荧光光谱仪测试原理

前言作为物质存在的第四种状态的等离子体通常由电子、离子和处于基态以及各种激发态的原子、分子等中性粒子组成。等离子体中带电离子间库伦相互作用的长程特性，是带电粒子组分的运动状态对等离子体特性的影响起决定性作用，其中的电子是等离子体与电磁波作用过程中最重要的能量与动量传递粒子，因此，等离子体中最重要的基本物理参数是电子密度及其分布以及描述电子能量分布的函数以及相应的电子温度。而对于中高气压环境下产生的非热低温等离子体来说，等离子体中的主要组分是处于各种激发态的中性粒子，此时除了带电粒子外，中性粒子的分布和所处状态对等离子体电离过程和稳定性控制也起着非常重要的作用，尤其是各种长寿命亚稳态离子的激发。为了可以充分描述等离子体的状态，在实验上不仅要对带电粒子的分布和运动状态进行诊断，如电子温度、电子密度、电离温度等参数，还需要对等离子体中的中性粒子进行必要的实验测量，来获得有关物种的产生、能量分布以及各个激发态布居数分布等信息，如气体温度、转动温度、振动温度、激发温度等参数。基于这种要求，结合相关学科的各种技术形成了一个专门针对等离子体开展诊断研究的技术门类，如对等离子体中电子组分的诊断技术有朗缪尔探针法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，汤姆逊散射法(Thomason Scattering, TS)，发射光谱法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，对离子组分的光谱诊断技术有光腔衰减震荡(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和发射光谱法(OES)，而对中性粒子的光谱诊断技术包括了吸收光谱法(Absorption Spectroscopy, AS)，发射光谱法(OES)，单光子或者双光子激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。 二、激光诱导荧光（LIF or TALIF）LIF在等离子体上的应用诊断开始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF装置可以测量中性基团和离子的相对速度、速度分布函数等。90年代后，LIF被陆续应用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驱动CVD等等离子体源中。2.1、 等离子体 LIF诊断的基本模型处于基态或亚稳态的粒子吸收具有一定能量的光子后被激发，再从激发态衰变为自旋多重度相同的基态或低能态时，就会发出荧光辐射。而荧光光强与粒子数成正比，因此，通过测量荧光光强，可以确定处于基态或亚稳态的粒子密度。由于这种荧光发射的时间长度低于微妙量级，必须采用脉冲宽度在纳秒量级的激光来激发荧光，这种诊断方法因此被称作激光诱导荧光（LIF）。图1. LIF基本原理图图１[1]为LIF的基本原理图，在一个三能级系统中：离子处于亚稳态时，当照射激光能量等于跃迁激发的能量，离子被泵浦到激发态。由于激发态不稳定，离子又会迅速退激到基态并辐射出荧光。在激发态上停留时间很短暂（一般只有几纳秒宽度）。由于离子不是静止的，根据多普勒效应可知，在激光传输方向上存在一个速度选择，只有在激光传输方向上满足一定速度的离子才能被特定频率的激光诱导激发：窄带激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有离子速度 和激光频率满足关系式 时，才能通过相应的激光激发被泵浦到激发态。对入射激光频率进行扫描变换，测量相应的荧光光强变化，就能得到亚稳态离子速度分布函数在入射激光方向上的投影。如果假定亚稳态离子温度和主体基态离子温度一致，离子速度分布函数等动力学参数即可获得。2.2、 典型LIF实验架构与世界上的LIF架构参考如图2所示，为典型的等离子体装置LIF诊断实验架构图。图2 典型的等离子体LIF诊断架构图因为基团和粒子的激发波长不同，因此我们选择了波长可调谐的纳秒脉宽染料激光器，通过添加不同的染料，输出不同的波长对被测试的粒子和基团进行激发，从而得到激光诱导的荧光衰减与光谱信号，这些信号经由相关的搜集光路被捕获到光谱仪与ICCD探测器组成的光谱探测系统中，从而得到光谱、强度与时间尺度的三维荧光光谱，让研究人员进行相关的分析。图中所用的DG535/645作为整个实验系统的时序控制装置。图3到图4为世界上比较典型的不同等离子体装置的LIF诊断情况。图3. University of Greifswald LIF诊断系统（H原子）图4. IHP LIF诊断系统2.3、典型的LIF波长选择举例对Ar等离子体和He等离子体放电，常用的激光器波长可调谐范围不需要太宽要测H（氢）等离子体，激光波长需要205nm测CF等离子体 需要261nm同时测 Ar等离子体的LIF，因为观测另一条谱线，所用的激光波长又是611nm的所以LIF的波长范围应该根据要观测的等离子体放电的气体种类及观测那条谱线来决定2.4、硬件配置推荐 根据用户需求，一般推荐的配置如下：1、染料可调激光器：可选配置从200-4500nm 宽范围调谐2、 光谱仪：Ø Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-500I 或750I光谱仪搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光栅Ø 207或者205高光通量光谱仪，搭配110*110mm 的大尺寸1200l/mm光栅和1800l/mm光栅2、 探测器： ICCD, 18mm 增强器，13*13mm 探测面；DG645：用于系统触发控制的时序单元其他光学平台及光路设计等 光电倍增管PMT/锁相放大器/ Boxcar 模块 等请咨询卓立汉光销售人员！参考文献[1] 赵岩, 柏洋, 金成刚, 等．激光诱导荧光在低温等离子体诊断中的应用[J]. 激光与红外, 2012, 4(42): 365-371.

仪器简介 BSA-100A液相色谱-原子荧光光谱联用仪是北京宝德仪器有限公司自主研发生产的BSA液相色谱-原子荧光联用仪系列产品，可定性定量分析食品和环境等多种领域样品中痕量重金属元素的化学形态（砷形态、汞形态、硒形态、锑形态等十多种化合物）及其含量。仪器原理由于同种元素的不同形态具有各异的化学和毒理性质，元素总量的分析测定，已不能满足食品安全鉴定的需求。样品经过预处理和在线色谱分离后，再与BAF-2000型（双道同测）原子荧光光度计联用，定性、定量检测重金属化合物中的无机化合物、有机化合物。检测对象◆ 砷形态：砷酸盐 As(V)、亚砷酸盐 As(III)、一甲基砷酸 MMA(V)、二甲基砷酸 DMA(V)、 砷甜菜碱 AsB、砷胆碱 AsC、饲料中的有机砷制剂 (阿散酸p-ASA、洛克沙胂Roxarsone）◆ 汞形态：无机汞 Hg2+、甲基汞 MetHg、乙基汞 EtHg、苯机汞 PhHg ◆ 硒形态：亚硒酸盐 Se(IV)、硒酸盐 Se(VI)、硒代胱氨酸 SeCys、硒甲基硒代半胱氨酸 SeMeCys和硒代蛋氨酸 SeMet ◆ 锑形态：三价锑 Sb(III)、锑酸盐 Sb(V)应用领域主要用于环境样品检测，食品卫生检验，水样检验，农业及其产品检测，地质冶金样品检测，疾控防疫中心样品检测，中西药，生物材料，化妆品，纺织品临床实验及教育科学研究等领域。

EDX 4500H X荧光光谱仪是利用XRF检测原理实现对各种元素成份进行快速、准确、无损分析。该仪器的主要特征是利用智能真空系统，可对Si、P、S、Al、Mg等轻元素具有良好的激发效果，利用XRF技术可对高含量的Cr、Ni、Mo等关注的元素进行准确分析，在冶炼过程控制中起到了测试时间短，大大提高了检测效率和工作效率的作用。另外，在合金分析、全元素分析、有害元素检测应用上也十分广泛。性能特点超薄窗X光管数字多道技术，让测试更快，计数率达到100000CPS，准度更高，在合金检测中效果更好FAST-SDD探测器，良好的能量线性、能量分辨率和能谱特性，较高的峰背比低能X射线激发待测元素，对Si、P等轻元素激发效果好智能抽真空系统，屏蔽空气的影响，大幅扩展测试的范围自动稳谱装置保证了仪器工作的一致性高信噪比的电子线路单元针对不同样品自动切换准直器和滤光片，免去手工操作带来的繁琐解谱技术使谱峰分解，使被测元素的测试结果具有相等的分析度多参数线性回归方法，使元素间的吸收、增大效应得到明显的抑制内置高清晰摄像头液晶屏显示让仪器的重要参数（管压、管流、真空度）一目了然技术参数产品型号：EDX 4500H产品名称：X荧光光谱仪测量元素范围：从钠（Na）到铀（U）元素含量分析范围： ppm—99.99%（不同元素，分析范围不同）同时分析元素：一次性可测几十种元素测量时间：30秒-200秒探测器能量分辨率为：145±5eV管压：5KV-50KV管流：50μA-1000μA测量对象状态：粉末、固体、液体输入电压：AC 110V/220V环境温度：15℃-30℃环境湿度：35%-70%样品腔体积：320mm×100mm外形尺寸：660mm×510mm×350mm重量：65Kg标准配置超薄窗X光管FAST-SDD探测器数字多道技术光路增强系统高信噪比电子线路单元内置高清晰摄像头自动切换型准直器和滤光片自动稳谱装置三重安全保护模式可靠的整体钢架结构90mm×70mm的状态显示液晶屏真空泵应用领域合金检测、全元素分析、有害元素检测（RoHS、卤素）