355 nm纳秒激光作用下荧蒽的时间分辨荧光光谱特征

肖 雪，赵南京*，于绍慧，马明俊，杨瑞芳

1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥师范学院数理统计学院，安徽 合肥 230061

355 nm纳秒激光作用下荧蒽的时间分辨荧光光谱特征

肖 雪1，赵南京1*，于绍慧2，马明俊1，杨瑞芳1

1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥师范学院数理统计学院，安徽 合肥 230061

多环芳烃由于具有三致(致癌、致畸、致突变)特性，其在环境中的检测受到人们广泛关注。利用时间分辨光谱技术，研究了荧蒽乙醇溶液的荧光光谱随延时时间和门宽改变的特性。研究了不同浓度荧蒽的时间分辨荧光光谱特性，以原始浓度的荧蒽为初始溶液，通过逐级稀释的方式，最终将原始溶液稀释16倍，拟合了不同稀释倍数下的荧蒽荧光强度衰减随延时时间变化的动力学曲线，得到了不同浓度荧蒽的拟合荧光寿命。研究结果表明，荧蒽的荧光光谱特性与光谱仪探测器延时时间和门宽宽度密切相关。固定延时时间，随着光谱仪门宽宽度的变化，荧蒽的荧光强度随着门宽的增大而逐渐增强。固定门宽，改变延时时间的过程中，荧蒽的荧光强度随延时时间呈现先增大，后减小的趋势。荧蒽的荧光强度随延时时间的衰减过程符合指数衰减过程，将荧蒽乙醇溶液进行逐级稀释，荧蒽荧光强度与延时时间的衰减进行指数拟合后，得到不同稀释倍数的荧蒽乙醇溶液的衰减动力学参数，随着稀释倍数的增大，拟合得到的荧蒽荧光寿命增大。多环芳烃时间分辨光谱特征的研究，可以为环境中多环芳烃的检测提供技术基础，由于不同荧光物质具有特征的荧光寿命，因此，可以利用多环芳烃与环境中其他荧光物质的不同荧光寿命特性，准确识别环境中的多环芳烃污染物。

时间分辨荧光；荧蒽；纳秒激光；荧光寿命

引 言

环境中的多环芳烃(PAHs)具有高度的迁移性，普遍存在于空气、土壤和水体中，并且在部分化妆品和食品中也发现了多环芳烃[1]。多环芳烃是含有两个或两个以上苯环的芳香烃类化合物的统称，PAHs中的分子量范围较宽，每种多环芳烃的物理、化学和生物特性也各不相同。低分子量的多环芳烃在一般情况下是水溶性的，并且对于无脊椎水生生物具有显著急性毒性。荧蒽是分子量较大的一种多环芳烃，被美国EPA列为水中优先监测的16种多环芳烃之一，其在环境水体中的光解、水解和生物降解是很微弱的。

目前，荧蒽的检测方法主要有气相色谱法、气相色谱-质谱法、超临界流体色谱法、高效液相色谱法、荧光分光光度法等，这些方法具有准确的特点，对于环境样品中较低浓度的PAHs可以准确定量，适用于日常例行检测。水环境问题的复杂性决定了水环境监测的多样性。在应急监测和污染物快速原位监测等应用领域中，鉴于多环芳烃在环境污染中的快速鉴别的迫切需求，需要多环芳烃的检测方法具有快速等特点。

时间分辨荧光(time-resolved fluorescence, TRF)光谱技术是基于跟踪监测激发态分子进行辐射弛豫所发射的荧光随时间的变化[2]，在分析共振能量转移、生物大分子、混合物荧光时，时间分辨荧光都优于稳态荧光光谱分析[3]，近年来被广泛用于生物表征[4]、植物叶片表面PAHs检测[5]、分子间相互作用检测[6]等方面。本研究利用时间分辨荧光光谱技术研究了荧蒽的荧光光谱特性，以及不同浓度对荧蒽荧光强度衰减曲线和荧光寿命的影响。

1 实验部分

1.1 方法

实验系统采用Nd∶YAG激光器的三次谐波(波长355 nm，频率2 Hz，能量52 mJ，脉宽5 ns，光斑直径6 mm)作为激发光源，激光束作用于荧蒽乙醇溶液样品池，溶液产生的荧光信号通过光纤耦合传输至光谱仪分光并进行探测。光谱仪采用英国Andor公司的Mechelle 5000型光谱仪，波长范围200～975 nm，分辨率；探测器为Andor公司的iStar ICCD，像素为1 024 pixel×1 024 pixel。探测器门宽是光谱仪探测器打开采集信号到结束时关闭的时间长度。光谱仪探测荧光信号的延时和门宽参数由延时器DG535(美国斯坦福SRS延迟/脉冲信号发生器)控制。

1.2 数据预处理

355 nm激光诱导荧蒽乙醇溶液的荧光发射光谱如图1(a)所示。由图1(a)以看到，整体荧光发射光谱呈现波段性的变化，这主要与实验中的光谱仪为中阶梯光栅光谱仪有关。为了更好的反映荧蒽的荧光发射光谱，研究中对原始光谱均进行了去噪和多项式拟合处理，其中利用db1小波对原始信号进行三层分解进行去噪，经过预处理的光谱如图1(b)所示。

图1 荧蒽乙醇溶液的原始(a)和预处理后(b)的荧光发射光谱

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

2 结果与讨论

2.1 门宽特性

固定延时时间为0，通过改变不同门宽，观察荧蒽荧光峰随门宽的变化特性。不同门宽时间下的最大荧光发射峰强度变化情况如图2所示。由图中可以看出，门宽由10 ns逐渐增加，最后达到50 ns，荧光强度随着门宽的增大而增强，当门宽为50 ns时，荧光强度达到最大。

图2 不同门宽下的荧蒽乙醇溶液的荧光发射光谱

荧蒽乙醇溶液的荧光发射光谱随门宽变化的研究中，随着门宽的增大，荧蒽的荧光强度也逐渐增强，然而，对于荧蒽的时间分辨荧光光谱的研究过程中，需要选择合适的门宽宽度，门宽太小时，不利于荧光信号的采集，荧光强度较弱。门宽太大，则可能会出现在单次的采集过程中，荧光体的荧光信号已经衰减到初始荧光强度的。综合考虑各个因素，最终选择20 ns作为荧蒽时间分辨荧光光谱特性研究过程中的门宽宽度。

2.2 延时特性

固定门宽为20 ns，不同延时时间下的最大荧光发射峰变化情况如图3所示。当延时时间达到10 ns时，荧光峰的强度最大，当继续增大延时时间后，荧光峰逐渐减弱。

图3 不同延时时间下的荧蒽乙醇溶液的最大荧光峰强度变化

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

荧光强度随激发时间的衰减可表示为[7-8]

F(t)=F0e-tτ

(1)

式(1)中，F0为时间t=0时的荧光强度，τ为荧光体的荧光寿命。由于激光作为激发源，激光的脉冲有一定的宽度，因此，实际得到的荧光强度随延时时间的变化关系图中，最初的一段时间内，荧光强度也是随着延时时间的延长而增强，在计算荧光体的寿命过程中，以荧蒽的荧光强度达到最大值以及随后的衰减过程作为拟合的依据。

2.3 不同浓度荧蒽乙醇溶液的时间分辨荧光光谱

以初始荧蒽储备液为原始溶液，用色谱纯无水乙醇对原始溶液进行逐级稀释，最终将原始溶液稀释至16倍。分别以1，1/2，1/4，1/8，1/16标识原始溶液和逐级稀释的荧蒽乙醇溶液。经过逐级稀释的荧蒽乙醇溶液的时间分辨荧光光谱如图4所示。随着原始溶液的稀释倍数的增加，荧蒽荧光强度也逐渐减弱。逐级稀释后不同浓度的荧蒽乙醇溶液的时间分辨荧光光谱的变化特征具有一致性，随着延时时间由0ns逐渐增加到100ns的过程中，荧蒽最大荧光峰的强度呈现先增大，后减小的趋势，当延时时间由0ns增加到10ns的过程中，荧光强度逐渐增强，达到最高强度，当继续增加延时时间，荧光强度逐渐减弱。通过荧光强度衰减的曲线对荧蒽的荧光寿命进行拟合，得到不同稀释倍数的荧蒽乙醇溶液的荧光寿命如表1所示。

图4 不同浓度的荧蒽乙醇溶液的荧光强度衰减曲线

表1 不同浓度荧蒽乙醇溶液的荧光动力学参数

从表1中可以看到，随着荧蒽浓度的降低，荧光寿命增大，这可能是由于随着溶液浓度的减小，荧光分子间的距离增大，分子间相互作用力减小，分子间碰撞概率减小，导致共振能量转移效率减小，荧光荧光寿命延长。

3 结 论

研究了355 nm纳秒Nd∶YAG激光诱导激发荧蒽的时间分辨荧光光谱特性，研究结果表明，固定延时时间，随着光谱仪门宽宽度由10 ns增加到50 ns的过程中，荧蒽的荧光强度也呈现逐渐增强的变化趋势。通过固定门宽为20 ns，延时时间由0 ns逐渐增加到120 ns的过程中，荧蒽的荧光强度呈现先增大，后减小的趋势，在延时时间由0 ns增加到10 ns的过程中，荧光强度呈现增大的趋势，并当延时时间达到10 ns时，荧光强度最大，随后随着延时时间的继续增大，荧蒽荧光强度呈现衰减的趋势，荧光强度随延时时间的衰减过程符合指数衰减过程。将荧蒽乙醇溶液进行逐级稀释，获得不同稀释倍数的荧蒽乙醇溶液，利用指数拟合对荧蒽荧光强度与延时时间进行拟合，随着溶液浓度的减小，拟合得到的荧蒽荧光寿命延长。

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

[2] GUO Chu(郭 础). Introduction to Time-Resolved Spectroscopy(时间分辨光谱基础). 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(许 良，刘红婕，黄 进，等). High Power Laser and Particle Beams(强激光与粒子束), 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(杨亚男，孙海峰，朱亚先，等). Chinese Journal of Analytical Chemistry(分析化学), 2013, 41(10): 1465.

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[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

国家自然科学基金项目(61378041和61308063), 国家“863”计划项目(2013AA065502，2014AA06A509，2014AA06A513), 安徽省杰出青年科学基金项目(1108085J19)和安徽省自然科学基金项目(1508085JGD02, 1408085MD72)资助

肖 雪，女，1981年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所助理研究员 e-mail: xiaoxue@aiofm.ac.cn *通讯联系人 e-mail: njzhao@aiofm.ac.cn

O657.3

A

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