荧光寿命的认识课件.ppt

荧光寿命(fluorescencelifetime)
当某种物质被一束激光激发后，该物质的分子吸收能量后从基态跃迁到某一激发态上，再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态。当去掉激发光后，分子的荧光强度降到激发时的荧光最大强度I0的1/e所需要的时间，称为荧光寿命，常用表示。如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律:
ItI0e-kt
其中I0是激发时最大荧光强度，It是时间t时的荧光强度，k是衰减常数。假定在时间It为I0的1/e，则是我们定义的荧光寿命。如果激发态分子只以发射荧光的方式丢失能量，则荧光寿命与荧光发射速率的衰减常数成反比，荧光发射速率即为单位时间中发射的光子数，因此有F1/KF。KF是发射速率衰减常数。
F表示荧光分子的固有荧光寿命，kF表示荧光发射速率的衰减常数。
由于吸收几率与发射几率有关，F与摩尔消光系数max(单位为cm2mol-1或(moldm-3)-1cm-1)也密切相关。
从下式可以得到F的粗略估计值(单位为秒)。
1/F≈104max
在讨论寿命时，必须注意不要把寿命与跃迁时间混淆起来。跃迁时间是跃迁频率的倒数，而寿命是指分子在某种特定状态下存在的时间。
通过量测寿命，可以得到有关分子结构和动力学方面的信息。
荧光寿命及其含义
（1）假定一个无限窄的脉冲光(δ函数)激发n0个荧光分子到其激发态,处于激发态的分子将通过辐射或非辐射跃迁返回基态。假定两种衰减跃迁速率分别为Γ和knr,则激发态衰减速率可表示为dn(t)/dt=-(Γ+knr)n(t)(1)
其中n(t)表示时间t时激发态分子的数目,由此可得到激发态物种的单指数衰减方程。n(t)=n0exp(-t/τ)(2)式中τ为荧光寿命。荧光强度正比于衰减的激发态分子数,因此可将上式改写为:
I(t)=I0exp(-t/τ)(3)其中I0是时间为零时的荧光强度。
于是,荧光寿命定义为衰减总速率的倒数:
τ=(Γ+knr)-1(4)
也就是说荧光强度衰减到初始强度的1/e时所需要的时间就是该荧光物种在测定条件下的荧光寿命。实际上用荧光强度的对数对时间作图,直线斜率即为荧光寿命倒数的负值。荧光寿命也可以理解为荧光物种在激发态的统计平均停留时间。
事实上当荧光物质被激发后有些激发态分子立即返回基态,有的甚至可以延迟到5倍于荧光寿命时才返回基态,这样就形成了实验测定的荧光强度衰减曲线。由于实际体系的复杂性,荧光衰减往往要用多指数或非指数衰减方程描述:
I(t)=∑αiexp(-t/τi)(5)
式中αi为第i项的指前因子。衰减方程的复杂性反映了体系中荧光物种的多样性或存在状态的复杂性。
图中有三条曲线,分别是实际测定强度衰减曲线N(tk)、仪器响应函数L(tk)和拟合函数Nc(tk)。
仪器响应函数也被称之为光源函数,实际工作中以胶体SiO2为虚拟样品进行
测定,所得到的衰减曲线就是图中的L(tk),光源函数表明了仪器能够测定的最短荧光寿命。
图中第二条曲线为样品的实测荧光衰减曲线N(tk),实际上为L(tk)与脉冲响应函数I(t)的卷积，即N(tk)=L(tk)○I(t)(6)
分析采用非线性最小二乘曲线拟合方法,迭代过程用Marquardt法。拟合初值可由用户输入,也可对曲线粗略分析得到。如对两种衰变成分的衰变曲线,先由曲线尾部段进行单指数曲线拟合得到长寿命成分参数,再由曲线前段进行双指数曲线拟合得到(其中长寿命成分参数已得到)短寿命成分参数。
研究荧光寿命的意义
（3）除了直接应用之外,荧光寿命测定还是其它时间分辨荧光技术的基础。例如基于荧光寿命测定的荧光猝灭技术可以研究猝灭剂与荧光标记物或探针相互靠近的难易,从而对所研究体系中探针或标记物所处微环境的性质作出判断。
（4）基于荧光寿命测定的时间分辨荧光光谱可以用来研究激发态发生的分子内或分子间作用以及作用发生的快慢。研究荧光寿命的意义
（5）非辐射能量转移、时间分辨荧光各向异性等主要荧光技术都离不开荧光寿命测定。
（6）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荧光寿命的影响因素包括哪些
根据激发态寿命理论，物质的荧光寿命主要由自发辐射跃迁寿命和无辐射跃迁寿命来决定。自发辐射寿命与温度无关，但对环境的扰动敏感。在环境扰动下，例如，和体系的任何其它分子碰撞，体系可能通过非辐射过程失去其电子的激发能量。任何一种趋于和自发发射过程相竞争的过程都会降低激发态寿命。在实际体系中，物质的荧光寿命要比由积分吸收强度得到的自发辐射寿命下短。在有其它竞争消激发过程存在的情况下，实际荧光寿命为τN=I/(Kf+∑Kt)。这里k，是第t个竞争过程的速率常数。
例（1）掺杂浓度在Alq3掺杂PVK薄膜中，随着Alq3掺杂浓度的增加，非辐射能量转移速率也必然增加，这是一个与