熒光譜測量

某些物質受到電磁輻射而激發時，它們能重新發射出相同或較長波長的光。這種現象稱為光致發光，熒光是光致發光現象中最常見的類型。如果停止照射，則熒光很快（<10^-6s）地消失。通常所觀察到的熒光現象是指物質吸收了波長較短的紫外光后發出波長較長的可見熒光。實際上，熒光現象并不限于上述情況。有些物質吸收了紫外光，仍然發出波長稍長的紫外熒光。有些物質吸收了比紫外光波長短得多的X射線，然后發出波長比所吸收的X射線的波長稍長的X射線熒光，據此而建立了X射線熒光分析法。通過測量熒光的強度，可用于定量測定許多無機和有機物質，它已成為一種很有用的分析方法，特別在生物化學方面有著廣泛的應用。通過實驗學習和掌握熒光光度計測定物質熒光光譜的原理和方法；熟悉熒光分光光度計的結構及使用方法；測量物質的熒光光譜

一、實驗原理

發光物質因引起發光的原因不同可分為：熱致發光、光致發光、電場致發光、陰極射線發光、高能粒子發光及生物發光等多種發光方式。光致發光的原理是分子在吸收了光能后，從基能態躍遷到高能態，在它們再從高能態返回基能態時，以光能的形式向外釋放之前吸收的外來能量，即光致發光所發生的光。

（一）熒光的產生

    物質吸收光能后所產生的光輻射稱之為熒光和磷光單重態和三重態。分子中的電子運動包括分子軌道運動和分子自旋運動，分子中的電子自旋狀態，可以用多重態2S+1描述，S為總自旋量子數。若分子中沒有未配對的電子，即S=0，則2S+1＝1，稱為單重態；若分子中有兩個自旋方向平行的未配對電子，即S=1，則2S+1＝3，稱為三重態。

大多數分子在室溫時均處在電子基態的最低振動能級，當物質分子吸收了與它所具有的特征頻率相一致的光子時，由原來的能級躍遷至第一電子激發態或第二電子激發態中各個不同振動能級，其后，大多數分子常迅速降落至第一電子激發態的最低振動能級，在這一過程中它們和周圍的同類分子或其他分子撞擊而消耗了能量，因而不發射光。過程如圖1－4－1所示。

   處在第一激發單重態的電子躍回基態各振動能級時，將產生熒光，在這一過程中除了熒光還有磷光，以及延遲熒光等，本次實驗我們主要討論熒光。熒光的產生在10^-7－10^-9S內完成。熒光和磷光的根本區別：熒光是由激發單重態最低振動能層至基態各振動能層之間的躍遷產生的；而磷光是由激發三重態最低振動能層至基態各振動能層之間的躍遷產生的。

       圖1－4－1 熒光光譜能級躍遷示意圖

產生熒光的第一個必要條件是該物質的分子必須具有能吸收激發光的結構，通常是共軛雙鍵結構；第二個條件是該分子必須具有一定程度的熒光效率。所謂熒光效率是熒光物質吸光后所發射的熒光量子數與吸收的激發光的量子數的比值。
（二）熒光光譜

熒光光譜：熒光光譜包括激發譜和發射譜兩種。激發譜是熒光物質在不同波長的激發光作用下測得的某一波長處的熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發光的相對效率；發射譜則是某一固定波長的激發光作用下熒光強度在不同波長處的分布情況，也就是熒光中不同波長的光成分的相對強度。

既然然激發譜是表示某種熒光物質在不同波長的激發光作用下所測得的同一波長下熒光強度的變化，而熒光的產生又與吸收有關，因此激發譜和吸收譜極為相似。但是激發光譜和吸收光譜不同，后者只說明材料的吸收，至于吸收后是否發完，就不一定了，因此將激發光譜與吸收光譜進行比較，可以判斷哪種吸收對發光有用。由于激發態和基態有相似的振動能級分布，而且從基態的最低振動能級躍遷到第一電子激發態各振動能級的幾率與由第一電子激發態的最低振動能級躍遷到基態各振動能級的幾率也相近，因此吸收譜與發射譜呈鏡象對稱關系。

  （三）有稀土離子的激光晶體的熒光譜

稀土離子激活的發光晶體在現代科學技術中有著廣泛的應用。許多發光粉、上轉換材料及激光材料就是摻稀土離子的。三價自由稀土離子的4f組態的電子波函數具有相同的宇稱，沒有電偶極輻射和吸收。當三價稀土離子進入晶體后，看到了發光。對此有人解釋為：靜態晶體場引起相反宇稱的組態混雜，并由此觀點出發推導了躍遷幾率表達式。因為，躍遷幾率決定光譜線的強度，兩個能級之間的躍遷幾率，躍遷截面（吸收或發射截面），輻射壽命，熒光強度，熒光分支比，量子效率等，這些標志強度的參數都是十分重要的發光參數。但是它們的實際測量有時候不是很容易。如果能夠計算出躍遷幾率，這些參數就可以得到了。

現在以能級壽命為例進行簡單的演繹說明。

設能級E₂上的離子數為N₂，由于自發輻射N₂將隨著時間減少。設時間dt內N₂的改變量為dN₂，則：

  dN₂= -A₂₁N₂dt   或 dN₂/N₂＝-A₂₁dt                       （1－4－1）

積分后：N₂=N₂₀exp(-A₂₁t )                                  （1－4－2）                       

N₂₀為t=0時候的N₂值。上式表明N₂減少的快慢與幾率系數A₂₁的大小有關，A₂₁越大，則N₂減少越快。

A₂₁具有時間倒數的量綱，它的倒數為：

 τ反映了粒子平均來說在能級E₂上停留時間的長短，它叫做粒子在該能級上的平均壽命，τ也可理解為在能級E₂上的粒子數減少到開始的1/e,所經歷的時間。

各種原子的各個能級的壽命τ與原子的結構有關，一般激發態能級的壽命數據級別為10^－8S，也有一些激發態的能級壽命特別長的，可達到10^－3S甚至1S，這種壽命特別長的叫做亞穩態。在激光晶體中，壓穩態在激光的產生過程中起著特殊的作用。

以上所講只是與自發躍遷過程中對應的壽命，更確切的講應叫能級的自然壽命。實際上由于原子間的碰撞或者其它外界干擾。都會使原子的躍遷幾率大大增加，從而能級的實際壽命一般比自然壽命小幾個數量級。

 二、 實驗配置

進行分子熒光光譜分析的儀器稱熒光分光光度計。它由5  部分組成：光源；單色器；樣品池；檢測器；顯示裝置。WGY—10型熒光分光光度計的光路圖如圖1－4－2所示：

光源：熒光分光光度計多采用氙燈作為光源，因它具有從短波紫外線到近紅外線的基本上連續的光譜，以及性能穩定、壽命長等優點。近年來激光熒光分析應用日廣，它采用激光器作為光源。

單色器：是從復合光色散出窄波帶寬度光束的裝置，由狹縫、鏡子和色散元件組成。色散元件包括棱鏡和光柵。熒光分光光度計有兩個單色器：激發單色器和發射單色器。

       圖1－4－2  熒光分光光度計的光路圖

試樣容器：也稱樣品池，用于放置樣品。光源、試樣容器和探測器通常排成直角形，對于不透明的固體試樣，則排成銳角形。
檢測器：通常采用光電倍增管作為檢測器。

顯示裝置：熒光分光光度計大多配有微處理機，其信號經處理后在屏上顯示，并輸給記錄器記錄。某些型號的熒光分光光度計，按下電鍵即可得出三維熒光光譜。

    熒光分光光度計可分為單光束與雙光束兩種。在單光束熒光分光光度計中，光源發出的光經激發單色器單色化的光只有一束，照射在樣品池上，樣品發出的熒光經過發射單色器色散后照射在光電倍增管上。

三、實驗內容與步驟

（一）實驗步驟

  1、將熒光分光光度開機，預熱10分鐘左右，將樣品放入樣品池中，測量激發譜。（具體軟件操作見說明書）

  2、根據測得的激發譜，確定樣品的激發波長，用此波長測量樣品的發射譜。

（二）實驗內容

 1、利用下面給定的公式，結合熒光發射譜，對下圖中的幾條輻射進行相關計算。

           圖1－4－3 實際釹離子系統的躍遷能級示意圖

e為電子電荷，n為 折射率，h為普朗克常數，m是電子質量。

思考題：

1、熒光譜與磷光譜有什么不同與相同？

2、熒光譜在分析物質特性是有什么用處?

3、激發譜和發射譜有什么不同之處？