熒光壽命測(cè)定方法課件

熒光壽命的測(cè)定方法

2013-9-26一、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(wèn)題激光(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)一、熒光壽命的概念

自發(fā)輻射躍遷的過(guò)程是一種只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)過(guò)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/A21一、熒光壽命的概念

假定一個(gè)無(wú)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(guò)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(xiě)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(shuō)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。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)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(guò)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(guò)程來(lái)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(lái)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(shuō)明光電子發(fā)射概率密度與光場(chǎng)瞬時(shí)強(qiáng)度成正比。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(méi)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(kāi)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。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(lái)人們把它應(yīng)用到熒光壽命的測(cè)量。五、熒光壽命測(cè)定中可能存在