室温单分子的动力学和光谱特性研究

论文摘要

在最近二十多年来,单分子光谱的研究由于在量子信息、光化学、生物学以及纳米材料科学等领域中的广泛应用引起了人们的极大兴趣。在一个典型的系综实验中,单分子系统的不同动力学特性被大量平均,其结果是相关参数的平均值。通常采用的系综测量中的许多理论内容和模型不能够描述单分子光谱。单分子是一个能够用来研究量子动力学效应的简单体系,单分子光谱不含有任何系综平均,能够产生非常精细的动力学性质的信息。在应用单分子光谱研究单分子系统的动力学过程中,发现了许多新颖的实验现象,包括单分子谱线的随机变化、荧光间断现象、单分子斯塔克效应、光子聚束和反聚束现象等。室温下工作的单分子系统由于对光子的收集效率较高,对应光子强度统计呈亚泊松强度分布特性,而且具有便于实际应用的优势得到了关注。研究室温单分子量子动力学特性,并进行可靠的观测和控制是进一步应用单分子于量子信息领域的先决条件。本论文主要针对室温条件下掺杂于聚合体薄膜中的单个染料分子的荧光探测进行了理论分析和实验研究;分析了单分子时间分辨光子计数光谱的最佳信号噪声比;基于单事件光子统计以及Mandel’s Q-参数分析给出了一种快速有效的单分子判别方法;根据测量得到的室温下PMMA薄膜中Cy5染料荧光分子的光子计数光谱分析了单个Cy5分子的激发态寿命和三重态的驰豫时间。使用化学结构对称扁平、发光效率高以及存活时间长的SR荧光分子作为探测对象,进一步研究了单分子的动力学特性。本论文工作的创新点:1.基于标准的HBT测量方式以及单事件光子统计,通过对实际单分子信号源和理想双分子信号源的荧光统计特性的分析,给出单分子系统的判别方法。依据（?）,仅需要几百毫秒的测量时间以及大约探测104个荧光光子就可以快速判断光子源是否为单分子系统,对所提出判据的合理性、有效性进行了分析。2.通过光子计数光谱在不同信号背景比下的最佳信号噪声比分析,讨论单分子荧光背景信号分别为时间均匀分布和指数特性分布时同步取样时间门的选取。测量了室温下PMMA薄膜中Cy5荧光分子的时间分辨光子计数光谱,分析得到单个Cy5荧光分子的激发态寿命间于1.6 ns到2.0 ns之间,对三重态的布居时间进行了分析。研究了单分子光漂白时间和光子产率对激发强度的依赖特性。3.通过测量两个正交偏振探测通道的荧光光子关联强度所得到的偏振度值标定单分子偶极再取向的变化。对室温下聚合体薄膜表面的单个SR荧光分子的偶极取向进行测量及跟踪,测量单分子偶极再取向行为,发现偶极再取向具有在多个偏振态之间的量子化跳跃特性,且分子的转动关联时间τR在55 ms附近出现的概率最大。4.以SR荧光分子作为探针分子,分别测量聚合体薄膜表面、薄膜内部以及超冷液体的动力学特性。探测发现薄膜表面的荧光分子表现出快速的转动行为,反映了聚合体薄膜表面活跃的动力学特性。镶嵌在薄膜内部的荧光分子受到环境的束缚,自由度低,主要表现出单分子三重态的影响,测量得到三重态驰豫时间约0.2 ms。液体中的荧光分子具有多重自由度,表现出明显的扩散行为,SR荧光分子在Glycerol溶液中的扩散特征时间是1.1 s。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 低温单分子光学探测
• 1.1.1 物理原理和基本条件
• 1.1.2 低温单分子的光学探测方法
• 1.1.3 低温单分子的光谱特性和应用
• 1.2 室温单分子光学探测
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 单分子的显微光学测量方法
• 1.2.3 室温单分子荧光特性
• 1.3 室温单分子光学研究现状
• 1.3.1 单分子光学研究的应用及前景
• 1.3.2 目前存在的主要问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 单分子光学探测的原理和方法
• 2.1 单分子的光物理性质
• 2.1.1 单分子能级结构示意图
• 2.1.2 能级布居几率分析
• 2.1.3 荧光量子产率和寿命
• 2.2 荧光关联光谱
• 2.2.1 自关联特性分析
• 2.2.2 荧光关联函数与光谱
• 2.2.3 三重态对荧光关联光谱的影响
• 2.3 荧光光子统计
• 2.3.1 HBT探测方法
• 2.3.2 单分子荧光光子统计的特性分析
• 2.3.3 单事件Mandel Q参数
• 2.4 本章小节
• 参考文献
• 第三章 单分子荧光光场的光子统计测量
• 3.1 室温单分子荧光探测
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 单分子样品制备
• 3.1.3 实验步骤
• 3.1.4 数据收集与处理
• 3.2 快速单分子识别
• 3.2.1 二阶关联函数识别法
• 3.2.2 Mandel Q参数判别单分子
• 3.2.3 实验结果与讨论
• 3.3 信号背景比的影响
• 3.3.1 信号背景比SBR的测量
• 3.3.2 信号背景比对单分子判别的影响
• 3.3.3 信号背景比对Mandel Q参数的影响
• 3.4 误差分析
• 3.4.1 后脉冲概率对测量结果的影响
• 3.4.2 统计误差
• 3.4.3 系统误差
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 时间分辨光谱用于单分子光物理参数的测量
• 4.1 时间分辨光子计数光谱的信噪比
• 4.2 单分子荧光光子计数最佳信噪比分析
• 4.2.1 采样门宽对信噪比的影响
• 4.2.2 最优采样门宽度的选择与讨论
• 4.3 室温Cy5单分子光物理参数的实验测量
• 4.3.1 Cy5分子的时间分辨光子计数光谱
• 4.3.2 Cy5分子的激发态寿命测量
• 4.3.3 Cy5分子ON-OFF态寿命测量
• 4.4 室温Cy5单分子光漂白特性的实验研究
• 4.4.1 速率方程
• 4.4.2 单分子的双光子光漂白特性
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 荧光关联光谱用于单分子动力学特性的研究
• 5.1 聚合体表面单分子的动力学特性
• 5.1.1 SR荧光分子的结构和特点
• 5.1.2 单分子的偶极取向和再取向
• 5.1.3 偏振度的自关联函数
• 5.2 固体薄膜内部SR分子的荧光关联光谱
• 5.2.1 单分子荧光成像
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 超冷液体中SR分子的荧光关联光谱
• 5.3.1 超冷液体的基本特性
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小节
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 博士研究生期间完成的学术论文
• 博士期间参与的科研项目
• 致谢
• 个人简况
• 联系方式