什么是光谱仪？

任何光学光谱仪的核心部件都是按波长分离光线的组件。

最常见的是衍射光栅——一种刻有重复凹槽的材料片，当光线从其表面反射或透过时，会以与波长成比例的角度发生衍射和弯曲。

棱镜——或者光栅和棱镜的组合——也可以用来以这种方式弯曲和分离光线。这种按波长的弯曲和分离称为色散。

如果在色散元件后放置一个相机，我们就可以确定不同波长的光线落在相机上的哪个位置。

光学光谱仪的组成部分有哪些？

光源

光源的类型高度依赖于实验需求，例如激光器、HgAr校准灯、氘灯和样品发的光。

翻转镜

用于在需要快速切换多个实验装置时，在直接输入和侧输入输出之间进行切换。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

球面/环面镜

用于将狭缝或针孔发出的光进行准直，并将其导向衍射元件，同时将来自衍射元件的分散光聚焦到探测器上与波长相关的区域。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

衍射元件（如光栅、棱镜或光栅）

根据光的波长，用于将光分散到不同的角度。

（衍射元件材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

探测器/摄像机

一旦光在光谱仪中按波长分散，通常希望用探测器或相机测量这些光。探测器/相机的

选择高度依赖于实验需求，通常最好由安多公司的专家与客户讨论后决定，基于客户

的实验要求。影响探测器/相机选择的因素包括光敏感度、时间门控、采集速度、光谱

范围、探测器宽度/高度、客户预算等。

Czerny-Turner光谱仪

切尼-特纳光谱仪是设计最为坚固和成熟的光谱仪之一。它使用一个弯曲（环形）的镜子来收集光源发出的光线，并将其准直（或使光线平行）后反射到平面衍射光栅上。该光栅安装在精密旋转台上，能够将光源发出的光线分散并反射到第二个弯曲（环形）的镜子上，该镜子将之前准直的光线聚焦到探测器上的不同位置，以检测每个波长的光线。通过旋转光栅，可以将不同范围的波长照射到探测器上。通过在光栅或光谱仪焦距之间切换，可以不同程度地分散光线，以实现不同的波长分辨率。

中阶梯光栅光谱仪

大多数光谱仪设计使用单轴色散——光仅在一个方向上按波长分离。当需要测量非常宽的波长范围时，多个衍射级次可能会重叠。然而，如果在设计中加入第二个色散元件，这些级次可以被分开，形成二维“阶梯图”，结合了宽带和高分辨率。阶梯光谱仪是极佳的选择，适用于同时测量从紫外到近红外的广泛波长范围，而不牺牲光谱分辨率。

光谱仪是如何工作的？

光谱学过程

使用透射光谱仪测量样品在近紫外至可见光谱区域的吸收（或反射/透射/发射）。光谱仪由光源、色散元件、样品室和检测器组成。光源产生的宽带光通过色散元件转换为单色光，并穿过样品。样品后的光强度由检测器测量。通过扫描色散元件，可以产生并测量从近紫外到可见光的波长。通过比较样品后光的强度与样品前光的强度，生成透射光谱。早期的光源，如弧灯或金属丝，最近已被发光二极管（LED）取代。色散元件可以是单色仪中的棱镜或光栅。扫描式单色仪使用单个光电二极管检测器和光电倍增管，而固定式单色仪则使用CCD、光电二极管阵列。CCD和光电二极管阵列可以同时测量多个波长的光，从而实现更快的测量。

 

光谱仪的用途是什么？

光学光谱仪可用于多种不同的光谱技术，从紫外到NIR和SWIR，适用于各种尺寸和时间尺度。在以下章节中，我们将介绍不同的光谱技术，包括：

1. 喇曼光谱法
2. 发光／PL光谱学
3. 吸收/透射光谱
4. SFG/SHG光谱
5. LIBS/OES光谱学
6. 材料科学光谱学
7. 化学与催化光谱学
8. 表面增强拉曼光谱（SERS）技术
9. 多维超快光谱技术
10. 稳态荧光光谱技术
11. 燃烧／流体动力学光谱

1.   拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性技术，用于测量样品的振动模式。拉曼光谱测量散射光，这些光可能因分子中振动能级之间的跃迁而失去或获得能量。产生的光谱极其具体地反映了样品的化学成分、分子环境和温度。拉曼光谱的一些应用包括用于药物质量控制、法医鉴定和远程爆炸物及毒品检测的化学品正确定位，作为凝聚态和气相系统中分子动力学的敏感探针，监测低维材料中的缺陷和应变，以及医学诊断。拉曼光谱的子类包括表面增强拉曼（SERS）共振拉曼、尖端增强拉曼、偏振拉曼和超拉曼。

2. 发光／PL光谱学

发光是指物质在低温下自发地发出光（不是由热产生的）。发光的一些例子包括化学发光、生物发光和电致发光。光致发光是指物质吸收光子后自发地发出光。它被分为两个亚类；荧光，涉及单线态-单线态电子弛豫，发生在纳秒级；以及寿命更长的磷光，由三线态-三线态电子弛豫引起，可持续从微秒到数小时。磷光广泛用于表征半导体的光电性能、材料纯度和晶体质量，载流子寿命和应变效应。磷光还用于研究低维材料中的载流子动力学，例如纳米晶体中的量子限制效应。

3. 吸收/透射光谱

吸收/透射光谱学是指样品对辐射的吸收随波长（或频率）变化的现象。吸收/透射光谱学可以在整个电磁频谱范围内进行，从高能X射线驱动内壳层电子激发，到低能无线电波辐射中电子和核自旋可以被激发。吸收/透射光谱学既具有特异性又具有定量性，在化学分析和量化样品中物种数量方面特别有用。它还用于远程传感应用，如天文学中的星际分子云化学成分分析，或作为原子和分子电子结构的敏感探针，可用于确定原子和分子的质量及几何结构。

4. SFG/SHG光谱

和频生成（SFG）是一种非线性过程，其中两个角频率分别为ω1和ω2的光子在介质中相互作用，产生一个角频率为ω3的光子。由于信号强度取决于输入场的乘积，通常使用具有高峰值电场强度的激光器。二次谐波生成（SHG）是SFG的一个特例，此时ω 1 = ω2，是最常见的SFG类型。由于SFG只能在物质不对称的情况下发生，因此特别适用于表征表面和界面的特性。SFG还用于测量表面的电子和振动动力学。SHG是一种制造新型激光器的常用技术，也用于表征超短激光脉冲（低于1皮秒）。使用SHG的研究应用包括在高分辨率光学显微镜中检测非对称物质以及表征晶体材料。 二次谐波生成（SHG）是一种光谱技术，由于对称性限制，对测量分析物的表面具有独特的敏感性。SHG用于研究脂质体生物层和固体基底上的支撑双层的表面，允许研究膜表面生物分子的分子相互作用和脂质体双层中分子传输的动力学。

5. LIBS/OES光谱学

光学发射光谱法（OES）是一种将样品加热到高温，使样品中的电子被激发到高能态的技术。随着样品冷却，电子弛豫并发出可见光谱区域（OES）的辐射。发射的辐射频率具有样品原子特性的特征，可用于确定材料的元素组成。有几种加热样品的方法；包括电感耦合等离子体（ICP）、火焰电离、电弧和火花。激光诱导击穿光谱法是发射光谱学的一个特定分支，其中高强度激光聚焦于样品上形成等离子体，使样品原子化并激发。电子从其激发态弛豫并在激发后几微秒内发出辐射。所得光谱可用于分析样品的元素含量。激光诱导击穿光谱法已应用于金属合金表征、危险物质检测、远距离化学物检测、爆炸残留物检测以及油漆和土壤中铅的检测。

6. 材料科学光谱学在纳米、微米或宏观尺度上对固体进行操控和/或表征，以开发适用于太阳能/光伏电池、储能、LED、新型催化剂、化学检测器、生物医学设备等众多应用的新材料。该领域的许多研究人员能够以高精度和可重复性地表征各种材料的化学、结构、电子和/或光学性质，这些研究通常采用拉曼、光致发光/荧光/阴极发光、吸收、光发射光谱和激光诱导击穿谱、二次谐波生成或暗场散射等探测技术。研究人员经常测量结构变化、光子学特性、缺陷的存在、应变/应力下的行为、电子行为以及许多其他物理材料特性。近期感兴趣的材料包括：低维纳米晶体、过渡金属二硫属化物（TMDs）、有机半导体（如OLED）和等离子体超材料。
7. 化学与催化光谱学

化学和催化领域有许多小众研究应用，涉及多种专门的光谱技术，这些技术通常需要高端的专业光谱仪器来高效收集足够的光谱数据。以下是用于化学和催化应用的一些技术示例。

红外（IR）光谱可用于监测化学反应的进程，因为分子的红外光谱高度依赖于原子组成和分子结构。此外，红外光谱还可用于监测分子中的同位素替换，因为力常数（从而振动频率）是系统简化质量的函数。

化学反应动力学机理可以通过UV/VIS（电子）光谱测量，并被应用于理解CO₂活化和水分解的机制。

拉曼光谱可用于解决流体和液体样品的分子间模式。这些模式集中在光谱的低频（0-200 cm-1）区域，是样品的集体运动的结果，对分子间的分子间力特别敏感，并被认为在凝聚相化学反应动力学和动力学中起着关键作用。

8. 表面增强拉曼光谱（SERS）技术

表面增强拉曼光谱依赖于金属纳米颗粒（或粗糙金属表面）在外加光源驱动下产生局部电场增强的能力。观察到的增强效果可达10^10至10^11倍，提高了该技术对单分子检测的灵敏度。SERS能够检测体液中低浓度的生物分子，并作为下一代医学诊断和早期疾病检测平台正在被探索。

 

9. 多维超快光谱技术

超快光谱学用于研究通常发生在100飞秒（10^-15）时间尺度上的过程，而尖端实验现在正转向研究阿秒（10^-18）量级的过程。超快光谱学通常用于研究光化学反应，即化学反应由光引发。超快化学反应可以通过激光启动，分子的行为则通过红外或紫外-可见光谱学进行监测。

超快光谱学中的超快是指用于照射样品并启动或检测反应的光脉冲持续时间；而用于获取吸收光谱的探测器的工作频率为1 – 100 kHz。

这项研究的一个典型应用是研究防晒霜中分子的行为，以了解光照射下异构化或分解的变化。或者，可以利用光化学反应来更好地理解自然光合作用系统中的能量耦合。这些自然系统具有极高的量子效率，对其起源的深入了解有助于设计稳健的人工光合作用装置。

多维超快光谱学也可用于理解能量转移动力学，例如在二维红外实验中研究振动状态如何相互作用以及能量如何被淬灭。

10. 稳态荧光光谱技术

稳态荧光光谱法可用于研究RNA-蛋白质相互作用的局部构象变化，因为荧光光谱的强度和形状高度依赖于局部环境，可以成为这些相互作用的极其敏感的探针。

11. 燃烧／流体动力学光谱

研究流动的气体和液体在（有时）反应性环境中的行为。在这些领域中，了解分子能量和成分的流动对于设计更高效的发动机、车辆外观设计、涡轮机、反应堆以及许多需要考虑流体环境操作的其他工程设备至关重要。通常使用分子标记测速（MTV）或粒子成像测速（PIV）等测量方法来表征流体场中的湍流速度波动。这些技术常与其他技术结合使用，例如（平面）激光诱导荧光（(P)LIF），以测量流体温度并监测流动中的化学反应。相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）和化学发光等其他技术也是用于流体流动的有用光学诊断技术。

 

为什么光谱仪如此昂贵？

光谱仪本身并不昂贵——一个简单的光谱仪可以用一张光盘作为色散元件，用纸板框架固定。然而，构建高精度的光谱仪需要使用最佳的光学件和机械部件。镜子必须精确成型，以使光线达到最佳聚焦，并且要打磨得非常光滑，以避免强信号散射并淹没微弱信号。衍射光栅必须精确刻划，每毫米有数百到数千条线，每条线间距均匀且一致。电机必须在计算机控制下精确且可重复地移动。所有这些部件都必须牢固安装并校准在一个合适的机箱内，通常还需要额外的电动部件——旋转镜、可调狭缝、滤光轮等，以最大化系统的可用性。

没有一个单一的组件会主导生产成本，但一个功能齐全的高精度光学光谱仪就像其他计量资本设备一样——它需要技能、知识和精密部件来制造。

此外，光学光谱仪具有广泛的分析测量潜力。与提供类似材料表征能力的其他测量技术相比，光学光谱仪可能更胜一筹。

 

Andor紫外、NIR和SWIR光谱仪

当与适当的衍射光栅和检测器配合使用时，Andor Kymera 193i、Kymera 328i、Shamrock 163、Shamrock 500i、Shamrock 750是适用于UV、NIR和SWIR测量的光谱仪。

Andor光学光谱仪提供高分辨率、高通量、高模块化，从紫外到NIR和短波红外，从宏观到纳米尺度，光通量低至单光子，时间分辨率达到纳秒级。其特点包括高模块化、智能电机驱动、TruRes™——最高光谱分辨率、Adaptive Focus™技术，适用于拉曼、发光/磷光、吸收/透射、SFG/SHG、OES和LIBS、材料科学、化学与催化以及生命科学/生物医学等领

域。

Andor光谱型相机和探测器

基于光谱学的诊断在材料科学、化学、生命科学或基础物理和光学领域依赖于以高度精确度捕获和分析光学和化学特征。

Andor光谱相机和探测器系列提供广泛的灵敏度、时间分辨率和传感器格式，以最适合从紫外到短波红外、纳秒到小时的时间分辨率、高光子通量到单光子的超动态范围和分辨率的特定实验条件。

原文链接：https://andor.oxinst.com/learning/view/article/what-is-an-optical-spectrometer

返回产品链接：https://www.star-spectrum.com/home-products/

原子光谱

原子光谱法

原子谱是通过电磁谱或质谱确定元素组成的。对元素电磁波谱的研究称为原子光谱学。

电子存在于原子内的能级中。这些能级具有明确定义的能量，在它们之间移动的电子，必须吸收或发射等于它们之间差值的能量。

在它们之间移动的电子必须吸收或发射与它们之间的差相等的能量。在光谱学中，将电子移动到较高能级所吸收的能量和/或电子移动到较低能级所发射的能量以光子的形式存在。所发射的波长与所发生的电子跃迁有直接关系。由于每种元素都有独特的电子结构，因此发出的光的波长是每种元素的独特属性。由于大原子的轨道构型可能是复杂的，因此会发生许多电子跃迁，每个跃迁都会产生一个特征波长的光，如下图所示。

 能源转型

原子光谱学产生了三种用于分析的技术：原子吸收、原子发射、原子荧光。激发和衰变为基态的过程涉及原子光谱学的所有三个领域。测量激发过程中吸收的能量或衰变过程中发射的能量，并将其用于分析目的。

这三种技术是如何实现的

如果恰到好处波长的光撞击到自由的基态原子上，该原子可能会在进入激发态时吸收光，这个过程称为原子吸收。此过程如上所示。原子吸收率测量的是共振波长的光在穿过原子云时被吸收的量。随着光路中原子数量的增加，吸收的光量以可预测的方式增加。通过测量光的吸收量，可以对存在的分析物元素的量进行定量测定。使用特殊光源和仔细选择波长，可以在其他元素存在的情况下对单个元素进行特定的定量测定。

原子吸收测量所需的原子云是通过向样品提供足够的热能以将化合物解离成自由原子而产生的。将样品溶液吸入对准光束的火焰中即可达到此目的。在适当的火焰条件下，大多数原子将保持基态形式，并且能够吸收来自光源灯的分析波长的光。原子吸收法简便、快速，可以进行精确、准确的测定，这使原子吸收法成为测定金属最常用的方法之一。

原子吸收过程

在原子发射中，样品受到高能热环境的影响，以产生能够发光的激发态原子。能量源可以是电弧、火焰或最近的等离子体。

暴露于这种能量源的元素的发射光谱由一组允许的发射波长组成，通常称为发射线，因为发射波长的离散性。该发射光谱可用作定性识别元素的独特特性。使用电弧的原子发射已广泛用于定性分析。发射技术还可用于确定样品中存在多少元素。对于“定量”分析，测量在待确定元素波长处发射的光的强度。随着分析物元素的原子数的增加，该波长的发射强度将更大。火焰光度法技术是原子发射用于定量分析的一种应用。

与原子光谱相关的 ICCD 量子效率

原子光谱学的第三个领域是原子荧光。该技术结合了原子吸收和原子发射的各个方面。与原子吸收一样，在火焰中产生的基态原子是通过将光束聚焦到原子蒸气中而被激发的。然而，它不是查看过程中吸收的光量，而是测量由光源激发的原子衰变产生的发射。这种“荧光”的强度随着原子浓度的增加而增加，为定量测定提供了基础。用于原子荧光的光源与光学系统的其余部分成一定角度安装，因此光检测器只能看到火焰中的荧光，而看不到灯本身的光。最大化灯强度是有利的，因为灵敏度与激发原子的数量直接相关，而激发原子的数量又是激发辐射强度的函数。

虽然原子吸收是这三种技术中应用最广泛的，并且通常比其他两种技术具有多种优势，但在特殊分析情况下，发射或荧光可能会获得特殊优势。

 

原文链接：https://andor.oxinst.com/learning/view/article/atomic-spectroscopy

光谱学基础-历史、解释和应用

光谱学基础-历史、解释和应用

原子光谱学涉及原子与光的相互作用；

而分子光谱学涉及分子与光的相互作用。

原子光谱学提供有关样品的原子或元素身份的信息；

而分子光谱学可以揭示有关分子身份和分子结构的信息。

 

涉及原子光谱与分子光谱的跃迁类型不同：

在原子光谱中，通常观察到的是电子态跃迁；

而在分子光谱中，除了电子态跃迁外，还可以研究振动和旋转跃迁。

 

本文重点介绍分子光谱。

 

 

光谱实验装置

根据所用技术的不同，光谱实验的单位也不同。

图1列出了电磁（EM）光谱中的一些关键区域、这些区域内常用的一些光谱技术、每种技术探测的跃迁类型以及使用的单位。

例如，紫外可见吸收光谱涉及分子中价电子的跃迁，以波长(λ)为单位报告，如纳米（nm）

或埃(A)。

红外吸收光谱则研究分子振动，通常以波数（cm-1）为单位报告。

图1：电磁频谱（EM）、使用的光谱技术、涉及的跃迁和光谱单位。EM图像取自参考文献1

 

吸收光谱学是电磁辐射因与物质相互作用而随频率变化的吸收过程。

想象一下，样品在比色皿中与不同类型的光相互作用，如图2所示。当样品吸收不同类型光时，会激发出不同类型的跃迁。

例如：

X射线激发的是原子核电子的跃迁，

紫外光激发的是价电子的跃迁，

红外辐射激发的是分子振动，

微波区域激发的是分子旋转，

在射频（RF）下则激发电子和原子核。

图2：根据所用光的类型，激发分子的不同类型的跃迁。

 

紫外-可见吸收光谱

紫外-可见吸收光谱在分子中涉及激发分子轨道之间的价电子。

两个重要的分子轨道是最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）。

对于处于基态的分子，HOMO被电子占据，而LUMO则没有。

在紫外-可见吸收实验中，一个电子会从HOMO激发到LUMO。当从基态激发到激发态时，还可以发生振动和旋转跃迁。

紫外可见吸收光谱仪由宽带光源、色散元件、波长选择器、检测器和记录器组成，如图3.2所示

图3：单光束（上）和双光束（下）UV-Vis分光光度计。图摘自参考文献2

 

在紫外可见光谱实验中，通过计算透过参比样品的光强度与透过样品的光强度之比的对数，来计算样品的吸光度A，其中，透过参比样品的光强度与透过样品的光强度之比是随波长变化的函数：

这可用于使用比尔-朗伯定律或比尔定律计算样品中吸收物质的浓度：

其中，ε是摩尔吸光系数，表示样品中吸收物质对特定波长光的吸收强度，通常以M^-1cm^-1表示。c是吸收物质的浓度，单位为摩尔浓度M，d是光与样品相互作用的距离（有时称为路径长度）。比尔定律在吸光度介于0.2至0.8之间时效果最佳。双光束紫外-可见光谱仪通过使用分束器同时激发参比和样品，使这一测量更加便捷。这使得可以同时收集参比和样品的强度。

比尔定律的一个例子是用于测量样品中的蛋白质浓度，例如在重组蛋白生产中发现的样品。蛋白质含有如苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸等氨基酸，这些氨基酸具有芳香基团，在紫外光下吸收强烈。通过在280纳米处测量样品的吸收并应用比尔定律，可以估算出蛋白质的浓度，如图4.3所示。尽管这种方法可能不够准确，因为核酸材料通常存在于这些样品类型中，且会吸收紫外线，但考虑到不同蛋白质中这些氨基酸的比例不同，该方法仍可用于监测重组蛋白产品的纯化过程。商用的纯化仪器，如HPLC系统，通常使用基于紫外可见光谱的检测。

图4：用于通过紫外-可见光谱法测定蛋白质浓度的三种氨基酸。左侧图表显示了(a)苯丙氨酸、(b)色氨酸、(c)酪氨酸的紫外-可见吸收光谱。右侧图表显示了根据比尔定律获得的280纳米处的吸光度与蛋白质浓度的关系。紫外-可见吸收光谱数据来自参考文献3。

 

光致发光——荧光和磷光

光致发光是指物质吸收光子后发出的光。

它分为两种类型：荧光和磷光。

荧光相对较强且快速，时间尺度在皮秒（ps）到纳秒（ns）之间。

相比之下，磷光较弱且缓慢，时间尺度在微秒（μs）或更长。

与激发波长相比，荧光和磷光都会发生红移。

Jablonski图，以Aleksander Jabłonski命名，是理解分子中不同类型的光物理过程的有用工具，如图5⁴所示。本图描述了分子的基态和激发态电子状态、基态和激发态电子状态内的振动和转动能级、这些状态的电子自旋性质以及所有这些状态之间可能发生的跃迁类型。

图5：Jablonski图，描述了分子中可能的光物理过程。图片摘自参考文献4。

 

当一个处于激发态的电子通过发射光子而从激发态回到基态时，就会产生荧光。

当基态和激发态都是单重态时，就会发生荧光。

还可能发生的是，处于单重态的电子在受到电激发后，可以通过系统间跃迁（IC）进入一个电子激发的三重态自旋状态。根据量子力学原理，激发的三重态电子通过直接光子发射弛豫到基态是被禁止的。然而，由于自旋-轨道耦合的作用，这种类型的跃迁确实会发生，这一过程正是磷光的起源。

荧光光谱仪的示意图如图6.⁵所示。光源可以是宽带光源或窄带激光器，通过透镜聚焦到样

品上，样品中的电子从基态激发到激发态。当电子从激发态弛豫到基态并发射一个光子

时，通过放置一个透镜收集发出的荧光，通常该透镜与激发路径呈90度角，以减少来自激

发源的背景干扰，并将荧光聚焦到单色仪中进行检测。然后数据被发送到记录器，在那里

测量的荧光以发射光强度随发射波长的变化形式报告。

图6：荧光光谱仪示意图。图片摘自参考文献5。

以荧光素的吸光度和荧光光谱为例，如图7.⁶所示。荧光素是一种用于生物成像的染料。吸收光谱用蓝色表示，荧光光谱用红色表示。可以看出，荧光光谱相对于吸收光谱发生了红移。这被称为斯托克斯位移。荧光光谱还像是吸收光谱的倒置，这是荧光实验中常见的现象。

图7：荧光素的吸收（蓝色）和荧光（红色）光谱。荧光光谱从吸收光谱中红移，并且呈现为“镜像”形式。光谱摘自参考文献6。

荧光测量中一个重要量是荧光量子产率Φ，即分子发射的光子数除以分子吸收的光子数：

Φ的最大值为1，此时分子每吸收一个光子就发射一个光子；最小值为0，此时分子不发射任何光子。

可以使用脉冲激光和时间分辨检测方案进行时间分辨荧光测量。近红外荧光蛋白（ iRFP）是一类用于生物成像的基因工程荧光探针。几种iRFP的稳态吸收和荧光光谱如图8.⁷所示。

图8：近红外荧光蛋白的左稳态荧光光谱。摘自参考文献7。

这些蛋白质吸收和荧光都偏向NIR方向，因此特别适用于深层组织成像，因为长波长的光比短波长的光能穿透更深的组织。图9.⁷展示了iRFP702在H₂O and D₂O中，激发波长为660 nm， 发射波长702 nm的时间分辨荧光光谱。

图9：iRFP 702在660 nm处发射并在702 nm处检测到的时间依赖性荧光光谱在水（红色）和D2O中显示了动力学同位素效应。底部的曲线是相同的衰减曲线，但强度采用对数刻度。取自参考文献7。

 

可见荧光强度随时间衰减，衰减时间从几百皮秒（ps）到几十纳秒（ns）不等，这种时间依赖性荧光强度可描述为：

其中，I(t)是激发后时间t的荧光强度，Io是初始荧光强度，τ是荧光寿命，即I(t)达到初始值（Io）的1/e的强度所需的时间。

iRFP 702在两种溶剂中的荧光寿命不同。在水溶液中，测得的荧光寿命为749皮秒，而在氘水中则为1.35纳秒。氘水中的荧光寿命比水溶液长，这可以归因于较重的氘同位素的存在，导致这两种溶剂中iRFP 702的荧光寿命的动力学同位素效（KIE）应为1.8。

福斯特Förster共振能量转移（FRET）是两种荧光团之间发生的荧光过程。在FRET中，两个荧光团被放置得非常接近，其中一个荧光团（FRET供体）的发射光谱与另一个荧光团（FRET受体）的吸收光谱重叠，形成一个FRET对。当供体分子从基态激发到激发电子态时，可能会发生非辐射能量转移，供体激发受体，随后受体荧光，如图10.8所示。

图10：显示FRET对之间Forster共振能量转移的Jablonski图。图片摘自参考文献8。

FRET的效率高度依赖于距离，随1/r^6变化，其中r是供体和受体之间的距离。由于这种强烈的距离依赖性，FRET仅在供体和受体相距几纳米时发生，在超分辨率定位成像以及检测和追踪蛋白质相互作用中具有应用。

 

磷光被广泛用于表征“下一代”材料，如纳米材料、低密度材料和新型半导体。这些材料在光伏、能源生成和太阳能电池中有着广泛的应用。磷光实验的设置与荧光实验非常相似，如图11所示。

图11：磷光光谱仪示意图。

氮化镓纳米结构是下一代材料的一个例子，因其磷光发射在蓝色范围内而受到关注，这使得它们成为用于蓝色LED和基于二极管的激光器的理想候选材料。如图12⁹所示，磷光被用来表征氮化镓纳米结构的质量。通过使用xy平移台，研究人员能够生成磷光整体强度的地图，并通过监测370 nm处缺陷带的存在或不存在来识别纳米结构中的缺陷，此外还有360 nm处的正常磷光发射。

图12：左下角-基于氮化镓的纳米结构阵列的总PL强度随xy位置的变化。右下角-基于氮化镓的纳米

结构阵列的代表性PL光谱，显示主要PL发射波长为~360 nm，检测带宽为~370 nm。改编自参考文献9。

 

研究人员一直在寻找替代传统晶体硅的材料，用于薄膜太阳能电池板中的薄膜吸收层，以降低生产成本并提高可持续性。铜锌锡硫化物（CZTSSe）被认定为一种可行且特别有吸引力的候选材料，因为它仅由低毒性的丰富材料组成。通过定量磷光可以获取这些材料电子结构的信息，从而预测使用这种材料时设备的开路电压。这一点很重要，因为可以在生产过程早期进行测量，而无需制造整个太阳能电池装置来获得这些信息。

在图13所示的实验中，10到12名研究人员通过引入一层称为缓冲层的半导体材料，能够改变CZTSSe的电子特性，并使用定量磷光技术监测这些变化的影响。利用几种缓冲层对1.05电子伏特以下磷光强度的影响，最终预测了不同缓冲层下材料在器件中的性能。

图13：在铜锌锡硫化物（CZTSSe）吸收器上测量的底部-PL光谱，使用了多种缓冲液。改编自参考文献10-12。

 

拉曼光谱技术

拉曼光谱可以作为分子振动和旋转的高度敏感探针。这一技术最初由印度物理学家C.V.拉曼发现，他在1928年发表于《自然》杂志的一篇题为“辐射的负吸收”的论文中公布了研究成果。

与红外吸收光谱不同，后者通过直接吸收能量等于分子振动和旋转跃迁的红外光 来探测分子的振动和旋转，拉曼光谱的工作原理则有所不同。

在拉曼实验中，使用一个不与分子中的任何振动或旋转状态共振的激发源，将分子中的电子激发到电子虚态，从而产生散射事件。

最常见的散射事件是瑞利散射，即光子与分子弹性散射，且这些光子的能量在散射后不会改变。

然而，光子可以与分子发生非弹性散射，在这种情况下，散射后光子的能量减少相当于分子的一个振动或旋转能级——这被称为斯托克斯拉曼散射。此外，光子也可以与分子发生非弹性散射并获得能量，此时获得的能量相当于分子的一个振动或旋转能级。这被称为反斯托克斯散射。无论是斯托克斯散射还是反斯托克斯散射，效率都相对较低，大约只有10^-7的光子会发生非弹性散射。这些不同的过程如图14.13所示。

图14：拉曼光谱中的能量水平和散射事件。摘自参考文献13。

图15¹⁴显示了拉曼光谱仪的示意图。用光激发样品，产生的散射光通过滤波器降低瑞利散射的强度，然后进入光谱仪，在那里分散并由探测器收集和记录。

图15：拉曼光谱仪示意图。摘自参考文献14。

拉曼光谱中常用的单位是波数（cm^-1）。然而，拉曼光谱的独特之处在于，样品中振动或旋转跃迁对应的单位总是相对于激发源的能量，即瑞利线来报告。例如，假设在435.83纳米激发时观察到一个未知的拉曼带位于457.4纳米。根据公式：

其中h为普朗克常数，c为光速，λ为光波长，激发源的能量为：

而非弹性散射光的能量为：

这导致了1082 cm-1的能量，从而产生了在457.4 nm处的未知带：

拉曼信号基于散射事件，其强度与激发波长的四次方成反比，即1/λ⁴，因此使用较低波长的激发源可以增加拉曼信号的强度。

拉曼“光谱密度”，即在给定能量下，拉曼模式在波长空间中的相互接近程度，在很大程度上取决于激发源的波长以及所研究模式的光谱区域。

例如，考虑一个实验目标是使用拉曼光谱测量能量范围从0到4000 cm-1的分子振动和旋转。

如果选择262纳米作为激发源，则最高能量模式在4000 cm-1处会出现在292.7纳米，即比激发源红移~30纳米。

然而，如果选择785纳米作为激发源，则同一模式在4000 cm-1处会出现在1144纳米，红移接近360纳米。

这种光谱密度对激发波长的依赖性要求在设计拉曼实验时，应仔细考虑光谱仪的带宽和分辨率以及所用探测器的波长依赖量子效率。

拉曼光谱是一种高度特异性的非破坏性技术，这种特性可以用来以多种方式表征材料。

它可以用来识别未知化学物质，如图16.15所示的六氯苯。

图16：六氯苯的拉曼光谱。摘自参考文献15。

它还可以用作量化过渡金属二硫属化物（TMDC）型单层的化学成分的一种方法，如MoS₂和WS₂，通过测量Mo_1-xW_xS₂单层合金中Mo相对于W的摩尔分数，如图17.16所示。

图17：Mo_1-xWxS₂单层合金的拉曼光谱，随W与Mo摩尔分数的变化。摘自参考文献16。

多层纳米材料的增长也可以通过观察MoS₂中拉曼模式随层数变化的情况来监测，如图18.¹⁷所示。当材料中的层数从1增加到4时，拉曼光谱中会出现额外的模式，这些模式归因于材料中的呼吸和剪切模式。这些模式涉及多层之间的运动以及一层运动对另一层的影响。这种依赖于多层的运动仅在具有多个层次的样品中才可能出现，在单层拉曼光谱中并不存在。

图18：二硫化钼的拉曼光谱随层数的变化。随着层数的增加，更多的拉曼模式变得明显。摘自参考文献17。

 

分子结构的差异，如水和冰中的差异，也可以通过拉曼光谱来表征。尽管水和冰的化学组成相同，但图19.¹⁸显示，水的拉曼光谱中O-H伸缩带比冰宽得多，这反映了水中的OH基团可以自由探索更多的振动和旋转子空间，而在冰中则更为受限。

图19：水和冰的拉曼光谱，显示了液相与固相中OH伸缩模式线形的依赖性。摘自参考文献18。

拉曼光谱可用于测量材料中的应变和缺陷。图20比较了纯石墨与经过长时间球磨处理的石墨样品的拉曼光谱。¹⁹在石墨中观察到的二维带在24小时球磨后，其双峰轮廓被抑制并转化为单峰，“类似突起”的模式。

拉曼光谱特征的细微差异可用于区分非常相似的材料，如石墨烯和石墨。石墨烯是由原子以六角晶格纳米结构排列而成的一层单分子层，而石墨则由多层石墨烯堆叠而成。图20.²⁰展示了N掺杂石墨烯和高度取向热解石墨（HOPG）的拉曼光谱。N掺杂石墨烯中的二维带相对于石墨的二维带略有红移。此外，石墨中存在多个模式，导致其二维带的线形与石墨烯不同。这种差异是由于石墨中含有多层石墨烯。N掺杂石墨烯中观察到的D带被称为缺陷或无序带，归因于样品中的氮掺杂。

图20：(a)：N掺杂石墨烯（上）和高取向热解石墨（HOPG）（下）的拉曼光谱。(b)：N掺杂石墨烯和HOPG的二维能带放大图，显示了两种材料线形的差异。摘自参考文献20。

金属和半导体单壁碳纳米管（SWCNT）也可以通过拉曼光谱进行区分。图21顶部的曲线显示了金属SWCNT的拉曼光谱，而底部的曲线则展示了半导体SWCNT的拉曼光谱。²¹金属样品与半导体样品的G模式光谱展宽程度不同，用于区分两种类型的SWCNTs。

图21：金属（上）和半导体单壁碳纳米管（SWCNT）的拉曼光谱。拉曼光谱中的差异，如G带的展宽，可用于区分金属和半导体类型的样品。摘自参考文献21。

 

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原文链接：

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/fundamentals-of-spectroscopy-history-explanations-and-applications