第十一章 时间分辨光谱
时间分辨荧光光谱中
时间分辨荧光光谱中
时间分辨荧光光谱是一种用于研究物质在光激发后发射出的荧光光谱的技术。
它可以提供关于分子结构、动力学和相互作用的有用信息。
时间分辨荧光光谱通常涉及到以下几个方面：
1. 时间分辨测量原理，时间分辨荧光光谱是通过对样品施加脉冲激发光源，然后测量样品在不同时间点上发射的荧光信号来实现的。
这种方法可以提供有关分子在不同时间尺度上的行为的信息，比如激发态寿命、能级交叉和分子内动力学等。
2. 应用领域，时间分辨荧光光谱在生物化学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用。
例如，在生物医学领域，可以利用时间分辨荧光光谱研究荧光标记的生物分子在细胞内的动态过程；在材料科学中，可以通过时间分辨荧光光谱来研究半导体材料的光致发光和退火过程。
3. 数据分析，时间分辨荧光光谱产生的数据通常需要经过复杂的数据处理和分析。
这包括对光谱数据进行去噪、拟合和解卷积等处理，以提取出样品的动力学信息。
4. 仪器设备，进行时间分辨荧光光谱实验通常需要高性能的激发光源、光学检测系统和数据采集设备。
常见的实验装置包括飞秒激光器、光电倍增管、光栅和高速数字采集卡等。
总的来说，时间分辨荧光光谱技术在研究分子的动力学过程和相互作用方面具有重要的应用，对于揭示物质的性质和行为具有重要意义。
【实用】光谱学第十一章PPT资料
H35Cl的转动光谱波数：-1，取刚性转子模型，求分子的两个原子核间的距离。 非刚性转子能级图（虚线表示刚性转子的能级） 其次原子核的直径是10-12~10-13厘米，而分子的两原子核间的距离约为10-8厘米. 刚性转子模型假设分子中两个原子核的距离r是固定不变的。 因此，具有转动能量Er（J）的分子数目应与（2J+1）exp（-E/kT）成正比。 可见非刚性转子的能量比刚性转子的能量略有下降，而转动光谱的两条谱线间的距离不再是相等的。 既是说，两个原子不是由一根没有质量的刚性杆子所连结，而应看作是由一根没有质量的弹簧所连结，这种模型称为非刚性转子模型 。 因此同核双原子分子转动时不会吸收或发射光辐射。 分子的两个原子如果是相同的（例如H2，O2，N2等分子），其偶极矩为零，分子转动时也不会发生偶极矩的变化。 HCl分子（）在3000K的热分布 可见非刚性转子的能量比刚性转子的能量略有下降，而转动光谱的两条谱线间的距离不再是相等的。 实际上，当分子体系处于室温条件下，绝大多数分子都是处于电子的最低能量状态（电子基态）和振动最低能量状态（振动基态）。 刚性转子的能级及转动光谱示意图 不过D＜＜B，在一般情况下，可以忽略不记。 这说明经典理论不能应用于解释分子的转动及其转动光谱，只能应用量子力学的理论来解释。 这是因为电子的质量很小，约为原子核质量的10-4倍，可以忽略不记； 处在热平衡条件下的大量同类气体分子，它们在不同能级上的分布数目应遵从麦克斯韦-玻耳兹曼分布律。
光谱学第十一章
前面已经证明，分子的运动可以分离为电子运动、 振动和转动的组合。这样，我们就可以分别讨论 三种运动的情形。在这一章中，我们先讨论双原 子分子的转动和纯转动光谱。
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!
fs时间分辨光谱
FS时间分辨光谱是一种研究物质在时间尺度上随时间变化的光学技术。
它利用光与物质相互作用时产生的瞬态或暂态现象，通过测量光谱随时间的变化来获取物质的信息。
FS时间分辨光谱的原理是，当物质受到光照射时，会产生瞬态或暂态现象，这些现象会随着时间的推移而逐渐消失。
通过测量光谱随时间的变化，可以获取物质在不同时间点的光谱信息，从而推断出物质的性质、结构和动力学过程。
FS时间分辨光谱具有高灵敏度、高分辨率和高时间分辨率等优点。
它能够探测到物质在极短时间内的变化，例如分子振动、电子跃迁、化学反应等。
此外，FS时间分辨光谱还可以用于研究光与物质的相互作用机制，以及探索新的材料和器件。
在应用方面，FS时间分辨光谱被广泛应用于化学、物理、生物医学、材料科学等领域。
例如，在化学领域中，FS时间分辨光谱可以用于研究化学反应的动力学过程和机理；在物理领域中，FS时间分辨光谱可以用于研究光子晶体、量子点等纳米材料的性质和结构；在生物医学领域中，FS时间分辨光谱可以用于研究生物分子的结构和功能。
总之，FS时间分辨光谱是一种非常有用的光学技术，它能够提供物质在时间尺度上的变化信息，对于研究物质性质、结构和动力学过程具有重要意义。
两种新的时间分辨光谱技术
两种新的时间分辨光谱技术锁志勇;魏先文;徐正;刘德军;余智;张昀;李重德【期刊名称】《无机化学学报》【年(卷),期】2000(016)003【摘要】时间分辨光谱(Time Resolved Spectrometry, TRS)是研究物质光物理、光化学性质的基本手段.本文简要介绍了这一领域中较新的两种光谱技术:相调制法测定荧光寿命(Phase-shift and Demodulation Measurement of Fluorescence Lifetime)和利用步进扫描(Step-Scan)技术测量瞬态红外吸收光谱.【总页数】7页(P404-410)【作者】锁志勇;魏先文;徐正;刘德军;余智;张昀;李重德【作者单位】南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093;南京大学配位化学研究所,配位化学国家重点实验室,南京,210093【正文语种】中文【中图分类】O657.3【相关文献】1.材料来源回溯与试题本相识别——两种新的历史试题分析技术 [J], 周文清;张学敏2.两种新萃取技术与光度法联用测盐酸洛美沙星 [J], 雷自荣;杨舒;杨盛春;温晓东3.两种新萃取技术与光度法联用测盐酸洛美沙星 [J], 雷自荣;杨舒;杨盛春;温晓东;4.助听器中的两种新降噪技术 [J], 张戌宝5.朗盛展示两种新的低游离预聚物技术 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
时间分辨 lv
四、使用方法
1、金属配合物荧光寿命的测定
2、荧光体混合物中两组分的同时测定
• 当金属配合物的荧光寿命之差超过4ns时混合物中各组分可以考虑由 荧光衰变曲线进行同时测定。例如，铝-8-羟基喹啉-5-磺酸和镓-8羟基喹啉-5-磺酸在PH=4.5的荧光寿命差约为7ns，可采用时间分辨法 进行同时测定。测定时先往含有铝和镓的样品溶液中加入8-羟基喹啉 -5-磺酸试剂，调节PH至4.5，采用以氘灯为激发光源的时间分辨荧光 分光光度计，控制光脉冲与检测信号之间延迟时间以完成时间分辨测 量。测量的荧光衰变曲线如下图
3、痕量分析中干扰物与背景荧光的消除
4.多环芳基的检测
5.芳基的检测
6.溶剂松弛的时间分辨
谢谢大家！
时间分辨荧光分析法
一、简介
时间分辨荧光光谱，与常规的二维荧光光谱不同在于：它引入了第 三个变量——时间。其表达式为F=f(λex,λem,τi)。此处F为荧光强度， τ为待测样品的荧光寿命。 时间分辨荧光光谱技术，以激光和门检测技术相结合，它不仅带来 了低于普通荧光法的检测限和较高的灵敏度，还可以有效地解决光谱峰 有干扰，而寿命有明显差异的组分的测定，采用相应的时间延迟，对于 解决背景噪声，激发光干扰也是行之有效的办法，因此，该技术深受分 析化学者的关注。
图中曲线(1)为 AI标准溶液 (0. 4μg/mL. pH4. 5) ; (2) 为 Ga 标准溶液 (0.8g/ml, pH4.5h)；(3)为混合溶液 (AI 0.08μg/mL,Ga0.8μg/mL, pH4.5)；(4) 为试剂空白。图9.5 中曲线(1)为AI标准溶液，(2)为Ga标准溶液所形成的配 合物的对数衰变曲线，均呈直线；曲线 (3)因混合物中有 AI和Ga两种配合 物，所以对数衰变曲线弯曲.但在15ns之后，长寿命组分占优势而呈直线. 其斜率和曲线(1)一致.r=10.8ns。把这段直线延长至零时间，得到曲线(4)。 从混合物曲线 (3)扣除曲线(4)，得到短寿命组分的线性对数衰变曲线(5).该 线的斜率和曲线(2)Ga 配合物一致，r=4.3ns。由曲线(4)和(1)可以测定:混 合物中Al量，由曲线 (5)和 (2) 可以测定混合物中Ga量。
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
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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：
相关测量
一、条纹相机
Photocathode: photo electron Acceleration Voltage U: electron to z direction Deflection plate: deflection in y direction Luminescent: get the image
0 3 f
......
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
调制幅度
透过光强幅度
对应下一个腔模频率
如果
增益宽度 模式间隔 输出光强总幅度
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
窄脉冲激光。
高损耗、低Q值
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
低损耗、高Q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 P total Ploss
1，快速转动腔镜，实现Q开关
பைடு நூலகம்
电光效应：电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率
例如
Y 方向偏转速度：1cm/100ps 相机空间分辨率：0.1mm
时间分辨率：1ps
用条纹相机记录的间隔为4ps 的两fs脉冲
二、光学相关仪
探测器线性响应
探测时间常数（响应时间）T
T
两束光相干 脉宽
每个模式具有不同的周期
Fourier 变换
时间常数为T T 的线性探测器信号与脉宽 无关，也就不能给出脉冲 I (t ) 的信息。
如果对光进行二倍频
一阶相关函数 （幅度相关） 二阶相关函数 （强度相关）
干涉自相关 两种方法测脉宽 非平行强度相关
1，干涉自相关
Michel 干涉
非线性晶体
上包络
归一化函数
0 =2
0 =
下包络
2，非平行强度关联
如果两光以角度聚焦到非线性晶体满足一定的相位条件（只有来自两不同光束的双光 子才满足相位条件）。则背景消除，没有干涉信号，只探测到等于脉宽的包络信号。
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
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 ) I s
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 脉冲重复率
虚线
四、激光器的锁模
自由光谱程
c 2L T 1
模间距（周期）
调Q： 几十几百倍 2L / c
c
3 0.8
10 Hz, T 8 3 fs
14
1
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
a
双光子泵浦 单光子探测
震荡
自电离
震荡
双光子激发在内拐点，单光子激 发在外拐点（大的FrancCordon系数）。
基态分子 激发态分子 激发态原子 基态原子
泵浦 1 探测 2
R>RC, 对应原子－原子 的跃迁
从激发态分子漏到 基态原子的位置
R<RC, 对应分子－分子跃迁
分子能谱衰减分子经 过Rc时，漏到原子态
2，实时观察分子震荡行为
分子在势阱中震荡为10-13～10-15s,通 常的探测只能探测平均行为
背景
不同线型的脉冲
高斯 方波 单一噪声 连续噪声
没有消除背景
消除背景
自相关宽度
脉宽
频宽
0.883 ?
FROG技术 (Frequency-Resolved Optical Gating Technique)
特色： 测量 3 阶自相关，可测非对称脉冲
Gate光泵浦非线性晶体，控制 probe光的通过相当一个逻辑 gate 的作用
2，利用电光效应调Q
n变化（光率体发生畸变）。
2 n n0 E0 E0
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
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。
Einstein常数
1，相移方法测量寿命
样品
幅度调制频率 （Pockel cell）
激光
荧光 激光 和荧光相对相移
测量平均 有效寿命
相移
调制频率
2，单脉冲激发
时延门控 BOXCAR
通过控制不同脉冲延迟，测量在寿 命时间内的荧光衰减或者吸收
时延符合单光子计数测量寿 命内原子数目衰减
时间幅度转换 荧光 光脉冲 探测光弱单光子 激光脉冲和荧光之间：进行时间幅度转换 （光脉冲start; 荧光stop） 通道上的计数正比与荧光光子数 Channel U(t)时间 Pulse rate 光子计数粒子数
Oscillator:100 fs stretcher;两非平行grating pair对脉宽放大104倍，脉宽为1ns amplifier: 多次经过增益介质，功率放大1010倍 Compressor: 利用grating pair对脉宽压窄104倍，脉宽回复为100fs
第9.2节 超短激光脉冲的测量
第9.3节 用激光测量寿命 测量寿命的用途：
1，通过探测自发辐射寿命和自发辐射光强，探测激发态总的跃迁几率和某具体两能 级间的跃迁几率 2，通过光经过吸收后的衰减，获得粒子数数目 3，获得碰撞几率 碰撞截面
k态n态
B粒子密度 约和质量
平均速度
有效寿命
辐射寿命 气压 k态碰撞截面
探测寿命
光的能量密度
用pump-probe技术探测，利用同一激光，采用 probe光移频，得到感兴趣能级信息。
改变光程差延迟时间
移频
1，探测碰撞驰豫过程
利用激发跃迁探 测S1
单重态S1和三重态 T1碰撞转移
利用激发跃迁探 测T1
将S0态泵浦到 S1态
利用自发辐射和受激 辐射研究S1
碰撞驰豫过程
2，飞秒跃迁动力学行为
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)
脉宽 线宽
吸收材料
用锁模激光做同步泵浦
L1
用脉冲激光器L1去泵浦另一激光器L2，
L2
激光器L1的脉冲重复间隔 激光器L2的脉冲重复间隔
T 2d 2 / c
d1 d 2
T 腔倒空： 2L / c
目的： 获得更窄更强的激光脉冲
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)。
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；