光电检测技术第10章课件.pptx

1、光谱学研究物质和电磁波相互作用的科学。激光光谱学对在激光器发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。光谱学的发展进程：1 1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象。2 1814年著名的物理学家夫琅和费用棱镜光谱仪观察到太阳谱线，逐渐进入光谱学发展的盛期。3 到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。4 60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，激光光源的优越性得到了充分的发展。红外光谱红外光谱基本原理当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某

2、个某个基团的振动频率或转动频率和基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。红外光谱法根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。红外光谱图将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。波长()或波数()为横坐标，表示吸收峰的位置透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。红外吸收光谱产生的条件：宽松的工作环境重视产品品位电磁波能量与分子两能级差相等。红外光与分子之间有偶合

3、作用。分子振动时其偶极矩必须发生变化。保证了红外光的能量能传递给分子。红外活性振动 只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收红外非活性振动 偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收分子的振动形式分类：伸缩振动伸缩振动弯曲振动弯曲振动原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。分为对称伸缩振动Vs和反对称伸缩振动Vas原子垂直于化学键方向的振动。分为面内弯曲振动()和面外弯曲振动()组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰，官能团的吸收振动具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。引起基团频率位移的因素：分子所处的物理状态和化学环境如分子中取代基的电性效应及机械效应外部

4、因素内部因素基本分区红外光谱通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.783m)、中红外区(350m)和远红外区(501000m)。由分子的倍频、合频产生的近红外近红外区区 属于分子的基频振动光谱中红外中红外区区 属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。远红外远红外区区红外谱图按吸收峰的来源按吸收峰的来源，可以将350m350m的红外光谱图的红外光谱图分为特征频率区（37.7m）以及指纹区（7.750m）两个区域。由基团的伸缩振动产生，具有很强的特征性，用于鉴定官能团特征频特征频率区率区 该区峰多而复杂，没有强的特征性，用于区别结构类似的化合物指纹区指纹区基本分类红外光谱可分为发射光谱发射光谱

5、和吸收光谱吸收光谱两类。发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成。由于测试比较困难，红外发射光谱只是一种正在发展的新的实验技术，如激光诱导荧光。吸收光谱每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，是一种分子光谱，属于带状光谱。而原子是线状光谱。由分子不停地作振动和转动运动而产生的。分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。v1v2分子中各原子以同一频率、同一频率、同一相位同一相位在平衡位置附近作简谐振动。简正振动：含n个原子的分子应有3n-6个简正振动方式。如果是线性分子，只有3n-5个简正振动方式。以非线性三原子分子为例，简正振动方式有三种：v3伸

6、缩振动伸缩振动变角振动只是化学键的伸长和缩短。只是化学键的伸长和缩短。改变了分子中化学键间的夹角相关仪器棱镜和光栅光谱仪属于色散型光谱仪；它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量，即每次只测量一个窄波段的光谱元。转动棱镜或光栅，逐点改变其方位后，可测得光源的光谱分布。新型红外光谱仪以多通道测量为特点，即在一次测量中，探测器就可同时测出光源中各个光谱元的信息。例哈德曼变换光谱仪。与光栅光谱仪相比，哈德曼变换光谱仪的信噪比要高些。傅里叶变换红外光谱仪当动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。是非色散型的，核心部分是一台双光束干涉仪，常用的是迈克

7、耳孙干涉仪。运算可得到入射光的光谱B(v)：傅里叶变换光谱仪的主要优点是：多通道测量使信噪比提高12没有入射和出射狭缝限制，因而光通量高，提高了仪器的灵敏度以氦、氖激光波长为标准，波数值的精确度可达0.01厘米3增加动镜移动距离就可使分辨本领提高45工作波段可从可见区延伸到毫米区，使远红外光谱的测定得以实现傅里叶变换红外光谱傅里叶变换红外光谱原理原理干涉图和基本方程红外光源发出红外光单色光都发生干涉无数个无限窄的单色干涉光组合经过经过迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪产生产生红外干涉图红外干涉图单色光的干涉情况：如果一个单色光源在理想状态下能发出一束无限窄的理想的准直光，即单色光。则波长和波数v的关

8、系为：1v波数为v(单位:cm-1，即波长的倒数)迈克尔逊干涉仪示意图假定分束器是一个不吸收光的薄膜，它的反射率和透射率各为50%。当单色光照射到干涉仪中的分束器后，50%的光反射到固定镜，又从固定镜反射回到分束器，另外50%的光透射过分束器到达动镜，又从动镜反射回到分束器。指上述两束光从离开分束器到重新回到分束器，所走过的距离的差值。用符号表示。光程差：)(2OFOM 指当固定镜和动镜到分束器的距离相等时的光程差。零光程差（=0）：来自固定镜(实线)和动镜(虚线)的单色光在不同光程差时的相位示意图和检侧器检侧到的光强示意图当零光程差时，从固定镜和动镜反射回到分束器上的两束光，它们的相位完全相

9、同，这两束光相加后并没有发生干涉，相加后光的强度等于这两束光的强度之和。如图（a）它们的相位相差180，此时这两束光的相位正好相反，并发生干涉，两束光相加后相互抵消，光强正好等于零，这时检测器检测到的信号为零。如图（b）半波长光程差（=/2）：从固定镜和动镜反射回到分束器上的两束光，它们的相位相差正好等于半波长。一个波长光程差（=）：固定镜和动镜反射回到分束器上的两束光，它们的相位相差正好等于一个波长。它们的相位完全相同，这种情况与零光程差时完全一样，即这两束光相加后并没有发生干涉，相加后光的强度等于这两束光的强度之和。如图（c）当光程差=n(n是一个整数)时动镜以匀速移动，检测器检测到的干涉

10、光的强度是光程差的函数，以符号 表示。)(I干涉光的光强等于单色光光源的光强。当光程差等于其他值时检测器检测到的干涉光的光强由下式确定：波数为v的单色光光源的光强：)(vI当光程差等于波长的整数倍时，在光谱侧量中，只有余弦调制项的贡献是主要的，干涉图是由余弦调制项产生的。单色光通过理想的干涉仪得到的干涉图 由下式得出：)(I)2cos()(5.0)(vvII干涉图 与单色光的光强成正比)(I)(vI除光强外，会影响检测器检侧到的信号强度的因素：不可能找到一种理想的分束器，它的反射率和透射率正好都是50%而且，对于同一种介质，不同波长的光反射率也不相同。绝大多数的红外检测器并不是对所有的波数都能

11、均匀地响应。红外仪器中的许多放大器的响应也与频率有关。检测器检测到的干涉图强度不仅正比于光源的强度光源的强度，而且正比于分束器的效率分束器的效率、检测器的响应检测器的响应和放大器的特性放大器的特性。后三个因素对于某一特定仪器的影响会保持不变，是一个常量。记为H(v)0.5()c)o2)(sH v I vIv B(v)2cos()()(vvBI参数B(v)代表经仪器特性修正后的波数为v的单色光光源强度。被称为B(v)的cosine傅里叶变换。)(I即得：二色光的干涉情况：二色光的干涉图是由两个单色光的干涉图叠加的结果，也就是由两个不同波长的余弦波叠加而成。图1 二色光光源发出的两条无限窄的单色光

12、光谱假设两条无限窄的单色光的波数分别为v1和v2，这两条单色光的波长分别为1和2，假设101=92，当这两条干涉图相加时，就得到二色光的干涉图。图1(a)强度相等的两条无限窄的谱线图2 强度相等的二色光干涉图示意图(a)两条单色谱线干涉图(b)两条单色谱线干涉图登加的结果图3 距离相等的强度相等和强度不相等的二色光干涉图示意图 (a)强度相等的二色光干涉图示意图;(b)强度不相等的二色光干涉图示意图当光程差等于101时，这两个余弦波的相位正好相同，此时干涉图的强度又等于余弦波振幅的两倍。在光程差等于零(=0)时，由于这两条单色光的强度相等，干涉图的强度等于余弦波振幅的两倍。当光程差等于51时，

13、正好是波长为1的波峰和波长为2的波谷，这两个余弦波的相位正好相反，相加的结果，干涉图的强度等于零。当光程差继续增加时，干涉图又重复这个过程。对图3（a）：图1(b)强度相等的两条无限窄的谱线假如两个单色光的强度不相同，如图1（b）。两个余弦波相位正好相反的地方(点M处)，干涉图的强度不等于零，如图3（b）。由上讨论可得，二色光干涉图的方程和单色光干涉图的方程相同，干涉图的强度等于两个单色光干涉图强度的叠加，干涉图的强度与两个单色光的波数和强度有关，与光程差有关。简单的连续光源的辐射示意图(谱线B的宽度是谱线A的两倍)当一个光源发出的辐射是几条线性的单色光时，测得的干涉图是这几条单色光干涉图的叠

14、加。谱线A和谱线B的干涉图分别如下图所示：简单的连续光源干涉图在零光程差时，干涉信号最强，随着光程差的增加，干涉图强度呈指数衰减。结论因为谱线B的宽度是谱线A的两倍，所以谱线B对应的干涉图衰减速度比谱线A对应的干涉图衰减速度快一倍。当光源是一个连续光源时，干涉图变得更加复杂。中红外光源干涉图对于连续光源，干涉图用积分的形式表示，即对下式积分：)2cos()()(5.0)(vvIvHI)(I：光程差为这一点时，检测器检测到的信号强度。所有不同波长的光强度的叠加为了得到红外光谱图，要对其进行傅里叶逆变换：cosine傅里叶变换对上述两个方程是傅里叶变换光谱学的基本方程。是一个偶函数)(I由上式，在

15、理论上，人们可以测量一张从0+cm-1，而且分辨率无限高的光谱。1、要得到理论光谱，干涉仪的动镜必须扫描无限长的距离，也就是要在0+之间变化，这样，红外仪器的干涉仪要做成无限长，显然，这是不可能的。2、如果用数字计算机进行傅里叶变换，干涉图必须数字化，而且必须在无限小的光程差间隔中采集数据，显然，这也是不可能的。由左式可知实际限制由左式可知实际限制干涉图数据的采集在干涉仪动镜移动过程中，在一定的长度范围内，在距离相等的位置采集数据，由这些数据点组成干涉图。然后对这个干涉图进行傅里叶逆变换，得到一定范围内的红外光谱图。距离相等=光程差相等时间间隔相等因为动镜移动速度的微小变化都会改变数据点采集的

16、位置，因而影响计算得到的光谱。在实验中，数据的采集是用He-Ne激光器控制的。He-Ne激光的光谱带宽非常窄，有非常好的相干性。He-Ne激光干涉图在动镜移动过程中是一个不断伸延的余弦波，波长为0.6329m。测量中红外和远红外光谱测量中红外和远红外光谱每经过一个He-Ne激光干涉图余弦波采集一个数据点。数据点间隔的光程差x为0.6329m，即动镜每移动0.31645m采集一个数据点。测量近红外光谱测量近红外光谱每经过半个He-Ne激光干涉图余弦波采集一个数据点，即在余弦波的每个零值处采集数据。数 据 点 间 隔 的 光 程 差 x为0.31645m，即动镜每移动0.158225m采集一个数据

17、点。(a)侧量中红外和远红外光谱时(b)测量近红外光谱干涉图采样间隔x必须符合下列式子：Vmax：所测光谱区间的最高波数采样间隔采样间隔x x大 于大 于1/21/2v vmaxmax从干涉图计算得到的光谱会出现叠加而发生畸变。x x远小远小于于1/21/2v vmaxmax是不必要的，因为这意味着进行傅里叶变换计算的数据点数量增多，计算时间增长。对于中红外光谱中红外光谱，根据上式得：即在中红外区，干涉图采样间隔x必须小于或等于1.25m，实际的采样间隔x为0.6329m，符合采样条件。同理可得远红外区光谱远红外区光谱：有些红外光谱仪的远红外采样间隔是可选的，间隔可以比中红外长一倍。近红外区近

18、红外区：如果也和中红外的采样间隔相同，即x为0.6329m，就不符合干涉图采样间隔的条件，因此必须缩短干涉图采 样 间 隔，实 际 的 采 样 间 隔 为0.3164m。数据采数据采方式方式单向单向数据数据采集采集双双向向数据数据采集采集单单边数据边数据采集采集双边数据双边数据采集采集单向单向数据数据采集采集在单向采集数据时，动镜按设定的速度前进。采集数据结束后，动镜会快速返回。快速返回时不采集数据，这样可以节省扫描时间。在单向采集数据时，动镜前进和返回时所用的时间是不同的。单边和双边采集数据背景干涉图指在干涉图零光程差的两侧都采集数据，用于低分辨率采集数据。在零光程差两侧都采集数据，且两侧采

19、集的数据点数目相同。单边数据采集指在干涉图零光程差的一侧采集数据，另一侧也要采集一些数据点，两侧采集的数据点数目不同，用于高分辨率采集数据。双边数据采集双双向向数据数据采集采集双向采集数据是动镜前进和返回时都采集数据。动镜前进和返回所用的时间相同。在快速扫描(rapid scan)模式中采用双向采集数据方式。用双边采集数据方式得到的光谱信噪比比单边采集数据得到的光谱信噪比信噪比高。单边与双边单边与双边比较比较傅里叶变换红外光谱应用傅里叶变换红外光谱应用在临床医学和药学方面的应用鉴于每种化合物都有自己独特的红外光谱红外光谱为药品质量的监测药品质量的监测提供了快速准确的方法，如药材天麻、阿胶、西药

20、红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药联笨双酯同质异晶体的质量监测。药学方面临床疾病检测方面利用红外光谱法对冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。红外光谱法可以测定蛋白质基体中的葡萄糖含量，依据F T-R a m a n 光 谱 在 7 0 0 1900cm-1处的差异，对胃、牙齿、血管、肝等人体组织的研究可用于体内诊断。傅里叶变换红外光谱是行之有效的肿瘤早期检测的手段。可以通过光纤附件，实现肿瘤的原位、在体、实时检测和诊断。胃癌组织与正常组织的FTIR谱胃癌细胞株FTIR检测结果在化学、化工方面的应用应用分类：表面化学催化化学石油化学红外光谱技术在表面化学表面化学研究中的应用主要表现在以下两个方面

21、：开发表面与薄膜的原位和实时红外分析技术。以红外吸附光谱(IRAS)、ATR FT-IR 和IR反射光谱为代表的红外光谱技术广泛地应用于研究自组织膜和L-B膜。在催化化学催化化学研究中的应用：扩散反射红外光谱傅立叶变换光谱(DR IFTS)的应用，其次是IRAS。原位红外光谱技术应用普通的原位红外光谱技术研究催化反应过程，且应用于原位反射/吸附红外光谱研究催化剂表面的点位阻塞效应，产生了大量新的与原位红外光谱技术相配合的附件装置。在石油化学石油化学研究中的应用：在重油的组成、性质与加工方面，应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱仪在润滑油及其应用方面应用于轻质油品生产控制和性质分析

22、方面在环境分析中的应用123用气相色谱-傅立叶变换红外联用技术测定水中的污染物，结合了毛细管气相色谱的高分辨能力和和傅立叶变换红外光谱快速扫描的特点，对GC-MS不能鉴别的异构体，提供了完整的分子结构信息。运用傅立叶变换红外遥感技术，可以测定工业大气空间的特性。应用傅立叶变换红外法可以定量分析气态烃类混和物，对于测定水中的石油烃类，非色散红外法已成为我国环境监测的标准方法。在半导体和超导材料等方面的应用123分析铀原子与CO和CO2 反应产物的基体红外光谱，研究了铀-钍-镍-锡变性锰铝铜强磁性合金的远红外性质；分析C60填料笼形包含物的红外和拉曼光谱；用反射傅立叶变换红外显微光谱法测定有机富油

23、页岩中海藻化石。激光喇曼光谱激光喇曼光谱基本原理：当单色光作用于试样时，除了产生频率和入射光相同的瑞利散射光以外，还有一些强度很弱的，频率和入射光不同的散射光对称分布在瑞利光的两侧。这种散射效应被称为喇曼散射效应喇曼散射效应。这种散射光被称为喇曼散射光喇曼散射光，在瑞利散射光低频一侧的叫斯托克斯线斯托克斯线(stokes线)，高频一侧的叫反斯托克斯反斯托克斯线线（Antistokes线）。喇曼散射可以看成一个入射光子hi和一个处于初态Ei的分子作非弹性碰撞。在碰撞过程中，光子和分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，还把一部分能量传递给分子，或从分子取得一部分能量。因此，在碰撞后被检测到的

24、光子hs，其能量比原来的低些或高些。M(Ei)M*(Ef)分别是分子在碰撞前后的能量状态。能量差：Ef-Ei=h(i-s)当分子的终态能级Ef高于初态Ei时，光子损失能量，这相当于斯托克斯线斯托克斯线；当分子的初态能级Ei高于终态Ef时，光子获得能量，相当于反斯托克斯线反斯托克斯线。喇曼散射的能级图解 a)拉曼散射示意图 b)斯托克斯辐射 c)反斯托克斯辐射在散射过程中，中间态经常被描述为受激虚态，它不是稳定的，并且不一定是真实的分子本征态。如果这个虚能级和分子本征态之一相符合，则称为共振喇曼效应。共振喇曼效应：几种激光喇曼光谱技术几种激光喇曼光谱技术微区喇曼光谱技术微区喇曼光谱技术利用激光相

25、干性好，激光束可以会聚成非常小的光斑，从而能量可以集中到很小的面积（线尺寸为23m）上这一特点来检测体积极小的粒子或不均质物体中的夹杂物，从喇曼光谱的研究中获得有关分子结构的信息，鉴定其化学组成，并且还能给出样品中某物质的分布情况，得知其区域浓度。研究微区喇曼光谱的装置有两种类型：喇曼微区分光计喇曼微探针用一个显微镜物镜把激光束聚焦在样品上，而被激发的喇曼散射光用椭球反射镜收集并导入分光计。为此采用了特殊的样品支架使样品置于椭球镜的一个焦点上。在分光计的光栅扫描时就能记录样品上此微区的喇曼光谱。喇曼微区分光计喇曼微探针（1）点照明点照明 单通道或单通道或多通道检测：多通道检测：利用显微镜的亮视

26、场照明系统，用同一物镜把激光束聚焦在样品待鉴定的部位上，并把散射光会聚后送入分光计。喇曼微探针工作原理图（2）全视场照明全视场照明 喇曼光成像：喇曼光成像：转动激光束使通过暗视场照明装置，这时样品上直径约150300 um的范围被照明，使显微物镜的孔径光阑和分光计的狭缝共轭，样品最后成高倍放大的图像在硅加强靶光导摄像管的光电阴极上。在喇曼光谱中挑选表征样品中某特征成分的谱线，将分光计的输出调到对应的波长并固定之，这时光电阴极上的“像”就是由这特定波长构成的单色“像”。将这些信息读取出来可在监示器上得到这一波长的“光强分布图”，即喇曼显微图。获得高的空间分布率显微镜物镜的数值孔径数值孔径要大（N

27、A有大至0.95的）激光功率应衰减到0.110um。喇曼微探针（分子微探针）特点：能提供以振动振动谱线谱线为基础的多原子团结构和化学键的信息在多数情况下，对重量约为10-910-12 的微量样品，不必进行预处理就可以分析各类有机 无机和生物样品都可用这一技术做无损检测，适用范围很广。用MOLE得到的微区光强分布图快速喇曼光谱技术快速喇曼光谱技术对光谱技术提出了时间分辨的要求采用短脉冲或超短脉冲微光器作为激发光源，并用响应时间极短的可同时记录大量谱线的多通道探测器，以及相应的控制和信号处理系统，才能得到快速变化过程的时间分辨光谱。快速喇曼光谱技术诊断火焰燃烧的装置框图从Q-开关YAG激光器输出的

28、脉冲激光经倍频后，用长焦距透镜（f=1.2m）会聚在火焰中，散射体积长约为10mm，直径为100m。12采用90照射工作方式，用放大系数为1.5的聚光系统将喇曼散射会聚在多色仪的入射狭缝处。经色散后的整段喇曼光谱成像在多色仪的焦平面上。3用光学系统把谱线像耦合到四级EMI像增强器的靶面上，而后再转换到硅靶摄像管的靶面上变换成电荷存储图像。4由电子束扫描将每一通道上的电荷存储信息读出来，经视频放大器等处理后，即可得到在激光脉冲照射的瞬间所激发的喇曼谱图。5以一定的时间间隔使激光照射样品并读取该瞬间的喇曼信息，就能得到时间分辨光谱。6工作原理：两台多色仪都用凹面全息光栅作色散元件，分辨率和每次可分

29、析的光谱范围不同，其特性如下表所示。两台多色仪的分辨率及可分析光谱范围等特性选通技术读取信息时间利用选通技术，由脉冲发生器控制像增强器和摄像管的接通时间，前者约为200ns，后者约为1s，这样可以很好地抑制火焰的发光背景。优点优点对燃烧过程没有干涉，不会由于探头的干扰而产生误差。信噪比设计耦合光路系统使散射体积增大；选用光透过率高的多色仪，常采用凹面全息光栅色散元件。增加到达探测器的喇曼散射光子数应用多级像増强器和摄像管耦合；应用微通道板增加探测器的灵敏度可用锁模激光器的整个、脉冲串来激发、把对应于每一个脉冲的喇曼信号累加起来。用信号平均技术来改善信噪比。在多用通道探测器获取快速变化的或瞬时的

30、光谱信号时，要获得最大的读出效率，必须使摄像管开始读数和激发光脉冲同步。由于摄像管存在着滞后现象滞后现象，电子束一次扫描不可能有效的读出全部的电荷存储的信息。在室温条件下，通常认为最好是进行10-15次扫描。快速喇曼光谱技术应用：1、用于瞬变态或分子激励态的研究；2、可以在化学反应过程中分析形成的寿命极短的中间产物的成分。上述研究包括液相反应、光分解作用和光化学作用反应，温度跃迁和辐射所引起的反应、气象内燃反应（温度和浓度的时间和空间分布）等。为了增强喇曼散射信号，还在研究利用光学纤维技术光学纤维技术和全内反射全内反射技术。技术。光学纤维技术光学纤维技术应用长而低损耗的液芯光纤能够增强线性喇曼

31、散射，并提高收集喇曼散射光的效率基本原理：液芯光纤喇曼技术原理应用折射率n=1.46的融融石英制的毛细管状空芯光纤，光纤长为20m，饶在直径12cm的鼓轮上，光纤芯内充以折射率n1n2液体苯。因为n1n2，激发光和喇曼散射光由于全反射在芯内传输前进，然后又输出端出射。实验过程：这种方法所达到的信噪比更好。全内反射技术全内反射技术全内反射技术特别适合于研究薄膜，或者可以直接涂镀在全内反射元件上形成薄膜的样品。基本原理：当入射角越接近全内反射元件的临界角时，喇曼散射信号的增强越大。全内反射法增强薄膜样品的喇曼信号原理实验过程：把聚苯乙烯薄膜涂在蓝宝石的全内反射元件上，薄膜厚度为0.70um，蓝宝石

32、的临界角为64.8。在入射角接近临界角时，信号大约增强了40倍。共振喇曼光谱技术共振喇曼光谱技术喇曼效应基本原理：如果分子受到激发后跃迁到受激虚态上，而这一虚态和分子的本征态之一相符合，就产生喇曼效应。激发光线的频率接近于或完全落在样品的电子吸收带内，所产生的共振喇曼散射光的强度比通常共振喇曼散射光的强度比通常的非共振喇曼散射光增强了的非共振喇曼散射光增强了10104 4-10106 6量级。量级。特征：喇曼散射的能级图解i和f代表在分子的电子基态上的振动态（i是初态，f是终态）在共振喇曼散射的情形，频率选择得接近喇曼频移的频率vn，其光强能够大幅度提高。激发光的强度：I0入射光的频率：v0极

33、化率张量的分量：在i和r态之间的电子跃迁距：i|R|i电偶极矩算符的和分量：R和R中间态，即受激虚态：r通常的喇曼效应，分母比零大得多，即Vn-Vo0.选择在分子的电子吸收范围，Vn-Vo0,所以Ii,f变得非常大。12共振喇曼效应共振喇曼效应准共振喇曼效应严格的共振喇曼效应激发线的频率接近于样品的电子吸收谱带。激发线的频率落在样品的电子吸收谱内。研究共振喇曼效应的影响因素：散射可能由于同时增强了的吸收而被反常地衰减，或可能被重叠的荧光发射所淹没。在照射的时间内样品可能发生光解作用，并且最终产生吸光度不同的未知样品。解除吸附作用也可能严重干扰对吸附样品的测量。1 12 23 3解决方法：在实验

34、方法上必须采取措施消除荧光干扰方法选择适当的激发光频率，使不产生荧光而只激发喇曼光，或使产生的荧光不影响喇曼光谱。此时需要有一个功率足够的、谱线频率稳定的、线宽和频率连续可变的可调谐激光器。如果荧光出现在很宽的可见光波段内，就必须试用其他技术。方法在能产生荧光的样品中加入荧光淬灭剂，使荧光熄灭；利用喇曼散射光和荧光产生的时间不同，采用时间分辨技术把他们分开。共振喇曼光谱技术是研究生生物高分子化合物和固体表面物高分子化合物和固体表面上的吸附物质上的吸附物质的很重要的工具。喇曼散射强度增加了好几个量级，使检测灵敏度提高了很多。在共振喇曼效应中，增强的喇曼谱线是局限于产生的跃迁的原子团，如生色团。相

35、干反射斯托克斯喇曼相干反射斯托克斯喇曼光谱技术光谱技术自发喇曼效应是一阶线性极化效应，但是随着激光功率的提高，由强激光电场诱导的二次以上的高阶极化高阶极化现象越来越显著，产生了一些新的喇曼散射现象。喇曼散射光具有良好的方向性与相干性方向性与相干性，称为相干喇曼散射。相干喇曼散射：相干喇曼散射现象分类：受激喇曼散射（SRS）受激喇曼增益散射（SRGS）逆喇曼散射（IRS）相干斯托克斯喇曼散射（CSRS）反斯托克斯喇曼散射（CARS）喇曼诱导克尔效应（RIKES）共同特点：信号强度大，可比自发的慢散射光的强度提高109量级。受激喇曼散射（SRS）特征：特征：此散射光具有激光的一切特征，且强度非常高

36、，比线性的自发喇曼散射光高好几个数量级限制：限制：因为只在激发强度的阀值以上才能被观察到，对于分子光谱学没有什么用处，一般地，要高分子密度样品的最强喇曼谱线才能被激发。反斯托克斯喇曼散射（CARS）利用非线性光学技术产生的效应。把受激喇曼效应的优点信号是相干的、高强度的，以及自发喇曼效应的长处普遍可用性结合起来。相干反射斯托克斯喇曼散射是一种四波混频四波混频过程。四波混频：两支泵浦激光频率为wL,一支光波为斯托克斯频率w2，这三支光波在样品中由于介质的非线性极化而进行混频，产生新的频率为wa=2wL-w2的反斯托克斯相干光波反斯托克斯相干光波。类似地，也可以产生一个新的频率为ws=2wL+w2

37、的斯托克斯波斯托克斯波。当频率差wL-w2非常接近于介质的喇曼活性的振动共振频率时，混频被极大地增强。变化就可扫描过全部的振动频率，由此得到一个具有通常线性喇曼光谱所包含的全部信息的光谱。产生CARS信号的能级图解和相位匹配图解a)能级示意图 b)共线相位匹配后的波矢图 c)非共线相位匹配后的波矢图四波混频要获得最高的效率，必须满足相位匹配条件，各波波矢量和为零，即 K=0。气体液体在气体样品中，由于差频wL-w2等于分子的振转频率，其值和wL相比很小，一般地，气体的色散可以忽略。采用共线相位匹配采用共线相位匹配在液体样品中，色散的影响大，为使各波波矢量 间 关 系 符 合 条 件2KL+K2

38、+Ka=0。采采用非共线相位匹配用非共线相位匹配激光喇曼光谱检测技术激光喇曼光谱检测技术的应用简介的应用简介激光喇曼分光计激光喇曼分光计激光喇曼分光计组成框图典型的仪器通常由五个基本部分组成：激发光源、前置光路激发光源、前置光路（或称外光路）、单色仪、探（或称外光路）、单色仪、探测放大系统和微机系统测放大系统和微机系统。激光光源激发光源通常采用连续波气体激光器，它们的单色性和稳定性较好。最常用的有氩离子激光器、氦-氖激光器和氪离子激光器等。作为光源应满足以下要求：123单线输出功 率 在10100mW之间4输出功率稳定，变动不大于1%工 作在TEM00模有 足够 长的 寿命常用激光器类型、输出

39、功率和喇曼光谱范围前置光路前置光路是从激光器输出端到单色器入射狭缝前各种元件组合的总称，一般包括激光滤光系统、耦合光路、适于测试各种状态的样品用的样品池及其池座和多种照明。90照射方式下典型的前置光路对前置光路的要求是：123能 够获 得最 佳照明4最 大限 度地 抑制 杂散光最 有 效地 收 集和 利 用喇 曼 散射光有 足 够大 的 样品空间，便 于 安放 各 种样 品 池座 和 多种附件单色仪单色仪是激光喇曼分光计的核心部件，决定着整台仪器的基本特性。123高 分辨率低杂散光强 聚 光本领对单色仪的要求是：为了满足上述要求，通常把两个单色器串联串联成双单色仪，串联的方式可以是色散相加色散

40、相加的或色色散想减散想减的。相减的色散率只相当于一个单色仪，不利于提高分辨率。一般都采用色散相加的形式U-100型单色仪系统探测放大系统探测和放大系统的灵敏度和噪声影响喇曼分光计的灵敏度。对探测放大系统最主要的要求：高灵敏度和高信噪比高灵敏度和高信噪比，以便把被噪声所干扰，甚至是淹没在噪声中的有用微弱信号检测出来。探测器的选择在喇曼光谱的单通道或双通道测量技术中，通常采用具有宽的光谱响应范围、高灵敏度和极低噪声的光电倍增管光电倍增管作探测器。光电倍增管的噪声来源：各倍增极的热电子发射光电阴极的热电子发射外界干扰光源起伏阴极和倍增极、阳极间的漏电流因此，为降低光电倍增管的噪声，首先致力于减少光电

41、阴极的热电子发射，从而把暗电流减到最小。目前被普遍采用的措施有两个：方法一改进管子本身的结构，专供弱光检测用的电光倍增管，其光电阴极表面的尺寸很小，可减小热电子发射面积；方法二在使用时普遍采用致冷技术，可以再-2030C的温度下工作，这样可进一步减小热电子发射，提高信噪比约两个数量级。放大器的选择当喇曼光信号较强，光电流大于10A 对于光电流时，几乎都用低噪声、低漂移的直流放大直流放大器器。在10A 以下的信号，则采用光光子计数技术子计数技术。99实现喇曼光谱信号的多通道分析是喇曼光谱技术上的重大进展之一。可作为多通道探测器的器件有：自扫描光敏二级管阵列（CCD）带像增强器的硅靶摄像管（SIT

42、）喇曼分光计大都可配用光学多通道分析器（简称OMA），工作时只要把双单色仪的后几个夹缝变换成宽缝，成为多色器，就如同摄谱仪一样 能 把 一 定 波 数 范 围（约100250CM-1）的喇曼光谱投射到多通道探测器的靶面上。硅靶由在硅片上用半导体集成技术制成，有几十万个光敏二极管的二维阵列构成的。每个光敏二极管为一个像素或一个通道，通常含有500X500个。硅加强靶光导摄像管：硅加强靶光导摄像管的结构当靶面受到光照射时，光子使光敏二极管产生电子空穴对，引起存储在光敏二极管P型层内负电荷的减少，由于所产生的电子空穴是和光的照度成正比的，因此照度越大。空穴数越多，P型层内的负电荷减少越多。这样当靶面

43、接受到的是光的图像时，各光敏二极管受到的光照度不同，电荷的存储也不同，光的图像就转换成为电荷存储的图像了。喇曼光谱研究进展喇曼光谱研究进展用于体内呼出气体的检测对分子气体散射的喇曼光的探测灵敏度，可以采用多次通多次通过样品腔过样品腔（一种微失调的球面镜腔）而得到提高。灵敏度探测多次通过样品腔激光喇曼光谱在生物学中的应用生物分子的喇曼光谱中包含着关于这些分子的结构和动力学的信息。生物分子内部的部分原子团的结构和键的配置对振动频率很敏感，当分子内部的结构发生变化和内部相互作用改变时，都会对喇曼光谱的频率和强度有影响。如果采用共振喇曼效应，则可大大提高其灵敏度。因为当激发源波长与分子的电子跃迁一致时

44、，分子振动与电子跃迁相耦合可大大增强喇曼散射的强度。实现条件：必须提高泵浦激光的功率荧光光谱的基本原理荧光光谱的基本原理荧光光谱分析法是对辐射能辐射能激发出的荧光的辐射强度荧光的辐射强度进行定量分析的发射光谱分析方法。荧光：物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢发出较长波长的光，放出的这种光即为荧光。荧光光谱：指荧光的能量波长关系图高强度激光能够使吸收物中相当数量的分子提升到激发量子态，因此极大提高了荧光光谱的灵敏度。以激发为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测。波长的激发光的相对效率荧光中不同波长的光成分的相对强度激发谱发射谱荧光光谱X X射线荧光光谱检测技术射线荧光光谱检测技术

45、 X荧光光谱分析装置除了样品样品室室外，主要有激发和探测系统激发和探测系统组成；主要分类：波长色散型（WD）能量色散型（ED）波长色散型（WD）由色散元件将不同能量的特征X射线衍射到不同的角度上，探测器需移动到相应的位置上来探测某一能量的射线。能量色散型（ED）去掉了色散系统，是由探测器本身的能量分辨本领来分辨探测到的X射线的。波长色散型能量分辨本领高，而能量色散型可同时测量多条谱线。X射线荧光光谱检测系统的相关技术 X X射线管放射源射线管放射源能量色散X射线荧光光谱仪因其去掉了色散系统，探测器离样品很近且增大探测立体角，故只需几瓦到几十瓦功率的X射线管就够。能量色散X射线荧光光谱仪可以做得

46、越来越小，因而刺激了小型X射线管的发展。使使用更加广泛。带电粒子同步辐射源带电粒子同步辐射源带电粒子同步辐射源可产生极强的单能X射线，为一些探测信号非常弱的应用领域提供有力的激发源，为微区分析及后面将提到的X射线全息术和断层术提供了有力的保证。自放大受激发射无电子X射线激光：同步辐射束由一系列极强的相干X射线脉冲（100fs）构成，每个脉冲可能有很大的涨落，但亮度上较第三代同步辐射源会有更多个数量级的提高。聚焦光学元件聚焦光学元件单个及多个毛细管（Capillary）已引入X射线荧光光谱作为标准的光学元件，用以形成或聚焦X射线束，从而增强X射线通量。探测器探测器 X射线荧光光谱分析检测技术中使

47、用过的探测器主要包括Si（Li）探测器、SiPLN探测器、SDD探测器以及CCD等，还有超导探测器和微热量计。激光原子荧光光谱检测激光原子荧光光谱检测原子荧光分析基本原理：原子荧光是一种辐射的去活化过程，其机理是原子受到某一合适的波长的辐射（能量）的激发，接着辐射去活化而发出辐射荧光。荧光的波长可以和激发的波长相同，也可以不同，不同时多为荧光波长比激发波长长。荧光波长比激发波长短的情况极少。按荧光与激光波长长短共振荧光非共振荧光荧光波长和激荧光波长和激发波长相同的发波长相同的荧光荧光荧光波长与激荧光波长与激发波长不同发波长不同荧光分类共振荧光共振荧光激光态共振荧光“热助”共振荧光原子的激发态和

48、基态之间的共振跃迁。原子可以处在由热激发产生的较低的亚稳能级，共振荧光也可从亚稳能级上产生。非共振荧光非共振荧光阶跃线荧光直跃线荧光当激发线和发射线的高能级有差异时产生。原子受光辐照而被激发（通常从基态）到较高的激发电子态，然后直接跃迁到高于基态的亚稳能态。反斯托克斯荧光反斯托克斯荧光“热助”荧光“敏化荧光”光子能量的不足，通常由热能补充外部激发的原子或分子通过碰撞把自己的激发能转移给待测原子，然后待测原子通过辐射去活化而发出原子荧光。原子荧光光谱分析是一种新的微量分析方法。它的灵敏度非常高。对于许多化合物，它的检测下限的10-610-9nm，因而特别适用于痕量分析痕量分析。得到最好的检测极限

49、，通常应该有大的激发辐射可用调谐染料激光器调谐染料激光器作为激发光源，不需要激发单色器，具有很高的峰值功率和很窄的线宽，特别是在采用脉冲可调谐染料激光脉冲可调谐染料激光器器，脉宽窄，可以具有很低的占空因子，大大提高了信噪比。MPF-4型光学荧光光度计的光学系统现在国内使用得最多的是MPF-4型光学荧光光度计的光学系统。原子荧光检测装置一般需要光源、激发单色器、光源、激发单色器、样品室、发射单色器和样品室、发射单色器和探测记录系统探测记录系统等部分组成。激光原子荧光分析装置的各部分示意图激光原子荧光检测装置与光学原子荧光检测装置的不同，只在于前者用可调谐染料激光器代替了后者的光源和激发单色器，其

50、他样品室、发射单色器和荧光检测显示系统仍然都需要。1激光电源 2氦分子激光器 3染料激光器 4火焰原子化器 5聚光镜 6透镜 7发射单色器 8光电倍增管 9Boxcar 积分器 10记录器 11光电倍增管电源样品室实际上就是一个原子化器。有空气乙炔、一氧化二氮乙炔火焰等包括石墨管与碳棒等火焰法电热装置由于激光光源的并不是很稳定，加上火焰法产生的荧光背景很强，因而影响了激光荧光火焰光度法的分析灵敏度的提高。而采用石墨原子化技术，则可以进一步提高其分析灵敏度，而且还可以直接分析固体样品。用于激光原子荧光最有效的激光器，是脉冲氮分子激光泵浦的可调谐染料激光器，主要是因为它有高的峰值和宽的可用波长范围