讲解光致发光光谱和荧光
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。
下载电子书:拉曼光谱详解
此内容现仅提供英文版。
您是拉曼光谱初学者吗?您想要下载一份资料以便分享吗?我们的电子书可帮助您快速入门我们的电子书涵盖许多基本概念和实用建议,包括:
- 什么是拉曼效应?
- 什么是拉曼光谱?
- 拉曼成像能够告诉您什么?
- 拉曼光谱的优势
- 显微拉曼光谱仪的部件
- 讲解光致发光
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和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。
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。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。