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1、第27卷,第12期光谱学与光谱分析Vol127,No112,pp2523225262007年12月SpectroscopyandSpectralAnalysisDecember,2007荧光寿命的正弦调制测量法及分析*冯颖,黄世华北京交通大学光电子技术研究所,发光与光信息技术教育部重点实验室,北京100044摘要设计并制作了光强调制度和频率可调的发光二极管驱动电路,应用这种激励源激发荧光样品3+57Eu2Lc3#nH2O(Lc=C4H4O4),测量了激发光和Eu离子的D0)F2发射光的波形。实验得到的数据用按照相位法测量荧光寿命的原理用非线性最小平方曲
2、线拟合,得到Eu3+离子激发态5D0的寿命约为01680ms。讨论了光源调制中的高次谐波分量对测量结果的影响以及寿命具有一定分布的多指数衰减体系的测量和处理方式,提出应用傅里叶级数展开处理数据的修正方法,以扩大相位法测量荧光寿命的适用范围,得到更准确的荧光寿命值。关键词荧光寿命;相移法;高次谐波分量;多指数衰减中图分类号:O43311文献标识码:A文章编号:100020593(2007)1222523204I(t)=I-t/S0e(1)引言荧光寿命S是发光强度衰减到初始值I0的1/e时所需的时间。荧光寿命是反映物质光物理或光化学过程特性的重要参一般,如
3、果一个线性系统在D(t)激发下的响应为K(t),数,它的测量是一种重要的光谱技术。通常,测量瞬态过程那么,这个系统对任意形式的均匀弱激发e(t)的响应F(t)[1][8]需要用持续时间远小于被测过程特征时间的脉冲激发源,可以表示为根据时间分辨率的不同,采用不同测量技术[224],设备比较tF(t)=Qe(tc)K(t-tc)dtc=e(t)*K(t)(2)0复杂。虽然这些技术用于发光呈单指数形式衰减的样品已经很多年了,但是比较好的还是相移法[5]。即F是e和K的卷积。这个关系可以用Laplace变换写为F^(s)=^e(s)K^(s)(3)相移法是利用
4、相位变化测量荧光寿命,不同于脉冲法,它要求的仪器相对简单[4]。激发源常采用正弦调制的光源,对于(1)式描述的体系,频率和调制度在一定范围内可调。样品被激发后发出的荧光K(t)=e-t/S,K^(s)=1(4)s+1/S也是调制光,不过相位和调制度相对于激发光都有了变化。112由调制度的变化m和相位差5得到S测量这些变化,就可以解析出荧光寿命。由于设备相对简设激发光是正弦调制的易,现代用于生物技术、物理化学实验等领域的荧光计很多B都是以这种相移法为基础的[6,7]。本文设计制作了一个正弦e(t)=A1+sin(2Pft)(5)A调制的LED光源,用这个
5、光源激励样品,得出荧光寿命。对调制度N0=B/A。对e(t)激发下(4)式描述的体系,由(2)或这种测量技术中如何处理光源调制的中高次谐波分量的影响(3)式可以得出在稳定状态下它的发光强度正比于以及衰减过程的多指数性进行了讨论。B/AF(t)=sin[2Pft-arctan(2PfS)]=1+(2Pf)2S21原理N1sin(2Pft-5)(6)在e(t)激发下稳态发光F(t)随时间的变化见图1。111单指数衰减由调制度的变化对于单分子发光过程,用一个短脉冲光D(t)激发样品N11m==(7)后,发光强度随时间按指数规律衰减N21+(2PfS)2收稿日
6、期:2006207205,修订日期:2006210216基金项目:国家自然科学基金项目(10374002,10434030)资助作者简介:冯颖,女,1982年生,北京交通大学光电子技术研究所研究生*通讯联系人e2mail:shhhuang@science1njtu1edu1cn2524光谱学与光谱分析第27卷可以得到荧光寿命nm。m-2-1213实验过程S=(8)2Pf紫色发光二极管发出的408nm的调制光波照射到荧光同样,由发射光相对于激发光的相位延迟5,也可以得到样品上,激发样品产生荧光。将光谱仪调节在发射光谱的峰tan(5)值位置,光电倍增管输出
7、的电信号进入数字示波器,显示出S=(9)2Pf发光波形,输入计算机进行数据处理。激励光源的正弦电流信号作为示波器的触发信号。激励2实验光的波形也用这个系统测量和处理。214数据处理211仪器设备与实验方法以合适的拟合函数式,利用Origin软件的非线性最小平实验装置主要包括发光激励源、荧光信号探测系统和数[9]方拟合来处理数据,可以直接从拟合参数中得到荧光寿据采集记录系统(见图2)。LED是发光激励源;光谱仪、光命。电倍增管及其电源组成了荧光信号探测系统;示波器和计算由于触发电平的影响,激发光波形在示波器上具有初相机构成数据采集记录系统。位2Pft0,
8、因此用函数e(t)=A+B1sin[2Pf(t-t0)](10)拟合。参数A表示直流分量,B1
