现代光谱分析-6(MFS)
现代光谱分析-5(MFS)
5.7 分子荧光光谱仪
测量荧光的仪器主要由四个部分组成： 激发光源、样品池、双单色器系统、检测器
5.1.3 跃迁的方式二-辐射跃迁
☆荧光发射 ：受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰豫到 达第一电子激发单重态的最低振动能级，以辐射的形式失活回到 基态，发出荧光。 由于无辐射使分子吸收的能量有部分损失，因此荧光的能量 比吸收的能量小，即荧光波长一般比激发光波长长。 10-9~10-7s 。 ☆磷光发射 ：若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第一激 发三重态，再通过振动驰豫转至该激发的最低振动能级，然后以 辐射的形式回到基态，发出的光线称为磷光。 由于激发三重态能量较激发单重态低，所以磷光的波长比荧光 的波长稍长。 磷光仅在很低的温度或黏性介质中才能观测到。因此磷光很少 应用于分析。 10-4~10s 。
有机物的荧光分析
荧光法在有机化合物中应用较广。芳香化合物多能发生荧光。脂 肪族化合物往往与荧光试剂作用后才可产生荧光。
单组分的荧光测定 直接测定法 间接测定法：①利用化学反应使非荧光物质转变为荧光物质 ②荧光淬灭法：若被测物质具有荧光淬灭剂的作用，可测量荧光 强度的降低来测定该荧光物质的浓度。例如对氟、硫、铁、钴、 镍等的测定。
荧光、磷光能级图
5.2 激发光谱与荧光光谱
任何荧光化合物都具有两种特征光谱： （1）荧光（发射）光谱：固定激发 光的波长，测量不同荧光波长处荧光 的强度，得到荧光光谱，即荧光强 度—荧光波长图。 （2）荧光激发光谱（荧光物质的吸 收光谱）：在荧光最强的波长处测量 随激发光波长的改变而变化的荧光强 度，得到荧光激发光谱。即荧光强度激发光波长图。
常见光谱分析方法图表对比
红外
分子中红外光谱（IR）
是物质的在中红外区的吸收光谱，一般将2.5-25μm的红外波段划为中红外区
红外分光光度计、非分散红外光度计
分子
操作简单、应用广泛
在定量检测中存在着一些不足
5
微波
电子顺磁共振波普（EPR）
电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振
电感耦合离子体
原子发射光谱法（ICP-AES）
样品气溶胶进入等离子体焰，绝大部分立即分解成激发态的原子、离子状态，这些激发态的粒子回收到稳定的基态时放出一定的能量，测定每种元素特有的谱线和强度，和标准溶液相比
光源、样品室、检测器、数据处理系统
样品的气溶胶
可以很好的进行定性、定量分析
应用主要集中在金属元素范围内
可以分析除H和He以外的所有元素、相互干扰较少、能够观测化学位移、高灵敏超微量表面分析技术
分辨率较低
X射线荧光光谱分析(XRF)
利用初级X射线光子或其他微观离子激发待测物质中的原子，使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法
高压发生器和X光管、色散单元、样品室等、探测器、放大器等
操作简单，灵敏度较高
定量的关系需建立在量子论的基础之上
原子吸收光谱法（AAS）
是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法
光源、原子化器、分光器、检测系统
原子中的外层电子
选择性强、灵敏度高、分析范围广、抗干扰能力强、精密度高
原则上讲，不能多元素同时分析。测定元素不同，必须更换光源灯，测定难熔元素的灵敏度不高，标准工作曲线的线性范围窄
第三章 现代光谱分析
第三章现代光谱分析光谱分析方法是现代仪器分析中一类极其重要的技术手段，光谱分析信号不仅包含物质量的信息，同样还包含物质组成、结构和性能的信息。
无论是原子还是分子，都可以通过对其光谱的解析进行定性和结构分析，或通过对光谱信号幅度的测定进行定量分析。
对光谱分析的统一的定义可以描述为基于对能量与物质相互作用过程中产生的可用信号的检测而形成的分析方法。
能量可以有多种形式，电磁辐射、热能和化学能等常用于光谱分析。
电磁辐射的范围可以从伽马射线到无线电波，作用的对象可以是晶体、分子、原子、原子核、电子等，作用的方式可以是吸收、发射、反射、衍射等，因而形成了众多的分析方法，原子光谱、分子光谱等是光谱分析常见的应用形式，这些方法基本上主要研究核外电子在能量作用下所发生的变化并随之而获得可测的信息。
如原子光谱包括原子吸收、原子发射和原子荧光等，其研究的对象是原子核外电子，以热能促使电子激发并产生光辐射则形成原子发射光谱分析；以光辐射作用于原子，当核外电子被激发时吸收光辐射则形成原子吸收光谱；被一定能量的电磁辐射激发后产生的再辐射则为原子荧光光谱分析，这些方法均可用于元素的定性和定量分析。
分子光谱较常见的形式包括紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱，均为价电子吸收能量发生能级跃迁的过程，不同之处在于所吸收的能量范围不同，电子发生的跃迁能级也不同。
紫外-可见吸收光谱和红外光谱较多用于分子结构的研究，紫外-可见光谱也是比较有效的定量分析手段，如在绝大多数的液相色谱检测中都采用紫外-可见检测器，因为大多数分子在紫外-可见光谱范围均有吸收，所以这种检测技术有较好的通用性；红外光谱则较少用于定量分析，但并不是说红外光谱没有定量的能力，在上述讨论到的这些技术中，实际上有一个重要的共同点，即能量与物质的作用共同遵守朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，所以红外吸收和物质存在量之间也是有定量关系的，只是这种方法灵敏度较低，一般不作为定量分析方法来使用。
肥料中微量元素的测定分析
肥料中微量元素的测定分析
肥料中微量元素的测定分析通常使用的方法有光谱分析法、电化学分析法和离子交换分析法等。
本文将详细介绍这三种方法。
光谱分析法是肥料中微量元素分析中常用的方法之一，其原理是通过物质与辐射的相互作用而产生的吸收、发射、散射等现象，来确定物质中微量元素的浓度。
常用的光谱分析方法有原子吸收光谱分析法（AAS），原子发射光谱分析法（AES）和分子荧光光谱分析法（MFS）等。
这些方法可用于测定肥料中的微量元素，如铁、锰、锌、铜、钼等。
光谱分析法具有高灵敏度、选择性好、准确度高的特点，但是仪器较为昂贵，且操作较为复杂。
电化学分析法是通过利用微量元素在电化学电流的作用下进行电氧化或电还原反应，来测定微量元素的含量。
常用的电化学分析方法有极谱法、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电解法等。
这些方法可用于测定肥料中的微量元素，如镍、钴、铀、锑等。
电化学分析法具有测定速度快、操作简便、成本低的特点，但是对样品的处理要求较高，且可能会受到干扰。
荧光分析(MFS)
激依发次过为程T伴2、随T自3等旋变化，形成第一激发三重态为T1，
激发单重态和激发三重态分子的性质区别
（1）S态分子具有抗磁性，磁场中无能级分裂。 T态分子具有顺磁性。
当溶液浓度很稀时（A<0.05） F=KC （荧光定量分析的依据） 当A0.05时，F与C偏离线性，F下降。
F
c
荧光与分子结构的关系
1.共轭效应 →* 跃迁
芳香族化合物、五元杂环上取代苯基. 共轭体系越大,越易产生荧光,荧光效率也增大.
─(CH=CH)2─ ─(CH=CH)3─
φ=0.28 φ=0.68
蒽的激发光谱（吸收光谱）和发射光谱（荧光光谱）
吸收光谱 发射光谱
激发光谱:Excitation Spectrum, 激发波长:ex 发射光谱 Emission Spectrum, 发射波长:em
荧光光谱的特点
Stokes位移：分子荧光的发射峰相对于吸收峰 位移到较长的波长.
荧光发射光谱的形状与激发波长的选择无关. 镜像规则：荧光发射光谱和它的吸收光谱呈镜
（2）电子在不同多重态间的跃迁需换向，不 易发生。
（3）激发单重态能量高于相应激发三重态的
能量。S2>T2 > S1 >T1>S0
T1是亚稳态
（4）激发态分子平均寿命很短（10-8秒）
亚稳态分子平均寿命可达数秒钟
2、内部转换（IC）和系间窜跃（ISC）
振动弛豫——电子由较高振动能级很快 （10-12s）转至同一激发态的最低振动能级。 （无辐射去激过程）
现代光谱分析-6(RAMAN)
拉曼光谱法 （Raman Spectroscopy）
目录
6.1
拉曼光谱概述 拉曼光谱基本原理 激光拉曼光谱仪 拉曼光谱技术 拉曼光谱的应用
6.2
6.3
6.4 6.5
6.1 概述
• 1800年，英国科学家W. Herschel在测色温时（即波长越长， 所具有的温度越高），发现了红外光。 • 由于存在红外非活性的问题，科学家们继续研究探索，在 1928年由印度科学家V.C.Raman发现了拉曼效应。 • 拉曼效应：拉曼首先在CCl4光谱中发现了当光与分子相互 作用后，一部分光的波长会发生改变（颜色发生变化）， 通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究，可以得到分 子结构的信息，因此这种效应命名为Raman效应。
I = CI n
4 0 s
2
（这里 C 是一个常数）
拉曼光谱给出的信息
定性的信息: 拉曼光谱是物质结构的指纹光谱 定量的信息:可以通过光谱校正,得到准确的应力大小和浓度 分布
化学组成，污染物探测...
振动频率可以给出结构的细微变化，对于分子所 处的局域环境，比如晶相，局域应力和结晶度等 都很敏感 结构信息（晶体、无定形、同分异构体…)
分光系统
分光系统是喇曼谱仪的核心部分，它的主 要作用是把散射光分光并减弱杂散光。分光 系统要求有高的分辨率和低的杂散光，一般 用双联单色仪。两个单色仪耦合起来，色散 是相加的，可以得到较高的分辨率（约1cm1）。双联单色仪的杂散光（在50cm-1处）可 以达到10-11。
探测，放大和记录系统
拉曼光谱仪的探测器为光电倍增管。用不 同波长的激发光，散射光在不同的光谱区， 要选用合适的光谱响应的光电倍增管。为了 减少其暗电流降低噪声，以提高信噪比，需 用致冷器冷却光电倍增管。
现代近红外光谱分析仪工作原理
现代近红外光谱分析仪工作原理现代近红外光谱分析仪工作原理2011年02月08日20世纪90年代初，外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品，但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求龙谱仪器、光鮒据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。
但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。
如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。
其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。
现代近红外光谱分析技工作原理近红外光谱主要是山于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。
近红外龙2普记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H （X-C、N、0）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外龙谱范圉内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。
山于倍频和合频跃迁儿率低，而有机物质在NIR梵谱区为倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重。
因此从近红外龙谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术在近红外光谱分析中被测物质的近红外梵谱取决于样品的组成和结构。
样品的组成和结构和近红外龙谱之间有着一定的函数关系。
使用化学计量学方法确定出这些重要函数关系，即经过校正，就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。
现在常用的校正方法主要有：多元线性回归(MLR)主成分分析(PCA),偏最小二乘法(PLS)人工神经网络(ANN)和拓扑(Topological)方法等。
1995年以来，国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合国内需要的近红外光谱分析技术，并且做了大量技术知识的普及工作，为我国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了崭新的局面。
具有6个多光谱通道 -回复
具有6个多光谱通道-回复具有6个多光谱通道的意味着该系统可以同时接收和记录来自六个不同波长范围的光线。
这种技术可以广泛应用于各种领域，如天文学、遥感、医学等。
本文将一步一步回答与具有6个多光谱通道相关的问题，并介绍其在不同领域中的应用。
第一步：了解多光谱通道的基本概念多光谱通道是一种光谱成像技术，通过同时记录多个不同波长范围的光线，可以获得更全面的信息。
这些波长范围通常在电磁波谱的不同区域，例如可见光、红外线等。
每个通道都会收集并记录该波段的光线，并生成相应的图像或数据。
具有多个通道可以提供丰富的数据，有助于更准确地分析和解释所观察到的现象。
第二步：了解多光谱通道的工作原理多光谱通道一般由多个特定波段的滤光器组成。
每个滤光器可以选择性地通过特定的波长范围的光线，而阻挡其他波长范围的光线。
当光线通过每个滤光器，并与相应的图像传感器或光电二极管相互作用时，就可以记录下不同通道对应的光线强度。
这些光线强度数据可以用于后续的分析和处理。
第三步：介绍具有6个多光谱通道的应用场景1. 天文学：在天文观测中，多光谱成像可以帮助科学家研究星系、恒星以及宇宙的起源和演化。
通过不同通道记录的数据，可以分析星云、行星和其他宇宙天体的组成和性质。
2. 遥感：多光谱通道广泛应用于地球遥感领域。
卫星和飞机上搭载的多光谱传感器可以记录地表反射或发射的光线。
通过不同通道的数据，可以识别出陆地覆盖类型、海洋温度、大气成分等信息。
3. 农业：在农业领域，多光谱成像可以用于评估植物健康状态、识别病虫害、优化灌溉等。
通过多个通道记录的数据，可以分析植物叶片的叶绿素含量、光合效率以及生长状况。
4. 水质监测：多光谱通道也被用于监测水体的水质。
特定的波段可以用来检测水中的溶解氧、叶绿素、蓝藻等参数，从而评估水体的健康状况。
5. 医学影像学：在医学领域，多光谱成像常用于皮肤疾病的诊断和治疗。
不同通道记录下的光线反射或荧光数据可以提供有关皮肤的组织成分、血液供应和光深等信息。
现代分析技术：6-X射线光电子能谱
• 以C-H为基准 • F3-C-C，8.2eV • C-C-O2，4.8eV， • O-C-H2-C ，1.8eV
现代分析技术
三、XPS的精细结构
• 原则上， Ek=hv-Eb
– 给定入射X射线能量hv、电子结合能Eb，对应单 个光电子动能（XPS谱峰）
现代分析技术
电荷势模型
• 双原子分子
– X,Y两个原子间距无限 远时，其化学位移为零。
– 相互靠近，价电子从X 原子向Y原子转移。
• X原子内层电子结合能 增加27.2 qv/rv
• Y原子内层电子结合能 减少27.2 qv/R
– Eb=27.2 qv(1/rv -1/R)
• R：分子中两原子核间距
• 杂散X射线
–从X射线管阳极材料（阳极杂质、基座、窗口材料）以 外发出的X射线，产生的峰称为“鬼峰” 。
• 可用单色器滤波，但能量大大降低。
现代分析技术
振激（Shake up）
• 光电发射的两电 子过程
– X射线照射样品 – 一个内层电子被
电离
– 另一个电子被激 发到更高能级的 束缚态
– Ek= hv-Eb-E
–使单个谱峰分裂成多个谱峰，称为多重分裂 –主要发生在过渡金属、稀土元素和锕系元素
现代分析技术
多重
– 基态Mn2+电子态 1s22s22p63s23p63d5，3d壳层5 个自旋平行的电子，L1=0, S1=5/2 (6S状态)
– Mn2+光电离，从3s轨道打出 一个光电子，3s壳层L2=0, S2=1/2
67.0 33.0 1.0 7.8 3.3 0.42 0.28 2.0
现代分析仪器及其应用的最新进展
一、前言
……
二、光谱仪器及其应用的最新进展
光谱仪器是62类分析仪器中最重要的一类。光 谱仪器总共约有20种以上，但UVS、AAS和AFP都是 经典光谱仪器之一，也是使用最多、覆盖面最广 的分析仪器；又是最普及、最基础、最常规的分 析仪器！从仪器学理论，从仪器结构，从仪器的 应用、从维护保养角度来看，UVS、AAS和AFP在光 谱仪器中都有代表性。所以，今天我主要简单介 绍这些光谱仪器的应用、发展现状及其最新进展 。同时讲一些体会。
（3）固体进样器的推出 Jena推出的固体进样器，可以说是革 命性的突破，有以下优点很多，请大家 参考我的专著（书名等一下告诉大家）。
2、 AAS 的应用及其最：新进展
• 由无机向有机化学过渡； • 生命科学研究中的“坐上宾”； • 医疗卫生领域 , 特别是疾控中心，卫生防疫站系
统，都非常重视AAS:它已用于人体组织和体液中的主量 元素（Na,K,Ca,Mg）、必需的微量（Fe,Cu,Zn,Mn,Cr,S、e Co、Mo、V）。医疗用非必需元素（Al,Au,Bi,Ja,Li,P）o 和非必需及有毒微量元素（Pb,C,dAg,As,Ti,Hg）, 的分 析。特别是血液、头发、尿液和组织中的微量元素（Se抗氧化、提高机体免疫力、Ge、As、 Hg、Pb ）的分析。
（3）、近几年，中国的吴玉田教授又提出了“化 学信息的数学修饰”方法，从理念上有所创新；在 技术上提出了“数学仿真法”；即通过数学仿真， 模拟向待测体系内添加新的化合物，改变和调动可 能的干扰；使干扰在指定区域内符合被消除的条件。 他们利用这种方法对血竭中龙血素的含量测定，得 到了满意的结果。
光谱分析法概论(教材)
12.旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，
可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学 问题，旋光计测定糖的含量。 13.衍射法
X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同 衍射图。
c：光速（2.9979×1010 cm.s-1）
h：Plank常数（6.6256×10-34 J.s 焦耳. 秒）
二、电磁辐射与物质的相互作用
(1)吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从 基态跃迁到激发态的过程；
(2)发射 是物质从激发态跃迁回基态，并以光的形 式释放出能量的过程；
(3)散射 (4)拉曼散射 (5)折射和反射 (6)干涉和衍射 (7)偏振
λ 10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
γx 射射 线线
紫红 外外 光光
微
无
波
线
电
波
可见光
光的波粒二象性
波动性 λ ν
光的折射 光的衍射 光的偏振 光的干涉
粒子性
E
=
hν
=
hc
λ
E
光电效应
E：光子的能量（J, 焦耳）
ν ：光子的频率（Hz, 赫 λ兹：）光子的波长（cm）
3.试样装置
光源与试样相互作用的场所 （1）吸收池
紫外-可见分光光度法：石英比色皿 荧光分析法：石英液池 红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片 （2）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素 由离子态→原子； 原子发射光谱分析：试样喷入火焰；
4. 检测器
现代仪器分析 第六章 核磁共振波谱法PPT课件
❖核磁共振波谱法：利用核磁共振波 谱进行结构（包括构型、构象）测定 、定性及定量的方法。
第一节 概 述
核：磁性质的原子核 磁：外加磁场 共振：吸收射频辐射产生核自旋能
级跃迁，产生NMR信号
研究的对象是处于强磁场中原子核对射频辐射的吸收
③
H0=0
E＝
h
2
H
0
m＝+1/2
I (I 1) I (I 1)
I＝1/2核的能级分裂
ω0 = 2πν0 = γH0 ν0 = γH0/ (2π)
h 0
E
h 2
H0
0
2
H0
第 三 节 核磁共振波谱仪
（一）主要组成及部件的功能
共振吸收法是利用原子核在磁场中，能级跃迁时核磁矩方 向改变而产生感应电流，来测定核磁共振信号。
结论：质量数和电荷数两者或其一为奇数时，才有非零的核自 旋量子数。
I = 0 时，P = 0，原子核无自旋现象 I≥ ½ 时，原子核有自旋现象
Ｉ＝1/2的原子核
11H ,
163C,
199F ,
175N ,
P 31
15
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁 矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物 的主要组成元素。
2、物理化学研究方面 可以研究氢键、分子内旋转及测定反应速率常数等。
第一节 概 述
3、在定量方面 可以测定某些药物的含量及纯度检查。
4、医疗与药理研究 由于核磁共振具有能深入物体内部，而不破坏样品的特点，因 而可进行活体研究，在生物化学药品方面也有广泛应用。如酶 活性、生物膜的分子结构、癌组织与正常组织鉴别、药物与受 体间的作用机制等。近年来，核磁共振成像仪，已用于人体疾 病的诊断。
光谱光谱分析仪测量常用参数的规范操作流程
光谱光谱分析仪测量常用参数的规范操作流程河南师范大学张豪杰光谱分析仪是光学研究以及光纤通信中常用的测试仪器，规范的使用光谱分析仪可以得到精确的测量结果。
本文以横河的AQ6370光谱分析仪为例，结合自己的测试经验，与大家分享下使用光谱分析仪进行一些常规参数的规范测量方法。
一、光谱分析仪简述：光谱分析仪是光通信波分复用检测中常使用到的测量仪器，当WDM系统刚出现时，多用它测试信号波长和光信噪比。
其主要特点是动态范围大，一般可达70dB；灵敏度好，可达-90dBm；分辨率带宽小，一般小于0.1nm；比较适合于测试光信噪比。
另外测量波长范围大，一般在600~1700nm.，但是测试波长精度时不如波长计准确。
在光谱的测量、各参考点通路信号光功率、各参考点光信噪比、光放大器各个波长的增益系数和增益平坦度的测试都可以使用光谱分析仪。
光谱分析仪现在也集成了WDM的分析软件，可以很方便地把WDM的各个波长的中心频率、功率、光信噪比等参数用菜单的方式显示出来。
二、常用参数测试光谱分析仪的屏幕显示测量条件、标记值、其它数据以及测量波形。
屏幕各部分的名称显示如下：图1：屏幕各部分的名称1、光谱谱宽的测量谱宽即光谱的带宽，使用光谱分析仪可以测量LD、发光二极管的谱宽。
在光谱的谱宽测量时，要特别注意光谱分析仪系统分辨率的选择，即原理上光谱分析仪的分辨率应当小于被测信号谱宽的1/10.，一般推荐设置为至少小于被测信号谱宽的1/5。
在实际的测量中，为了能够准确测量数据，一般选择分辨率带宽为0.1nm 以下。
分辨率带宽RES位于SETUP菜单中的第一项，直接输入所要设定的分辨率带宽的大小即可。
如下图2、3、4所示（图中只为区别光谱形状的不同），当选择的分辨率带宽不同时，从光谱分析仪观察到的光谱形状有很大的不同，并且所测量得到的谱宽大小的不同。
图2：分辨率带宽RES=0.5nm时的光谱形状图3：分辨率带宽RES=0.1nm时的光谱形状图4：分辨率带宽RES=0.02nm时的光谱形状在观察光谱谱宽的同时，也可以通过光谱分析仪读出光谱的中心频率、带宽、峰值功率和边模抑制比等参数。
现代生物仪器分析第三章 分子荧光光谱法
第二节 荧光分析的原理
（一）荧光发生机理 物质的基态分子受一激发光源的照射， 被激发至激发态，在返回基态时，产生 波长与入射光相同或较长的荧光。 通过测定物质分子产生的荧光强度进行
分 析 的 方 法 称 为 荧 光 分 析 (fluorescence analysis)。
1、分子的激发态
荧光和磷光这两种光致发光过程的机理不同， 可从实验观察激发态分子寿命的长短来加以区 别： 对于荧光来说，当激发光停止照射后，发光 过程几乎立即停止（在10-9～10-6秒，荧光寿 命fluorescence life time ）。 磷光则将持续一段时间（在10-3～10秒）。
荧光分析法发展简史
2、分子荧光和磷光的产生
分子在室温时基本上处于电子能级的基态。当吸 收了紫外—可见光后，基态分子中的电子只能跃 迁到激发单线态的各个不同振动—转动能级，根 据自旋禁阻规律，不能直接跃迁到激发三重态的 各个振--转能级。 处于激发态的分子是不稳定的，它可能通过辐射 跃迁和无辐射跃迁等分子内的去活化过程释放多 余的能量而返回至基态，发射荧光是其中的一条 途径。
世界上第一次记录荧光现象是16世纪 西班牙的内科医生和植物学家 N.Monardes。 1575年他提出在含有一种木头切片的 水溶液中，可观察到极可爱的天蓝色。
1852年，stokes在考察奎宁和叶绿素的 荧光时，用分光光度计观察到其荧光的 波长比入射光的波长稍微长些，从而导 入了荧光是光发射的概念。 18工作。应用铝—桑色素配 合物的荧光进行铝的测定。 19世纪以前，荧光的观察是靠肉眼进行 的，直到1928年，才由Jette和West完成 了第一台荧光计。
激发单重态与激发三重态的性质不同
具有6个多光谱通道 -回复
具有6个多光谱通道-回复多光谱通道在遥感图像处理中起着重要的作用。
它可以捕捉到不同波长的光谱信息，从而提供更加详细和全面的地表信息。
具有6个多光谱通道的遥感图像是一种常见的图像类型，它可以用于土地覆盖分类、植被监测、环境变化分析等领域。
本文将逐步解析这种图像的处理过程，以及它在不同应用中的潜在意义。
首先，我们需要了解多光谱通道的含义。
遥感图像通常包含了不同波段的信息，而多光谱通道是指图像中具有多个波段的情况。
这些波段的选择取决于应用需求和遥感仪器的能力。
例如，常见的多光谱通道可能包括红色、绿色、蓝色、近红外、红外等。
每个波段的光谱信息都可以提供不同类型的地表特征。
接下来，我们需要进行图像预处理。
这包括去噪、辐射校正和大气校正等步骤，以消除图像中的干扰。
对于具有6个多光谱通道的图像来说，预处理过程更加复杂，因为我们需要针对每个通道进行校正和处理。
在预处理完成后，我们可以进行土地覆盖分类。
这是一个主要应用领域，通过对图像中的不同波段进行分析，我们可以识别出不同的地表类型，如森林、农田、水体等。
利用机器学习算法，我们可以建立一个分类器，将不同的光谱特征与地表类型关联起来。
这样，我们就可以在图像中对不同地表类型进行自动识别和分类。
此外，多光谱通道也可以用于植被监测。
通过对植被相关的波段进行分析，我们可以获取植被的生长状态、叶绿素含量、植被覆盖度等信息。
这对于农作物管理、森林健康监测等领域具有重要意义。
通过监测植被的变化，我们可以及时发现病虫害、草地退化等问题，并采取相应的措施进行干预。
此外，多光谱通道还可以用于环境变化分析。
通过对不同波段的变化进行比较，我们可以监测城市扩张、土地利用变化等情况。
这对于城市规划、生态保护等方面的决策制定有着重要的意义。
最后，我们需要注意多光谱通道的解译。
由于图像中的每个通道都代表不同的光谱信息，因此我们需要进行解译和分析。
这包括绘制光谱曲线、计算植被指数等。
总结来说，具有6个多光谱通道的遥感图像在土地覆盖分类、植被监测、环境变化分析等领域具有广泛应用。
- 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)。
6.5 荧光强度与浓度的关系
荧光是物质吸收光子之后发出的辐射，荧光强度（F）与 荧光物质的吸光强度Ia及其荧光物质的荧光效率φ成正比。
F = φIa
其中 Ia = I0-I
I0——入射光辐射功率； I——透射光辐射功率；
φ——荧光效率（荧光量子产率）
溶液浓度较低时：
当入射光的l和 I0一定时 ： F=Kc 即： 在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物 质的浓度成正比。 ————这是荧光法定量的基础
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。
6.3 分子荧光光谱法的特点
灵敏度高
选择性好 能够引起荧光的化学物质较少，应用范围小。
6.4 分子荧光产生的条件
（1）具有合适的结构。只有少数具有某些 结构特性的体系才会产生荧光现象。
（2）具有一定的荧光量子产率。
荧光与结构的关系
分子荧光是一种光致发光过程(photoluminescence):荧光 (fluorescence)和磷光(phosphorescence)
分子荧光光谱是一种发射光谱分析方法，是基于对化合物的荧 光测量的分析方法。
分子荧光光谱
6.1 分子荧光的形成 6.2 荧光的激发光谱与发射光谱 6.3分子荧光光谱法的特点 6.4 分子荧光的产生条件 6.5荧光强度与浓度的关系 6.6影响荧光强度的因素 6.7分子荧光光谱仪 6.8分子荧光光谱法的应用
6.1.3 跃迁的方式二-辐射跃迁
☆荧光发射 ：受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰豫到 达第一电子激发单重态的最低振动能级，以辐射的形式失活回到 基态，发出荧光。 由于无辐射使分子吸收的能量有部分损失，因此荧光的能 量比吸收的能量小，即荧光波长一般比激发光波长长。 10-9~107s 。 ☆磷光发射 ：若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第一激 发三重态，再通过振动驰豫转至该激发的最低振动能级，然后以 辐射的形式回到基态，发出的光线称为磷光。 由于激发三重态能量较激发单重态低，所以磷光的波长比荧光 的波长稍长。 磷光仅在很低的温度或黏性介质中才能观测到。因此磷光很少 应用于分析。 10-4~10s 。
定量分析
由于不同的物质其组成与 结构不同，所吸收光的波 长和发射光的波长也不同， 利用这个特性可以进行物 质的定性鉴别。
如果该物质的浓度不同， 它所发射的荧光强度就不 同，测量物质的荧光强度 可对其进行定量测定。
定量方法
①标准曲线法： 配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制 标准曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光 强度，在标准曲线上求出浓度。
6.1 分子荧光的产生
6.1.1 分子的激发
基态→激发态(S1一 次到位。
激发态
基态
单重态： 一个分子中所有电子自旋都 配对的电子状态。
S0
S1
T1
三重态： 有两个电子的自旋不配对而 平行的状态。激发三重态能量较激发单 重态低。
6.1.2 分子的失活 激发态→基态：多种途径和方式，速度最快、 激发态寿命最短的占优势。
激发态分子不稳定，要以辐射或非辐射跃迁方 式回到基态，这就是激发态分子的失活。 辐射形式：荧光和磷光 无辐射形式：振动弛豫，内转换，系间跨越，外 转换
6.1.3 跃迁的方式1-无辐射跃迁 ☆振动驰豫 ： 由于分子间的碰撞，激发态分子由同一电子 能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较 高。激发态分子常常首先发生振动驰豫。该过程只需1014~10-12s。 ☆内部转换：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级 回到低能级的分子内过程， 10-13~10-11s 。 ☆系间跨越 ：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多 重态发生变化的过程。含有重原子的分子中（如I、Br等）， 系间窜跃最常见，10-6~10-2s 。 ☆外部转换 ：激发态分子与溶剂或其他溶质相互作用和能量 转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的 减弱或消失，称为荧光熄灭或猝灭。
激发光波长l1和l2的选择
（1）首先，在紫外光区内，固定激发光波长（可以任 意选择几个）对荧光物质进行荧光发射光谱的扫描， 从而确定产生最大的荧光强度时的荧光波长l2 ；
（2）固定荧光波长l2 ，对荧光物质进行激发光谱的扫 描，确定最佳的激发光波长l1 。
关于激发光的波长l1： ①决定荧光物质是否能够产生吸收并发射出荧光； 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。
第六章
分子荧光光谱
Molecular fluorescent spectrometry
华东理工大学分析测试中心
分子荧光光谱
当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线）照射， 吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波 长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射 光，发光现象也随之立即消失。
6.6 影响荧光强度的因素 （1）内部因素
自猝灭——发光物质分子间碰撞而发生的能量无辐 射转移。自猝灭随溶液浓度的增加而增加。
自吸收——荧光化合物的发射光谱的波长与其吸收 光谱的波长重叠，溶液内部激发态分子所发射的荧 光在通过外部溶液时被同类分子吸收，从而使荧光 被减弱。
荧光强度F与光源的辐射强度I0有关，因此增大光源 辐射功率I0可提高荧光测定的灵敏度。紫外-可见分 光光度法无法通过改变入射光强度来提高灵敏度。
6.7 分子荧光光谱仪
测量荧光的仪器主要由四个部分组成： 激发光源、样品池、双单色器系统、检测器
光源： 最常用的是高压汞蒸气灯。发出的是较强的线状谱，其中 365，398，436，546，579，690，734nm谱线较强。大多数 荧光化合物都可以在一定波长范围内用不同波长的光诱发荧光， 因此通常至少有一条汞线是适用的。 高压氙灯发出的光线强度大，而且是连续光谱，克服了汞 蒸气灯射线数目少、强度差别大的缺点。但氙弧灯热效应大， 稳定性较差。 高功率连续可调激光光源是一种新型荧光激发光源。激光 的单色性好、强度大。激光光源近年来应用日益普遍。 钨灯和氢灯发出的紫外光强度太小，在荧光中应用不多。
荧光显微镜
光学显微由于光束直径有限，透镜大小有限，会产生衍射 ，从而具有一个所谓的衍射极限：
荧光显微镜及共聚焦显微镜：利用荧光探针，观察细胞行 为。
共聚焦显微镜
共聚焦系统
共聚焦图片
三维重建
超分辨率荧光显微技术
打破了原有的光学远场衍射极限对光学系统极限分辨率的 限制，在荧光分子帮助下很容易超过光学分辨率的极限， 达到纳米级分辨率。 光学显微镜步入了纳米时代。 2014年度诺贝尔化学奖得主为美国科学家埃里克· 白兹格 、威廉姆· 艾斯科· 莫尔纳尔和德国科学家斯特凡· W· 赫尔三 人获得，表彰的是他们在超分辨率荧光显微技术领域取得 的成就。
荧光量子产率
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 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）都可使荧光增强。
（2）环境因素 ①温度 温度对荧光的影响很大。 温度降低会减少碰撞和非辐射失活的概率，因此会增加荧光强度。例 如：荧光素的乙醇溶液在0℃以下每降低10℃，荧光产率增加3%，当温度 降低至-80 ℃时，荧光产率为100%。 ②pH值 含有酸性或碱性取代基的芳香化合物的荧光与pH有关。pH的变化影响了 荧光基团的电荷状态，从而使其荧光发生变化。 ③溶剂 溶剂极性增加，有时会使荧光强度增加，荧光波长红移。 若溶剂和荧光物质形成氢键或使荧光物质电离状态改变，会使荧光强 度、荧光波长改变。 含重原子的溶剂（碘乙烷、四溴化碳）使荧光减弱，磷光增强。 ④溶解氧 往往使荧光强度降低。
电子跃迁类型： p*-p 的荧光效率高，系间窜跃至三重态的速率常数较小，有利于 荧光的产生。 共轭效应： 含有p*-p 跃迁能级的芳香族化合物的荧光最常见且最强。具有较 大共轭体系或脂环羰基结构的脂肪族化合物也可能产生光。 取代基效应： 苯环上有吸电子基常常会妨碍荧光的产生；而给电子基会使荧光 增强。 平面刚性结构效应： 可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。 如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。
STED
STED，全名是Stimulated Emission Depletion，受激辐射 光淬灭
STORM
全称为：Stochastic Optical Reconstruction Microscopy; 随机光学重建显微法。
当两个发光团太接近的时候，传统分辨率不能分辨。如果能够用两种颜色的光， 一束管死，通过光漂白，让大部分粒子激发过度到达暗态；另一束管活，通过激 活，让极个别死去的粒子再活过来。由于活着的是极少数。这样，就有一部分粒 子是只有自己发光周边都是不发光的，就可以很容易地把它定位出来；再把它激 发、打死，救活另外一些，如此往复。
PALM
全称：Photoactivated localization microscopy；光活化定 位显微镜。 敏化-激发-定位-漂白
激发光谱与荧光光谱的关系
镜像规则 荧光光谱的形状与基态中振动能级的分布有关，而激发光谱 的形状反映了第一激发态单重态中的振动能级的分布。一般情 况下，基态和第一激发单重态中的振动能级分布是相似的，通 常荧光光谱与激发光谱大致呈镜像对称。 Stokes位移 Stokes位移是指激发光谱与荧光光谱之间的波长差值。 荧光的波长总是大于激发光的波长。这是由于发射荧光之前 的振动驰豫和内转换过程损失了一定的能量。 荧光光谱的形状与激发光波长无关 电子跃迁到不同激发态，吸收不同波长的能量，产生不同 的吸收带，但荧光均是激发态电子回到第一激发单重态的最低 振动能级再跃迁回到基态而产生的，这与荧光物质分子被激发 至哪一能级无关。因此，荧光光谱的形状和激发光的波长l1无 关。