熒光壽命測(cè)定方法

熒光壽命測(cè)定方法第一頁，共十四頁，2022年，8月28日一、熒光壽命的概念二、測(cè)定熒光壽命的幾種方法三、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)方法TCSPC四、TCSPC技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)五、熒光壽命測(cè)定中可能存在的問題第二頁，共十四頁，2022年，8月28日激光(Laser)的全名是“光的受激輻射放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)一、熒光壽命的概念

E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)第三頁，共十四頁，2022年，8月28日一、熒光壽命的概念

自發(fā)輻射：處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射出一個(gè)頻率為υ=（E2-E1）/h的光子。自發(fā)躍遷幾率：發(fā)光材料在單位時(shí)間內(nèi)，從高能級(jí)上產(chǎn)生自發(fā)輻射的發(fā)光粒子數(shù)密度占高能級(jí)總粒子數(shù)密度的比值A(chǔ)21=(dn21/dt)sp/n2第四頁，共十四頁，2022年，8月28日一、熒光壽命的概念

自發(fā)輻射躍遷的過程是一種只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無關(guān)的自發(fā)過程。A21的大小與原子處在E2能級(jí)上的平均壽命τ2有關(guān)。E2能級(jí)上的粒子數(shù)密度n2隨時(shí)間的變化率dn2(t)/dt=-(dn21/dt)sp=-A21n2(t)n2(t)=n2(0)e-A21n2(t)定義粒子數(shù)密度由t=0時(shí)的n(0)衰減到它的1/e時(shí)所用的時(shí)間為E2能級(jí)的平均壽命τ。τ=1/A21第五頁，共十四頁，2022年，8月28日一、熒光壽命的概念

假定一個(gè)無限窄的脈沖光(δ函數(shù))激發(fā)n0

個(gè)原子到其激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的原子將通過輻射或非輻射躍遷返回基態(tài)。假定兩種衰減躍遷速率分別為Γ和knr,則激發(fā)態(tài)衰減速率可表示為dn(t)/dt=-(Γ+knr)n(t)其中n(t)表示時(shí)間t時(shí)激發(fā)態(tài)原子的數(shù)目,由此可得到激發(fā)態(tài)物質(zhì)的單指數(shù)衰減方程。n(t)=n0exp(-t/τ)式中τ為熒光壽命。熒光強(qiáng)度正比于衰減的激發(fā)態(tài)分子數(shù),因此可將上式改寫為:I(t)=I0exp(-t/τ)其中I0

是時(shí)間為零時(shí)的熒光強(qiáng)度。于是,熒光壽命定義為衰減總速率的倒數(shù):τ=(Γ+knr)-1也就是說熒光強(qiáng)度衰減到初始強(qiáng)度的1/e時(shí)所需要的時(shí)間就是該熒光物質(zhì)在測(cè)定條件下的熒光壽命。第六頁，共十四頁，2022年，8月28日二、測(cè)定熒光壽命的幾種方法

熒光壽命測(cè)定的現(xiàn)代方法主要有以下幾種：時(shí)間相關(guān)單光子記數(shù)法(Time-CorrelatedSingle-PhotonCounting，TCSPC)

頻閃技術(shù)(StrobeTechniques)相調(diào)制法(PhaseModulationMethods)條紋相機(jī)法(StreakCameras)上轉(zhuǎn)換法(Upcon-versionMethods)第七頁，共十四頁，2022年，8月28日三、單光子計(jì)數(shù)方法單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，是檢測(cè)極微弱光的有力手段，這一技術(shù)是通過分辨單個(gè)光子在檢測(cè)器（PMT）中激發(fā)出來的光電子脈沖，把光信號(hào)從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來光電倍增管(PMT)是一種高靈敏度電真空光敏器件，主要包括以下幾個(gè)部分：光窗：光線或射線射入的窗口璃；光陰極：這是接受光子產(chǎn)生光電子的電極；倍增極：管內(nèi)光電子產(chǎn)生倍增的電極，倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，一般電子放大倍數(shù)達(dá)106-109；陽極：經(jīng)過多次倍增后的電子被陽極收集，形成輸出信號(hào)。第八頁，共十四頁，2022年，8月28日三、單光子計(jì)數(shù)方法熒光的發(fā)射是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過程，很少有熒光分子剛好在τ（熒光壽命）時(shí)刻發(fā)射熒光，熒光壽命僅反映熒光強(qiáng)度衰減到其起始值1/e所需的時(shí)間。在被測(cè)的微弱隨機(jī)光場(chǎng)作用下，光檢測(cè)計(jì)光陰極發(fā)射光電子，其行為可用雙隨機(jī)泊松點(diǎn)過程來描述，光電子時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性可用多重概率密度求平均來得到式中：tj＝to＋tj0得到光檢測(cè)方程λ（t）＝αI（t）式中：α是比例系數(shù)。說明光電子發(fā)射概率密度與光場(chǎng)瞬時(shí)強(qiáng)度成正比。第九頁，共十四頁，2022年，8月28日三、時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)方法TCSPC降低激光功率，使每一個(gè)激光脈沖所含能量足夠小，以至于每次激發(fā)樣品時(shí)或者僅有１個(gè)熒光光子到達(dá)探測(cè)器的光陰極，或者沒有。假如100個(gè)激光脈沖激發(fā)樣品，所發(fā)出的熒光光子僅能使光陰極平均發(fā)射１個(gè)光電子。光子q重概率密度則變成單個(gè)光電子概率密度：Pf(t)≈<λ(t)>=αI（t）只要測(cè)得單個(gè)光電子到達(dá)時(shí)間概率分布，也就得到了微弱光場(chǎng)衰變曲線。利用窗口鑒別器開設(shè)時(shí)間窗口，可以很方便地測(cè)量激發(fā)后不同時(shí)間區(qū)間的熒光光譜，就得到了時(shí)間分辨熒光光譜。利用非線性最小二乘法、矩法、Laplace變換法、最大熵法以及正弦變換法等擬合曲線得到結(jié)果。第十頁，共十四頁，2022年，8月28日三、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)方法TCSPC時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)首先由Bollinger、Bennett、Koechlin三人在六十年代為檢測(cè)被射線激發(fā)的閃爍體發(fā)光而建立的,后來人們把它應(yīng)用到熒光壽命的測(cè)量。第十一頁，共十四頁，2022年，8月28日四、TCSPC技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

TCSPC法的突出優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、系統(tǒng)誤差小,是目前最流行的熒光壽命測(cè)定方法；實(shí)際測(cè)定中,必須調(diào)節(jié)樣品的熒光強(qiáng)度,確保每次激發(fā)后最多只有一個(gè)熒光光子到達(dá)終止光電倍增管。否則會(huì)引起“堆積效應(yīng)”(PileupEffect)；對(duì)于量子效率較高的樣品，需要限制激發(fā)光強(qiáng)度，即減小多個(gè)光電子同時(shí)到達(dá)的概率；這種方法所用儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、而且測(cè)定速度慢,無法滿足某些特殊體系熒光壽命測(cè)定的要求。第十二頁，共十四頁，2022年，8月28日五、熒光壽命測(cè)定中可能