荧光光谱仪的原理及应用
X荧光光谱仪的原理及应用
X荧光光谱仪的原理及应用X荧光光谱仪的原理是基于激发态和基态之间的能量转移过程。
当样品受到特定波长的激发光照射时，部分激发光能将样品中的原子或分子从基态激发到激发态。
此时，激发态的物质会经历自发辐射或受到外界环境的影响而发生非辐射能量传递，将激发态的能量以光的形式释放出来，形成荧光信号。
通过检测和分析这种荧光信号，可以得到样品的荧光强度和荧光光谱。
1.生物医学研究：X荧光光谱仪可以用于分析细胞内的荧光标记物、药物的分子鉴定、蛋白质结构研究等。
它可以帮助研究人员了解生物分子的结构特征、相互作用和功能。
2.环境监测：X荧光光谱仪可以用于监测水、大气和土壤中的污染物。
通过测量样品的荧光强度和荧光光谱，可以快速检测和定量分析有害物质的存在和浓度，对环境污染进行监测和评估。
3.食品安全：X荧光光谱仪可以用于检测食品中的添加剂、残留农药和重金属等有害物质。
它可以高效地进行食品检测和质量控制，保障食品安全。
4.化学分析：X荧光光谱仪可以用于分析和鉴定有机物和无机物。
它可以测定样品中的元素含量、结构确定和化学反应动力学研究等。
除了以上应用，X荧光光谱仪还可以用于材料科学研究、生化分析、药物研发等领域。
它具有灵敏度高、快速分析、非破坏性检测等优点，并且能够分析复杂样品，得到可靠的分析结果。
总之，X荧光光谱仪的原理是基于激发态和基态之间的能量转移过程，通过测量荧光信号的强度和光谱，可以实现对样品的定性和定量分析。
它的应用涵盖了生物医学、环境监测、食品安全、化学分析等多个领域，对科学研究和工业生产具有重要意义。
荧光光谱的原理及应用
荧光探针也可用于药物筛选过程中，通过标记特定的靶点或 受体，观察药物与靶点或受体之间的相互作用。这种方法有 助于加速新药研发过程，提高药物筛选的效率和准确性。
荧光光谱在环境监测中的实际应用案例
荧光光谱在水质监测中的应用
荧光光谱技术可用于检测水体中的有机污染物，如农药、石油和工业废水等。通过分析水样中的荧光光谱，可以 确定污染物的种类和浓度，为环境保护和治理提供科学依据。
计算机
处理和显示测量数据，控制光 谱仪的操作。
荧光光谱的测量步骤
准备样品
选择适当的荧光物质 样品，并进行必要的 处理和纯化。
安装样品
将样品放入样品池中， 并确保激发光能够照 射到样品上。
调整仪器
根据实验需求，调整 激发光源、单色仪和 检测器的参数。
பைடு நூலகம்
进行测量
启动光谱仪，测量荧 光物质在不同波长下 的荧光强度。
热能等形式散失。
荧光光谱的形状可以反映荧光 物质的分子结构和环境因素，
如溶剂极性、温度等。
02
荧光光谱的测量技术
荧光光谱的测量方法
发射光谱法
通过测量荧光物质发射的光谱，确定荧光物 质的结构和组成。
吸收光谱法
通过测量荧光物质吸收的光谱，研究荧光物 质的能级结构和跃迁过程。
时间分辨光谱法
通过测量荧光物质在不同时间点的光谱，研 究荧光物质的动态过程和寿命。
荧光光谱法可用于研究聚合物的 荧光性质，如荧光量子产率、荧 光寿命等，有助于聚合物的性能 研究和质量控制。
在生物学研究中的应用
生物分子的荧光标记
荧光光谱法可用于标记生物分子，如蛋白质、核酸等， 以研究其结构和功能。
细胞成像
荧光光谱的原理及应用
30
2 荧光量子产率Φ
物质分子发射荧光的能力用荧光量子产率（Φ）表示：
发射荧光的分子数 发射的光子数 Φ = 激发态的分子数 =吸收的光子数
Φ与失活过程的速率常数k有关：
kf k f k i k ec k ic
凡是使荧光速率常数 kf增大而使其他失活过程（系间窜越、外转
换、内转换）的速率常数减小的因素（环境因素和结构因素）都可使
②能够使荧光物质产生吸收并发射出荧光的激发光的波长并不具 有唯一性； ③在保证激发的前提下，不同激发波长处的荧光发射光谱相同， 但荧光强度不同。 ④在进行荧光测定时，须选择激发光波长以保证荧光强度最大。
25
镜像规则
荧光发射是光吸收的逆过程。荧光发射光谱与吸收光谱有类似镜 影的关系。但当激发态的构型与基态的构型相差很大时，荧光发射 光谱将明显不同于该化合物的吸收光谱。
19
光谱图
荧光发射光谱 荧光激发光谱 磷光光谱
200
260 320 380 440 500 560 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
620
20
二、主要光谱参量 吸收光谱
化合物的吸收光强度与入射光波长的关系曲线 。
激发光谱
固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描 出的化合物的发射光强度(荧光/磷光) 与入射光波长的关系曲线。
23 2
,l 1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最
‘ 2
低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如l
)
斯托克位移 产生斯托克位移的主要原因：
1.跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的速 率发生振动弛豫（其速率在1013/s数量级），散失部分能量，
x射线荧光光谱仪 测镀层厚度
x射线荧光光谱仪测镀层厚度摘要：1.X 射线荧光光谱仪的概念与原理2.X 射线荧光光谱仪在测镀层厚度中的应用3.X 射线荧光光谱仪的优势与局限性4.结论正文：一、X 射线荧光光谱仪的概念与原理X 射线荧光光谱仪（X-ray Fluorescence Spectrometer，简称：XRF 光谱仪）是一种非破坏性的物质测量方法，可以用于检测样品中的元素组成和含量。
它利用高能量X 射线或伽玛射线轰击材料时激发出的次级X 射线进行分析。
当材料暴露在短波长X 光或伽马射线中，其组成原子可能发生电离，随后回补过程会释放出多余的能量，这些能量以光子形式释放。
X 射线荧光光谱仪通过分析样品中不同元素产生的特征荧光X 射线波长（或能量）和强度，可以获得样品中的元素组成与含量信息，达到定性定量分析的目的。
二、X 射线荧光光谱仪在测镀层厚度中的应用X 射线荧光光谱仪在测镀层厚度方面具有广泛应用。
在测镀层厚度时，X 射线荧光光谱仪可以分析从轻元素的钠（Z11）到铀（Z92）等各个元素。
测镀层厚度的方法主要有两种：直接法和间接法。
直接法是将X 射线照射到待测镀层上，通过测量产生的特征X 射线的强度来确定镀层厚度。
间接法则是通过测量镀层中的元素含量，结合该元素在镀层中的分布规律，推算出镀层厚度。
三、X 射线荧光光谱仪的优势与局限性X 射线荧光光谱仪在测镀层厚度方面具有许多优势，例如：测量速度快、非破坏性、精度高、范围广等。
然而，它也存在一些局限性，例如：对于轻元素的测量精度较低、受到样品形状和尺寸的限制、需要对不同样品进行校准等。
四、结论总的来说，X 射线荧光光谱仪在测镀层厚度方面具有很大的优势，为工业生产和科研领域提供了一种高效、准确的检测手段。
X射线荧光光谱仪原理及应用
将样品置于仪器分析台上，通过X射线照射样品得到荧光谱。
3
谱线分析
对荧光X射线谱进行逐峰分析，定量和定性分析各种元素。
案例研究
测定金属材料中碳含量
利用X射线荧光光谱仪可以对金 属材料中的碳含量进行分析。
矿物元素分析
矿物中元素含量及其分布在地质 勘探过程中起着重要作用。
地下水铅污染
对地下水铅污染进行了分析评价， 为水环境保护和铅中毒防治提供 依据。
探索X射线荧光光谱仪
X射线荧光光谱仪是一种高精度的分析仪器，广泛用于材料、生物等众多领域 的研究和实验。本文将深入探讨该仪器的原理及其应用。
原理与工作原理
1
激发原子核
通过给样品提供高能量的X射线来激发样品原子核中的自由电子。
2
发射特征光
通过脱离自由电子来释放出特有的荧光X射线。
3
测量分析
根据不同化学元素的荧光X射线谱线和强度分析样品的成分及含量。
分析技术
质量分析技术
通过检测样品中化学元素的含量 和种类来进行质量分析。
成分分析线的峰位和峰强度 分析样品中各成分的含量和种类。
通过对样品中钼的Kα线荧光谱分 析，可以推断分子结构。
应用领域
材料科学
分析材料成分、构造、形态及其内部微观结构， 比如金属、半导体、陶瓷材料等。
总结
原理及工作原理
利用X射线的特性进行元素分析。
应用领域
广泛应用于材料分析、环境保 护、考古文物、医药生物等领 域。
优点与限制
优点为非破坏性、灵敏度高、 适用性广泛，限制为仅用于最 上层表面的分析。
2 灵敏度高
能够实现以ppm为数量级的元素定量和定性 分析。
3 适用性广泛
X射线荧光光谱仪的基本原理及应用
所有元素的最大计数率不超过 20000 计数/秒，仪器灵敏度差
高能端(Ag/Sn/Sb K系光谱)，能量色散分辨率优于波长色散 中能端(Fe/Mn/Cr K系光谱)，分辨率相同 低能端 (Na/Mg/Al/Si K系光谱)，能量色散分辨率不如波长散射
3.2 定性与定量分析——半定量分析
半定量分析样品过程：
o 对未知样进行全程扫描 o 对扫描谱图进行Search and Match（包括谱峰的识别， 背景扣除，谱峰净强度计算，谱峰的匹配） o 输入未知样的有关信息 (金属或氧化物；液体，粉末压 片或熔融片；已知浓度组分的输入；是否归一) o 进行半定量分析
光电吸收，非相干散射，气体电离 和产生闪光等现象，以一定的能量 和动量为特征；
E=h , =c /
微粒性
能量、电离、光电吸 收、非相干散射
能量色散X荧光分析
能量单位：eV
同一切微观粒子一样，X射线也具有波动和微粒的 双重性；无论是测量能量还是波长，都可以实现对相应 元素的分析，其效果是一样的。
在停机状态时使用，保护光管免受粉尘污染，还可避免检 1000um Pb 测器的消耗。
2.3 准直器
准直器由一组薄片组成，目的是使从样品发出的X射线以平行 光束的形式照射到晶体。薄片之间的距离越小，越容易形成平 行光，产生的谱线峰形也更锐利，更容易与附近的谱线区分。
准直器以薄片间距来分类
薄片间距
4
一、基础理论与知识
X射Байду номын сангаас荧光的产生
碰撞
内层电子跃迁↑
空位
X射线荧光
外层电子跃迁↓
一、基础理论与知识
X射线荧光分析的分类
利用荧光光谱仪进行材料表征的方法
利用荧光光谱仪进行材料表征的方法材料表征是材料科学领域中非常重要的研究方法之一。
而荧光光谱仪作为一种常用的分析仪器，可以广泛应用于材料表征的研究中。
本文将介绍利用荧光光谱仪进行材料表征的方法及其在材料科学研究中的应用。
一、荧光光谱仪的工作原理荧光光谱仪是一种基于荧光现象的分析仪器，它利用物质在受激发后发射出的荧光进行分析。
其工作原理可以简单概括为：将样品暴露在特定波长的激发光源下，样品吸收激发光能量后，部分能量被转化为荧光能量并发射出来。
荧光光谱仪通过检测样品发射的荧光光信号的强度和波长分布来分析样品的性质。
二、荧光光谱仪的材料表征方法1. 荧光光谱分析荧光光谱分析是利用荧光光谱仪测量样品的荧光光谱，通过分析荧光光谱的峰位、峰形和强度等参数，可以获取样品的结构、组成和性质信息。
例如，有机分子的荧光光谱可以用来研究分子结构、溶液浓度和化学反应等。
2. 荧光寿命测量荧光寿命是指荧光物质从受激发到发射完全衰减所经历的时间。
利用荧光光谱仪可以测量样品的荧光寿命，通过分析荧光寿命的长短和衰减过程，可以了解样品的激发态寿命、能级结构和光物理性质等。
荧光寿命测量在材料表征中广泛应用于荧光探针、生物传感器和能源材料等领域。
3. 荧光猝灭分析荧光猝灭是指荧光物质在特定条件下失去发射荧光的现象。
利用荧光光谱仪可以研究荧光猝灭现象，通过测量荧光强度的变化，可以分析样品中存在的猝灭物质、猝灭机制和猝灭效应等。
荧光猝灭分析在材料科学研究中常用于分析样品中的杂质、缺陷和表面反应等。
三、荧光光谱仪在材料科学研究中的应用1. 光电材料研究荧光光谱仪可以用于光电材料的研究，例如太阳能电池、发光二极管和光电探测器等。
通过测量材料的荧光光谱和荧光寿命，可以评估材料的光电转换效率、载流子寿命和能带结构等。
2. 生物医学研究荧光光谱仪在生物医学研究中也有广泛应用。
例如，通过荧光光谱分析可以研究生物分子的结构和功能，如蛋白质折叠和荧光探针的荧光强度变化等。
荧光光谱仪的原理及应用
T1 T2 外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
l1
l2
l 2
l3
5Байду номын сангаас
主 要 光 谱 参 数
吸收光谱：化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲 线 激发光谱：让不同波长的激发光激发荧光物质使之发 生荧光，而让荧光通过固定波长的发射单色器照射到 检测器上，检测荧光强度变化。
发射光谱：固定激发波长(一般将其固定于激发波段 中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/ 磷光) 与发射光波长的关系曲线。
激发波 长确定
• 重复2、3步循环扫描得到理想的光谱图
关机
• 保存数据，先关软件，再关光源最后关风扇和电源
10
荧光寿命和量子产率的测试和数据处理
荧光寿命 • 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长和激发波长， 测试荧光强度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校 正，然后应用origin软件进行作图和数据拟合得到寿命 结果
• 光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency， 用缩写IPCE表示)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数 Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。 • 计算公式：IPCE(λ)=1240 * jp(λ)/Eλ(λ)
IPCE测试系统
Solar Cell Scan100 Crown tech.inc Newport 光源、单色仪、信号放大模 块、光强校准模块、计算机 控制和数据采集处理模块
通过用波长可调的单色光照射样 品，同时测量样品在不同波长的 单色光照射下产生的短路电流, 从而通过计算得到样品的IPCE
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要内容
1 荧光光谱的基本原理 荧光光谱仪的原理、性能测试及 操作 IPCE的原理及测试系统 QE和IPCE的区别及应用
2
3
4
2
一、荧光光谱基本原理
荧光
• 荧光是辐射 跃迁的一种， 是物质从激 发态失活到 多重性相同 的低能状态 时所释放的 辐射
IPCE测试系统
Solar Cell Scan100 Crown tech.inc Newport 光源、单色仪、信号放大模 块、光强校准模块、计算机 控制和数据采集处理模块
通过用波长可调的单色光照射样 品，同时测量样品在不同波长的 单色光照射下产生的短路电流, 从而通过计算得到样品的IPCE
13
QE和IPCE的区别及文献中应用
QE
荧光发射量子数与被 物质吸收的光子数之 比
IPCE
单位时间内外电路中 产生的电子数Ne与单 位时间内的入射单色 光子数Np之比
相同特性
表示光伏材料光 谱响应性能，即 在不同波长的光 子所产生的电子 -空穴对的能力， 并作为评价太阳 能电池效率、特 性的重要参数
激发
• 基态(S0)→ 激发态(S1、 S2激发态振 动能级)： 吸收特定频 率的辐射； 跃迁一次到 位
失活
• 激发态 → 基态：多种 途径和方式； 速度最快、 激发态寿命 最短的途径 占优势
荧光条件
• 它吸收光子 发生多重性 不变的跃迁 时所吸收的 能量小于断 裂其最弱的 化学键所需 要的能量 • 化合物结构 必须有荧光 基团
• 光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency， 用缩写IPCE表示)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数 Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。 • 计算公式：IPCE(λ)=1240 * jp(λ)/Eλ(λ)
测量方法：相对法
• 用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件 下对照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光 量子产率： = s[Iεscs/(Isεc)]
参照物
• 已知、无自吸收、无浓度猝灭、在被测物所用溶 剂中可溶、易纯 化、稳定和对杂质不敏感的物质。 常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐等。
l1
l2
l 2
l3
5
主 要 光 谱 参 数
吸收光谱：化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲 线 激发光谱：让不同波长的激发光激发荧光物质使之发 生荧光，而让荧光通过固定波长的发射单色器照射到 检测器上，检测荧光强度变化。
发射光谱：固定激发波长(一般将其固定于激发波段 中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/ 磷光) 与发射光波长的关系曲线。
3
失活的途径
失活：电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个过
程中通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量的过程。
失活途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
磷光
系间窜越 内转换
外转换
振动弛豫
4
雅布隆斯基分子能级图 内转换 S
2
振动弛豫 内转换 系间窜越
S1 能 量
吸 收 S0 发 射 荧 光
量子产率 • 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围和激 发波长，运用积分球分别测试加、减衰减片时的荧光 强度，然后应用软件进行数据处理得到量子产率
11
紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片
注 意 事 项
要选择大小合适的狭缝
选择合适的扫描速度，得到平滑曲线。
光谱曲线需要应用校正曲线进行校正
12
三、光电转化效率测试（IPCE） IPCE定义
激发波 长确定
• 重复2、3步循环扫描得到理想的光谱图
关机
• 保存数据，先关软件，再关光源最后关风扇和电源
10
荧光寿命和量子产率的测试和数据处理
荧光寿命 • 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长和激发波长， 测试荧光强度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校 正，然后应用origin软件进行作图和数据拟合得到寿命 结果
6
荧光光谱性能测试
量子效率（QE）
• 荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比，或荧 光发射强度与被吸收的光强之比.一般，不随激发 光波长而改变. = If/Ia
荧光寿命（t） • 荧光强度衰减为初 始时的1/e所需要的 时间。ItI0e-kt • 激发态分子只以发 射荧光的方式丢失 能量：t=1/KF
液体：尽量使用透明 的玻璃化溶液；挥发 性剧毒溶剂的测试， 一定要有合适的防护； 易挥发、易变质的溶 液最好现配现测 ；样 品一般放在带盖石英 比色皿
9
荧光光谱仪操作
开机 • 先开电源，再开风扇稳定后开灯源，再开主机，嘟嘟连续两声 后再开测试软件。
• 根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波 发射谱 长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。 • 根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波 激发谱 长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描
外量子效率
光电转化效率
14
Qiong Sun, Yang Li, Xianmiao Sun. Improved Photoelectrical Performance of Single-Crystal TiO2Nanorod Arrays by Surface Sensitization with Copper Quantum Dots. ACS Sustainable Chem. Eng. 2013, 1, 798-804. 15
7
二、荧光光谱仪的基本原理
在实验样品受到激发的 情况下，通过选择合适
的探测器和工作模式，
记录下发射光强与激发 源特性、样品特性以及 温度、时间、空间、能
量等相关特性之间的关
系，以此来更好的研究 或利用发光过程。
8
样品准备
粉体和微晶：避免混 入诸如滤纸纤维、胶 块状固体：切成规则 水等杂质；样品应尽 形状，并进行抛光； 量保存在不会引入杂 尺寸和光洁度上将其 质又防潮避光的样品 制为同一规格；光轴 管；强光下不稳定的 （或 x,y,z 轴）的位置； 化合物，注意控制入 有自吸收特性的样品 射光的强度，避免破 要注意其对测试结果 坏样品；样品一般夹 的影响 在石英玻璃片进行测 试