荧光寿命测量方法优化

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-1Perrin-Jablonsky简化图荧光发射即为一种常见的辐射去活过程，它通常是指电子发生自S1态至S0态的跃迁，同时放出光子的过程，这一过程所需的时间通常在10-10～10-7 s。而观测到的荧光寿命τ与S1态的寿命τS等价，不仅受荧光发射速率的影响，还受各种非辐射过程的影响，所以直接测得的表观荧光寿命也称作自然寿命。

在材料研究中，测量材料的荧光寿命，可以获得能级结构和激发态弛豫时间等信息［3］。

1.荧光及荧光寿命的基本原理

分子吸光后去活化的原理与过程，可以直观地用Perrin-Jablonsky的简化图来表示（见图7-1）。简而言之，分子中处于单线态基态电子能级S0的电子，依据Frank-Condon规则吸收一定波长的光子后，被激发至单线态激发态电子能级（一般是S1态）中的某一振动能级，这一过程约需要10～15 s；在经历短暂的振动弛豫过程后（约10-12～10-10 s），会有大量电子在S1态的最低振动能态积累。这一状态的电子会有几种释放能量并回到基态S0态的途径，包括振动弛豫在内的这些途径被统称为去活化的过程。若能量释放的过程中伴随着光子的放出，则被称为辐射去活；若只是通过碰撞等途径释放能量，而没有光子放出，则被称为无辐射去活［4］。

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图7-1　Perrin-Jablonsky简化图

荧光发射即为一种常见的辐射去活过程，它通常是指电子发生自S1态至S0态的跃迁，同时放出光子的过程，这一过程所需的时间通常在10-10～10-7 s。利用光学仪器检测荧光发射的强度随时间的变化，即可得到被测体系的荧光寿命信息。

无辐射去活过程有以下几种途径：内转换指的是电子在具有相同多重度的电子能态间发生跃迁的过程，时间通常在10-11～10-9 s；系间跨越指的是电子在不同多重度的能态间发生跃迁的过程，如单线态S1至三线态T1的跃迁，其时间通常在10-10～10-8 s；荧光猝灭指的是激发分子通过分子间的相互作用和能量转换，从而释放能量的过程，也称作外转换。这些无辐射去活过程在决定体系的荧光寿命时起着非常重要的作用。此外，电子跃迁至T1态后，也有一定几率以放出光子的形式跃迁至S0态，称作磷光发射，或再次系间跨越回S1态，并放出一个光子回到S0态，称作延迟荧光。

2.荧光衰减曲线及荧光寿命［5，6］

在激发光源的照射下，一个荧光体系即向各个方向发出荧光；当光源停止照射时，荧光不会立即消失，而是会逐渐衰减至零。基于以上原理，可以对一个理想体系的荧光衰减进行严格的数学推导。

对于荧光物质A的稀溶液，设其浓度为［A］（mol·L-1），假设所有A分子所处的环境近似，则溶液中所有A分子的荧光衰减途径相同。有一束时间很短的脉冲光，若其持续时间与过程中涉及的速率常数相比可忽略不计，则可认为其时间宽度为零，这种理想的线光源被称作δ脉冲。以δ脉冲激发上述溶液，由于光吸收与振动弛豫的时间很短，则可认为在时间为零时，一定数量的A分子通过吸收光子到达了激发态S1，分子浓度用［1A*］表示。这些处于激发态的分子，会通过辐射或无辐射的途径返回基态S0，其速率常数分别用和表示。此过程可与一级反应类比，激发态分子的衰减速率可用式（7-1）表示：

对式（7-1）进行积分，即可得到时间为t时激发态分子浓度与初始激发态浓度［1A*］0间的关系：

式中的τS称作激发态S1的寿命，用式（7-3）表示

荧光强度IF与激发态分子的浓度以及荧光辐射去活的速率常数成正比

用荧光仪器测量时，观测到的荧光强度IF还与仪器的各参数有关。因此，荧光强度与激发态寿命的关系可简单表示为

式（7-5）表明，以δ脉冲作为激发光源的单一体系中，荧光强度呈单指数衰减。而观测到的荧光寿命τ与S1态的寿命τS等价，不仅受荧光发射速率的影响，还受各种非辐射过程的影响，所以直接测得的表观荧光寿命也称作自然寿命。对于复杂体系，由于其中各荧光物质的性质或所处微观环境不同，整个体系的荧光衰减曲线为多个指数衰减函数的加和，称多指数衰减

以上的荧光衰减曲线，是基于激发光源为理想线光源δ脉冲的情况下得到的（图7-2）。实际上，任何实际光源都有一定的宽度，因此在实际应用中，上述表达式还需要做进一步修正。若将激发光源的强度表示为时间的函数E（t），则检测到的信号R（t）可表示为E（t）与δ脉冲响应I（t）间的卷积分

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根据以上理论推导得到的结论，可设计荧光寿命的检测仪器，解析测量结果，进一步得到体系的动力学信息。

荧光寿命测量方法优化

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