激光光谱技术及应用-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多光子荧光与超声射流技术激光等离子体发射光谱技术第一节、激光诱导荧光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返回基态所发射的光称之为荧光。3232230163kikikievAhcR原子在能级𝑘→𝑖间的自发辐射系数𝐴ki其中𝑅𝑘𝑖=𝜑𝑘∗𝑟𝜑𝑗𝑑𝑟为跃迁偶极矩阵元谱线强度：324230163RkikikkikikkievINAhvNhc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：1.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.反斯托克斯荧光荧光发射波长短于激发光的波长产生条件：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1.二能级速率方程（最简单的共振荧光情况）11212121212vvdNdtBNBkAN21dNdtdNdt21212121212vvdNdtBNBkAN12NNN荧光光子数𝑁𝑓2120fNANtdt当激光脉冲是矩形脉冲时21122121122112212121211221211exp1vvfvvBBkABNANBBkABBkA考虑稳态下的简单情况120dNdtdNdt1222121212212112vfvBgNANgggBkAgg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：(1)线性情况122121vBkA2112122121fvvANBNBNkA此时激发光很弱的情况212121AkA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。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122121vBkA在强光激发情况下22112fgNANgg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。evibrot𝑘→𝑗荧光谱线强度𝐼𝑘𝑗为kjkkjkjINAhv跃迁几率𝐴kj分为三个因子：222kjevibrotARRR•𝑅𝑒描述两个跃迁电子态之间的耦合•𝑅vib描述两个振动态之间的耦合•𝑅𝑟𝑜𝑡描述两个转动态之间的耦合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：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：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：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：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、荧光寿命的测量时间分辨荧光是研究荧光强度随时间的衰变过程。荧光强度𝐼𝐹𝑡随时间变化的表达式0FtFFItIe𝜏𝐹称为荧光寿命，它是指激光激发停止以后强度衰减到初始值1𝑒时所需要的时间。loglog0FFFItIt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。设激光束的调制频率为𝜔，调制度为M，激发光与荧光信号之间的相位差为𝜑，则相位荧光寿命𝜏𝐹与这些参数之间的关系为tanF或21FMM因此只要在实验中测得𝜑或M值，就可以根据上式计算出荧光寿命𝜏𝐹值。调制频率𝜔要根据荧光寿命的长短来选择，对于在10−8~10−11s范围内的𝜏𝐹值，调制频率取2~20MHz。2.直接记录法与取样法——脉冲激光直接记录法：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（StreakCamera）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：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——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15~20cm。（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。气体射流情况常用气体动力学中的马赫数M表示，即气体的流速v与气体中声速𝑐𝑠之比sMvc声速𝑐𝑠为12sBckTm式中𝛾=𝐶𝑝𝐶𝑣为定压热容与定体热容之比。为了获得大的降温，通常𝑀1,这也是超声射流名称的来历。但是𝑀1并不意味着气体分子具有非常答的运动速度，因为气体的膨胀过程是气体分子的随机热运动转变为定向热运动的过程。超声射流技术的特点：简化分子光谱的结构可以提供高分辨分子光谱特殊分子光谱研究由于定向流速的𝜃角很小，在x方向的速度分布几乎为零，因此分子光谱的多普勒线宽得以大大降低。超声射流技术引起重视的另外重要原因是可以用于研究范德瓦尔斯分子与团簇。由于转动温度与振动温度很低，在超声分子束中可以形成结合能𝐷𝑒不大的松散耦合分子，这就是所谓的范德瓦尔斯分子。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