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光致发光光谱和荧光详解

雷尼绍光谱仪可以执行光致发光 (PL) 光谱分析,以揭示物质的电子结构。相反地,您也可以在拉曼分析过程中轻松消除不需要的荧光背底。


光致发光 (PL) 是由物质吸收光子而激发的。然后,当物质从激发电子态返回到基态时会发光。PL包括荧光和磷光过程。PL的总量和类型取决于所研究的物质和所使用的激光波长。

当样品被激光照射时会产生拉曼散射和光致发光 (PL)。不需要的荧光背底会掩盖较弱的拉曼散射光,从而干扰拉曼分析。我们通常可以通过选择合适的激光波长来消除高荧光背底。

光致发光 (PL) 光谱能告诉我们什么

在许多情况下,光致发光 (PL) 光谱是有价值的。您可以使用PL光谱来研究物质的电子特性。这对于半导体分析非常重要,它可以揭示物质的能带结构和任何缺陷。您还可以分析宝石中的晶体缺陷,例如原子空位和替位。

PL光谱是无损技术,可以增强拉曼数据。雷尼绍拉曼系统适用于拉曼散射和光致发光分析。

您可以利用PL研究晶体缺陷,例如原子空位和替位。这对于钻石等宝石及碳化硅 (SiC) 等半导体物质非常重要。不仅能够识别缺陷类型,还可以辨别晶体是否有内部应力。

如何测量光致发光光谱

为了获得PL光谱,我们将光聚焦到样品上并测量产生的发光度。PL光谱是发射光强与波长的关系图。通过PL光谱,我们可以研究半导体物质的电子特性及是否存在缺陷。这些研究通常需要数百纳米(或数千波数,cm-1)的光谱范围。SynchroScan™技术还可以分辨PL谱中的宽特征和尖锐特征。

雷尼绍光谱仪使用激光光源进行PL光谱分析。激光是单色的,因此可以在非常窄的波长范围内发出强光。因此,激光激发可以揭示其他激发源(例如紫外灯或可调谐分光荧光计)可能看不到的PL峰。PL的总量和类型取决于所研究的物质和所使用的激光波长。为了激发PL,入射光的能量必须高于物质的电子带隙。较低的能量对应于较长的波长。因此,我们观察到PL发射光的波长比入射光的波长要长。

SiC的宽谱带光谱

SiC的宽带光谱,呈现PL特征。光谱范围从400 nm到1,000 nm以上,跨越可见光甚至更广。数据由英国布里斯托大学物理系John Steeds教授和Geraint Evans博士提供。

荧光和磷光

光致发光包括荧光和磷光过程。一般来说,荧光是指几乎是瞬时的、持续时间小于10纳秒的PL。另一方面,磷光是指除去入射光后持续时间超过10纳秒的PL。下面的Jablonski能级图可以帮助我们了解荧光和磷光的量子力学原理。

我们假设一个处于单重基态的分子 (S0)。在荧光的情况下,分子吸收光子,从而激发到单重激发态 (S1)。当分子从S1回落到S0时,就会发射荧光。S1和S0状态具有相同的自旋重数,因此从S1到S0的跃迁是允许的。这就是为什么荧光的发生时间不到10纳秒。

分子通常包含具有较高质量和高度自旋轨道耦合的原子,这时才会发生磷光。这增加了从单重态S1到三重态T1电子态之间的系间跨越 (ISC) 概率。由于角动量守恒,从T1不可回落到基态S0,因为这些电子态具有不同的自旋多重性。然而自旋轨道耦合放宽了这个规则,因此当从T1辐射跃迁到S0状态时可以发生磷光。这就是为什么磷光发生的时间量级比荧光慢得多(从微秒到数千秒)。

简而言之,当分子在吸收光子后从其第一个激发的单重态S1发射光时,就会发生荧光。从S1进行系间跨越后,当分子从三重态T1发光时,就会发生磷光。

能量示意图中显示了光的吸收,以及荧光和磷光发光方式涉及的过程。 能量示意图中显示了光的吸收,以及荧光和磷光发光方式涉及的过程。

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  • 什么是拉曼效应?
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  • 显微拉曼光谱仪的部件
  • 光致发光详解

荧光成像和FLIM

生物学家经常使用荧光成像技术。这项技术需要用荧光标签或标记处理生物组织和细胞,以检测分子种类的存在和分布。雷尼绍的inVia™共焦显微拉曼光谱仪RA816生物分析仪非常适合生成荧光标签图像作为生物标志物。然而,与通常无需标记的拉曼分析技术相比,这种方法具有侵害性。

相比之下,荧光寿命成像显微镜 (FLIM) 是一种用于研究生物细胞和组织的分子环境的无标记技术。它可以补充拉曼光谱,以揭示生物化学原理。inVia显微光谱仪现在可以集成FLIM功能,实现了无标记多模态成像。

源自红宝石R2发光谱带的位置所生成的应力图像


从红宝石R2 PL谱带位置生成的应力图像。

拉曼光谱和PL光谱的比较

光谱仪同时采集拉曼光谱和光致发光光谱。我们如何区分两者?

物质以恒定波长发射PL谱带,这取决于其电子结构。即使我们使用不同的激发波长,物质的吸收带和发光带也不会改变。按照惯例,宝石学家以纳米 (nm) 为单位报告PL峰值。研究半导体的物理学家更喜欢以电子伏特 (eV) 为单位报告PL峰值。

相反,拉曼谱带相对于激发波长具有恒定的能量差。拉曼光谱可测量当光与分子振动能级相互作用时发生的能量变化。在拉曼光谱中显示的x轴值是相对于激发源的。因此,我们将x轴标记为以波数 (cm–1) 为单位的拉曼频移。

如何消除拉曼光谱中的荧光背底

使用激光照射样品时会产生拉曼散射和光致发光 (PL)。荧光发射的光强是拉曼散射的数倍,因而会妨碍拉曼分析。使用不同的激光波长可以解决这个问题。这样可以将拉曼谱带移离PL发射峰,甚至可以完全避免PL的产生。

优秀的拉曼仪器能够在不同的激光波长之间轻松切换。然后,您可以根据具体需求选择或避开PL特征。

 
导电聚合物的光谱

导电聚合物的光谱。当使用785 nm近红外激光激发时,我们可以清晰地观察到拉曼谱带。当使用514 nm或633 nm的可见激光照射样品时,强荧光背底则在光谱中占主导地位。为使表述清楚,我们调整了垂直轴的比例。

什么是拉曼光谱?

欢迎继续了解拉曼和光致发光 (PL) 光谱。我们将竭诚为您解答有关显微拉曼光谱技术、快速拉曼成像、数据分析、荧光和补充分析技术的各种问题。

拉曼光谱详解