域进一步扩大: 与其他技术相结合
Dmitry Pestov, et al. Science 316 (2007) 265 David W. McCamant, et al. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 8208-8214
ws wp
Lens
相干反斯托克斯拉曼光谱的优点
✓ 信号强 ✓ 避免荧光干扰 ✓高度相干、高度准直的相干光，易与背景光分开。 ✓…
实验设备 实验设备 OPA wp
Iris
waS
DtSample源自OPA wsL1L2
Dt
E*
wp
E0
wSDDtwtp wpwCAwRSCwARpS wCARS
时间分辨拉曼光谱的应用
wR
能量守恒
was = wp – ws + wp
相位匹配
kas = kp – ks + kp
相干反斯托克斯拉曼光谱
能量守恒
was = wp – ws + wp
wp ws wp was
相位匹配
kas = kp – ks + kp kas
ks
kp
kp
相干反斯托克斯拉曼光谱
was
Iris
wp
Lens Sample
时间分辨拉曼光谱用于光电过程电子输运性质的表征
E. D. Grann et al. Phys. Rev. B, 1996, 53, 9838-9846
第十一章 时间分辨光谱
时间幅度转换（TAC）:
开始 结束
光脉冲
Stop 和start控制也可以调换
（光脉冲stop; 荧光start）
荧光
Na2分子寿命测量
第9.4节 Pump-probe技术
对于<10-10s的物理过程，一般的探测器难以响应 需要pump-probe技术
延迟时间可调
不同延迟时间，探测不同 时间的N1粒子数分布
Deflection voltage:
电场扫描，成像系统y方向上的位置 取决于电子到达偏转电场时间
I (t ) I ( y)
光脉冲经过色谱仪后，在x方 向产生色散
y方向脉宽 x方向色散
成像系统不同x位置相应不同 波长脉冲分布
商用条纹相机Y 方向偏转速度： 1cm/100ps – 1cm/10ns
超短脉冲反展20年
七、高功率超短激光脉冲的产生 1，利用染料对脉冲光放大
YAG泵浦
G1, G2, G3, G4:放大染料池，（同时增大脉宽） SA1, SA2, SA3;饱和吸收材料防止反射光反馈和压制自发辐射放大 grating pair: 脉宽压窄
2，啁啾脉冲放大（1012W～1015W）
折射率
电场诱导非线性极化
1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚
Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的
光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应
与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑 掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲 尾虑掉脉宽压窄
3、光学脉冲压窄 （线性、非线性色散）
> 20ps： 光二极管 (PIN)直接探测 ps： 条纹相机
< ps：
学术报告记录--荧光的飞秒时间分辨光谱
《学 术 报 告 记 录》报告题目：荧光的飞秒时间分辨光谱主 讲 人：时 间： 地点：学术报告主要内容（可加页）：一、荧光光谱荧光光谱的现象被观测是从400年前牛顿用棱镜将太阳光分解成彩色光谱开始的；其理论是100年以前爱因斯坦提出的光量子理论二、光谱仪：任何一台光谱仪一般都是又光源、分光系统（一般是光栅或棱镜）和探测器组成。
其简图如下所示：其中,对于光谱仪中的探测器对于单波长探测，一般用光电倍增管(PMT)；对于全光谱探测，一般用光学多通道分析仪(OMA)或电荷耦合器件(CCD)；对于弱光探测一般用ICCD 。
对于PicoStar-超快响应的增强型CCD ，其数据采集的方法是令激光重复频率和数据采集频率相同，这对对探测器的响应时间要求很快。
对于时间分辨光谱目前有两种方法：一是用现代相机进行连拍；二是用多个相机相继拍三、光学门-Kerr 效应实现的飞秒时间分辨光谱在电场作用下,各向同性的透明介质变为各向异性，从而产生双折射现象—电致双折射或克尔效应。
下图表示fs 脉冲在Kerr 介质中的瞬态双折对于Kerr 介质，一般选用非线性折射率大，响应速度快20||n n E γ=+，且要求在390~780nm 不能有单或双光子吸收。
用光学门可以实现的飞秒时间分辨光谱，其光学结构图如下图所示：在测量方面一般可用上转换荧光的方法来测量飞秒时间分辨光谱。
荧光上转换原理是：利用晶体的非线性效应，当两束光波同时入射到晶体上式衍射光除了含有原来频率的光场以外，还有两入射光场的合频光场，从而实现频率上转换。
在合频转化的过程中要遵守动量守恒123k k k +=和能量守恒123hv hv hv +=或312ωωω=+。
四、脉冲激光和光学门对于飞秒脉冲激光，其脉冲宽度一般为100fs ，重复频率(可调)一般为1kHz ，周期一般为1/1000Hz=1ms ，通过简单的计算容易得到：单周期内一个脉冲行走的距离为：10-3s ⨯3⨯108m/s=105m=100km ；单脉冲的空间长度为100⨯10-15s ⨯3⨯108m/s=3.0⨯10-5m=30μm 。
时间分辨光谱学
(t2-K2∙r/ω )- (t1-K1∙r /ω )= (t4-K4∙r /ω )- (t3-K2∙r /ω )
双氢磷酸氨
脉冲
2 脉冲
光子回波
样品：SF6 光源：CO2激光器
4、光学章动
光学章动表现为当样品原子（或分子）被足够
强的共振光场突然照射时，原子将首先被激发 到高能态（共振吸收），然后回到较低能态 （受激发射）。交替循环地对激光吸收再发射。 这种现象叫做光学章动。
dP
纵向弛豫时间:粒子数衰变时间 横向弛豫时间:相衰变时间 光学跃迁描述为跃迁矢量绕光矢量的进动，进动频率称为 拉莫进动频率
P x P y Pz P , , 该系统的与时间 布洛赫方程： dt T 2 T 2 T1 有关的极化 ＝ （ 12 ） E 1 , 0 , 12 有效光场 2
束共振激发，突然撤去共振激发场，这时被激发 的偶极子处于同位相，因而样品将发射出强相干 光，而且呈现出一种随时间而衰减的性质。
频谱是斯塔克 位移，缓慢变化 是章动信号
(A)用9.7微米连续CO2激光器得到的13CH3F光学章动信号 （B）10.6微米得到的NH2D的自由感应衰减信号
斯塔克开关
二、脉冲傅立叶变换光谱学
2
一切受激原子同相振动时刻，荧光强度比非相干情况大N倍。
超辐射
N 2 ( t ) N 2 ( 0 ) exp(
t T1Biblioteka )光子回波的特性： t2-t1=t4-t3,Δt1=Δt2 信号以exp(- 2Δt1 ／T1)衰减。为均匀展宽。因为均匀展宽(如寿 命展宽)是物质中固有的，所以内在消相是无法复相的。 光子回波是一种无多普勒效应高分辨率光谱，可以用来测量均 匀展宽。 K4＝2K2-K1 确定回波方向。
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高分辨
光谱分辨：, 时间分辨：t
空间分辨 r
高斯线型
取自《数学手册》p.188
Fourier变换
G() g(t)eitdt
g(t)
1
G()eitd
2
半周期
T a 1
T 2
半高宽
T 2 ln 2
4 ln 2 T =8ln 2
自由讨论：
1，什么是Fourier变换？ 2，什么是光泵？ 3，描述脉冲光的物理参量有哪些？单位分别是什么？ 4，什么是幅度调制？可以利用什么办法实现？会出现 什么结果？ 5，什么是光的相干？ 6，测量脉冲光的仪器有哪些？
第十一章 时间分辨激光光谱
• 超短激光脉冲的产生 • 超短激光脉冲的测量 • 寿命测量 • Pump-probe技术
主动锁模：用电光、声光元件进行调幅（损耗）、调相。 被动锁模：放置饱和吸收材料于腔内 自发锁模：多个纵模间的非线性作用
主动锁模 调制器振幅（损耗）调制
单色光 幅度调制频率
腔模
两边带
如果调制频率等于腔模间隔 f c / 2d
如果多次经过声光调制器 0 f 0 2 f 0 3 f ......
d 0 T 0.5 ps d 1um T 1ps
不同方式产生短脉冲激光
五、飞秒激光 0.8
1014 Hz,
T
1
8 3
fs
@ =600nm, 5 1014 Hz, T 2 fs
1、碰撞脉冲锁模（colliding-pulse mode locking, CPM）
在环形腔中，放大A1和吸收A2点间 距为总长的1/4。两相反方向传播的 光脉冲在吸收A2处叠加。形成相涨 相干，形成驻波。 1，吸收介质薄，光通过时间短～ 400fs (d<100um) 2，在驻波中，光强吸收少，光弱吸 收大脉冲压窄。
两脉冲部分重叠，光强 和吸收调制大
t 0
两脉冲完全重叠，光强 和吸收调制小
脉宽
线宽
吸收材料
用锁模激光做同步泵浦 用脉冲激光器L1去泵浦另一激光器L2，
L1
L2
激光器L1的脉冲重复间隔
激光器L2的脉冲重复间隔 T 2d2 / c
d1 d2
同步泵浦
氩离子激光 器泵浦
燃料激光 器输出
由于饱和效应，输出脉冲 比泵浦脉冲短：可以获得 <1ps的光脉冲 脉宽
T d d1 d2
电光效应：电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率 n变化（光率体发生畸变）。
n n0 E0 E02
二次(平方)电光效应[Kerr效应] 一次(线性)电光效应[Pockel 效应]
偏振旋转角
P1, P2偏振方向交叉：
a，实验装置图 b，短脉冲图
三、腔倒空
目的： 从CW激光器中产生脉冲序列
这些模式相干震荡，相位耦合，在t时候到达最大时，经过2d/c时也到达最大
声光调制器
透过光强 透过光强幅度
调制幅度
如果 增益宽度
模式间隔 输出光强总幅度
对应下一个腔模频率 对应下一个腔模幅度
震荡模式数量
模式间隔
脉宽
5个模式锁定 15个模式锁定
被动锁模 腔内非线性饱和吸收材料的周期性饱和
原理（起伏模型）： 自发辐射（光强无规起伏）非线性饱和效应吸收材料对弱的 吸收大对强的吸收小 产生周期脉冲 (<ps)
脉冲重复率
虚线
四、激光器的锁模 自由光谱程
c
模间距（周期）
2L
T 1
调Q： 几十几百倍 2L / c
目的： 获得更窄更强的激光脉冲
T 腔倒空： 2L / c 锁模： 2L / mc (m为模数)
原理： 在一般的脉冲或调Q激光器中，各振荡纵模独立输出能量，模之间 的位相关系不固定，输出为功率相加(mP)。锁模是使各振荡模满足频域相 干叠加条件：（1）模间隔一定；（2）相对位相固定。这样多纵模在腔内 时间相干、振幅叠加，使得总功率出现时间上相对集中短脉冲(ps)。
2、Kerr透镜锁模Kerr lens mode locking, KLM (<100fs)
折射率
电场诱导非线性极化
1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚 Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的 光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应 与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑 掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲 尾虑掉脉宽压窄
0.883* 2
超快现象
激发态的消激发； 非平衡态向热平衡态的弛豫； 分子预解离； 飞秒化学； 视觉过程； 光合作用； ………….
第9.1节 超短激光脉冲的产生
非相干光源的脉冲宽度受激发（放电）电子线路脉宽的限制(ms, ns)；
而超短光脉冲的产生借助于激光的相干性，可远小于电学脉宽也可以小于泵浦光脉冲 (fs, as)。
一、脉冲激光的时间线型
脉冲激发Pp(t)导致脉冲粒子数反转N(t)，从而产生脉冲激光输出PL(t)，但是激光PL(t) 又降低粒子数反转N(t)
Pp(t) N(t) 受激发射激光 PL(t) N(t)
i, k << p 宽脉冲激光
染料激光器
泵浦光上升时间
i, k << p ,i > k 自熄火激光
N2激光器
和泵浦光步调一致，稳定光脉冲
基态i 粒子数保持，激发态k粒子容易清除， 在光泵光减少之前，激光已经停止
I, k >> p 多尖峰脉冲激光 灯泵红宝石激光器
粒子数反转快速建立，受激辐射破 坏粒子数反转
二、调Q
高损耗、低Q值 低损耗、高Q值
目的： 消除尖峰效应，产生强的 窄脉冲激光。
原理： 抽运过程中Q值低，当反 转粒子数达到最大值时突然提高 Q值，此时增益比降低了的阈值 高许多，振荡场迅速建立，产生 雪崩过程，受激辐射很快耗尽反 转粒子数。
Q 0 Ptotal Ploss
1，快速转动腔镜，实现Q开关
2，利用电光效应调Q
原理： 连续运转 (CW) 时Q值高，激光输出小，腔内功率高；突然降低Q 值，腔内储存的能量很快释放，形成脉冲。
第一次经过晶体： 折射 透射
第二次M3反射经过晶体： 折射 透射
折射率正比于声波调制幅度 (t) Is
经过M2, prism反射输出
缺点：在脉冲线性里面，包含2 频率调制信号
举例 脉宽