激光光谱技术及应用.pptx

发射发射光谱技术光谱技术激光诱导荧光光谱技术激光诱导荧光光谱技术时间分辨荧光时间分辨荧光多多光子荧光与超声射流技术光子荧光与超声射流技术激光等离子体发射光谱技术激光等离子体发射光谱技术第一节、激光诱导荧光第一节、激光诱导荧光光谱技术光谱技术在激光光谱学中，激光诱导荧光光谱（LIF）是被经常采用的，并且非常灵敏的检测技术，可用于检测原子与分子的浓度、能态布局数分布、探测分子内的能量传递过程等方面。一、原子或分子的荧光发射一、原子或分子的荧光发射回顾：回顾：原子或分子可通过吸收光子而被激发到能量较高的能态，但是出于激发态的原子时不稳定的，它要通过辐射或者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辐射自发辐射返回基态所发射的光称之为荧光。谱线强度：谱线强度：荧光发射取决于跃迁矩阵元，如果为零，就没有荧光发射。荧光发射的两个重要特征：荧光发射的两个重要特征：荧光发射时各项同性的，因为自发辐射几率与跃迁偶极矩阵元的平方成正比，与偶极矩阵方向无关。荧光发射和发射频率的三次方成正比，即发射频率的增加，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，会有强的荧光发射，而属于分子的振动或转动跃迁的红外光的长波段，荧光一般很弱。因此荧光检测方法只适合在高频光谱区的测量中采用。荧光发射的类型：荧光发射的类型：1.共振荧光共振荧光荧光频率与激发光频率相同。共振荧光的检测中，容易受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。2.斯托克斯荧光斯托克斯荧光发射的荧光波长大于激发光的波长。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。碰撞辅助发射，碰撞辅助是指两个很靠近的能级存在有效地碰撞混合。通过碰撞被激发到高能级的原子过渡到比激发态稍低的某个能级上，再从这个能级上发射荧光。3.反斯托克斯荧光反斯托克斯荧光荧光发射波长短于激发光的波长产生条件：产生条件：激发态的布局数大于基态布局数（激发态与基态能级靠得很近，激发态的能级简并度又比基态高，在较高温度下温度下就会出现这种情况）4.碰撞辅助双共振荧光碰撞辅助双共振荧光用两束激光相继地与原子两个跃迁发生共振，将原子分布激发到较高的能级。适用适用条件：条件：采用其他的检测方式会遇到很强的背景辐射或散射光干扰。除共振荧光外没用可用的一步激发方式。二、荧光速率方程二、荧光速率方程1.二能级速率方程（最简单的共振荧光情况）当激光脉冲是矩形脉冲时考虑稳态下的简单情况第二个乘子的分母有两项：第二个乘子的分母有两项：原子被激发的速率原子通过碰撞与发射荧光的消激发速率考虑两种极端情况：考虑两种极端情况：(1)线性情况线性情况此时激发光很弱的情况称为量子效率或量子产额，描述了荧光发射在总消激发中所占的份额。线性情况下，荧光信号比例于激发光的能量密度。线性情况下，荧光信号比例于激发光的能量密度。另外根据量子产额的定义，由于碰撞激发的存在，量子产额总是小于1，因此在许多荧光测量中采取多种方法来减小碰撞速率。(2)饱和情况饱和情况在强光激发情况下荧光信号与碰撞速率无关，并能达到最大的可能值。如果继续增强激发激光的强度，荧光强度不会再增加，所以称为饱和情况。三、分子荧光光谱三、分子荧光光谱分子结构与能级要比原子复杂得多，一个分子的激发态包括了它的电子态、振动态和转动态。因为跃迁几率比例于三个因子的乘积，因此只有当这三个因子均不为零时才出现荧光。研究分子荧光发射有两种方法：激发光谱与荧光光谱激发光谱与荧光光谱。激发光谱是荧光强度以激发波长为函数的光谱。研究分子激发谱时，保持激发光强度不变，连续额调谐激发光的波长，测量在某波长位置上分子发射的荧光强度变化。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到荧光光谱。分子的荧光发射有如下的特征：分子的荧光发射有如下的特征：斯托克斯位移斯托克斯位移：相对于吸收光谱，荧光光谱向长波长区方向移动。从能量观点来看，斯托克斯位移反映了激发光的波长和发射光之间存在一定的能量损失。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损失。荧光光谱与激发波长无关：荧光光谱与激发波长无关：无论采用何种波长激发，荧光光谱都不会发生变化。荧光发射都是从第一电子激发态的基振动态对基电子态的跃迁。镜像关系：镜像关系：荧光光谱和它的吸收光谱之间存在着镜像关系。荧光光谱实验注意事项：荧光光谱实验注意事项：为了尽量避免杂散光的干扰：样品池的窗口通常作成布儒斯特角；池内表面涂黑大多采用在激光入射方向的侧面（垂直方向）接受荧光滤光片滤去激发光照射到样品池上产生的各种杂散光第二节、时间分辨荧光第二节、时间分辨荧光当分子体系内存在着能量传递、生成活泼中间体或相互作用等过程，其荧光光谱将随时间而变化。以时间为变量，测量荧光在不同波长处的强度分布，就得到时间分辨荧光光谱图。时间分辨荧光光谱图提供了有关分子的动态结构信息。一、荧光寿命的测量一、荧光寿命的测量荧光寿命是研究分子激发态弛豫的一个重要的物理量。大多数分子激发态的荧光寿命多为ns量级。荧光寿命的测量，根据激发光源的不同所用的方法也不一样，如激发光源用连续激光，可以用相移法进行测量；当采用脉冲激光激发时，可用取样法或光子计数法。1.相移法相移法发射荧光相位相对于激发光源有一相位移动，荧光寿命越长，相移越大，因此通过测量相位的偏移值就可以计算出荧光寿命。用相移法进行荧光寿命测量时，需要先对连续激光进行正弦调制。或2.直接记录法与取样法直接记录法与取样法脉冲激光脉冲激光直接记录法直接记录法：脉冲激光激发时如脉冲宽度比荧光寿命小得多，在每次脉冲激光激发以后，就可高频快速示波器上显示出荧光强度随时间衰减曲线。（300MHz响应时间约为1.1ns）条纹照相机（Streak Camera）具有数皮秒的时间分辨力，可以直接记录更短的光脉冲，但是条纹照相机的灵敏度较低，不适合于弱荧光的测量。取样法：取样法：以极窄的门宽和不同的延时，对光电倍增管的输出信号依次取样，激光每激发一次，取样示波器取样一次，每次取样相对于前次要移动一个事先设定的延迟；按时间次序将取样脉冲组合在一起，构成荧光强度衰减曲线。光子计数法光子计数法脉冲激光脉冲激光短寿命荧光测量的精确方法。基本思想：用一串光脉冲去激发样品，检测系统记录每次激发后样品发射的第一个荧光光子到达的时间，而光子到达时间分布反映了荧光强度的时间分布，即荧光强度衰减过程。基本原理：处于激发态的粒子发射荧光是独立事件。可用一个粒子的N次发射来等效于N个粒子的发射。N次探测第一个荧光光子到达的时间间隔，得到的N个时间间隔分布等效于N个粒子的荧光发射的时间分布。三、时间分辨荧光光谱测量三、时间分辨荧光光谱测量时间分辨荧光光谱就是在样品被激发后的不同时刻发射出的光谱。在光谱图上，这是以波长-时间为坐标平面的波长-时间-强度的三维光谱图。第三节第三节 多光子荧光与超声射流技术多光子荧光与超声射流技术背景：在激光问世以前，由于只能使用普通光源，光场的能量密度有限，原子与分子对入射光的吸收每次只能是一个光子，光与物质间的相互作用限于线性范畴而在强光作用下，原子与分子一次能同时吸收两个乃至多个光子而跃迁到高能级，这就是原子与分子的双光子或多光子激发。由于多光子激发，原子与分子可以跃迁到吸收单光子无法到达的能态。需要注意的是，双光子过程虽然看似与双共振或者分子的分布激发相似，但是在双共振或分布激发中，中间能级是分子的一个本征态，即是一个实际存在的能级，而在多光子激发中，中间能级实际上并不存在。所以两者之间存在实质上的差别。如果中间能级确实是一个存在的能级的话，则这种双光子过程有很高的跃迁几率。双光子激发的特点双光子激发的特点双光子跃迁选择定则与单光子不同。单光子跃迁要求能级具有不同的宇称，而双光子跃迁要求能级具有相同的宇称。利用双光子跃迁可以扩展研究的光谱范围，如多光子电离，高电子态。讨论双光子过程讨论双光子过程双光子与多光子荧光跃迁光谱技术双光子与多光子荧光跃迁光谱技术荧光测量方法，测量激发分子对某些较低能级发射的总荧光离子测量方法：测量进一步光子激发所产生的离子光电流测量方法：在放电状态下测量因多光子激发而引起放电管电流的变化光声测量方法：测量因多光子激发而引起对介质的热能转移。多光子荧光光谱测量基本装置与单光子荧光情况相同，但也存在不同（1）用强激光及合适的短焦距聚焦透镜，双光子吸收的典型焦距长度约为1520cm。（2）双光子激发的荧光基本上都在紫外区，荧光收集窗口一般都要用石英玻璃。荧光收集窗口设置一滤波片，以滤去入射激光的散射光。超声射流技术超声射流技术背景：在复杂的分子光谱分析中，仅有一般的高分辨率是远远不够的，因为原子是依靠原子间的相互作用力组合到一起的多原子集团。因此分子内部存在着三种运动：电子运动，原子振动与整体转动，因此分子光谱是十分复杂的。因此对分子光谱的研究在寻求高灵敏度与高分辨力的同时，还在设法使被测光谱简化，已获得特定能级的光谱信息。耦合双共振是一种光谱简化方法，而超声射流技术则是另外一种光谱简化方法。简化原理：将气体快速冷却到很低的温度，使分子只布局在少数几个最低的能级上，其他较高能级并未得到实际的布局，因此能级的跃迁只能从少数几个最低能级出发，于是减少了相应的吸收谱线数目。超声射流原理是当气体以高压通过一个细小的喷嘴时，气体会因突然膨胀而冷却下来，称为绝热膨胀冷却。气体冷却的程度与碰嘴两侧的压力差有关，压力差越大，冷却越大；还与气体的热容量有关，热容量小，冷却较高。从气体分子运动论知道，温度使分子无规则热运动的量度。无规则热运动的结果是分子间出现激烈的碰撞。超声射流产生低温的条件与消碰撞及超声速度有关。超声射流技术的特点：超声射流技术的特点：u简化分子光谱的简化分子光谱的结构结构u可以提供高分辨分子光谱可以提供高分辨分子光谱u特殊分子光谱研究特殊分子光谱研究第四节、激光等离子体发射光谱技术第四节、激光等离子体发射光谱技术背景：对于气态物质，温度升至几千度时，由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞会使气体分子产生电离，这样物质就变成自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子态（Plasma）。电离过程中正离子和电子总是成对出现，等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。以激光为能源产生的等离子体称为激光等离子。用高功率激光产生的等离子体是高温等离子态，它能将各种材料汽化，为进行元素分析提供了一种独特的条件。激光等离子体光谱技术大致可分成两部分：1.像原子化器一样，将激光作为材料的烧蚀手段、使用各种光谱技术手段（吸收光谱、激光诱导荧光、激光质谱分析等）对烧蚀出的材料进行光谱检测；2.直接利用激光火花等离子体的发射光谱进行分析；一、气体中的等离子体击穿一、气体中的等离子体击穿用一束高功率脉冲激光经聚焦进入气体时，在聚焦点出会出现明亮的闪光，并伴随着很大的响声，形成火花等离子体。Maker在1964年第一个报道了所观测的这种现象，并称之为激光诱导气体击穿。气体的击穿过程可分为两个阶段：第一第一阶段：阶段：在激光的聚焦区内。原子、分子乃至微粒经多光子电离，产生初始的自由电子。第二阶段：第二阶段：发生雪崩电离过程而形成等离子体。自由电子在激光作用下加速获得足够高的能量去轰击原子时，原子便有可能电离，原子电离便产生一些新的自由电子，新的自由电子从激光电场中进一步获得能量而使原子继续电离，电子倍增过程也是原子的不断电离过程，从而最终导致介质发生击穿，形成一个微等离子区。导致电子数减少的因素：因扩散而飞离雪崩区、与正离子复合、被负电性分子的捕获等过程。所以存在激光的击穿阈值。二、等离子体特征二、等离子体特征1 局部热平衡局部热平衡等离子体建立完全的热平衡的可能性较小。完全的热平衡要求：电子碰撞激发的原子数等于激发原子的碰撞消激发数；原子的碰撞电离数等于撞击粒子间的复合数；辐射等于吸收；在激光激发后一小段时间以后，等离子体将进入局部热平衡（局部热平衡（LTE）状态）状态。2 发射光谱发射光谱高温体系中粒子之间的激烈碰撞时分子、原子或离子可以布局到激发态能级上，产生发射光谱。激光等离子体的发射光谱有两个重要特征：有很强的连续背景连续光谱区很宽，从紫外到红外；连续背景谱强度衰减很快；主要由离子电子复合过程产生，与温度和气压有关。分立离子、原子与分子光谱具有不同衰减速率。分立光谱来自原子与分子的束缚能级之间的跃迁。1.随着连续背景的增强的快速衰减，各种离子与原子的分立谱线强度先是很快的增长，而后又逐渐下降。2.离子线随时间快速地上升先达到最大值，然后又以较快的速率衰减到接近于零；原子线的强度增长相对较慢，且下降速度更慢。三、固体表面激光烧蚀光谱技术三、固体表面激光烧蚀光谱技术激光等离子体可用于固体表面分析与物质中元素的痕量分析，这是因为激光照射固体表面产生烧蚀、汽化，使物质原子分子进入等离子体状态。光脉冲的前沿部分作用到固体表面时，样品表面因吸收光子而加热、熔化、蒸发，并产生自由热电子，光脉冲的后续部分进一步对蒸汽进行加热与电离，并最终形成等离子体。激光等离子体光谱化学应用激光等离子体光谱化学应用1.可以进行不同材料（金属、陶瓷、高聚物等）的多元素痕量分析，特别是对于那些难熔元素，用传统方法很难获得必要的分析浓度。此外激光烧蚀方法还可以用于现场分析。2.固体表面分析：利用高光束质量的激光，光束聚焦光斑直径0.1mm。因此将样品对光束相对移动时，可以测量出固体中的各种元素含量及空间分布情况，因此这是一种重要产品质量分析与检测手段。3.气体分析：利用激光火花等离子体的发射光谱，可以用对气体、火焰等进行元素分析。4.液体分析：激光火花也可以在溶液中产生，因此用激光火花的发射光谱可以对液体中的元素进行分析。五、激光等离子体性能研究五、激光等离子体性能研究1.谱线的斯塔克（谱线的斯塔克（Stark）展宽）展宽高温等离子中，原子某些光谱线将出现展宽。这是该原子受到邻近带电粒子电场作用的结果，特别是某些高位原子能级的辐射跃迁，容易受到带电粒子碰撞的影响。作用结果主要表现在线宽和线移等方面。