激光誘導(dǎo)熒光LIF

1、LIF測(cè)量原理一、 光致發(fā)光物理基礎(chǔ)發(fā)光可以定義為原子或分子從激發(fā)態(tài)到較低能態(tài)經(jīng)歷的輻射發(fā)射過(guò)程。如果激發(fā)態(tài)是通過(guò)吸收入射輻射產(chǎn)生的，那么源于這種激發(fā)態(tài)的發(fā)射就稱為光致發(fā)光。1. 分子軌道理論根據(jù)分子軌道理論，兩個(gè)原子軌道結(jié)合時(shí)既可以形成成鍵分子軌道（bonding molecular orbit），又可以形成反鍵分子軌道（anti-bonding molecular orbit）?；鶓B(tài)時(shí)分子中的電子占據(jù)成鍵軌道，有機(jī)分子中原子間電子云以頭碰頭形式形成的單鍵分子軌道叫做s軌道，相應(yīng)的電子叫s電子；肩并肩形式形成的分子軌道叫p軌道，相應(yīng)的電子叫p電子。相應(yīng)的反鍵軌道分別用s*和p*表示。另外還有

2、很多物質(zhì)還含有非鍵軌道（non-bonding electron），即未共用電子或孤電子對(duì)，用n表示。當(dāng)吸收一定能量后，一定能級(jí)之間的電子可發(fā)生下圖所示的四種躍遷：s-s*、n-s*、n-p*、p-p*。分子軌道及電子能級(jí)躍遷2. 單線態(tài)和三線態(tài)電子的自旋狀態(tài)可以用自旋多重度表示，對(duì)于基態(tài)的原子，對(duì)于一個(gè)給定軌道中的兩個(gè)電子，必定具有相反的自旋方向，因此自旋多重度總等于1，稱為單線態(tài)；當(dāng)一個(gè)電子被激發(fā)到能量較高的電子態(tài)時(shí)，激發(fā)態(tài)可能是單線態(tài)，也可能是三線態(tài)。從單線態(tài)激發(fā)稱為三線態(tài)的概率是相當(dāng)?shù)偷模^單線態(tài)要低若干個(gè)數(shù)量級(jí)，三線態(tài)的壽命比單線態(tài)長(zhǎng)得多。3 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜 熒光現(xiàn)象屬于光致發(fā)光

3、，涉用到兩種輻射，即激發(fā)光（吸收）和發(fā)射光，因而也都具有兩種特征光譜，即激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。這是熒光定性和定量分析的基本參數(shù)及依據(jù)。1） 激發(fā)光譜通過(guò)測(cè)量熒光體的發(fā)光通量（即強(qiáng)度）隨激發(fā)光波長(zhǎng)的變化而獲得的光譜，稱為激發(fā)光譜。激發(fā)光譜的具體測(cè)繪方法，是通過(guò)掃描激發(fā)單色器，使不同波長(zhǎng)的入射光照射激發(fā)熒光體，發(fā)出的熒光通過(guò)固定波長(zhǎng)的發(fā)射單色器而照射到檢測(cè)器上，檢測(cè)其熒光強(qiáng)度，最后通過(guò)記錄儀記錄光強(qiáng)度對(duì)激發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，即為激發(fā)光譜。2） 發(fā)射光譜通過(guò)測(cè)量熒光體的發(fā)光通量隨發(fā)射光波長(zhǎng)的變化而獲得的光譜，稱為發(fā)射光譜。其測(cè)繪方法，是固定激光發(fā)光的波長(zhǎng)，掃描發(fā)射的光的波長(zhǎng)，記錄發(fā)射光強(qiáng)度對(duì)發(fā)射光波長(zhǎng)

4、的關(guān)系曲線，即為發(fā)射光譜。物質(zhì)的發(fā)射光譜也稱為熒光光譜（或磷光光譜）。3） 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的特征a 熒光發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)由于熒光發(fā)射是激發(fā)態(tài)的分子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)躍遷回基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)所產(chǎn)生的，所以不管激發(fā)光的能量多大，能把電子激發(fā)到種激發(fā)態(tài)，都將經(jīng)過(guò)迅速的振動(dòng)弛豫及內(nèi)部轉(zhuǎn)移躍遷至第一激發(fā)單重態(tài)的最低能級(jí)，然后發(fā)射熒光。因此熒光光譜只有一個(gè)發(fā)射帶，且發(fā)射光譜的形狀與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。b 熒光激發(fā)光譜的形狀與發(fā)射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)熒光發(fā)射的效率（稱為量子產(chǎn)率）與激發(fā)光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此用不同發(fā)射波長(zhǎng)繪制激發(fā)光譜時(shí)，激發(fā)光譜的形狀不變，只是發(fā)射強(qiáng)度不同而已。4. 熒光（或磷光）量子產(chǎn)

5、率 激發(fā)態(tài)分子的去激發(fā)包括兩種過(guò)程，即無(wú)輻射躍遷過(guò)程和輻射躍進(jìn)遷過(guò)程，輻射躍遷可發(fā)射熒光（延遲熒光）或磷光。而有多少比例的激發(fā)分子發(fā)射出熒光（或磷光）呢？可以用熒光量子產(chǎn)率F-有時(shí)也叫熒光效率或熒光產(chǎn)率（或磷光量子產(chǎn)率P）表示。F定義為：熒光物質(zhì)吸光后所發(fā)射熒光的光量子數(shù)與所吸光的光量子數(shù)之比，即: 或許多吸光物質(zhì)并不能發(fā)射熒光，這是因?yàn)榧ぐl(fā)態(tài)分子的去激發(fā)（去活）過(guò)程中，除發(fā)射熒光（磷光）外，還有無(wú)輻射躍遷過(guò)程與之競(jìng)爭(zhēng)。所以，熒光量子產(chǎn)率與其他各種過(guò)程的速率常數(shù)有關(guān)。F可以表示為:式中，Ki為無(wú)輻射躍遷各種過(guò)程的速率常數(shù)之和，即Ki KICKISCKQQ。從上式可以看出，凡是能使Kf值升高而使

6、其它Ki值它降低的因素，都可以提高量子產(chǎn)量，增強(qiáng)熒光。對(duì)于高熒光分子（如熒光素）來(lái)說(shuō)，f接近于1，說(shuō)明該分子的Kf較大，Ki相對(duì)于Kf不可忽略不計(jì)。一般熒光物質(zhì)f小于1，不發(fā)熒光的物質(zhì)Kf為0，f0。一般說(shuō)來(lái)，Kf主要取決于化學(xué)結(jié)構(gòu)（上節(jié)已敘述），Ki則主要取決于化學(xué)環(huán)境因素，同時(shí)也與化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。從各種速率常數(shù)還可以得到熒光壽命f:磷光的量子產(chǎn)率P與熒光最子產(chǎn)率相似。5. 熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)濃度的關(guān)系 熒光強(qiáng)度If正比于吸收光量（光強(qiáng)）Ia及熒光量子產(chǎn)率f: If=Iaf吸收的光量（光強(qiáng)）Ia應(yīng)為入射光強(qiáng)I0與透射光的光強(qiáng)It之差，即：Ia I0It 根據(jù)吸收定律（朗伯-比耳定律）：所以式中

7、，為摩爾吸光系數(shù)，b為樣品溶液光程（即液池厚度），c為樣品摩爾濃度。當(dāng)濃度c很小，吸收光量不超過(guò)總光量2時(shí)，（約為0.02），則展開(kāi)式的高次項(xiàng)可忽略，即: 所以：當(dāng)I0及b一定時(shí): IfKc上式表明，熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成正比，這是熒光分析法是量分析的依據(jù)。但是應(yīng)該注意此式只適合于熒光物質(zhì)的稀溶液，當(dāng)c較大，即時(shí)線性關(guān)系將受到破壞。其原因是受激后激發(fā)態(tài)分子與體系中其他分子碰撞，使其以非輻射躍遷形式去激化（去活），產(chǎn)生熒光猝滅或者激發(fā)態(tài)分子所發(fā)射的熒光被沒(méi)受激發(fā)分子吸收，而又因f一般少于1所以發(fā)生所謂的“自吸收”現(xiàn)象而使熒光減弱。6. 熒光的猝滅 熒光的猝滅（熄滅）從廣義上說(shuō)，指的是任何可使

8、某給定熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度降低的作用，或者任何可使熒光強(qiáng)度不與熒光物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系的作用。從狹義上說(shuō)，指的是熒光物質(zhì)分子與溶劑分子或其它溶質(zhì)分子之間的相互作用，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。與熒光物質(zhì)發(fā)生相互作用而使熒光強(qiáng)度降低的物質(zhì)稱為猝滅劑，熒光猝滅的形式很多，機(jī)理也比較復(fù)雜。猝滅主要有為下幾種類型：1） 碰撞猝滅碰撞猝滅是熒光猝滅的主要類型之一。它指的是處于激發(fā)單重態(tài)熒光分子與猝滅劑分子Q相碰撞，使釋放熱量給環(huán)境以無(wú)輻射形式躍遷回基態(tài)，產(chǎn)生猝滅作用（這種猝滅也稱動(dòng)態(tài)猝滅）。這一過(guò)程可以表示如下：碰撞猝滅效應(yīng)隨溫度升高而增強(qiáng)，而隨粘度增大而降低。2） 生成化合物的猝滅生成化合物的猝滅也稱為靜態(tài)

9、猝滅，它指的是基態(tài)的熒光物質(zhì)與猝滅劑反應(yīng)生成非熒光化合物，導(dǎo)致熒光的猝滅，可用下式表示：從上式也容易推導(dǎo)出熒光強(qiáng)度與猝滅劑平衡濃度之間的關(guān)系式中（If）0及（If）q分別為加入猝滅劑Q之前及之后的熒光強(qiáng)度，CM為熒光物質(zhì)的總濃度。上式與動(dòng)態(tài)猝滅的關(guān)系式一樣，只是常數(shù)K的意義不同。利用上面的關(guān)系式可以用于熒光猝滅法的定量分析。3） 能量轉(zhuǎn)移猝滅當(dāng)猝滅劑吸收光譜與熒光體的熒光光譜有重疊時(shí)，處于激發(fā)單重態(tài)的熒光體激發(fā)分子的能量就可能轉(zhuǎn)移到猝滅劑分子上或者猝滅劑吸收了熒光體發(fā)射的熒光，使熒光猝滅，而猝滅劑被激發(fā)，這是俗稱“內(nèi)濾作用”?？捎孟率奖硎荆?） 氧的猝滅O2可以說(shuō)是熒光和磷光的最普遍存在的猝滅

10、劑。對(duì)于溶液磷光來(lái)說(shuō)，氧的猝滅作用是十分有效的，它可以導(dǎo)致通常觀察不到溶液的室溫磷光現(xiàn)象。而對(duì)于溶液熒光來(lái)說(shuō)，不同熒光物質(zhì)和同一熒光物質(zhì)和同一熒光物質(zhì)在不同的溶劑中，對(duì)氧的猝滅作用的敏感性有所不同。氧對(duì)溶液熒光產(chǎn)生猝滅作用的原因比較復(fù)雜，還沒(méi)有一個(gè)完整的確定說(shuō)法，可能包含著多種機(jī)理。有的認(rèn)為可能是由于三重態(tài)的氧分子和激發(fā)單重態(tài)的熒光分子相互作用形成激發(fā)單重態(tài)的熒光分子相互作用形成激發(fā)單重態(tài)的氧分子和激發(fā)三重態(tài)的熒光分子所引起的，如下式表示：也有的認(rèn)為氧和其它順磁性物質(zhì)一樣，它們之所以會(huì)使熒光猝滅，是由于它們能夠促進(jìn)激發(fā)單重態(tài)的熒光分子的系間跨躍（）以及提高熒光物質(zhì)基態(tài)分子的系間吸收躍遷（）的幾率；還有的認(rèn)為熒光猝滅是由于熒光物質(zhì)受到氧化的緣故。5） 轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅在“重原子效應(yīng)”段落已經(jīng)敘述，溴化物和碘化物都能產(chǎn)生“重原子效應(yīng)”，促使熒光分子激發(fā)單重態(tài)轉(zhuǎn)入激發(fā)三重態(tài)，導(dǎo)致熒光的猝滅。上面也已提及氧的猝滅作用也可能是O2促使熒光體分子轉(zhuǎn)入激發(fā)三重態(tài)所致。6） 熒光物質(zhì)的自猝滅當(dāng)熒光物質(zhì)的濃度較大時(shí)，會(huì)使熒光強(qiáng)度降低，熒光強(qiáng)度與濃度不成線性關(guān)系，稱為熒光物質(zhì)的自猝滅。自猝滅可能有如下幾個(gè)原因：a 熒光物質(zhì)分子之間的碰撞能量損失，這實(shí)際上是能量的外部轉(zhuǎn)移形式。b 熒光物質(zhì)的自吸收，當(dāng)熒光物質(zhì)的吸收光譜與熒光發(fā)射光譜重疊時(shí)，會(huì)發(fā)生自吸收現(xiàn)象，處于S1激