355 nm納秒激光作用下熒蒽的時(shí)間分辨熒光光譜特征

肖 雪，趙南京*，于紹慧，馬明俊，楊瑞芳

1. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥師范學(xué)院數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)院，安徽 合肥 230061

355 nm納秒激光作用下熒蒽的時(shí)間分辨熒光光譜特征

肖 雪1，趙南京1*，于紹慧2，馬明俊1，楊瑞芳1

1. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥師范學(xué)院數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)院，安徽 合肥 230061

多環(huán)芳烴由于具有三致(致癌、致畸、致突變)特性，其在環(huán)境中的檢測(cè)受到人們廣泛關(guān)注。利用時(shí)間分辨光譜技術(shù)，研究了熒蒽乙醇溶液的熒光光譜隨延時(shí)時(shí)間和門寬改變的特性。研究了不同濃度熒蒽的時(shí)間分辨熒光光譜特性，以原始濃度的熒蒽為初始溶液，通過(guò)逐級(jí)稀釋的方式，最終將原始溶液稀釋16倍，擬合了不同稀釋倍數(shù)下的熒蒽熒光強(qiáng)度衰減隨延時(shí)時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)曲線，得到了不同濃度熒蒽的擬合熒光壽命。研究結(jié)果表明，熒蒽的熒光光譜特性與光譜儀探測(cè)器延時(shí)時(shí)間和門寬寬度密切相關(guān)。固定延時(shí)時(shí)間，隨著光譜儀門寬寬度的變化，熒蒽的熒光強(qiáng)度隨著門寬的增大而逐漸增強(qiáng)。固定門寬，改變延時(shí)時(shí)間的過(guò)程中，熒蒽的熒光強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢(shì)。熒蒽的熒光強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間的衰減過(guò)程符合指數(shù)衰減過(guò)程，將熒蒽乙醇溶液進(jìn)行逐級(jí)稀釋，熒蒽熒光強(qiáng)度與延時(shí)時(shí)間的衰減進(jìn)行指數(shù)擬合后，得到不同稀釋倍數(shù)的熒蒽乙醇溶液的衰減動(dòng)力學(xué)參數(shù)，隨著稀釋倍數(shù)的增大，擬合得到的熒蒽熒光壽命增大。多環(huán)芳烴時(shí)間分辨光譜特征的研究，可以為環(huán)境中多環(huán)芳烴的檢測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，由于不同熒光物質(zhì)具有特征的熒光壽命，因此，可以利用多環(huán)芳烴與環(huán)境中其他熒光物質(zhì)的不同熒光壽命特性，準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境中的多環(huán)芳烴污染物。

時(shí)間分辨熒光；熒蒽；納秒激光；熒光壽命

引 言

環(huán)境中的多環(huán)芳烴(PAHs)具有高度的遷移性，普遍存在于空氣、土壤和水體中，并且在部分化妝品和食品中也發(fā)現(xiàn)了多環(huán)芳烴[1]。多環(huán)芳烴是含有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的芳香烴類化合物的統(tǒng)稱，PAHs中的分子量范圍較寬，每種多環(huán)芳烴的物理、化學(xué)和生物特性也各不相同。低分子量的多環(huán)芳烴在一般情況下是水溶性的，并且對(duì)于無(wú)脊椎水生生物具有顯著急性毒性。熒蒽是分子量較大的一種多環(huán)芳烴，被美國(guó)EPA列為水中優(yōu)先監(jiān)測(cè)的16種多環(huán)芳烴之一，其在環(huán)境水體中的光解、水解和生物降解是很微弱的。

目前，熒蒽的檢測(cè)方法主要有氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、超臨界流體色譜法、高效液相色譜法、熒光分光光度法等，這些方法具有準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對(duì)于環(huán)境樣品中較低濃度的PAHs可以準(zhǔn)確定量，適用于日常例行檢測(cè)。水環(huán)境問(wèn)題的復(fù)雜性決定了水環(huán)境監(jiān)測(cè)的多樣性。在應(yīng)急監(jiān)測(cè)和污染物快速原位監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域中，鑒于多環(huán)芳烴在環(huán)境污染中的快速鑒別的迫切需求，需要多環(huán)芳烴的檢測(cè)方法具有快速等特點(diǎn)。

時(shí)間分辨熒光(time-resolved fluorescence, TRF)光譜技術(shù)是基于跟蹤監(jiān)測(cè)激發(fā)態(tài)分子進(jìn)行輻射弛豫所發(fā)射的熒光隨時(shí)間的變化[2]，在分析共振能量轉(zhuǎn)移、生物大分子、混合物熒光時(shí)，時(shí)間分辨熒光都優(yōu)于穩(wěn)態(tài)熒光光譜分析[3]，近年來(lái)被廣泛用于生物表征[4]、植物葉片表面PAHs檢測(cè)[5]、分子間相互作用檢測(cè)[6]等方面。本研究利用時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)研究了熒蒽的熒光光譜特性，以及不同濃度對(duì)熒蒽熒光強(qiáng)度衰減曲線和熒光壽命的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Nd∶YAG激光器的三次諧波(波長(zhǎng)355 nm，頻率2 Hz，能量52 mJ，脈寬5 ns，光斑直徑6 mm)作為激發(fā)光源，激光束作用于熒蒽乙醇溶液樣品池，溶液產(chǎn)生的熒光信號(hào)通過(guò)光纖耦合傳輸至光譜儀分光并進(jìn)行探測(cè)。光譜儀采用英國(guó)Andor公司的Mechelle 5000型光譜儀，波長(zhǎng)范圍200～975 nm，分辨率；探測(cè)器為Andor公司的iStar ICCD，像素為1 024 pixel×1 024 pixel。探測(cè)器門寬是光譜儀探測(cè)器打開采集信號(hào)到結(jié)束時(shí)關(guān)閉的時(shí)間長(zhǎng)度。光譜儀探測(cè)熒光信號(hào)的延時(shí)和門寬參數(shù)由延時(shí)器DG535(美國(guó)斯坦福SRS延遲/脈沖信號(hào)發(fā)生器)控制。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

355 nm激光誘導(dǎo)熒蒽乙醇溶液的熒光發(fā)射光譜如圖1(a)所示。由圖1(a)以看到，整體熒光發(fā)射光譜呈現(xiàn)波段性的變化，這主要與實(shí)驗(yàn)中的光譜儀為中階梯光柵光譜儀有關(guān)。為了更好的反映熒蒽的熒光發(fā)射光譜，研究中對(duì)原始光譜均進(jìn)行了去噪和多項(xiàng)式擬合處理，其中利用db1小波對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行三層分解進(jìn)行去噪，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的光譜如圖1(b)所示。

圖1 熒蒽乙醇溶液的原始(a)和預(yù)處理后(b)的熒光發(fā)射光譜

Fig.1 Fluorescence emission spectrum of original fluoranthene ethanol solution(a) and pretreated spectrum(b)

2 結(jié)果與討論

2.1 門寬特性

固定延時(shí)時(shí)間為0，通過(guò)改變不同門寬，觀察熒蒽熒光峰隨門寬的變化特性。不同門寬時(shí)間下的最大熒光發(fā)射峰強(qiáng)度變化情況如圖2所示。由圖中可以看出，門寬由10 ns逐漸增加，最后達(dá)到50 ns，熒光強(qiáng)度隨著門寬的增大而增強(qiáng)，當(dāng)門寬為50 ns時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖2 不同門寬下的熒蒽乙醇溶液的熒光發(fā)射光譜

熒蒽乙醇溶液的熒光發(fā)射光譜隨門寬變化的研究中，隨著門寬的增大，熒蒽的熒光強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，然而，對(duì)于熒蒽的時(shí)間分辨熒光光譜的研究過(guò)程中，需要選擇合適的門寬寬度，門寬太小時(shí)，不利于熒光信號(hào)的采集，熒光強(qiáng)度較弱。門寬太大，則可能會(huì)出現(xiàn)在單次的采集過(guò)程中，熒光體的熒光信號(hào)已經(jīng)衰減到初始熒光強(qiáng)度的。綜合考慮各個(gè)因素，最終選擇20 ns作為熒蒽時(shí)間分辨熒光光譜特性研究過(guò)程中的門寬寬度。

2.2 延時(shí)特性

固定門寬為20 ns，不同延時(shí)時(shí)間下的最大熒光發(fā)射峰變化情況如圖3所示。當(dāng)延時(shí)時(shí)間達(dá)到10 ns時(shí)，熒光峰的強(qiáng)度最大，當(dāng)繼續(xù)增大延時(shí)時(shí)間后，熒光峰逐漸減弱。

圖3 不同延時(shí)時(shí)間下的熒蒽乙醇溶液的最大熒光峰強(qiáng)度變化

Fig.3 The maximum peak fluorescence intensity of fluoranthene ethanol solution at different delay time

熒光強(qiáng)度隨激發(fā)時(shí)間的衰減可表示為[7-8]

F(t)=F0e-tτ

(1)

式(1)中，F(xiàn)0為時(shí)間t=0時(shí)的熒光強(qiáng)度，τ為熒光體的熒光壽命。由于激光作為激發(fā)源，激光的脈沖有一定的寬度，因此，實(shí)際得到的熒光強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間的變化關(guān)系圖中，最初的一段時(shí)間內(nèi)，熒光強(qiáng)度也是隨著延時(shí)時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，在計(jì)算熒光體的壽命過(guò)程中，以熒蒽的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值以及隨后的衰減過(guò)程作為擬合的依據(jù)。

2.3 不同濃度熒蒽乙醇溶液的時(shí)間分辨熒光光譜

以初始熒蒽儲(chǔ)備液為原始溶液，用色譜純無(wú)水乙醇對(duì)原始溶液進(jìn)行逐級(jí)稀釋，最終將原始溶液稀釋至16倍。分別以1，1/2，1/4，1/8，1/16標(biāo)識(shí)原始溶液和逐級(jí)稀釋的熒蒽乙醇溶液。經(jīng)過(guò)逐級(jí)稀釋的熒蒽乙醇溶液的時(shí)間分辨熒光光譜如圖4所示。隨著原始溶液的稀釋倍數(shù)的增加，熒蒽熒光強(qiáng)度也逐漸減弱。逐級(jí)稀釋后不同濃度的熒蒽乙醇溶液的時(shí)間分辨熒光光譜的變化特征具有一致性，隨著延時(shí)時(shí)間由0ns逐漸增加到100ns的過(guò)程中，熒蒽最大熒光峰的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢(shì)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間由0ns增加到10ns的過(guò)程中，熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，達(dá)到最高強(qiáng)度，當(dāng)繼續(xù)增加延時(shí)時(shí)間，熒光強(qiáng)度逐漸減弱。通過(guò)熒光強(qiáng)度衰減的曲線對(duì)熒蒽的熒光壽命進(jìn)行擬合，得到不同稀釋倍數(shù)的熒蒽乙醇溶液的熒光壽命如表1所示。

圖4 不同濃度的熒蒽乙醇溶液的熒光強(qiáng)度衰減曲線

表1 不同濃度熒蒽乙醇溶液的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)

從表1中可以看到，隨著熒蒽濃度的降低，熒光壽命增大，這可能是由于隨著溶液濃度的減小，熒光分子間的距離增大，分子間相互作用力減小，分子間碰撞概率減小，導(dǎo)致共振能量轉(zhuǎn)移效率減小，熒光熒光壽命延長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

研究了355 nm納秒Nd∶YAG激光誘導(dǎo)激發(fā)熒蒽的時(shí)間分辨熒光光譜特性，研究結(jié)果表明，固定延時(shí)時(shí)間，隨著光譜儀門寬寬度由10 ns增加到50 ns的過(guò)程中，熒蒽的熒光強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的變化趨勢(shì)。通過(guò)固定門寬為20 ns，延時(shí)時(shí)間由0 ns逐漸增加到120 ns的過(guò)程中，熒蒽的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢(shì)，在延時(shí)時(shí)間由0 ns增加到10 ns的過(guò)程中，熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并當(dāng)延時(shí)時(shí)間達(dá)到10 ns時(shí)，熒光強(qiáng)度最大，隨后隨著延時(shí)時(shí)間的繼續(xù)增大，熒蒽熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，熒光強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間的衰減過(guò)程符合指數(shù)衰減過(guò)程。將熒蒽乙醇溶液進(jìn)行逐級(jí)稀釋，獲得不同稀釋倍數(shù)的熒蒽乙醇溶液，利用指數(shù)擬合對(duì)熒蒽熒光強(qiáng)度與延時(shí)時(shí)間進(jìn)行擬合，隨著溶液濃度的減小，擬合得到的熒蒽熒光壽命延長(zhǎng)。

[1] Ana C Amarillo, Ivan Tavera Busso, Hebe Carreras. Environmental Pollution, 2014, 195: 157.

[2] GUO Chu(郭 礎(chǔ)). Introduction to Time-Resolved Spectroscopy(時(shí)間分辨光譜基礎(chǔ)). Beijing: Higher Education Press(北京： 高等教育出版社), 2012. 284.

[3] XU Liang, LIU Hong-jie, HUANG Jin, et al(許 良，劉紅婕，黃 進(jìn)，等). High Power Laser and Particle Beams(強(qiáng)激光與粒子束), 2012, 24(8)： 1961.

[4] William D Comar, Sarah M Schubert, Beata Jastrzebska, et al, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136 (23)： 8342.

[5] YANG Ya-nan, SUN Hai-feng, ZHU Ya-xian, et al(楊亞男，孫海峰，朱亞先，等). Chinese Journal of Analytical Chemistry(分析化學(xué)), 2013, 41(10): 1465.

[6] Etienne Henry, Eric Deprez, Jean-Claude Brochon. Journal of Molecular Structure, 2014, 1077: 77.

[7] XU Jin-gou, WANG Zun-ben(許金鉤, 王尊本). Fluorescence Analysis(熒光分析法). Beijing: Science Press(北京： 科學(xué)出版社)，2007. 162.

[8] Mikhail Y. Berezin and Samuel Achilefu, Chem. Rev., 2010, 110(5): 2641.

(Received Nov. 2, 2015; accepted Apr. 23, 2016)

*Corresponding author

Laser Induced Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy Characteristics of Fluoranthene in Ethanol with Eanosecond Laser of 355 nm

XIAO Xue1，ZHAO Nan-jing1*，YU Shao-hui2，MA Ming-jun1，YANG Rui-fang1

1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China 2. School of Mathematics and Statistics, Hefei Normal University, Hefei 230061, China

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) have been widely investigated in environmental field, for most of them are mutagenic (carcinogenic, teratogenic, mutagenic). The influence of delay time and gate width on the time-resolved fluorescence spectroscopy of fluoranthene in ethanol was studied in this paper. Furthermore, laser induced time-resolved fluorescence spectroscopy of fluoranthene with different concentration were also researched. According to the results, fluorescence kinetics decay curves and fluorescence lifetime of fluoranthene matched. The research results showed that there was closely relationship between the fluorescence spectrum of fluoranthene and the delay time and gate width of detector. When the delay time was fixed, the fluorescence intensity of fluoranthene grew increased as the gate width increased. When the gate width was fixed, the fluorescence intensity of fluoranthene increased first and then decreased with the delay time increases. The process of the attenuation of fluorescence intensity of fluoranthene with time delay conformed to the exponential decay process. The stepwise dilution of fluoranthene ethanol solution was also studied. With increasing dilution, the fitting of fluoranthene fluorescence lifetime increased. The results of this paper can provide a technical basis for the detection of PAHs in the environment, due to the different characteristics of the fluorescent substance having fluorescence lifetime.

Time-resolved fluorescence; Fluoranthene; Nanosecond laser; Fluorescence lifetime

2015-11-02，

2016-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61378041和61308063), 國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA065502，2014AA06A509，2014AA06A513), 安徽省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(1108085J19)和安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085JGD02, 1408085MD72)資助

肖 雪，女，1981年生，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所助理研究員 e-mail: xiaoxue@aiofm.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: njzhao@aiofm.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3497-04