天美讲堂丨什么是荧光寿命？

图1 单分子受激发和弛豫的雅布隆斯基简化图

图1显示了单分子吸收光后从基态电子能级(S₀)跃迁到第一激发态电子能级(S₁)的振动能级（蓝色箭头）。分子通过振动弛豫(灰色箭头)快速非辐射弛豫(无光子发射)到S₁的基态振动能级。分子通过辐射释放光子(绿色箭头)或非辐射(虚线箭头)返回到S₀。K_r和∑k_nr分别是描述分子激发态失活的辐射跃迁速率常数、非辐射跃迁速率常数之和。

对于图1中描述的分子，荧光寿命（τ）在数学上被定义为：¹

在分子水平上，τ对应于分子在返回基态之前处于激发态的平均时间^1-3。荧光是一个随机过程，很少有单个分子会在t=τ时发出荧光; 但在大量分子中，τ将是平均值。τ可以通过用短的激发脉冲（例如激光、LED或闪光灯）激发分子群并记录荧光强度的衰减来测试确定（图2a）

图2 在(a)线性和(b)对数强度标度上，短激发脉冲后荧光强度衰减

其中t是激发后的时间，I0是初始强度¹。τ是强度下降到其初始值的1/e（=0.368）所需的时间。荧光强度衰减通常在对数强度标尺上绘制为log(I(t))与时间(t)的关系，如图2b所示，它是一条单一寿命衰减的直线。

荧光寿命可以用强度下降到1/e所需的时间从测量的衰减中可以计算出来。然而，用一个单指数衰减模型来拟合强度衰减，用最小二乘法拟合来提取寿命，是比较准确的。许多样品的荧光衰减比这个例子更为复杂，表现出多指数或非指数行为，这些必须使用更复杂的模型进行分析。