现代仪器分析-荧光光谱仪部分

应用举例：
• 白光的评价 • 环境领域的应用 • 发光颜色及强度评价 • 荧光功能化应用
光电领域 生物领域 光热领域
白光的品质
色坐标
在RGB三原色系统中，三原色光亮度 并不相同，其光亮度之比为 R∶G∶B=1∶4.5907∶0.0601。在三色系 统中，任何一种颜色的 色刺激可用适当数量的三个原色的色刺 激相匹配，每一原色的刺激量与三原色 刺激总量的比称为该色的色品坐标，简 称色坐标在CIE1931的xyz表色系统中的 色坐标为
强度或能量分布，发射光谱中强度最大的波长称为主峰； • 吸收光谱：试样的吸收系数随入射光波长的变化（lambert-Beer定律）； • 外量子效率：荧光粉在一定波长的光激发下，发射的荧光光子数与激发光的
光子数之比。当一束光照射到荧光粉时，一部分被反射、散射，一部分透射， 其他的被吸收。只有被吸收的这部分光才能对荧光粉的发光起作用，但不是 所有被吸收的各种波长光都能对发光有贡献； • 温度特性：表示荧光粉的发射特性与温度的关系，包括发光亮度、激发波长、 发射主峰及色品坐标等； • 斯托克斯(stokes)位移：斯托克斯位移为最大荧光波长与最大激发波长之差； • 荧光寿命：当一束光激发荧光物质时，荧光物质的分子吸收能量后从基态跃 迁到某一激发态，再以辐射的形式发出荧光回到基态，激发停止时，分子的 荧光强度降低到激发时最大强度的1/e时所需的时间为荧光寿命，粒子在激 发态的平均时间。
➢ 稳态荧光
基本分析方法 应用实例
2
荧光及荧光过程
荧光： 物质中的电子吸收光的能量由
低能状态转变为高能状态，再回 到低能状态时释放出的光。
吸收
发射
无辐射跃迁
• 激发过程：发光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发到激发态； • 辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁到基态，多余的能量以光子的形式释放
干涉极大条纹将介于λ和 λ+△λ的条纹之间，使条纹模糊。
当λ的 k+1 级干涉极大和 λ+△λ的 k 级干涉极大重合时，干涉 条纹将完全不可见。
即 d sin k 1 k 时，干涉条纹消失
能允许的最大波长范围（自由光谱程）：FSR
k
扫描机构：正弦机构
利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而
品摆放整齐，清理实验产生的垃圾，并带走自己的样品。 • 操作结束后必须如实填写仪器使用记录，出现故障务必如实记
录，便于日后维修。
分析方法：稳态-瞬态荧光
• 相对亮度：在规定激发条件下，试样与参比样品的亮度之比； • 激发光谱：指材料在不同波长光的激发下，其发射谱线和谱带的强度的关系； • 发射光谱：指试样在某一特定激发波长光的激发下，所发射的不同波长光的
k'
单缝衍
多缝干涉因 子
d sink
d sink cos
sin N
k
N
d cosk
0
k'
sin
N
Nk
1 k
N
射因子
通常光栅的缝数 N 很大
Δθ很小
sin
cos 1
d
cosk
N
条纹的角半宽度：
d cosk N
Rayleigh判据：λ+△λ 的主极大与λ的极小重合时,两条纹刚刚能分辨
热
节能环保
紧急照明 标示
白夜 天晚
工艺品
样品室 光 信 号
仪器结构组成 光
斩波器
频 率
光源
单色仪
电流输出模式
光电信号
高压
锁相放大器
数据采集
卡
并口
电脑
光源
入射狹缝 光栅单色仪 扫描机构
接收单元 PMT
寿命测试 A/D变换
计算机
光栅分光的原理
分光：与三棱镜相比，具有色散均匀、分辨率高、光谱范围宽等优点。
由光栅方程 d(sin ± sin)=m
当光栅位于某一个角度时（一定）， 衍射角与波长成正比。
可知在同一级干涉极大上，不同波长的光将散开，波长越长，衍射角越大。 当入射光为复合光时，光栅的这种色散作用可用来进行光谱分析。（波长）
谱线强度受单缝衍射光强分布曲线调制，光栅缝数越多， 谱线越细、越亮。（强度）
2. 色分辨本领
表征仪器分开两条极为 靠近的光谱线的能力
由于干涉条纹有一定宽度，因此当两个波长相差很小时，两条纹 会重叠，以至不可分辨。
一个光栅有一定的色分辨率
计算条纹的宽度：
主极大位置 d sin k k
IP
I0
sin2 2
sin2 N sin2
d sin
主极大两侧极小的位置 光强极小
500
550
600
Wavelength / nm
荧光发射光谱
格位环境评估
UV-light Blue-light
Excitation
: Host
: Activated
Emission
荧光材料的功能化应用：
光 力
电
声
热
磁 化学
生物医学
光电领域
生物领域
• 优点：对生物组织无损伤、无背景荧光、
信噪比高、发光稳定性好、抗光漂白特性 强、光化降解特性低、毒性低、发光强度 高、Stokes位移大、光散射低等 。 • 要求：小尺寸、单分散、具有水溶性、发 光效率高、单色性好、有较好的化学稳定 性和光化学稳定性。
控制光栅转动。
入射狭缝 丝杠
出射狭缝
光栅
光栅转动，出射狭缝 光波长改变a nm
接收元件：PMT
光电倍增管由两部分组成：将入射光子转化为电子的光阴极，增大电子数目的 倍增极。 光电倍增管的外壳由玻璃或石英制成，内部抽成真空。光阴极上涂有 能发射电子的光敏物质，在阴极和阳极之间联有一系列次级电子发射极，即电 子倍增极。阳极和阴极之间加以约1000V的直流电压。在每两个相邻电极之间 ，都有50－100V的电位差。当光照射在阴极上时，光敏物质发射的电子，首先 被电场加速，落在第一个倍增极上，并击出二次电子。这些二次电子又被电场 加速，落在第二个倍增极上，击出更多的二次电子，依此类推。由此可见，光 电倍增管不仅起了光电转换作用，而且还起着电流放大作用。 光电倍增管具有 波长区域宽（常用160~900nm）、线性范围大、放电增益高及噪声低等很多优 点。
•用一窄光脉冲激发样品，检测样品所发射的第一个 荧光光子到达接收器的时间；
•将此时间成比例的转换为电压脉冲——A/D转换到 多通道分析器，脉冲进入各自通道累加存储，得到 直方图；
•光子几率与强度成正比，荧光强度衰变图。
光谱仪的性能参数
• 波长范围：240-1700 nm（光电倍增管） • 波长精度：<±0.5 nm（光栅） • 荧光（磷光）寿命：10 ps-10 s • 杂散光抑制比：1:105（光路系统） • 稳态信噪比：>5000:1 （光路系统） • 光谱分辨率：<0.2 nm（光栅） • 峰值计数：2×106（光电倍增管） • 扫描速度：>150 nm/s （光路系统） • 波长重复性：±0.3 nm （光路系统）
当入射光与光栅面的法线N的方向 的夹角为时，光栅的闪耀角为b， 对于入射角为，而衍射角为时， 满足光栅方程：d(sin± sin)=m 时，光强将出现极大。d为光栅常数， m＝±1，±2，±3，…，为干涉级， 是出现极大值的波长。当入射线与 衍射线在光栅法线同侧时，公式取 正号，异侧取负号。
《光学教程》姚启钧（第三版）高等教育出版社，P125-137.
• 作用：是一种具有极高灵敏度和超快时间 响应的光探测器件，是将光信号转换为电 信号，还可将电流信号放大；
• 使用注意：由于PMT具有极高的积分灵敏 度，因此入射光能量过大时，容易降低使 用寿命和损坏探测器。
时间相关单光子计数原理
• 优点：灵敏度高、测定结果准确、系统误差小， 目前最流行的荧光寿命测定方法。
荧光在环境中的应用
物质对光的吸收具有选择性
dI/dx=-AI’
透光度：T=I/I0 吸光度：A=-logI/I0=-logT
0min
I’-dI
I0
I
(a)
Abs
dx
通过测定被测物质对不同波长的 光的吸收强度，以波长为横坐标， 吸光度为纵坐标作图，得到A-λ 450 吸收曲线
20min
120min
111 0 10 20 30 40 50 60
稳态荧光光谱仪
Steady state fluorescence spectrometer
提纲
➢ 荧光现象
荧光现象、分类及生活中的荧光 光致发光现象及其应用
➢ 光谱仪简介
结构组成及测试原理 1. 光栅分光原理 2. 步进电机的工作原理 3. 光电倍增管的工作原理 4. 时间相关单光子技术原理（荧光寿命测试） 光谱仪的性能参数 使用注意事项
使用注意事项
• 送样前需清楚测试项目及大致测试条件（激发波长及监控波长 ，扫描范围等）。
• 粉末样品；薄膜样品；液体样品。 • 样品如属有毒物质，请向操作人员提前说明，以便做好防护措
施。 • 实验过程若有样品洒落时，一定要及时清理，并避免样品污染
光路。 • 实验人员需保持实验室内整洁和卫生。实验结束后，务必将物
Automoti
ve
Illuminati on
固态照明
Signs and Displays
Mobile Appliance
Other Indicators, small displays amusement,
misc. other
Signal s
Near UV ~Near IR
长余辉发光材料
Remove the source
光源在照射物体后所引起的颜色效果就称为光源的显色性。它是一个主 观的定性的概念。国际照明委员会(CIE)推荐用一个色温接近于待测光源的 普朗克辐射体作参照光源，并将其显示指数定为100，用8个孟塞尔(Munsel) 色片做测试样品，ΔEi评定待测光源的显色指数，CIE规定光源显色指数由公 式Ri=100-4.6ΔEi确定，单块色片的显色指数称为特殊显色指数Ri，光源的特 殊显色指数的算术平均值称为一般显色指数Ra，光源的显色指数越高，其显 色性越好。
x=X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z)
由于x+y+z=1，故由一 对色品坐标(x，y)就可以表 示一种颜色
由普朗克公式可得不同色温黑体的 光谱能量分布曲线，按照三刺激值计算 它们的色坐标x，y值，将这些x，y值绘 制在x，y的色品图上，各点连成一条曲 线，其形状如图所示，这条曲线就称为 黑体轨迹。用这个黑体的温度来表示该 光源的颜色温度，称为色温(Tc)。由图 可知，当黑体的温度较低时，光色呈橙 黄色。光色随温度升高逐渐接近白色， 继续升高黑体的发光就略显蓝色。
450 500 550 600 650 700 750
UV chip +RGB
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
450 500 550 600 650 700 750
• 显示、景观
• 室外照明：道路、停车场，室内照明
• 背光源
• 特殊照明：矿井、医院、博物馆、冰柜、仓库、情景照明
• 汽车照明和商用照明
生物发光
生活中的荧光现象
光致发光
330-465nm LED用发光材料
真空紫外发光材料：等离子平板显示及无汞荧光灯
玻璃基板
玻璃基板
无汞荧光灯
Plasma Display Panel (PDP)
高亮度 无污染
➢大画面 ➢超薄、超轻 ➢视角广阔
LED
Blue cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱip + Y
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
出来； • 无辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁回基态，多余的能量以声子的形式释
放到晶格中，导致材料温度的升高； • 能量传输过程：激发能在基质与发光中心间、发光中心与发光中心间进行传递。
光波长的划分：
按照发光时间长短 荧光：物质在受激发时的发光 磷光：激发停止后的发光
荧光
按照激发方式
荧 光致发光（电磁辐射） 光 电致发光（电场能） 的 阴极射线发光（电子束的动能） 分 X射线发光及高能粒子发光 类 化学发光（化学能-光能：燃烧）
光 栅 的 色 散 及
判 据
Rayleigh
由色散率公式
d 1 k d d cos
波长相差△λ的条纹角间距
1 k d cos
条纹的角半宽度：
d cosN
可分辨的最小波长差
kN
定义色分辨本领 kN
Rayleigh判据
３. 自由光谱区（色散范围） 如果在 λ 和 λ+△λ中有其它波长，或为连续波长时，各波长的
光谱分析的精度与光栅的下列参数有关：
色散率; 色分辨本领; 自由光谱程.
1. (角)色散率 d
d
由光栅方程 d sin k
显然
D d 1 k d d cos
光栅的色散
光栅周期d越小，色散率越大；
光栅周期d确定时，k 或 θ 越大，色散率越大；
但是
因为受衍射因子的作用，k 越大，强度越小，所以通常 k=1 或 k=2.