荧光寿命的认识

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时测得的It为I0的1/e，则是我们定义的荧光寿命。寿命是衰减常数k的倒数。事实上，在瞬间激发后的某个时间，荧光强度达到最大值，然后荧光强度将按指数规律下降。从最大荧光强度值后任一强度值下降到其1/e所需的时间都应等于。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。处于激发态的分子，除了通过发射荧光回到基态以外，还会通过一些其它过程(如淬灭和能量转移)回到基态，其结果是加快了激发态分子回到基态的过程(或称退激过程)，结果是荧光寿命降低。寿命和这些过程的速率常数有关，总的退激过程的速率常数k可以用各种退激过程的速率常数之和来表示:kkF+kiki表示各种非辐射过程的衰减速率常数。则总的寿命为:1/k1/(kF+ki)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)•第三条曲线是实测荧光强度衰减曲线的拟合函数Nc(tk)。利用解卷积的办法有可能得到脉冲响应函数I(t),进而求得描述样品荧光衰减本质的荧光寿命(τ)等有关参量。•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。•2.研究荧光寿命的意义•（1）荧光物质的荧光寿命与自身的结构、所处微环境的极性、粘度等条件有关,因此通过荧光寿命测定可以直接了解所研究体系发生的变化。•（2）荧光现象多发生在纳秒级,这正好是分子运动所发生的时间尺度,因此利用荧光技术可以“看”到许多复杂的分子间作用过程,例如超分子体系中分子间的簇集、固液界面上吸附态高分子的构象重排、蛋白质高级结构的变化等。•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，这是一个与自发辐射相竞争的过程，必然导致给体激发态寿命的降低。图3记录了掺杂薄膜内400nm处PVK的瞬态荧光衰减曲线。对寿命曲线进行双指数拟合后发现，随着Alq3掺杂浓度从0.5％升高到5.0％，PVK的荧光衰减寿命也在逐渐降低，这正是因为发生了PVK到Alq3的非辐射的能量转移，从而导致了主体材料PVK的寿命的降低。这从另一方面说明，PVK与Alq3之间，存在较为有效的非辐射能量转移。，图中纵坐标In(I/I0)为荧光强度的对数值.从图4可以看出，光致荧光强度的衰减呈现明显的指数下降趋势，具有典型的光致荧光特征通过拟合光致荧光强度衰减曲线，可以计算出不同Er浓度玻璃的荧光寿命τ随Y浓度的变化，例子（2）浓度例子（3）•对于不同B3+掺杂量的Zn2.85(P1-x/2O4)2:Mn2+0.15,B3+x样品,我们还测定了它们的余辉性能,图5给出了各个样品的余辉衰减曲线。从图中可以看出,B3+的共掺杂增加了样品的余辉性能,随着掺杂量的增加其余辉性能也随之增强,当B3+掺杂量达到x=0.10时样品的余辉性能明显增大,继续增加B3+的含量其余辉性能则有所降低。这是由于B3+的不等价取代使得基质中引进了外部缺陷作为电荷俘获中心,从而增加了材料的余辉性能,而当B3+掺杂量过高时反而导致样品的结晶度降低从而影响其余辉性能。例子（4）制备条件的影响•图8为393nm激发下5at%LaPO4:Eu3+中Eu3+的5D0-7F2(612nm)能级的荧光衰减曲线,采用单指数方程I=I0exp(-t/τ)拟合后,得到上述荧光粉的荧光寿命为3.32ms,据文献报道张雪飞用水热法制备的30at%LaPO4:Eu3+荧光寿命为1.96ms,用静电纺丝技术制备的一维5at%LaPO4:Eu3+颗粒的荧光寿命为3.7ms,王振领等用多纯法制备的5at%LaPO4:Eu3+荧光粉的荧光寿命为3.9ms,这说明荧光颗粒的荧光寿命受浓度/温度制备方法等条件的影响很大,因此采用不同条件,不同方法制备的荧光粉的荧光寿命会表现出很大差异.例子（5）浓度增加，寿命减小•在347nm激发、监测575nm的条件下，测量Ba3La1-x(PO4)3:xDy3+系列样品的的衰减曲线，如图5所示。衰减曲线与单指数函数I=I0exp(-t/τ)符合得很好，I0是t=0时的荧光强度，τ是荧光寿命。x=0.04，0.08，0.10，0.15对应的荧光寿命分别为0.881，0.804，0.733，0.680ms。随着Dy3+掺杂浓度的增加，荧光寿命逐渐减小。•Zn3(PO4)2存在α,β,和γ三种晶体结构对于这三种磷光体,在α-ZPMG中没有红色长余辉现象,因为在结构中不存在六配位Mn2+。相反,在β和γ-ZPMG中,可以很清楚地观察到红色长余辉现象。采用254nm紫外光激发5min后,立即测得磷光粉的余辉光谱如图6所示。由图我们可以看出,β和γ-ZPMG中监测到宽带峰与发射光谱中的峰位相同,均位于616nm,归属为Mn2+的4T1g(4G)→6A1g(6S)跃迁。例子（7）晶体结构•如7所示,β和γ-ZPMG的余辉衰减曲线均包含两个过程:快衰减过程和慢衰减过程。并且β相余辉强度比γ相强,余辉时间比γ相长。在肉眼可见范围内(0.32mcd·m-2),β相的余辉时间大约为30min,而γ相的余辉时间大约为15min。Wang等[14]认为,为了提高长余辉发光强度及时间,通常引入不同价态和离子半径的辅助激活离子。这种不等价掺杂能够在基质中引进外部缺陷作为电荷俘获中心,并且对长余辉性能有显著影响。例子（7）•图5是2SrO·0.25B2O3·0.75P2O5:Ce3+/Tb3+憎+中随着Ce3+浓度的变化，Tb3+的5D4-7F5跃迁的衰减曲线。由于，Tb3+的5D4能级的f-f跃迁是禁戒的，所以Tb3+(5D4)的荧光寿命是毫秒级的。当Ce3+的浓度由0.25％变化到2.5％，Tb3+的5D4能级的寿命由1.71ms增加至3.40ms，结果表明Tb3+的5D4能级寿命随着Ce3+含量的增加而增长，Ce3+的引入对于Tb3+来说存在着一个布居数增加的过程，在这一个过程中，Tb3+从Ce3+获得部分激发的能量，使其5D4能级寿命增长。•荧光寿命单指函数，双指函数，三指函数拟合有什么区别•I(t)=I0exp(-t/τ)•I(t)=I0+A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)•τ=(A1τ12+A2τ22)/(A1τ1+A2τ2)•①经验公式是多项式。②所以在一般场合下，这种拟合模型统称为线性的。③最小二乘法下，得到【关于待定参数的方程组都是线性的】。相异点（都是【非本质】的）•（1）经验公式里待定参数的个数不同，前者两个，后者三个。（2）经验公式的函数图形，前者是直线，后者是抛物线。•（3）最小二乘法下，得到关于待定参数的线性方程组，前者是二阶，后者是三阶。•最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。