第13讲-第五章-发射光谱技术 激光诱导荧光光谱技术 时间分辨荧光PPT课件
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《激光光谱学》课件
激光光谱学在材料科学中用于材料表征、纳米技术 和光电子学等领域。
光电子学
激光光谱学在光电子学中广泛应用于激光器、太阳 能电池和光纤传感等技术。
总结与展望
激光光谱学是一门强大的科学工具，在各个领域中发挥着重要作用。随着技术的不断进步，我们对光谱学的理 解和应用将会不断深化。
通过激光光谱分析，我们可以准确检测物质的组成和浓度，应用于环境监测和化学分析等领 域。
信息传输
激光被广泛用于光纤通信，带来高速、稳定的数据传输。
激光光谱的原理与技术
1
激光共振拉曼光谱
2
ห้องสมุดไป่ตู้
激光共振拉曼光谱分析技术可以检测分
子的振动模式，用于反应动力学和材料
表征研究。
3
激光诱导荧光光谱
通过激光光谱技术，可以观察分子的发 光行为，用于药物研究和生物成像等应 用。
激光吸收光谱
激光吸收光谱通过测量物质吸收激光的 能量变化，用于化学反应研究和气体检 测等领域。
激光光谱在科学研究中的应用
分析化学
激光光谱学在分析化学中用于定量分析、物质鉴别 和纯度检验。
生物学与医学
激光光谱学在生物学和医学领域中有广泛应用，如 激光手术和细胞成像。
激光光谱在工业应用中的应用
材料科学
《激光光谱学》PPT课件
探索激光光谱学的奥秘，了解其基础概念，以及在科学研究和工业应用中的 重要性。
光谱学的定义
光谱学是研究光的性质和相互作用的科学领域。通过对光的分析，我们可以 深入了解不同物质的特性和结构。
激光的特性及应用
高度聚焦
激光光束具有高度聚焦的特性，可用于精确操作和微创治疗。
激发光谱分析
光电子学
激光光谱学在光电子学中广泛应用于激光器、太阳 能电池和光纤传感等技术。
总结与展望
激光光谱学是一门强大的科学工具，在各个领域中发挥着重要作用。随着技术的不断进步，我们对光谱学的理 解和应用将会不断深化。
通过激光光谱分析，我们可以准确检测物质的组成和浓度，应用于环境监测和化学分析等领 域。
信息传输
激光被广泛用于光纤通信，带来高速、稳定的数据传输。
激光光谱的原理与技术
1
激光共振拉曼光谱
2
ห้องสมุดไป่ตู้
激光共振拉曼光谱分析技术可以检测分
子的振动模式，用于反应动力学和材料
表征研究。
3
激光诱导荧光光谱
通过激光光谱技术，可以观察分子的发 光行为，用于药物研究和生物成像等应 用。
激光吸收光谱
激光吸收光谱通过测量物质吸收激光的 能量变化，用于化学反应研究和气体检 测等领域。
激光光谱在科学研究中的应用
分析化学
激光光谱学在分析化学中用于定量分析、物质鉴别 和纯度检验。
生物学与医学
激光光谱学在生物学和医学领域中有广泛应用，如 激光手术和细胞成像。
激光光谱在工业应用中的应用
材料科学
《激光光谱学》PPT课件
探索激光光谱学的奥秘，了解其基础概念，以及在科学研究和工业应用中的 重要性。
光谱学的定义
光谱学是研究光的性质和相互作用的科学领域。通过对光的分析，我们可以 深入了解不同物质的特性和结构。
激光的特性及应用
高度聚焦
激光光束具有高度聚焦的特性，可用于精确操作和微创治疗。
激发光谱分析
激光诱导荧光光谱技术
No. 12
应用
(3)燃烧系统中的应用
测量温度、粒子浓度等。LIF方法在火焰中粒子 浓度的测量包括： ① 瞬态自由基粒子的测量。瞬态自由基是燃烧中的 反应中间体，如OH等。 ② 污染粒子测量，用于对污染物的控制与排放，常 见的污染粒子有NO、CO、NO2、SO2等分子， LIF方法的空间与时间的分辨测量有助于深入理解 燃烧过程中这些粒子形成的机理。 ③ 金属粒子的测量，如Na、K、NaS等。
No. 11
应用
(2)水质监测
LIF 遥测系统以355 nm 激发波长的Nd-YAG晶体激 光器为激发光源, 脉冲宽度4 ns , 重复频率10Hz 。脉冲 激光通过卡塞格伦望远镜射入待测水体, 后向散射的荧光 进入望远镜, 使用光纤分为两路, 一路通过干涉滤光片, 光电倍增管测量作为水拉曼光强度, 另一路通过安装有中 心波长为355 、450 和685 nm 三块干涉滤光片的转轮, 以光电倍增管测量瑞利散射光、DOM 荧光和叶绿素a 荧光强度。测得的瑞利散射光、DOM 荧光和叶绿素a 荧光强度以水拉曼光强度进行归一化, 记为瑞利散射因子、 DOM 荧光因子和叶绿素a 荧光因子, 分别与水体浊度、 DOM 浓度和叶绿素a 浓度成线性正相关。
光学组件：光路调整，光路转换，过滤杂散光等作用。
样品池：气体密闭池、液体池。窗口与光路上不产生激发光的散射，
窗口与池壁不产生荧光、样品池的窗口通常作成布儒斯特角。
光电探测器：光电倍增管、光电二极管、电荷耦合器件CCD等。
信号处理模块：信号采集、分析、显示和处理, 根据信号控制激光
器、检测光路和光电探测器等模块, 实现在线分析、处理和信号优化。
处于高能态的分子不稳定，在一定时间内它会从高能态返 回到基态。在此过程中，分子会通过自发辐射释放能量发光而 产生荧光，这就是激光诱导荧光。
应用
(3)燃烧系统中的应用
测量温度、粒子浓度等。LIF方法在火焰中粒子 浓度的测量包括： ① 瞬态自由基粒子的测量。瞬态自由基是燃烧中的 反应中间体，如OH等。 ② 污染粒子测量，用于对污染物的控制与排放，常 见的污染粒子有NO、CO、NO2、SO2等分子， LIF方法的空间与时间的分辨测量有助于深入理解 燃烧过程中这些粒子形成的机理。 ③ 金属粒子的测量，如Na、K、NaS等。
No. 11
应用
(2)水质监测
LIF 遥测系统以355 nm 激发波长的Nd-YAG晶体激 光器为激发光源, 脉冲宽度4 ns , 重复频率10Hz 。脉冲 激光通过卡塞格伦望远镜射入待测水体, 后向散射的荧光 进入望远镜, 使用光纤分为两路, 一路通过干涉滤光片, 光电倍增管测量作为水拉曼光强度, 另一路通过安装有中 心波长为355 、450 和685 nm 三块干涉滤光片的转轮, 以光电倍增管测量瑞利散射光、DOM 荧光和叶绿素a 荧光强度。测得的瑞利散射光、DOM 荧光和叶绿素a 荧光强度以水拉曼光强度进行归一化, 记为瑞利散射因子、 DOM 荧光因子和叶绿素a 荧光因子, 分别与水体浊度、 DOM 浓度和叶绿素a 浓度成线性正相关。
光学组件：光路调整，光路转换，过滤杂散光等作用。
样品池：气体密闭池、液体池。窗口与光路上不产生激发光的散射，
窗口与池壁不产生荧光、样品池的窗口通常作成布儒斯特角。
光电探测器：光电倍增管、光电二极管、电荷耦合器件CCD等。
信号处理模块：信号采集、分析、显示和处理, 根据信号控制激光
器、检测光路和光电探测器等模块, 实现在线分析、处理和信号优化。
处于高能态的分子不稳定，在一定时间内它会从高能态返 回到基态。在此过程中，分子会通过自发辐射释放能量发光而 产生荧光，这就是激光诱导荧光。
激光诱导荧光技术ppt课件
15
研究LIF主要课题组
编辑版pppt
16
LIFD主要生产厂家
Picometrics Beckman
ABI
Unimicro
用于高效液相 色谱、毛细管 用于毛细管 电泳、微流动 电泳；
分析系统等领
域；
光源为气体
激光器
光源为固态二 极管激光器
用于毛细管 电泳、微流 控系统；
光源为气体 激光器
光源为固体 激光器；
编辑版pppt
23
LIF应用及展望
❖ 1.气体激光器发射波长单一、价格昂贵、维护费高和寿命 短等缺点限制了LIF系统的推广普及。
❖ 2.固态二极管激光器用于LIF，可以提高检测生物基质中 超低量溶质的能力，同时可以保证源于生物基质的背景干 涉最小。
❖ 3.LIF在生物工程中的应用已经取得了丰硕成果，并有一 部分成果转化为商品，随着激光、探测及电子等关键技术 水平的不断提高，LIF将在生物分析的各个领域中发挥更 大的作用。
编辑版pppt
19
LIF应用及展望
LIF应用
生物
医学
环境
其他
毛细血管 电泳检测
诊断病变 （肺癌、 皮肤癌等）
检测大气、 水体污染
检测火焰、 流场等
编辑版pppt
20
人常暴露于可造成DNA损 伤的环境中，如紫外光、多 环芳烃、重金属元素。如果 损伤未能得到适当的修复， 可引起基因突变，有可能进 一步引发癌症或造成细胞死 亡。DNA有自我修复功能， 保护我们的细胞防止突变。 利用荧光偏振特性，揭示 DNA修复机器可识别多种不 同化学结构DNA损伤的机制 。
编辑版pppt
10
LIF检测系统
❖ LIF 检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、 信号处理模块。
研究LIF主要课题组
编辑版pppt
16
LIFD主要生产厂家
Picometrics Beckman
ABI
Unimicro
用于高效液相 色谱、毛细管 用于毛细管 电泳、微流动 电泳；
分析系统等领
域；
光源为气体
激光器
光源为固态二 极管激光器
用于毛细管 电泳、微流 控系统；
光源为气体 激光器
光源为固体 激光器；
编辑版pppt
23
LIF应用及展望
❖ 1.气体激光器发射波长单一、价格昂贵、维护费高和寿命 短等缺点限制了LIF系统的推广普及。
❖ 2.固态二极管激光器用于LIF，可以提高检测生物基质中 超低量溶质的能力，同时可以保证源于生物基质的背景干 涉最小。
❖ 3.LIF在生物工程中的应用已经取得了丰硕成果，并有一 部分成果转化为商品，随着激光、探测及电子等关键技术 水平的不断提高，LIF将在生物分析的各个领域中发挥更 大的作用。
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19
LIF应用及展望
LIF应用
生物
医学
环境
其他
毛细血管 电泳检测
诊断病变 （肺癌、 皮肤癌等）
检测大气、 水体污染
检测火焰、 流场等
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20
人常暴露于可造成DNA损 伤的环境中，如紫外光、多 环芳烃、重金属元素。如果 损伤未能得到适当的修复， 可引起基因突变，有可能进 一步引发癌症或造成细胞死 亡。DNA有自我修复功能， 保护我们的细胞防止突变。 利用荧光偏振特性，揭示 DNA修复机器可识别多种不 同化学结构DNA损伤的机制 。
编辑版pppt
10
LIF检测系统
❖ LIF 检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、 信号处理模块。
荧光光谱法PPT课件
否 则 能量以无辐射跃迁形式释放（内转换 与外转换的速度很快） →无荧光发射
25
第25页/共57页
基本原理
2. 影响荧光强度的结构因素 （内部因素）
1）跃迁类型 2）共轭效应（长共轭结构） 3）刚性结构与共平面性效
应 4）取代基效应
26
第26页/共57页
基本原理
1）跃迁类型 • 分子结构中存在共轭的π→π*跃迁，也就是K
第11页/共57页
基本原理
1. 激发光谱和发射光谱 （excitation spectrum and emission
spectrum）
固定发射波长 扫描激发波长
不同激发 波长引起 某一波长 荧光发射 相对效率
荧光：
先激发 后发射
激发 光谱
发射 光谱
固定激发波长 扫描发射波长
发射荧 光中各 波长相 对强度
比值不变 灵敏度不变
51
第51页/共57页
分析方法
2. 定量分析方法 1. 标准曲线法 2. 比例法（对比法、一点外标法）
类似于UV-Vis
3. 多组分混合物的荧光分析 4. 差示荧光法
52
第52页/共57页
分析方法
相同点
FL与UV比较
λ区段：UV-Vis区
适用性：均可用于定性定量，多用于定量
定量方法：相似
15
第15页/共57页
基本原理
1）斯托克斯位移（Stokes shift, 1852年） • 溶液荧光光谱中，荧光（发射）光谱波长总大
于激发光谱波长的现象 • 说明在激发与发射之间存在能量损失
振动弛豫 内部转换
16
第16页/共57页
基本原理
2）荧光光谱形状与λex无关
25
第25页/共57页
基本原理
2. 影响荧光强度的结构因素 （内部因素）
1）跃迁类型 2）共轭效应（长共轭结构） 3）刚性结构与共平面性效
应 4）取代基效应
26
第26页/共57页
基本原理
1）跃迁类型 • 分子结构中存在共轭的π→π*跃迁，也就是K
第11页/共57页
基本原理
1. 激发光谱和发射光谱 （excitation spectrum and emission
spectrum）
固定发射波长 扫描激发波长
不同激发 波长引起 某一波长 荧光发射 相对效率
荧光：
先激发 后发射
激发 光谱
发射 光谱
固定激发波长 扫描发射波长
发射荧 光中各 波长相 对强度
比值不变 灵敏度不变
51
第51页/共57页
分析方法
2. 定量分析方法 1. 标准曲线法 2. 比例法（对比法、一点外标法）
类似于UV-Vis
3. 多组分混合物的荧光分析 4. 差示荧光法
52
第52页/共57页
分析方法
相同点
FL与UV比较
λ区段：UV-Vis区
适用性：均可用于定性定量，多用于定量
定量方法：相似
15
第15页/共57页
基本原理
1）斯托克斯位移（Stokes shift, 1852年） • 溶液荧光光谱中，荧光（发射）光谱波长总大
于激发光谱波长的现象 • 说明在激发与发射之间存在能量损失
振动弛豫 内部转换
16
第16页/共57页
基本原理
2）荧光光谱形状与λex无关
第13讲-第五章-发射光谱技术 激光诱导荧光光谱技术 时间分辨荧光PPT课件
Nf
A21
B12 N
B12 (1 )
B21
N 3 A23 k23
N 2 A31 k31 k32
-
25
Nf
A21
B12 N
B12 (1 )
B21
N3
A23 k23
N 2 A31 k31 k32
结论：荧光光子数与入射光强无关(饱和)。如果B12=B21，
则有
Nf
A21 N 2
dN 2 / dt B12 N1 (B21 k21 A21 k23 A23 )N 2
dN3 / dt (k23 A23 )N2 ( A31 k31 k32 )N3
N1 N2 N3 N
-
20
共振荧光
斯托克斯荧光
图5-4 LIF的三能级模型
-
21
⑴ 共振荧光
假设能级2和3的布居比γ：
-
33
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。
-
34
分子的荧光发射的特征：
-
35
（1）斯托克斯位移
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。
-
10
⑷ 碰撞辅助双共振荧光
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：①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；②除共振荧光外没有可 用的一步激发方式。
激光光谱学PPT课件PPT课件PPT学习教案
激光光谱学PPT课件PPT课件
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
Wif
2π
|
f
| H | i |2 δ
(E f
Ei )
第14页/共74页
根据d 函数的性质，上式也可以写为：
Wif
2π 2
|
f
| H | i |2δ
(ω
ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
Wif
2π
|
f
| H | i |2 δ
(E f
Ei )
第14页/共74页
根据d 函数的性质，上式也可以写为：
Wif
2π 2
|
f
| H | i |2δ
(ω
ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
第13讲 第五章 发射光谱技术+激光诱导荧光光谱技术+时间分辨荧光
B12 N N2 A21 A23 k 21 k 23 k 23
Laser spectroscopy and its application 23
荧光强度：
N f A21 N 2 (t )dt
0
得弱入射光时得荧光光子数
N f A21 B12 N ΦB12 N A21 A23 k21 k23 k23
共振荧光
斯托克斯荧光
图5-4 LIF的三能级模型
Laser spectroscopy and its application 21
⑴ 共振荧光
假设能级2和3的布居比γ：
N3 A23 k 23 N 2 A31 k 31 k 32
在稳态情况下
B12 N2 N A21 A23 B12 (1 ) B21 k 21 k 23 k 23
级3布居情况直接与它的碰
撞消激发速率有关。
图5-5 铊原子荧光检测的三能级模型
Laser spectroscopy and its application 28
3 分子荧光光谱
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 τ 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 k→j荧光线的 强度Ikj为
⑴ 线性情况
ρυB12<<(k21+A21)，激发光强很弱，这时荧光为：
Nf
量子效率或 量子产额
A21 B12 N Φ B12 N (k 21 A21 )
Laser spectroscopy and its application 23
荧光强度：
N f A21 N 2 (t )dt
0
得弱入射光时得荧光光子数
N f A21 B12 N ΦB12 N A21 A23 k21 k23 k23
共振荧光
斯托克斯荧光
图5-4 LIF的三能级模型
Laser spectroscopy and its application 21
⑴ 共振荧光
假设能级2和3的布居比γ：
N3 A23 k 23 N 2 A31 k 31 k 32
在稳态情况下
B12 N2 N A21 A23 B12 (1 ) B21 k 21 k 23 k 23
级3布居情况直接与它的碰
撞消激发速率有关。
图5-5 铊原子荧光检测的三能级模型
Laser spectroscopy and its application 28
3 分子荧光光谱
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 τ 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 k→j荧光线的 强度Ikj为
⑴ 线性情况
ρυB12<<(k21+A21)，激发光强很弱，这时荧光为：
Nf
量子效率或 量子产额
A21 B12 N Φ B12 N (k 21 A21 )
光谱分析技术ppt课件
→* n→*
π*
>
>
>
n
π
σ
反键轨道
非键轨道 成键轨道 成键轨道
基本原理
1.σ→σ* 跃迁： 饱和烃（ C-C，C-H ） 能量很高，λ<150 nm
2. n→σ* 跃迁： 含杂原子饱和基团（-OH，-NH2） 能量较大，λ150~250 nm
3. π→π*跃迁： 不饱和基团（C=C，C ≡ C ） 能量较小，λ~ 200nm
脂
番茄红素
番茄红素在溶剂正己烷中的谱图
番茄红素在溶剂石油醚中的谱图
生物分子的紫外-可见吸收光谱
蛋白质
Proteins in solution absorb ultraviolet light with
absorbance maxima at 280 and 200 nm. Amino acids
with aromatic rings are the primary reason for the
共轭体系，E更小，λ> 200nm 4. n→π*跃迁：
含杂原子不饱和基团（C ≡N ，C=O ） 能量最小，λ 200~400nm
影响紫外-可见吸收光谱的因素
1 共轭效应
共轭体系越长， π与π*的能量差越小，红移效应和
增色效应越明显。
2 立体化学效应
空间位阻、跨环效应
3 溶剂的影响
溶剂效应
4 体系pH的影响
荧光强度与浓度的关系
荧光的淬灭
荧 光 淬 灭：荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子 相互作用引起荧光强度降低或消失的现象。
荧光淬灭剂：这些溶剂分子或其它溶质分子称为荧 光淬灭剂（如卤素离子、重金属离子、 氧分子、硝基/羰基/羧基化合物等）。
π*
>
>
>
n
π
σ
反键轨道
非键轨道 成键轨道 成键轨道
基本原理
1.σ→σ* 跃迁： 饱和烃（ C-C，C-H ） 能量很高，λ<150 nm
2. n→σ* 跃迁： 含杂原子饱和基团（-OH，-NH2） 能量较大，λ150~250 nm
3. π→π*跃迁： 不饱和基团（C=C，C ≡ C ） 能量较小，λ~ 200nm
脂
番茄红素
番茄红素在溶剂正己烷中的谱图
番茄红素在溶剂石油醚中的谱图
生物分子的紫外-可见吸收光谱
蛋白质
Proteins in solution absorb ultraviolet light with
absorbance maxima at 280 and 200 nm. Amino acids
with aromatic rings are the primary reason for the
共轭体系，E更小，λ> 200nm 4. n→π*跃迁：
含杂原子不饱和基团（C ≡N ，C=O ） 能量最小，λ 200~400nm
影响紫外-可见吸收光谱的因素
1 共轭效应
共轭体系越长， π与π*的能量差越小，红移效应和
增色效应越明显。
2 立体化学效应
空间位阻、跨环效应
3 溶剂的影响
溶剂效应
4 体系pH的影响
荧光强度与浓度的关系
荧光的淬灭
荧 光 淬 灭：荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子 相互作用引起荧光强度降低或消失的现象。
荧光淬灭剂：这些溶剂分子或其它溶质分子称为荧 光淬灭剂（如卤素离子、重金属离子、 氧分子、硝基/羰基/羧基化合物等）。
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迁偶极矩阵元，如果为零，就没有荧光发射。
-
5
荧光发射有两个重要特征： ①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； ②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。
化可以写为
k12
dN1 / dt B12 N1 ( B21 k21 A21 )N 2
dN 2 / dt dN1 / dt B12 N1 ( B21 k21 A21 )N 2
N1 N2 N
-
14
原子发射的荧光光子数Nf是在激光激发后的发射时
间τ内的积分：
N f A21 0 N 2 (t)dt
-
12
2 荧光的速率方程理论
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。
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13
一个最简单的二能级系统，假设激发
光的能量密度为ρυ。忽略热碰撞激 发速率k12，两能级布居数随时间的变
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10
⑷ 碰撞辅助双共振荧光
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：①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；②除共振荧光外没有可 用的一步激发方式。
-
11
镉原子的两步激发荧光检测
Nf
A21 (k21 A21 )
B12
N
Φ B12 N
量子效率或 量子产额
碰撞消激 发速率
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。
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⑵ 饱和情况
ρυB12>> (k21+A21) ，强光激发，这时荧光为：
Nf
g2 g1 g2
A21 N
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。
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19
2.2 三能级速率方程
碰撞速率k12、k13可以忽略
k12
时，三能级系统的粒子数变
化为可写为：
dN1 / dt B12 N1 (B21 k21 A21)N2 k31 A31 N3 k13
dN 2 / dt B12 N1 (B21 k21 A21 k23 A23 )N 2
9
⑶ 反斯托克斯(anti-Stokes)荧光
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。
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6
根据具体的能级结构的不同，荧光类型有：
碰撞辅助Stokes荧光
碰撞辅助双 共振荧光
共振荧光
Stokes荧光 红移
Anti-Stokes荧光 蓝移
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7
⑴ 共振荧光
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。
假定激光脉冲是一个矩形脉冲，则：
Nf
A21τ N
ρν (B12
ρν B12 B21 )
k 21
A21
1
1
exp{[ ρν [ ρν (B21
(B21 B12 )
B12 ) k21 A21 ]
k21 A21 ]τ
-
15
稳态下的定性的荧光发射情况：
Nf
A21τ N
ρν
(B12
ρν B12 B21)
-
4
原子在能级k→i间的自发发射系数Aki为
Aki
16
3e2
3 ki
3 0 h 2c3
R ki
2
跃迁偶极矩阵元
R ki kr jd
谱线强度为：Iki Nk Akih ki
Nk
16
3e2
4 ki
3 0 hc3
Rki 2
Nk为能级k的布居数，而频率υki满足hυki=εk-εi。 在k和i之间是否存在辐射跃迁或荧光发射，决定于跃
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8
⑵ 斯托克斯(Stokes)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：
原子吸收光子被激发后，从激发态通过发射荧光 返回到比基态稍高的某个能级上
两个很靠近的能级存在有效的碰撞混合，通过碰 撞，被激发到高能级后的原子过渡到比激发态稍 低的某个能级上，再从这能级向下跃迁发射荧光
-
k21
A21
1
1
exp{ [ρν (B21 B12 ) k21 A21]
[ρν (B21 B12 ) k21 A21]τ
考虑到能级可能存在简并情
况，g1,g2为分别它们的简并
度，稳态可得
稳态下布居数不再随 时间变化，此项为0
Nf
g2 g1 g2
ρν B12
ρν B12
g2 g1 g2
第五章 发射光谱技术
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1
激光诱导荧光光谱技术 时间分辨荧光
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2
第一节 激光诱导荧光光谱技术
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。
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3
1 原子或分子的荧光发射
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。
( k 21
A21 )
A21τN
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16
Nf
g2 g1 g2
ρν B12
ρν B12
g2 g1 g2
( k 21
A21 )
A21τN
受激吸收几率
碰撞弛豫几率
Nf与实验条件有关： ➢ 线性情况：ρυB12<<(k21+A21) ➢ 饱和情况：ρυB12>>(k21+A21)
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⑴ 线性情况
ρυB12<<(k21+A21)，激发光强很弱，这时荧光为：