jednoeksponencjalny (homogeniczny) wieloeksponencjalny (heterogeniczny) Schemat aparatury do zliczania pojedynczych fotonów skorelowanych czasowo.

Transkrypt

1 Pomiar krzywych zaniku fluorescencji metod zliczania pojedynczych fotonów skorelowanych czasowo (metoda TCSPC - time correlated single photon counting) Zanik (homogeniczny) jednoeksponencjalny Zanik (heterogeniczny) wieloeksponencjalny Schemat aparatury do zliczania pojedynczych fotonów skorelowanych czasowo. Spektroskopia laserowa 17

2 Fluorometria impulsowa, cd Zasada dzia ania konwertera czas-amplituda i wielokana owego analizatora amplitud. Rejestrowana przez analizator amplitud krzywa zaniku jest w istocie splotem odpowiedzi aparatury na impuls wzbudzaj cy oraz prawdziwego rozk adu nat enia fluorescencji i opisana jest zale no ci Znalezienie kszta tu funkcji przeprowadzenia oblicze numerycznych. wymaga rozwik ania splotu, czyli Spektroskopia laserowa 18

3 Metoda fazowo-modulacyjna pomiaru krzywych zaniku fluorescencji Polega na wzbudzaniu fluorescencji wiat em zmodulowanym i pomiarze przesuni cia fazowego wiat a fluorescencji wzgl dem wiat a wzbudzaj cego oraz pomiarze wzgl dnej g boko ci modulacji wiat a fluorescencji. Im d u szy czas ycia fluorescencji, tym wi ksze przesuni cie fazowe i tym mniejsza g boko modulacji. Dla zaniku jednoeksponencjalnego zachodzi Spektroskopia laserowa 19

4 Metoda fazowo-modulacyjna pomiaru krzywych zaniku fluorescencji, cd Reprezentacje ró nych kszta tów krzywych zaniku w fluorometrii fazowo-modulacyjnej: górny panel - zaniki jednoeksponencjalne, dolny panel: zanik dwueksponencjalny, krzywa przerywana: zanik jenoeksponencjany najbardziej zbli ony do wyników do wiadczalnych. Im wi ksza cz sto modulacji, tym krótszy mo e by zmierzony czas ycia. Zakres górnych cz sto ci modulacji w wi kszo ci fluorometrów fazowomodulacyjnych jest ograniczony do ok. 200 MHz (elementy elektrooptyczne nie s w stanie modulowa wiat a z wy sz cz sto ci ). T trudno przezwyci a technologia oparta na wykorzystaniu cz sto ci harmonicznych zawartych w ci gu impulsów. Np. ci g impulsów powtarzaj cych si z cz sto ci 4 MHz zawiera cz sto ci 4, 8, 12, 16,... MHz. BS - zwierciad o pó przepuszczalne, S - próbka, PD - fotodioda, MCP PMT - fotopowielacz mikrokanalikowy, PS - dzielnik mocy, F - cz sto repetycji impulsów, n - numer harmonicznej, F - niska cz sto (rz du 25 Hz). Spektroskopia laserowa 20

5 Zastosowanie laserów do pomiarów czasów ycia w szybkich wi zkach atomowych W metodzie tej korzysta si z szybkich wi zek atomowych, molekularnych lub jonowych o energiach rz du kev lub MeV. Atomy poruszaj ce si w kierunku s wzbudzane w dobrze okre lonym, ma ym obszarze wokó. ród em wzbudzenia jest laser, lub zderzenia z innymi atomami tarczy (folii) albo w komórce zawieraj cej gaz. Rejestruje si fluorescencj jako funkcj odleg o ci od punktu wzbudzenia. Aby otrzyma zale no fluorescencji od czasu, korzysta si z zale no ci, gdzie pr dko jonów okre la si na podstawie napi cia przyspieszaj cego i masy jonu. Wad tej metody jest wp yw efektów kaskadowych zwi zany z równoczesnym nieselektywnym wzbudzeniem wielu poziomów. a - czysto wyk adniczy zanik obsadzenia poziomu i, b - wzrost obsadzenia i spowodowany przej ciami kaskadowymi. c - zanik obserwowany. Spektroskopia laserowa 21

6 Zastosowanie laserów do pomiarów czasów ycia w szybkich wi zkach atomowych, cd Selektywne wzbudzenie laserem dostrojonym do przej cia rozwi zuje problem kaskad. W tym przypadku w odleg o ci kilku cm od szczeliny wyj ciowej z komórki zawieraj cej gaz wi zka jonów zostaje o wietlona laserem. Je eli laser dostrojony jest do przej cia, dzi ki pompowaniu optycznemu obsadzenia obydwu poziomów zmieniaj si o wielko, zale n od nat enia wiat a laserowego, prawdopodobie stwa przej cia oraz od pocz tkowego obsadzenia obu poziomów. Po wprowadzeniu do wi zki laserowej przerywacza mo na wyznaczy ró nic sygna ów - nat enie fluorescencji ze wzbudzeniem laserowym, - nat enie fluorescencji bez wzbudzenia laserowego. Sygna stanowi t cz sygna u fluorescencji, która jest wynikiem selektywnego wzbudzenia laserowego. Sygna ten zawiera informacj o zaniku czysto wyk adniczym nawet w obecno ci kaskad. Spektroskopia laserowa 22

7 Dudnienia kwantowe Jest to wspó czesna metoda spektroskopowa umo liwiaj ca rozdzielenie po o onych blisko siebie poziomów energetycznych. Je eli krótkim impulsem laserowym wzbudzi równocze nie dwa lub wi cej po o onych blisko siebie poziomów cz steczkowych, zale no od czasu nat enia fluorescencji z tych spójnie przygotowanych poziomów ma charakter wyk adniczy z modulacjami. Aby osi gn spójne wzbudzenie poziomów 1 i 2 impulsem laserowym o czasie trwania, jego szeroko wynikaj ca z ograniczenia fourierowskiego (a jest sta rz du jedno ci zale n od kszta tu impulsu) musi by wi ksza od ró nicy cz sto ci. Prosty opis teoretyczny dudnie kwantowych Funkcj falow stanu wzbudzonego mo na przedstawi jako liniow superpozycj funkcji podpoziomów ( ), - amplitudy prawdopodobie stwa, e impuls wiat a wzbudzi atom do poziomu, - sta e zaniku poziomów k. Spektroskopia laserowa 23

8 Prosty opis teoretyczny dudnie kwantowych, cd Zale no od czasu nat enia fluorescencji wysy anej ze wzbudzonych poziomów okre la kwadrat modu u macierzowego elementu przej cia - wektor polaryzacji wysy anego fotonu fluorescencji, - operator momentu dipolowego, C - wspó czynnik proporcjonalno ci zale ny od warunków do wiadczenia. Przy upraszczaj cym za o eniu otrzymujemy gdzie Modulacje mo na zaobserwowa na podk adzie zaniku wyk adniczego, je eli obydwa elementy macierzowe przej i s ró ne od zera. Pomiary cz sto ci modulacji pozwalaj na okre lenie odst pu energetycznego obu poziomów, nawet gdy ich rozszczepienie jest mniejsze od szeroko ci dopplerowskiej. Spektroskopia laserowa 24

9 Dudnienia kwantowe, cd Dudnienia kwantowe we fluorescencji jonu obserwowanej w nast pstwie wzbudzenia wiat em o d ugo ci fali oraz odpowiadaj ce im widmo fourierowskie. Schemat poziomów energetycznych ukazuje struktur nadsubteln stanu z zaznaczeniem obserwowanej cz sto ci dudnie. Spektroskopia laserowa 25